Introdução ao Processamento Digital de Sinais

1. Introdução ao Processamento Digital de Sinais

2. Objetivos • O que chamamos de DSP? • Porquê usamos DSP? • Áreas de aplicação. • Conceitos Básicos de sinais contínuos • Descrição de sinais contínuos, • operação em sinais contínuos; • transformada de Fourier Direta e Inversa; • a Transformada de Laplace; • filtragem de sinais contínuos. • Conceitos Básicos de sinais amostrados • O quê desejamos com DSP? • Remover interferências como o ruído, a distorção, o fading,...

3. Objetivos • Objetivos de um Curso de DSP: • Dar ao estudante uma visão da disciplina, das ferramentas disponíveis e aplicações potenciais. • Preocupação da DSP: • DSP se preocupa com a representação de sinais por seqüênciasde números/símbolos como também o processamento destas seqüências. • Propósito da DSP: • Estimar parâmetros característicos do sinal e transformá-lo numa forma mais desejável.

4. Objetivos • Base Teórica : • Sinais amostrados. Quais são as vantagens de trabalhar neste domínio? Quais são as ferramentas matemáticas disponíveis? • Aplicações Potenciais : • Áreas de aplicação/uso. • Recursos em Hardware: • O que é um processador DSP?

5. Objetivos • As raízes da DSP: Séculos 17 e 18 (matemática). • Até recentemente, processamento de sinais era utilizado em equipamentos analógicos. Durante os anos 50 no entanto, para a análise de dados geofísicos, dados armazenados em fitas magnéticas, para posterior processamento num grande computador digital (minutos, horas ou dias eram necessários para processar segundos de dados). • Simulação de sistemas num computador digital antes de implementá-lo em hardware. • Aplicação da FFT: Vinculada ao conceito de tempo discreto. A FFT foi desenvolvida para computar a Transformada de Fourier de um sinal discreto que é exato no domínio do tempo discreto.

6. O quê chamamos de DSP? • A disciplina: DSP, Digital Signal Processing, compreende os fundamentos matemáticos e algoritmos que descrevem como processar, num sistema digital, informação associada com sinais existentes no mundo real. • Digital: quando operações são realizadas num sistema digital • Sinal: alguma coisa que carrega informação (aleatórios e determi-nistico) • Processamento:realização de operações num sinal para extrair e modificar a informação transportada pelo sinal. • O DISPOSITIVO: O processador DSP inclui certas soluções de funções especializadas implantadas em hardware que facilitam a execução de algoritmos incluído CPU’s e outros componentes customizados.

7. Disciplina: Processamento Digital de Sinais • Base Matemática: • Modelagem de sinais contínuos. A Série e a Transformada de Fourier. Transformada de Laplace. Filtros Analógicos. • Convolução e Correlação. • Sistemas amostrados, quantificação de sinais, quantificação de ruído. • Modelagem de sinais amostrados. A Transformada Z. • A Transformada Discreta de Fourier (DFT), Transformada Coseno Discreta (DCT) e outras transformadas (Wavelets, Hartley, ...). • Algoritmos: • A Fast Fourier Transform (FFT). • Outros algoritmos: (Ex: O algoritmo de Goertzel, ... • Projeto de filtros digitais.

8. Áreas de aplicação: Comunicações • Filtragem e compressão de áudio e vídeo, cancelamento de ruído:equalização e tratamento não linear para melhorar a relação sinal/ruído ou o uso de banda larga (Ex: ADPCM, MPEG2, MP3, FAX) • Modems:métodos de modulação e demodulação digital de dados sobre um canal de banda larga e ruído próprio. Ex: (ASK, FSK, PSK, DPSK, QAM, TCM) • Reconhecimento da palavra:para automatização de interfaces ao usuário (Ex: sistemas IVR)

9. Áreas de aplicação: Comunicações • Sinalização:envio e deteção de informação de controle sobre um canal de voz ou dados (Ex: DTMF, R2, Caller ID). • Cancelamento de ecos:para compensar ecos em sistemas de elevado tempo de propagação (Ex: VOIP: Voz sobre IP) ou com elevado tom local (telefonia de mão livres). • Encriptado:para comunicação seguras. • Deteção e correção de erros:agregado de dados para a informação transmitida com o objetivo de detectar e corrigir eventuais erros de recepção.

10. Áreas de aplicação: Comunicações • Empacotamento/desempacotamento de mensagens:em aplicações como ATM e Frame Relay. • Telefonia celular:manejo dinâmico de freqüências e potências em estações base. • Multiplexadores E1:para uso combinado de dados e voz. • Switches PBX:para centrais telefônicas digitais. • Síntese digital direta:para estações de broadcast totalmente digitais. • Tratamento de sinais de RF:telefonia celular, modulação e demodulação digital, spread-spectrum

11. Áreas de aplicação:instrumentação • Medicina:tomografia, MNR, ecografia, scanners, eletrocardiograma, eletroencefalograma, diagnóstico assistido. • Visão artificial e OCR (Optical Character Recognition) • Telemetria:monitoria de recursos satelitais, prospeção petrolífera, mineral e submarina. • Sonar e radar: radar de abertura sintética, arrays de antenas, deteção de brancos móveis, deteção doppler, navegação, oceanografia • Instrumental:analisadores de rede, de espectro, etc....

12. Áreas de aplicaçãoIndústria • Controle de motores:robótica, sistemas de transporte, sistemas de impressão, controle de cabeçotes em sistemas de armazenamento massivo de dados (discos rígidos, DVD, etc.) • Control de processos:controladores PID, controle adaptativo • Análise de vibrações:deteção preventiva de falhas por análise de espectro de vibrações • Sistemas de navegação:GPS, piloto automático, sistemas de guia de mísseis, etc • Controle de potência:correção do fator de potência, inversores, variadores de freqüência, fontes de alimentação.

13. Áreas de aplicação:consumo • Telefonia:Caller ID, geração DTMF, deteção de DTMF, callprogress e pulsos de tarifação (16kHz)... • Automotiva:Air-Bags, controle de combustão, injeção eletrônica e controle de emissão, freios ABS, etc... • Eletrodomésticos inteligentes:geladeiras, máquinas de lavar roupas, ar condicionado... • Sistemas de áudio semi-profissionais para residências:surroundingsistems.

14. Áreas de aplicação:consumo • Equipamentos de música:órgãos eletrônicos, sintetizadores • Rádio digital e televisão:Set-Top boxes • Domótica e sistemas de segurança domiciliar

15. Dispositivo: Processador Digital de Sinais No que se difere um processador DSP de uma CPU tradicional? Por suas aplicações de software: • aplicações cíclicas, de duração curta, onde se requer altíssima eficiência de execução; • em sistemas operativos, para evitar o overhead do scheduling. • uso em Assembler e dialetos especiais da linguagem C para otimizar o código; • algoritmos usuais: • filtragem • convolução (interação de dois sinais) • correlação (comparação entre sinais) • transformação (não linearidade, retificação,..)

16. Dispositivo: Processador Digital de Sinais No que se difere um processador DSP de uma CPU tradicional? Por seus recursos de hardware: • disponibilidade de modos de direcionamento especializados (Ex: bit-reversal, filas circulares); • várias unidades de processamento operando em forma concorrente (MAC, Barrel Shift); • operações aritméticas especiais (saturação); • alguns DSP’s com unidades de ponto flutuante; • esquema de Timing e Interrupções orientadas a ações em tempo real • poucos ou nenhum recursos que geram latências, como memória virtual, caches, etc.

17. Elementos de caracterização de um hardware em DSP • Arquiteturas do tipo HARVARD com mapas de dados e instruções separadas; • dois ou mais mapas de memória de dados que permitem ler concorrentemente operandos e coeficientes; • manejo especializado de ponteiros de direção através de unidades de cálculo dedicadas; • opções para a digitalização e captura de sinais com intervalos regulares (DMA); • recursos internos ou dispositivos periféricos especializados para a conversão A/D e D/A de sinais, assim como para a filtragem antiálias e para a reconstrução.

18. Elementos de caracterização de um hardware em DSP • Elevada capacidade de processamento aritmético de dados em tempo real, com elevada precisão, para evitar problemas de arredondamento e truncamento; • etapas Multiplicadora / Acumuladora (MAC) apta para resolver equações do tipo A = A + (B x C) em um único ciclo; • circuitos BS (Barrel Shifter) para deslocar um dado vários bits a direita / esquerda em um único ciclo de instrução;

19. Elementos de caracterização de um hardware em DSP • uma ALU (Arithmetic Logic Unit) operando de forma independente ao MAC e ao BS; • códigos de operação para controlar ao MAC, ALU e BS em uma única instrução (várias operações concorrentes ); • laços interativos de overhead nulo.

20. Porquê usar Processamento Digital de Sinais?

21. Esquema de um sistema DSP Saídas analógicas Entradas analógicas DSP filtro + A/D D/A + filtro Entradas digitais: Codificador Shaft, sensores, alarmes, CAN, ISP, UART, etc.. Saídas digitais I/O Padrão, PWM, CAN, ISP, UART, etc..