Introducción al Procesamiento Digital de Señales (DSP)

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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.

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

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

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

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

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

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

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

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

Ejemplo: Aviónica

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

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

Diagrama de bloques:

Acondicionamiento de señalProcesamiento: 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

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.

Sistemas analógicos

Dominio Acoustico

DominioElectrico

Dominio Acoustico

Sistema Programable

Dominio Acoustico

Dominio Acoustico

DominioElectrico

Dominio Digital

Sistema Digital

Dominio Acoustico

DominioElectrico

Dominio Electrico

Dominio Acoustico

Dominio Digital

¿Por que digital?

FlexibilidadProgramabilidadReproducibilidad y Precision (!)Procesamiento Avanzado de Señales

– Compresión Multicanal– Modulación precisa de frecuencia– Cancelación de perturbaciones y ecos– Reducción de ruido– Procesamiento Direccional

Aplicaciones de los DSP's

Análisis y visualización de señales digitales,

Grabaciones digitales, procesamiento y reproducción, síntesis de señales digitales

Temas relacionados con DSP's

Convertidores A/DConvertidores D/AMuestreoCuantizaciónAliasingFiltro Anti-aliasing Algoritmos ySobre-muestreo

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

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.


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 PlataformasEspectro de aplicaciones


32-bit ARMCortex™-M3

MCUs

16-bit ultra-low power

MCUs

DSPDSP+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

Flash8 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, RAM16 KB to 512 KB

PWM, ADC, CAN, SPI, I2C

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

Flash1 KB to 256 KB

Analog I/O, ADCLCD, USB, RF

Measurement,Sensing, General

Purpose

$0.25 to $9.00

Ultra Low power

DSP

C5000™

Up to 300 MHz+Accelerator

Up to 320KB RAMUp to 128KB ROM

USB, ADC McBSP, SPI, I2C

Audio, Voice

Medical, Biometrics

$3.00 to $10.00

Multi-coreDSP

C6000™

24.000 MMACS

Cache RAM, ROM

SRIO, EMACDMA, PCIe

Telecom T&M, media gateways,

base stations

$40 to $200.00

C6000™

DaVinci™

video processorsOMAP™

300MHz to >1Ghz +Accelerator

Cache RAM, ROM

USB, ENET, PCIe, SATA, SPI

Floating/Fixed PointVideo, Audio, Voice,Security, Confer.

$5.00 to $200.00

Portafolio de productos

Control deMotoresNo tradicional

Redes ópticasControl de diodos láser

Control de Motores

Industriales

Enseres Domésticos

InversoresSolares

Sector MédicoAutomotriz

Enseres de Consumo

Sistemas de respaldoy control de energía

Aplicaciones de la familia C2000 de TI

Introducción a las PlataformasEjemplo: telefonía digital

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


Dispositivos Programables - GPP vs DSP

Ejemplo de un filtro pasa bajos:

– Filtro analógico Chebyshev de Tipo I y Orden 6, vs.

– Filtro digital FIR de 129-términos

¿Por que usar los DSP’s?


Chebyshev Tipo I (Pass-Band Ripple)6-Polos1.0 dB de fluctuación en la banda de conducción (Pass-Band Ripple)Fase : No-linealMATLAB: fdatool

– Order = 6– Fs = 10,000 Hz– Fpass = 1,000 Hz– Apass = 1 [dB]


Filtro analógico Chebyshev de Tipo I

Implementación de un filtro pasa-bajo


Ejemplo de un filtro Activo de 3er orden


Respuesta del Filtro Chebyshev Tipo I y 6to orden


Fluctuación en la banda de conducción de 1.0 dB

● 129-Tap,

● Fluctuación en la banda de conducción menor a: 0.002 dB (Pass Band Ripple)

● Fase Lineal


Diseño del Filtro tipo FIR


Respuesta en Magnitud del filtro FIR


Fluctuación menor a 0.002 dB (Pass-Band Ripple)


Comparativo de la Respuesta de los 2 filtros

Implementación Analógica vs. Digital

Analógica

Contras:– Coeficientes de filtrado

aproximados• Sólo componentes estándar

disponibles– Dependencia de la temperatura

ambiente– Menor precisión– Diseñado específicamente para

la tarea en mente

Pros:– Opera en tiempo real (retraso

mínimo)

Digital (DSP)

Contras:– La operación en tiempo real está

directamente relacionada con la velocidad del procesador y la complejidad del diseño.

Pros:– Precisa implementación

(configurable de acuerdo a la implementación)

– Operación independiente de las condiciones ambientales.

– Flexibilidad• El DSP’s puede ser re-

programado

Implementación de Filtros en el DSP

Filtro tipo FIR● El filtro digital de 129-taps require de 129 operaciones de multiplicación- acumulación (MAC: multiply-accumulates)

● La operación debe completarse dentro del intervalo de muestreo (1/Fs) para preservar la operación en tiempo real.

● Fs = 10000Hz = 10kHz 100 ns⇒

● La mayoría de los DSP's modernos realiza una operación MAC en una sólo ciclo de instrucción

● Verificar el «Instruction rate»

● Para este caso > 129/100 ns = 1.3 MIPS

10111011x 1110x 1110

10111011x 1110x 1110

HardwareHardware MicrocodeMicrocode

1001101010011010 000000001011.1011.1011..1011..1011...1011...

1001101010011010

Cycle 1Cycle 1Cycle 2Cycle 2Cycle 3Cycle 3Cycle 4Cycle 4

Cycle 5Cycle 5


Multiplicación por Hardware vs. Microcode ● Los procesadores DSP están optimizados para realizar operaciones de suma y multiplicación.

● Tradicionalmente las operaciones MAC se realizan en un sólo ciclo de instrucción.

● Ejemplo: Multiplicación de 4-bits sin signo.

Punto Flotante vs. Punto Fijo

Ventajas del Punto Flotante (similar a calculos en PC's)

● Alta precisión.

● Amplio intervalo dinámico.

● Alta Razón Señal a Ruido (SNR).

● Fáciles de usar.

Desventajas del Punto Flotante:

● Alto consumo de energía.

● Mayor costo y tamaño respecto a las versiones de punto fijo.

● Menor velocidad vs. dispositivos equivalentes de punto fijo


Per

form

ance

P

ow

er

ARM

CortexA8

CortexM3

Code Compatibility (ISA)

ARM DSP 64x

M3

C6000C64x

Multi-core

MSP430

C5000

C2000

ARM Core

DSP

DM3xxDM644x

DM646x

CortexA8

ARM9

C674x

OMAP35xOMAP4

OMAP-L1X

OMAP5

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 deControl

Almacenamiento

Rx

Comunicaciones

DSP's

Tx

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

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