procesamiento digital de señales

1. Introducción al Procesamiento
Digital de Señales (DSP)

2. 2
Objetivo
 Exponer los aspectos generales del Introducción
al Procesamiento Digital de Señales (DSP).
 El alumno aprenderá las capacidades y
limitaciones de las herramientas relacionadas
con el Introducción al Procesamiento Digital de
Señales y conocerá sus principales áreas de
aplicación.
 Al finalizar este curso el alumno deberá ser
capaz de implementar una solución óptima de
procesamiento mediante el uso de estas
técnicas.

3. Definición
●
El procesamiento digital de señales se entiende por todas
aquellas técnicas destinadas al tratamiento de secuencias
de valores discretos.
●
El procesamiento digital de señales es una rama de las
telecomunicaciones y se dedica a la generación o
manipulación de señales mediante sistemas digitales.
●
En un sentido más estricto se centra en el almacenamiento,
transmisión y transformación de la información en el sentido
de la teoría de la información en la forma de, señales digitales
discretas.
Introducción

4. Evolución
●
Primeras aplicaciones (1960-1970s) orientadas hacia el
uso militar (detección de radar y sonar), hacia las
telecomunicaciones, algunas aplicaciones en medicina y
en la telemetría espacial.
●
La revolución de la microelectrónica (1980-1990s) causó
un gran crecimiento en las aplicaciones de los DSP's tanto
en dispositivos de telecomunicaciones como en sistemas
de control.
●
Actualmente se encuentran en la mayoría de los
sistemas digitales de mediana y alta complejidad
Introducción

5. Evolución
●
La producción a gran escala de procesadores de alto
desempeño produjo una notoria reducción de costos, lo que a
su vez ha impulsado el desarrollo de aplicaciones embebidas,
de sistemas con comunicaciones inalámbricas, así como la
generación constante de sistemas inteligentes.
Introducción

6. Áreas de Desarrollo
●
Audio, Imagen y Video.
●
Industria Automotriz.
●
Computación y cálculo numérico.
●
Comunicaciones.
●
Medicina.
●
Tecnología Militar.
●
Sistemas Eléctricos de Potencia.
●
Automatización, Robótica, etc.
Introducción

7. Audio, Imagen y Video.
●
Sintetizadores de audio, reproductores digitales de
música, reproductores de discos compactos y DVD's,
sistemas de teatro en casa (THX) y de reproducción Dollby
digital.
●
Aceleradores Gráficos, Compresión de imágenes y
video, Restauración de imágenes, equipos de realidad
aumentada, proyectores DLP, pantallas y televisores
planos, edición fotográfica y edición de video juegos
Introducción

8. Aplicaciones médicas
●
Sistemas de monitoreo y supervisión
●
Sistemas de rehabilitación y medicina deportiva
●
Sistemas de Dosificación
●
MRI, PET, SPECT, Ultrasonido
●
Tele-medicina
●
Equipo de ayuda
Introducción

9. Telecomunicaciones y redes
●
Transferencia de voz, datos y multimedia
●
Enlace con redes y troncales
●
Compresión de servicios de mensajería y correo
●
Monitoreo y distribución de tráfico
●
Modulación digital
●
Encriptación y Protocolos de seguridad
Introducción

10. Transporte
●
Sector Automotriz, de 40 a 100
procesadores con múltiples redes,
hasta 128 nodos (actuadores y
sensores)
●
Motor, Transmisión, Chasis,
Seguridad, Asistencia de manejo,
Confort y sistema de
entretenimiento
●
Sistemas críticos. Operación en
tiempo real
Introducción

11. Ejemplo: Aviónica

12. Aplicaciones Militares
●
Sistemas electrónicos usados en aeronaves, satélites
artificiales y naves espaciales.
●
Sistemas de control
●
Indicadores de vuelo
●
Sistemas de comunicación
●
Sistemas de navegación
●
Cajas negras
●
Radar, Sonar, sistemas de cámaras, contramedidas
electrónicas, etc ...
Introducción

13. Otras aplicaciones
●
Procesamiento de Imágenes
●
Reconocimiento de Patrones
●
Visión Robótica
●
Instrumentación y control
●
Reducción de ruido
●
Análisis espectral
●
Reconocimiento y Síntesis de voz
●
Etc.
Introducción

14. Diagrama de bloques:
Acondicionamiento de señal
Procesamiento: convolución,
correlación, DFT
Dispositivos para el procesamiento
digital: PC, microprocesadores,
microcontroladores, DSPs (Digital
Signal Processors), ASICs
(Application Specific Integrated
Circuit)
Procesamiento digital de señales
Adecuación de señal

15. Análogo vs Digital
• Análogo
– Resolución infinita
– Continuidad en el tiempo
– Continuidad en la amplitud
• Digital
– Números discretos
– Discontinuo en el tiempo
– De amplitud en intervalos discretos
• El Reto: Producir una representación digital
que adecuadamente represente los valores de
la señal analógica.

16. Sistemas analógicos
Dominio
Acoustico
Dominio
Electrico
Dominio
Acoustico

17. Sistema Programable
Dominio
Acoustico
Dominio
Acoustico
Dominio
Electrico
Dominio Digital

18. Sistema Digital
Dominio
Acoustico
Dominio
Electrico
Dominio
Electrico
Dominio
Acoustico
Dominio
Digital

19. ¿Por que digital?
Flexibilidad
Programabilidad
Reproducibilidad y Precision (!)
Procesamiento Avanzado de Señales
– Compresión Multicanal
– Modulación precisa de frecuencia
– Cancelación de perturbaciones y ecos
– Reducción de ruido
– Procesamiento Direccional

20. Aplicaciones de los DSP's
Análisis y
visualización de
señales digitales,
Grabaciones
digitales,
procesamiento y
reproducción,
síntesis de señales
digitales

21. Temas relacionados con DSP's
Convertidores A/D
Convertidores D/A
Muestreo
Cuantización
Aliasing
Filtro Anti-aliasing
Algoritmos y
Sobre-muestreo

22.  DSP’s Dispositivos orientados al
procesamiento digital de señales
 Señal Definición: Es una
cantidad física cuantificable
(e.g. voltaje, corriente, o campo
magnético) por medio de la cual
puede relacionar o transmitir
datos o información a otro
medio.
Introducción a las Plataformas

23. Características:
– Las señales son Magnitudes que representan variable físicas:
– Son mensurables
– Son analógicas
– Contienen Información.
Ejemplos:
– Temperatura [oC]
– Presión [Newtons/m2] o [Pa]
– Masa [kg]
– Velocidad [m/s]
– Acceleración [m/s2]
– Torque [Newton*m]
– Voltaje [Volts]
– Corriente [Amps]
– Energía [Watts]
En esta clase, las señales serán eléctricas.
– Sensores: son dispositivos que convierten las magnitudes físicas
(temperatura, presión, etc.) a señales eléctricas.
Introducción a las Plataformas

24. Extracción de Información
– Amplitud
– Fase
– Frecuencia
– Contenido Espectral
Modificación y multiplexión de Señales
– FDMA (Frequency Division Multiple
Access)
– TDMA (Time Division Multiple
Access)
– CDMA (Code Division Multiple
Access)
Compresión de Datos
– ADPCM (Adaptive Differential Pulse
Code Modulation)
– CELP (Code Excited Linear
Prediction)
– MPEG (Moving Picture Experts
Group)
– HDTV (High Definition TV)
Retroalimentación y Señales de Control
– Robótica
– Manufactura de Vehículos
– Control de procesos
Separación Señal y Ruido
– Filtrado
– Autocorrelación
– Convolución
Almacenamiento de Señales en formato
Digital para su Análisis
– FFT
– DFT
– …
Introducción a las Plataformas
Espectro de aplicaciones

25. Introducción a las Plataformas
32-bit ARM
Cortex™-M3
MCUs
16-bit ultra-
low power
MCUs
DSP
DSP+ARM
ARM
Cortex-A8
MPUs
TI Embedded Processors
Digital Signal Processors (DSPs)
Microcontrollers (MCUs) ARM®
-Based Processors
32-bit
real-time
MCUs
Stellaris®
ARM®
Cortex™-M3
Up to
100 MHz
Flash
8 KB to 256 KB
USB, ENET
MAC+PHY CAN,
ADC, PWM, SPI
Connectivity, Security,
Motion Control, HMI,
Industrial Automation
$1.00 to $8.00
C2000™
Delfino™
Piccolo™
40MHz to
300 MHz
Flash, RAM
16 KB to 512 KB
PWM, ADC,
CAN, SPI, I2
C
Motor Control,
Digital Power,
Lighting, Ren. Enrgy
$1.50 to $20.00
Sitara™
ARM®
Cortex™-A8
& ARM9
300MHz to
>1GHz
Cache,
RAM, ROM
USB, CAN,
PCIe, EMAC
Industrial computing,
POS & portable
data terminals
$5.00 to $20.00
MSP430™
Up to
25 MHz
Flash
1 KB to 256 KB
Analog I/O, ADC
LCD, USB, RF
Measurement,
Sensing, General
Purpose
$0.25 to $9.00
Ultra
Low power
DSP
C5000™
Up to 300 MHz
+Accelerator
Up to 320KB RAM
Up to 128KB ROM
USB, ADC
McBSP, SPI, I2
C
Audio, Voice
Medical, Biometrics
$3.00 to $10.00
Multi-core
DSP
C6000™
24.000
MMACS
Cache
RAM, ROM
SRIO, EMAC
DMA, PCIe
Telecom T&M,
media gateways,
base stations
$40 to $200.00
C6000™
DaVinci™
video processors
OMAP™
300MHz to >1Ghz
+Accelerator
Cache
RAM, ROM
USB, ENET,
PCIe, SATA, SPI
Floating/Fixed Point
Video, Audio, Voice,
Security, Confer.
$5.00 to $200.00
Portafolio de productos

26. Control de
Motores
No tradicional
Redes ópticas
Control de diodos láser
Control de
Motores
Industriales
Enseres
Domésticos
Inversores
Solares
Sector Médico
Automotriz
Enseres de
Consumo
Sistemas de respaldo
y control de energía
Aplicaciones de la familia C2000 de TI

27. Introducción a las Plataformas
Ejemplo: telefonía digital

28. GPP Disp. Dedicado
Memoria
Progama + Datos
ALU, Registros
Memoria Programa
L1 S1 M1 A1 L2 S2 M2 A2
Registros Registros
Memoria Datos
L:ALU S:Shift M:Multiply A:Address
Introducción a las Plataformas
Dispositivos Programables - GPP vs DSP

29. Implementación de un filtro pasa-bajo
¿Por que usar los DSP’s?
Ejemplo de un filtro Activo de 3er orden

30. Performance
Power
ARM
Cortex
A8
Cortex
M3
Code Compatibility (ISA)
ARM DSP 64x
M3
C6000
C64x
Multi-core
MSP430
C5000
C2000
ARM Core
DSP
DM3xx
DM644x
DM646x
Cortex
A8
ARM9
C674x
OMAP35x
OMAP4
OMAP-L1X
OMAP5

31. Diseño de Sistemas
Parámetros de diseño DSP's
Throughput
●
MIPS / Tiempo de Ejecución
●
Capacidad Aritmética
Memoria
●
Almacenamiento / Flujo de Datos
●
Capacidades de direccionamiento
Entradas / Salidas
●
Interfaces / ancho de banda
●
Formato de datos
Proceso de
Control
Almacenamiento
Rx
Comunicaciones
DSP's
Tx

32. Diseño de Sistemas
Metodología
1) Definición de Requerimientos
2) Análisis de la Señal
●
Características, ruido y velocidad.
3) Diseño del proc. digital
●
Operaciones primitivas
●
Análisis aritmético.
4) Análisis de Recursos
5) Análisis de Configuración (HW)
2
4
1
3
Ok?
5
Ok?
No
No
Yes
Yes