Procesadores digitales de señal (PDS) DSP: Digital Signal Processors (procesadores) DSP: Digital Signal Processing (técnicas matemáticas) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Bibliografía DSP Processor Fundamentals. Architectures and Features. P. Lapsley, J. Bier, A. Shoham, E.A. Lee. IEEE Press, 1997 (http://www.BDTI.com) A simple approach to Digital Signal Processing. C. Marven, G. Ewers. Texas Instruments, 1994 (http://dspvillage.ti.com) The Scientist and Engineer’s Guide to Digital Signal Processing. S.W. Smith.California Technical Publishing, 1997 (http://www.dspguide.com) Introduction to DSP. Curso on-line. http://www.bores.com/courses/intro/index.htm Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Interés y actualidad del PDS Vivimos en un mundo digital Infinidad de aplicaciones del PDS: multimedia: voz / sonido / imagen robótica medicina y otras muchas más........... Internet: google: búsqueda: DSP aprox. 2.020.000 entradas! sólo en castellano, aprox. 14.500 Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Introducción (1) DSP: Digital Signal Processing Procesado digital de señales (PDS) Señales: magnitudes físicas que contienen información sobre un fenómeno natural Señales más habituales en aplicaciones informáticas: temperatura presión desplazamiento sonido / voz imagen Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Introducción (2) Procesado de las señales Captación, adquisición de la señal sensores, transductores Para extraer la información de la señal procesamiento de la señal Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Introducción (3) Señales naturales: analógicas (continuas) Procesamiento analógico (amplificadores) Procesamiento digital muestrear la señal y digitalizarla (CAD) ¿microprocesador convencional? tratamiento digital pero no DSP DSP específicamente: tratamiento de la señal en el dominio de la frecuencia Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Introducción (4) Acondicionamiento (amplificación, filtrado) Muestreo Captación (sensores, transductores) Acondicionamiento (amplificación, filtrado) Muestreo Conversión A/D Procesamiento analógico (amplificadores) Procesamiento digital Conversión D/A Aplicación (actuadores) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Procesamiento analógico (1) Características (desventajas) Solución específica para cada aplicación Alta sensibilidad a los componentes Tolerancias de resistencias y condensadores (falta de precisión) Diferencia de ganancia entre transistores aparentemente iguales Derivas térmicas Envejecimiento Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Procesamiento analógico (2) Alto grado de incertidumbre en el comportamiento de cada circuito concreto Necesidad de ajustes (desplazamiento del cero u offset, de ganancia) Pérdida de tiempo caso por caso en soluciones particulares Coste añadido al diseño Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Inicios del PDS (1) 1950-1960: diseñadores de sistemas de procesamiento analógico necesidad de simularlos antes de construir caros prototipos matemáticas / algoritmos herramienta obvia para la simulación: el ordenador digital arquitecturas más eficientes simulaciones más rápidas Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Inicios del PDS (2) Salto obvio: de la simulación al tratamiento digital de la señal real cambio de objetivos: tratamiento en tiempo real desarrollo de mejores algoritmos desarrollo tecnológico de procesadores digitales específicos Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Procesamiento digital (1) Características (ventajas) Programabilidad: procesador genérico / sólo el algoritmo dependiente de la aplicación Estabilidad (no le afectan ni la temperatura ambiente ni el envejecimiento) Repetibilidad (independiente de la tolerancia de los componentes) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Procesamiento digital (2) Características (ventajas) Consumo (más bajo, sobre todo en CMOS) Coste (en muchas aplicaciones, más barato) Calibración (ni ajustes ni mantenimiento sistemático) Número de chips (puede reducirse) Algoritmos adaptativos (muy difíciles o imposibles con tecnología analógica) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Procesamiento digital (3) Desventajas: Señales reales: analógicas. Variable continua; precisión infinita (rango y dominio: continuos). Deben ser muestreadas y digitalizadas: secuencia discreta de valores discretos (rango y dominio: discretos) Errores en el muestreo y en la digitalización Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Tipos de señales 4 tipos básicos en PDS: Analógicas, x(t): amplitud y tiempo continuos Muestreadas, xS[n]: tiempo discreto, amplitud continua Cuantizadas, xQ(t): tiempo continuo, amplitud discreta Digitales, xQ[n]: tiempo y amplitud discretos XS[n] XQ[n] X(t) . . . XQ(t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . t n t n Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Muestreo (1) Toma de valores de la señal en instantes de tiempo prefijados: frecuencia de muestreo, fs (periodo de muestreo) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Muestreo (2) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Muestreo (3) Problema: reconstrucción de la señal original Pérdida de información en el muestreo, dependiendo de la frecuencia de muestreo en relación a la frecuencia de la señal concreta a muestrear Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Muestreo (4) Ejemplo 1: Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Muestreo (5) Ejemplo 2: Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Muestreo (6) Pérdida de información en el muestreo. Errores de “aliasing” (enmascaramiento de la señal): Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Muestreo (7) ¿Cómo determinar la frecuencia de muestreo para evitar el “aliasing”? Señal analógica variable. Análisis de Fourier: cualquier señal está compuesta por señales sinusoidales de diferentes frecuencias. Teorema de Shannon del muestreo. Frecuencia de Nyquist de muestreo: doble de la máxima frecuencia presente en la señal a muestrear Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Análisis de Fourier Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Espectro frecuencial (1) Conjunto de frecuencias que componen una señal determinada Ejemplos: de una sinusoidal pura: espectro discreto Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Espectro frecuencial (2) de una señal cualquiera: espectro continuo Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Muestreo y espectro frecuencial (1) Espectro frecuencial de la señal muestreada: se repite cada fs fs > 2fm Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Muestreo y espectro frecuencial (2) fs < 2fm: solapamiento espectral = aliasing Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Muestreo y espectro frecuencial (3) Si la señal original tiene un espectro muy ancho: Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Muestreo y espectro frecuencial (4) solapamiento seguro: ¿aliasing inevitable? Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Filtro anti-aliasing (1) Para evitar el aliasing: filtro pasa-baja previo al muestreo elimina las frecuencias más altas de la señal Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Filtro anti-aliasing (2) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Eliminación de glitches (1) consecuencia directa del muestreo: Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Eliminación de glitches (2) consecuencia del filtro pasa-baja: Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Digitalización. CAD (1) En la conversión analógico-digital se pierde información debido a: Imprecisiones en la medida Incertidumbre en la temporización Limitaciones en la duración de la medida Errores de cuantificación no-lineales, dependientes de la señal Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Digitalización. CAD (2) precisión limitada: Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Digitalización. CAD (3) Incertidumbre en el reloj: Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Digitalización. CAD (4) ruido de cuantificación: Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Digitalización. CAD (5) ruido de cuantificación: Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Reconstrucción de la señal Filtro en la salida: Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Sistema PDS completo Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Aplicaciones del PDS (1) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Aplicaciones del PDS (2) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04