Procesadores digitales de señal (PDS)

1. Procesadores digitales de señal (PDS) DSP: Digital Signal Processors (procesadores) DSP: Digital Signal Processing (técnicas matemáticas) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

2. 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 Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

3. 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 Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

4. Interdisciplinariedad Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

5. Aplicaciones del PDS (1) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

6. Ejemplos concretos (1) • Sistema ABS de alta fiabilidad con controlador digital de señal Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

7. Ejemplos concretos (2) • Sistema de suspensión activa Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

8. Ejemplos concretos (3) • Sistema controlador de disco Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

9. Características • Los sistemas DSP suelen tener una serie de características comunes: • Algoritmos: operaciones aritméticas • Frecuencia de muestreo • Frecuencia de reloj • Tipos de datos aritméticos Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

10. 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 Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

11. 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 Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

12. 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 Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

13. 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 Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

14. Ejemplo: filtros digitales (2) • Operaciones aritméticas: • Sumas • Multiplicaciones (1/4) • Retardos (n, n-1, n-2, n-3) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

15. Ejemplo: filtros digitales (3) • En general: Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

16. 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) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

17. Ejemplo:correlación (3) • Aplicación: radar Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

18. Ejemplo:correlación (4) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

19. Ejemplo:correlación (5) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

20. Ejemplo:autocorrelación (2) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

21. Ejemplo:convolución (1) • Similar a la correlación: • Posible interpretación: filtro de coeficientes t[k] • Operaciones aritméticas: • Sumas • Multiplicaciones • Desplazamientos (retardos) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

22. Ejemplo:convolución (2) • Filtro FIR (Finite Impulse Response) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

23. Ejemplo:convolución (3) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

24. 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 Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

25. Algoritmos: resumen (2) • Multiplicación : generalmente, lenta • Necesidad de acelerarla Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

26. 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 Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

27. 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 Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

28. Frecuencia de muestreo (2) • Dependiente de la aplicación: Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

29. 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 ms • Convertidor debe producir muestras a la salida cada 20,8 ms • Si se pierde alguna muestra: señal de salida corrupta Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

30. 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 Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

31. Tipos de datos aritméticos • Coma flotante versus coma fija • Ancho de palabra: precisión Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

32. Algunos DSP típicos Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04