fundamentos del procesamiento digital de señal__(dsp
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� Concepto de procesamiento digital de señales.Concepto de procesamiento digital de señales.Concepto de procesamiento digital de señales.Concepto de procesamiento digital de señales.� Ventajas del Procesamiento Digital.Ventajas del Procesamiento Digital.Ventajas del Procesamiento Digital.Ventajas del Procesamiento Digital.
Conversión analógicoConversión analógicoConversión analógicoConversión analógico----digital.digital.digital.digital.� Conversión analógicoConversión analógicoConversión analógicoConversión analógico----digital.digital.digital.digital.� Muestreo.Muestreo.Muestreo.Muestreo.
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� Procesadores digitales de Señal.Procesadores digitales de Señal.Procesadores digitales de Señal.Procesadores digitales de Señal.� Características generales.
�Arquitectura.
�Herramientas de programación.
¿¿¿¿Qué es DSPQué es DSPQué es DSPQué es DSP????
DSP: Es una disciplina identificada por las siglas en Inglés de “Digital Signal Processing”.
� Comprende los fundamentos matemáticos y algorítmicos quedescriben como procesar, en un ambiente de computo digital,describen como procesar, en un ambiente de computo digital,información asociada a señales provenientes del mundo real.
� El Procesamiento Digital de Señales se basa en el hecho de quecualquier señal del mundo real (voz, música, video, velocidad deun motor) puede ser representada por muestras de la señaltomadas a intervalos periódicos. Estas muestras pueden serconvertidas en números y estos números expresados en códigobinario.
• Digital: Sistema electrónico (digital) que opera con datos discretosrepresentados en binario y de precisión finita.
• Señal: Un parámetro variable por medio del cual la información estransmitida en un sistema electrónico
• Procesamiento: la realización de operaciones en los datos medianteuna secuencia de instrucciones programadas de acuerdo a un algoritmoque modifica dichos datos o extrae información de los mismos.
DSP: Es el dispositivo identificado por el acrónimo “Digital SignalProcessor”.
Un DSP es un sistema basado procesador o microprocesador que posee un juego de instrucciones, un hardware y un software optimizaos para aplicaciones que requieren operaciones numéricas a muy alta velocidad. Debido a esto especialmente útil para el procesado y representación de
Dispositivos DSP
Podemos definir un sistema DSP como un sistema electrónicodedicado al Procesamiento Digital de Señales, entendiendo porProcesamiento Digital de Señales: LA APLICACION DEOPERACIONES MATEMATICAS A SEÑALES REPRESENTADASDIGITALMENTE, ES DECIR COMO SECUENCIAS DEMUESTRAS.
Debido a esto especialmente útil para el procesado y representación de señales analógicas en tiempo real.
DSP (Digital Signal Processor) Microprocesadores específicamente diseñados para procesamiento de señales digitales, por lo general en tiempo real.
GPU (Graphic Processing Unit) Microprocesador para procesamiento de gráficas.
Señal
Analógica
Señal
Analógica
Procesador
de señalanalógica
Procesamiento de señal analógica
Señal
AnalógicaADCADCADCADC
Procesador de señales
digitalesDAC
Analógica
Señal
Digital Digital
Señal
Procesamiento digital de señal es analógicas
Señal
La estructura de un Sistema DSP es la siguiente:
Las muestras se obtienen de señales físicas, mediante un transductor y son acondicionadas y posteriormente convertidas a formato digital mediante convertidores A/D.
Después del procesamiento matemático las señales digitales previamente acondicionadas deben ser nuevamente convertidas a señales analógicas a través de los convertidores D/A.
REPRODUCTOR DE MP3
Ejemplo de aplicación de un sistema DSP
La señal de audio que se obtiene a través del micrófono se convierte enuna señal digital a través del convertidor A/D y se transfiere al DSP.El DSP realiza la codificación en formato MP3 y guarda el fichero enmemoria.
Durante la fase de reproducción el DSP lee el fichero de memoria, lodecodifica y lo envía al convertidor D/A para convertirlo de nuevo en unaseñal analógica.
Generalmente el DSP realiza además otras funciones como el control delvolumen, ecualización e interface con el usuario.
� Tradicionalmente la manipulación de señales del mundo real se ha venidorealizando con componentes analógicos: primeramente con circuitosbasados en válvulas de vacio, posteriormente con circuitos con transistoresy después con amplificadores operacionales.
� Desde la aparición de los primeros Procesadores Digitales de Señal en elmercado esto ha cambiado debido a las numerosas ventajas delProcesamiento Digital frente al Procesamiento Analógico:
� La ventaja más importante es que permiten realizar, de forma económica,tareas que serían muy difíciles de realizar o incluso imposibles utilizandosistemas electrónicos analógicos.
� Por ejemplo: reconocimiento de voz, síntesis de voz, etc. Tareas que secaracterizan porque requieren una combinación de técnicas deprocesamiento de señal y técnicas de control (tomar decisiones en funciónde los datos muestreados), lo cual es extremadamente difícil deimplementar con componentes analógicos.
Otras ventajas relevantes de los sistemas digitales frente a los sistemasanalógicos:
� Insensibilidad ante variaciones de las condiciones ambientales. Elcomportamiento de los circuitos analógicos es fuertemente dependientede su temperatura.
� Insensibilidad ante las tolerancias de los componentes. Loscomponentes analógicos se fabrican con determinadas tolerancias y
su respuesta depende de los valores reales que tengan lossu respuesta depende de los valores reales que tengan loscomponentes usados.
La combinación de las dos ventajas anteriores da lugar a una ventajaadicional:
� Comportamiento Predecible y Repetible: puesto que la respuesta de lossistemas DSP no varía con las condiciones ambientales ni con lasvariaciones de los componentes, es posible fabricar sistemas quetengan idénticas respuestas y que éstas no varíen a lo largo de la vidadel sistema.
Finalmente los sistemas DSP tienen otras dos ventajas sobre lossistemas analógicos:
� Reprogramabilidad: puesto que los Sistemas DSP están basados enprocesadores programables, pueden ser programados para realizarotras tareas. Por el contrario los Sistemas Analógicos requierenfísicamente componentes diferentes para realizar tareas diferentes.
� Tamaño: el tamaño de los componentes analógicos varía con susvalores. Por ejemplo un condensador de 100 microfaradios utilizadoen un filtro es de mayor tamaño que un condensador de 10picofaradios utilizado en un filtro distinto. Por el contrario en unSistema DSP ambos filtros tendrían el mismo tamaño, utilizaríanprobablemente los mismos componentes, diferenciándose únicamenteen los coeficientes del filtro. Además el sistema DSP sería de menortamaño que los dos sistemas analógicos.
� Rango Dinámico Limitado: la amplitud del rango dinámico disponiblevendrá fijado por el número de bits empleados para representar lamuestra.
Cuántos más bits tenga la muestra, mayor será la precisión en los cálculosposteriores y disminuirán los errores generados.
� Ancho de Banda Limitado por la Frecuencia de Muestreo: Para obtenerunos resultados aceptables, dicha frecuencia debe duplicar como mínimola frecuencia máxima contenida en la señal analógicala frecuencia máxima contenida en la señal analógica
� Error debido a la Cuantización: se entiende por cuantización el proceso
de representar una muestra analógica por el entero más próximo quesegún la escala le corresponde y que lógicamente corresponderá al nivel dela señal más próximo.
� Este proceso necesariamente introduce un error, diferencia entre el valor real y el valor muestreado de la señal. Cuanto mayor sea el número de bits utilizado para representar la muestra (resolución), menor será este error.
� Este fenómeno da lugar a una degradación de la señal como consecuencia de la pérdida de información inherente a la representación de
Este fenómeno da lugar a una degradación de la señal como consecuencia de la pérdida de información inherente a la representación de una señal analógica mediante una muestra digital con un número finito de valores.
Debido a que el mundo real es análogo, una forma de enlazar las variablesanalógicas con los procesos digitales es a través de los sistemas llamadosconversores de analógico - digital (ADC - Analogue to Digital Converter) yconversores digital - analógico (DAC- Digital to Analogue Converter).
La función básica de los conversores es transformar una señal analógica en su equivalente digital y vice-versa.
Las distintas técnicas descritas muestran las ventajas e inconvenientes del componente, lo cual permite la selección dependiendo de la utilización y el modo de trabajo. Los parámetros que más influyen sobre la prestación de los dispositivos son la resolución y la velocidad.
Un transductor permite relacionar las señales del mundo real y sus análogaseléctricas. Para compatibilizar la información con un sistemas digital, serequiere de convertidores de datos del tipo ADC o DAC, según corresponda.
Un ADC recibe a la entrada un valor analógico, a partir del cual, genera un valordigital (un número) proporcional a la entrada analógica:
CADCAD
00110001
00110010
00110011
. . . . . .
00001011
Un convertidor Digital a Analógico (DAC) recibe un número (valor digital) con el cual genera a la salida un nivel de voltaje analógico proporcional al valor digital:
CDACDA
00110001
00110010
00110011
. . . . . .
00001011
Una señal analógica se cuantifica al asociar sus diferentes valores con un conjunto de valores discretos, el total de valores depende del número de bits utilizados (Resolución del ADC).
CADCAD
00000001
0010
0011
. . . .
. . . .
1111
La señal analógica es convertida a valores digitales, que representan su forma:
MUESTREO
•Tomar una medida a intervalos periódicos.Tomar una medida a intervalos periódicos.Tomar una medida a intervalos periódicos.Tomar una medida a intervalos periódicos.
• Periodo de muestro fijo.Periodo de muestro fijo.Periodo de muestro fijo.Periodo de muestro fijo.
Periodo de Muestreo: tiempo entre medidas.Tiempo de Muestreo: tiempo empleado en tomar una medida.
PERDIDAS DE INFORMACION
Tomar muestras a intervalos NO periódicos en los puntos de interés.
La interpretación de información es más difícil.
Periodo de muestro fijo.Periodo de muestro fijo.
¿ Se pierde información?Es más fácil de interpretar.
La CLAVE es la Frecuencia de Muestreo.
La frecuencia de muestreo es el numero de muestras que se realiza por segundo
Para una adecuada conversión y recuperación de la información se requiere que:
• La resolución del ADC proporcione el número de combinaciones suficientes, de acuerdo con loque se desea representar.
•La frecuencia de muestro debe ser por lo menos el doble de lafrecuencia de la señal analógica.
El Aliasing es una consecuencia de no respetar el teorema del muestreo; Nyquist demostró que la frecuencia más alta de la señal de entrada en un sistema de muestreo sólo puede ser igual o menor que la mitad de la frecuencia de muestreo. Cuando la frecuencia de la señal original es mayor a la mitad de la frecuencia de muestreo, ocurre Alising de manera inevitable, manifestándose como se muestra en la siguiente figura
El diagrama de bloques de la siguiente figura muestra la secuencia desdeque la variable física entra al sistema hasta que es transformada a señaldigital (código binario).
Tipos de convertidores A/D
Conversión
directa
Procedimiento de
conversión
Paralelo o flash
Aproximaciones sucesivas
Integradores o de Tensión-tiempo (V/T)
Conversión
indirecta
Integradores o de
rampas
Sigma -Delta
Tensión-frecuencia (V/F)
Comparación entre arquitecturas de convertidores A/D
El convertidor analógico- Digital realiza la función opuesta:
00000001
0010
0011
. . . .
. . . .
1111
DACDAC
La siguiente figura muestra los procesos del procesamiento digital para una señal de audio.
Entonces, la señal digital es pasada a un bloque de DAFX (sistema digital) el cual realiza unamultiplicación simple de cada muestra por 0.5 (valor utilizado en este ejemplo en particular)para entregar la señal de salida y(n) = 0.5x(n).
1.3. Procesadores digitales de Señal (DSP).
Como se menciono anteriormente, un DSP (Procesador Digital de Señales) es un circuito integrado que contiene un procesador digital de propósito especifico y un conjunto de recursos complementarios capaces de manejar digitalmente las señales analógicas del mundo real.
1.3.1. Características generales de los DSP`s
• Los procesadores digitales de seña pueden realizar la operación de suma y multiplicación en un solo ciclo.
- La mayor parte de los DSP’s tienen una instrucción especializada quepermite multiplicar, sumar y guardar el resultado en un ciclo.
A = B*C + D.
– Esta instrucción se denomina MAC (Multiply, Add, y Accumulate)
– Mayor paralelismo
– Juego de instrucciones orientado a MAC– Juego de instrucciones orientado a MAC
y = a�x1 + b�x2 + c�x3 + ...
• Los DSPs tienen como objetivo minimizar
– El coste y el tiempo de desarrollo de una aplicación
– El consumo de potencia y la ocupación de memoria
MICROCHIP
Las aplicaciones modernas mezclan las funciones típicas de un MCU con las deProcesamiento digital de señales. Bajo este esquema Microchip fabrica uncircuito híbrido MCI/DSPMCI/DSPMCI/DSPMCI/DSP cuyo manejo es similar a los clásicos Mcc pero incluyelas principales prestaciones de un DSP
DSPIC Y DSC Familiascompatibles
MODELOS DE LA FAMILIA DSPIC30F
Microchip ha clasificado a los 19 modelos de la familia dsPIC30F que actualmente fabrica en tres categorías:
- Dispositivos dsPIC30F de propósito general.- Dispositivos dsPIC30F para el control de sensores.- Dispositivos dsPIC30F para el control de motores y sistemas de alimentación.
Arquitectura de la CPUArquitectura de la CPU
dsPIC30F 16-bit DSC
ARQUICTETURA MINIMA
• Arquitectura Harvard modificada.
• Datos de 16 bits.
• Instrucciones de 24 bits.
• PC de 24 bits.• PC de 24 bits.
• Instrucciones de dos tipos: MCU y DSP.
• Dos bancos X e Y
• Memoria programa
• Memoria EEPROM
• Motor DSP
• Registros (w) 16 x 16• Registros (w) 16 x 16
• Periféricos
• Watchdog ….
DPSIC Y DSC
Herramientas:
-Hardware.
- software.
