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Digital Signal ProcessingTRANSCRIPT
Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04
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Procesadores digitales de señal (PDS)
DSP: Digital Signal Processors(procesadores)
DSP: Digital Signal Processing(técnicas matemáticas)
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Inicios del PDS (1)
Años 1960-70:• Primeros computadores digitales• Muy caros• DSP limitada a unas pocas aplicaciones muy críticas
Esfuerzos pioneros en:• Radar y sonar: seguridad nacional• Exploración petrolífera: posibilidad de obtener grandes
cantidades de dinero• Exploración del espacio: los datos son irreemplazables• Imágenes médicas: para salvar vidas
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Inicios del PDS (2)
Años 1980-90:• La revolución de los computadores digitales: el PC• Cada vez más baratos• Grandes avances tecnológicos: chips DSP específicos
DSP en productos comerciales para el gran público:
• Teléfonos móviles• Reproductores de CDs• Correo electrónico por voz
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Ejemplos concretos (1)
Sistema ABS de alta fiabilidad con controlador digital de señal
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Ejemplos concretos (2)
Sistema de suspensión activa
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Ejemplos concretos (3)
Sistema controlador de disco
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Características
Los sistemas DSP suelen tener una serie de características comunes: Algoritmos: operaciones aritméticas Frecuencia de muestreo Frecuencia de reloj Tipos de datos aritméticos
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Algoritmos
El algoritmo especifica la operación aritmética que debe realizar el DSP pero no cómo se debe implementar Velocidad/ precisión aritmética
• Software• En un procesador ordinario• DSP programable
• Hardware• ASIC
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Algoritmos típicos (1)
Codificación y decodificación de voz• Teléfonos digitales celulares, sistemas de
comunicación personal, teléfonos digitales inalámbricos, computadores multimedia, comunicaciones seguras
Encriptación y desencriptación de voz
• Teléfonos digitales celulares, sistemas de comunicación personal, teléfonos digitales inalámbricos, comunicaciones seguras
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Algoritmos típicos (6) Composición de imágenes
• Computadores multimedia, video de consumo, interfaces de usuario avanzadas, navegación
Formación de imágenes• Navegación, imágenes médicas, radar/sonar,
inteligencia de las señales
Cancelación del eco• Micrófonos, modems, conmutadores telefónicos
Estimación espectral• Inteligencia de las señales, radar/sonar, audio
profesional, música
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Ejemplo: filtros digitales (1)
Operación básica de procesado de señales Bloquear o dejar pasar determinadas
frecuencias presentes en la señal Filtro más sencillo: promediador (tapped delay
line) = filtro pasa-baja• Ejemplo: promediador de 4 muestras
4
)3()2()1()()(
nxnxnxnxny
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Ejemplo: filtros digitales (2)
• Operaciones aritméticas:• Sumas• Multiplicaciones (1/4)• Retardos (n, n-1, n-2, n-3)
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Ejemplo: filtros digitales (3)
• En general:
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Ejemplo:correlación (1) Sirve para comparar dos señales en el
dominio temporal• Una desplazada con respecto a la otra
• Aplicación: radar, sonar• Operaciones aritméticas:
• Sumas• Multiplicaciones• Desplazamientos (retardos)
f
k
knxktny0
][][][
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Ejemplo:convolución (1)
Similar a la correlación:
• Posible interpretación: filtro de coeficientes t[k]• Operaciones aritméticas:
• Sumas• Multiplicaciones• Desplazamientos (retardos)
f
k
knxktny0
][][][
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Ejemplo:convolución (2)
Filtro FIR (Finite Impulse Response)
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Algoritmos: resumen (1) En la gran mayoría de los algoritmos
típicos de PDS:• Operaciones aritméticas:
• Sumas• Multiplicaciones• Desplazamientos (retardos)
• Denominadas MAC (multiply-accumulate)
DSP: ruta de datos adecuada para MAC• Multiplicación en un sólo ciclo
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Algoritmos: resumen (2)
• Multiplicación : generalmente, lenta• Necesidad de acelerarla
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Algoritmos: implementación Diferencia esencial entre un DSP
(procesador digital de señal específico) y un microprocesador o microcontrolador convencionales:
• El DSP diseñado específicamente para tareas de cálculo intensivas, repetitivas y de alto rendimiento
• Microprocesador: no especializado para una tarea concreta
• Microcontrolador: especializado para tareas de control
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Frecuencia de muestreo (1)
Velocidad de muestreo: velocidad a la que las muestras son consumidas, procesadas o producidas Tiempo real La aplicación concreta condiciona la
tecnología de implementación del algoritmo
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Frecuencia de muestreo (2)
Dependiente de la aplicación:
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Frecuencia de muestreo (3)
Restricciones de tiempo real duras Ejemplo: convertidor de CD a cinta
magnética• CD: 44,1 kHz• Cinta magnética: 48 kHz
• Muestras del CD cada 22,7 s• Convertidor debe producir muestras a la salida
cada 20,8 s• Si se pierde alguna muestra: señal de salida
corrupta
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Frecuencia de reloj
Importante: relación entre la frecuencia de reloj del DSP y la frecuencia de muestreo (f/fm) Determina la implementación: cantidad de
hardware necesario para implementar en tiempo real un algoritmo de una determinada complejidad
• A menor razón f/fm, más hardware y más complejo
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Tipos de datos aritméticos
Coma flotante versus coma fija Ancho de palabra: precisión