PROCESSAMENTO DIGITAL DE PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAISSINAIS
Evaldo Gonçalves PelaesAldebaro Klautau
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - PPGEE
Universidade Federal do Pará - UFPATel: (091) 3181-1634
Email: {pelaes, aldebaro}@ufpa.br
Introdução ao Processamento Digital de SinaisIntrodução ao Processamento Digital de Sinais
Sinais e Sistemas Discretos no TempoSinais e Sistemas Discretos no Tempo
Transformada ZTransformada Z
Amostragem de Sinais Contínuos no TempoAmostragem de Sinais Contínuos no Tempo
Análise de sistemas LTI no Domínio TransformadoAnálise de sistemas LTI no Domínio Transformado
Análise de Estruturas de Sistemas Discretos noAnálise de Estruturas de Sistemas Discretos no
Tempo. Filtros FIR e IIR.Tempo. Filtros FIR e IIR.
Transformada de Fourier Discreta (DFT) Transformada de Fourier Discreta (DFT)
Esboço do CursoEsboço do Curso
BibliografiaBibliografia
• Oppenheim, A. V.; Schafer, R. W. , “Discrete -Time Signal Processing”, Prentice-Hall, 2rd edition, 1998.• Oppenheim, A., A. S. Willsky, “Signal and Systems”, Prentice-Hall, 2rd edition, 1997.•Mitra, S. K.,“Digital Signal Processing: A Ccomputer-Based Aproach”, McGraw-Hill, 2rd edition, 2001.
• Mitra, S. K.,“Digital Signal Processing Laboratory Using Matlab”, McGraw-Hill, 1999.
Perspectiva Histórica de PDSPerspectiva Histórica de PDS
Cálculos
Métodos numéricos
1600’s 1700’s 1950’s 1965 1980’s Futuro
Processamento de sinais com computadores com sistemas
analógico & digital
Fast Fourier Transform(FFT)
Tecnologia ICchips DSP
Micro-eletrônica com Tecnologia VLSI
Historicamente (antes dos computadores e processadores Historicamente (antes dos computadores e processadores digitais), a Engenharia Elétrica lidava principalmente com digitais), a Engenharia Elétrica lidava principalmente com sinais contínuos no tempo ou contínuos no espaço.sinais contínuos no tempo ou contínuos no espaço.
Tipos de Sinais “Contínuos”Tipos de Sinais “Contínuos”
– Sinais contínuos no tempoSinais contínuos no tempo: definidos para qualquer : definidos para qualquer instante de tempo sobre um domínio ou intervalo instante de tempo sobre um domínio ou intervalo contínuo, ou ainda uma união de intervalos.contínuo, ou ainda uma união de intervalos.
– Sinais de amplitude contínuaSinais de amplitude contínua: assumem qualquer valor : assumem qualquer valor de uma região contínua, um número incontável de de uma região contínua, um número incontável de possíveis valores.possíveis valores.
– Sinais Analógicos:Sinais Analógicos: Ambos, contínuo no tempo e contínuo Ambos, contínuo no tempo e contínuo em amplitude.em amplitude.
Sinais AnalógicosSinais Analógicos
Após a invenção de computadores e processadores digitais, Após a invenção de computadores e processadores digitais, os sinais discretos, em amplitude e tempo, passaram a ter os sinais discretos, em amplitude e tempo, passaram a ter grande interesse na Engenharia Elétrica. grande interesse na Engenharia Elétrica.
Tipos de Sinais “Discretos” Tipos de Sinais “Discretos”
– Sinais Discretos no Tempo:Sinais Discretos no Tempo: Assumem somente valores Assumem somente valores contidos em um conjunto de pontos contáveis sobre uma contidos em um conjunto de pontos contáveis sobre uma linha real e esses instantes de tempo são igualmente linha real e esses instantes de tempo são igualmente espaçados.espaçados.
– Sinais Discretos em Amplitude:Sinais Discretos em Amplitude: Assumem valores Assumem valores dentre um conjunto de valores reais, discretos, contáveis e dentre um conjunto de valores reais, discretos, contáveis e finitos.finitos.
– Sinais DigitaisSinais Digitais - Ambos: Discretos no tempo e discretos - Ambos: Discretos no tempo e discretos em amplitude.em amplitude.
Sinais DigitaisSinais Digitais
Exemplo de sinais: a) Contínuo no tempob) Sequências de amostras obtidas para T = 125 s
Sinal discreto no tempo
Processamento Digital de SinaisProcessamento Digital de Sinais Processamento ou manipulação de sinais Processamento ou manipulação de sinais usando técnicas digitaisusando técnicas digitais
A/D D/AProcessamento
Digital
Conversor Analógico
Digital
ConversorDigital
Analógico
Sinal de entrada
Sinal de Saída
Modificar a apresentação de um sinal paraModificar a apresentação de um sinal para
- Facilitar a supressão de alguma componente. Ex. redução- Facilitar a supressão de alguma componente. Ex. redução
de ruído.de ruído.
- Realçar alguma componente. Ex. imagens médicas.- Realçar alguma componente. Ex. imagens médicas.
- Extrair ou isolar alguma informação.- Extrair ou isolar alguma informação.
- Permitir a implementação de sistemas em software. - Permitir a implementação de sistemas em software.
- Armazenar e transmitir imagens utilizando métodos de - Armazenar e transmitir imagens utilizando métodos de codificação e compressão para a redução do tamanho de codificação e compressão para a redução do tamanho de um arquivos, etc.um arquivos, etc.
Objetivo do Processamento de SinaisObjetivo do Processamento de Sinais
Processamento Digital de SinaisProcessamento Digital de Sinais
ConteúdoRepresentação, Transformação
Manipulação
AplicaçõesJogos de diversão,
Telecomunicações, Medicina,Processamento de Vídeo, voz,
etc.
AbrangênciasTeoria, Aplicações,
Tecnologias
Onde é usado PDS?Onde é usado PDS?
……E muito mais!E muito mais!
Processamento de VozProcessamento de Voz
Codificação/compressão de VozCodificação/compressão de Voz Síntese de vozSíntese de voz Reconhecimento de vozReconhecimento de voz
Codificação de vozCodificação de voz
BTS
BSC
MSC
TRAU
64 kbits/s
13 kbits/s
22.8 kbits/s
Sistema de Reconhecimento de FalaSistema de Reconhecimento de Fala
Extração decaracterísticas
Sinal de voz
Reconhecimento de fenemas
Modelos de fenenas
Reconhecimento de sentença
Reconhecimento de palavras
pronúncia Semântica
Decisão
Sintax Diálogo
Digital AudioDigital Audio
CD de música padrão:CD de música padrão:– Taxa de amostragem: 44.1 kHzTaxa de amostragem: 44.1 kHz– 16-bits/amostra16-bits/amostra– 2 canais stereo2 canais stereo– Transferencia de dados = 2Transferencia de dados = 2161644,100 = 44,100 = 1.4 1.4
Mbits/sMbits/s– 1 hora de música = 1.41 hora de música = 1.43,600 = 3,600 = 635 MB635 MB
Codificação de ÁudioCodificação de Áudio
Padrões:Padrões:– MPEG: Camadas I, II, e III (MP3); AAC.MPEG: Camadas I, II, e III (MP3); AAC.
» Usado em DAB, DVD.Usado em DAB, DVD.
– Dolby AC3, Dolby Digital, Dolby Surround.Dolby AC3, Dolby Digital, Dolby Surround. Taxa típica de bits para 2 canais stereo:Taxa típica de bits para 2 canais stereo:
– 64kbits/s a 384 kbits/s.64kbits/s a 384 kbits/s.
Codificação de ÁudioCodificação de Áudio
– Left, Right, Centre,Left, Right, Centre,– Left Surround, Right Surround,Left Surround, Right Surround,..
• Típico 3/2 multicanal stereo (configuração)
RightSurround
Right
Surround Left
Centre
Left
Imagem/VídeoImagem/Vídeo Codificação de imagem parada:Codificação de imagem parada:
– JPEG (Joint Photographic Experts Group):JPEG (Joint Photographic Experts Group):
Baseado na DCT (Discrete Cosine Transform) Baseado na DCT (Discrete Cosine Transform)
– JPEG2000: Baseado na Transformada Wavelet JPEG2000: Baseado na Transformada Wavelet Codificação de Vídeo:Codificação de Vídeo:
– MPEG (Moving Pictures Experts Group):MPEG (Moving Pictures Experts Group):
Baseado na DCTBaseado na DCT
Predição interframe e intraframePredição interframe e intraframe
Estimação e compensação de movimento.Estimação e compensação de movimento.– Aplicações: TV digital, DVD, etc.Aplicações: TV digital, DVD, etc.
JPEG: ExemploJPEG: ExemploOriginal
JPEG (100:1)JPEG (4:1)
Contraste Detecção de bordas Imagem distorcida
Realce de Imagens
Filtragem high-boost
Versátil:Versátil: é fácil de programar e reprogramar. é fácil de programar e reprogramar.
Alta precisão:Alta precisão: Pode-se especificar a precisão desejada, Pode-se especificar a precisão desejada,
bastando para isso um algoritmo apropriado. bastando para isso um algoritmo apropriado.
Custo:Custo: sistemas digitais são pequenos, baratos e consomem sistemas digitais são pequenos, baratos e consomem
pouca energia.pouca energia.
Velocidade:Velocidade: limitada pela taxa do clock, e a cada dia tem-se limitada pela taxa do clock, e a cada dia tem-se
buscado velocidades cada vez maior. buscado velocidades cada vez maior.
Porque o processamento de sinais?Porque o processamento de sinais?
O processamento de sinais analógicos são limitados O processamento de sinais analógicos são limitados
somente pelasomente pela
– Velocidade dos elétrons (sistemas elétricos ou circuitos)Velocidade dos elétrons (sistemas elétricos ou circuitos)
– A velocidade de fótons (sistemas ópticos) e são efetivamente A velocidade de fótons (sistemas ópticos) e são efetivamente
instantâneos.instantâneos.
Interpretação de sinais digitaisInterpretação de sinais digitais
– Podem ser amostrados a partir de um sinal contínuo (A/D). Podem ser amostrados a partir de um sinal contínuo (A/D).
(Teorema da amostragem)(Teorema da amostragem)
– Podem ser armazenados como sequência de números, Podem ser armazenados como sequência de números,
permitindo o uso de poderosas ferramentas matemáticas. permitindo o uso de poderosas ferramentas matemáticas.
Sinal analógico x digitalSinal analógico x digital