Introdução ao Processamento Digital de Sinais

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Introdução ao

Processamento Digital de Sinais

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O que chamamos de DSP?

• Porquê usamos DSP?

• Áreas de aplicação. Conceitos Básicos de sinais contínuos

• Descrição de sinais contínuos,

• operação em sinais contínuos;

• transformada de Fourier Direta e Inversa;

• a Transformada de Laplace;

• filtragem de sinais contínuos. Conceitos Básicos de sinais amostrados O quê desejamos com DSP?

• Remover interferências como o ruído, a distorção, o fading,...

Objetivos

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Objetivos

Objetivos de um Curso de DSP:

• Dar ao estudante uma visão da disciplina, das ferramentas disponíveis

e aplicações potenciais.

Preocupação da DSP:

• DSP se preocupa com a representação de sinais por seqüências de

números/símbolos como também o processamento destas

seqüências.

Propósito da DSP:

• Estimar parâmetros característicos do sinal e transformá-lo numa

forma mais desejável.

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Objetivos

Base Teórica :

• Sinais amostrados. Quais são as vantagens de trabalhar neste

domínio? Quais são as ferramentas matemáticas disponíveis?

Aplicações Potenciais :

• Áreas de aplicação/uso.

Recursos em Hardware:

• O que é um processador DSP?

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Objetivos

As raízes da DSP: Séculos 17 e 18 (matemática).

• Até recentemente, processamento de sinais era utilizado em

equipamentos analógicos. Durante os anos 50 no entanto, para a

análise de dados geofísicos, dados armazenados em fitas magnéticas,

para posterior processamento num grande computador digital

(minutos, horas ou dias eram necessários para processar segundos

de dados).

• Simulação de sistemas num computador digital antes de implementá-

lo em hardware.

• Aplicação da FFT: Vinculada ao conceito de tempo discreto. A FFT foi

desenvolvida para computar a Transformada de Fourier de um sinal

discreto que é exato no domínio do tempo discreto.

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O quê chamamos de DSP?

A disciplina: DSP, Digital Signal Processing, compreende os

fundamentos matemáticos e algoritmos que descrevem como processar,

num sistema digital, informação associada com sinais existentes no

mundo real.

• Digital: quando operações são realizadas num sistema digital

• Sinal: alguma coisa que carrega informação (aleatórios e determi-

nistico)

• Processamento:realização de operações num sinal para extrair e

modificar a informação transportada pelo sinal.

O DISPOSITIVO: O processador DSP inclui certas soluções de funções

especializadas implantadas em hardware que facilitam a execução de

algoritmos incluído CPU’s e outros componentes customizados.

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Disciplina: Processamento Digital de Sinais

Base Matemática:• Modelagem de sinais contínuos. A Série e a Transformada de

Fourier. Transformada de Laplace. Filtros Analógicos.

• Convolução e Correlação.

• Sistemas amostrados, quantificação de sinais, quantificação de ruído.

• Modelagem de sinais amostrados. A Transformada Z.

• A Transformada Discreta de Fourier (DFT), Transformada Coseno Discreta (DCT) e outras transformadas (Wavelets, Hartley, ...).

Algoritmos:• A Fast Fourier Transform (FFT).

• Outros algoritmos: (Ex: O algoritmo de Goertzel, ...

• Projeto de filtros digitais.

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Áreas de aplicação: Comunicações

Filtragem e compressão de áudio e vídeo, cancelamento

de ruído: equalização e tratamento não linear para melhorar a

relação sinal/ruído ou o uso de banda larga (Ex: ADPCM,

MPEG2, MP3, FAX)

Modems: métodos de modulação e demodulação digital de

dados sobre um canal de banda larga e ruído próprio. Ex:

(ASK, FSK, PSK, DPSK, QAM, TCM)

Reconhecimento da palavra: para automatização de

interfaces ao usuário (Ex: sistemas IVR)

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Áreas de aplicação: Comunicações

Sinalização: envio e deteção de informação de controle sobre

um canal de voz ou dados (Ex: DTMF, R2, Caller ID).

Cancelamento de ecos: para compensar ecos em sistemas de

elevado tempo de propagação (Ex: VOIP: Voz sobre IP) ou com

elevado tom local (telefonia de mão livres).

Encriptado: para comunicação seguras.

Deteção e correção de erros: agregado de dados para a

informação transmitida com o objetivo de detectar e corrigir

eventuais erros de recepção.

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Áreas de aplicação: Comunicações

Empacotamento/desempacotamento de mensagens: em

aplicações como ATM e Frame Relay.

Telefonia celular: manejo dinâmico de freqüências e potências

em estações base.

Multiplexadores E1: para uso combinado de dados e voz.

Switches PBX: para centrais telefônicas digitais.

Síntese digital direta: para estações de broadcast totalmente

digitais.

Tratamento de sinais de RF: telefonia celular, modulação e

demodulação digital, spread-spectrum

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Áreas de aplicação:instrumentação

Medicina: tomografia, MNR, ecografia, scanners,

eletrocardiograma, eletroencefalograma, diagnóstico assistido.

Visão artificial e OCR (Optical Character Recognition)

Telemetria: monitoria de recursos satelitais, prospeção

petrolífera, mineral e submarina.

Sonar e radar: radar de abertura sintética, arrays de antenas,

deteção de brancos móveis, deteção doppler, navegação,

oceanografia

Instrumental: analisadores de rede, de espectro, etc....

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Áreas de aplicaçãoIndústria

Controle de motores: robótica, sistemas de transporte, sistemas

de impressão, controle de cabeçotes em sistemas de

armazenamento massivo de dados (discos rígidos, DVD, etc.)

Control de processos: controladores PID, controle adaptativo

Análise de vibrações: deteção preventiva de falhas por análise de

espectro de vibrações

Sistemas de navegação: GPS, piloto automático, sistemas de

guia de mísseis, etc

Controle de potência: correção do fator de potência, inversores,

variadores de freqüência, fontes de alimentação.

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Áreas de aplicação:consumo

Telefonia: Caller ID, geração DTMF, deteção de DTMF, call

progress e pulsos de tarifação (16kHz)...

Automotiva: Air-Bags, controle de combustão, injeção

eletrônica e controle de emissão, freios ABS, etc...

Eletrodomésticos inteligentes: geladeiras, máquinas de lavar

roupas, ar condicionado...

Sistemas de áudio semi-profissionais para residências:

surrounding sistems.

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Áreas de aplicação:consumo

Equipamentos de música: órgãos eletrônicos, sintetizadores

Rádio digital e televisão: Set-Top boxes

Domótica e sistemas de segurança domiciliar

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Dispositivo: Processador Digital de Sinais

No que se difere um processador DSP de uma CPU tradicional?

Por suas aplicações de software:• aplicações cíclicas, de duração curta, onde se requer altíssima

eficiência de execução;

• em sistemas operativos, para evitar o overhead do scheduling.

• uso em Assembler e dialetos especiais da linguagem C para otimizar o código;

• algoritmos usuais:

– filtragem

– convolução (interação de dois sinais)

– correlação (comparação entre sinais)

– transformação (não linearidade, retificação,..)

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Dispositivo: Processador Digital de Sinais

No que se difere um processador DSP de uma CPU tradicional?

Por seus recursos de hardware:• disponibilidade de modos de direcionamento especializados (Ex: bit-

reversal, filas circulares);

• várias unidades de processamento operando em forma concorrente (MAC, Barrel Shift);

• operações aritméticas especiais (saturação);

• alguns DSP’s com unidades de ponto flutuante;

• esquema de Timing e Interrupções orientadas a ações em tempo real

• poucos ou nenhum recursos que geram latências, como memória virtual, caches, etc.

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Elementos de caracterização de um hardware em DSP

Arquiteturas do tipo HARVARD com mapas de dados e

instruções separadas;

dois ou mais mapas de memória de dados que permitem ler

concorrentemente operandos e coeficientes;

manejo especializado de ponteiros de direção através de

unidades de cálculo dedicadas;

opções para a digitalização e captura de sinais com intervalos

regulares (DMA);

recursos internos ou dispositivos periféricos especializados

para a conversão A/D e D/A de sinais, assim como para a

filtragem antiálias e para a reconstrução.

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Elementos de caracterização de um hardware em DSP

Elevada capacidade de processamento aritmético de dados em

tempo real, com elevada precisão, para evitar problemas de

arredondamento e truncamento;

etapas Multiplicadora / Acumuladora (MAC) apta para resolver

equações do tipo A = A + (B x C) em um único ciclo;

circuitos BS (Barrel Shifter) para deslocar um dado vários bits a

direita / esquerda em um único ciclo de instrução;

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Elementos de caracterização de um hardware em DSP

uma ALU (Arithmetic Logic Unit) operando de forma

independente ao MAC e ao BS;

códigos de operação para controlar ao MAC, ALU e BS em uma

única instrução (várias operações concorrentes );

laços interativos de overhead nulo.

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Porquê usar Processamento Digital de Sinais?

Parâmetro ou característica

Processamento analógico de sinais

Processamento digital de sinais

Precisão obtida 1% al 10% 2^(-16)...2^(-24)

Efeitos espúrios Temperatura, umidade, envelhecimento, ruído

Arredondamento /truncagem

Custo e tamanho elevado baixo / mediano

Confiabilidade média elevada

Relação sinal/ruído 50 a 60 dB 100 ou mais dB

Calibração Manual Não necessária ou digital

Adaptabilidade Completa Simples

Sinais 2D o 3D Não processável Processável

Atualização Mudança de hardware Software

Consumo de potência Elevado Baixo

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Esquema de um sistema DSP

filtro+ A/Dfiltro+ A/D

DSPDSP

Entradasanalógicas

Entradasdigitais:Codificador Shaft, sensores, alarmes, CAN, ISP, UART, etc..

Saídasanalógicas

SaídasdigitaisI/O Padrão, PWM, CAN, ISP, UART, etc..

D/A +filtro

D/A +filtro