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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Interdisciplinariedad

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Aplicaciones del PDS (1)

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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:correlación (3)• Aplicación: radar

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Ejemplo:correlación (4)

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Ejemplo:correlación (5)

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Ejemplo:autocorrelación (2)

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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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Ejemplo:convolución (3)

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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

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Algunos DSP típicos