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El procesamiento digital de señales




Enviado por Héctor R. Martínez



  1. Resumen
  2. El procesamiento
    digital de señales
  3. Referencias

La presente investigación estuvo dirigida a
definir el Procesamiento Digital de Señales, su
definición, componentes, ventajas, desventajas y
tendencias. Se trata sobre un método de tratamiento de
datos cuyas aplicaciones involucran diferentes disciplinas e
inclusive de aplicaciones diarias por el ser humano, cuyo
fundamento radica en la ventaja del manejo de los datos digitales
para la recuperación de los datos originales, que bien
pudieran ser de fuentes analógicas. Para finalizar se
muestran dos tendencias actuales de las telecomunicaciones, las
cuales tienen entre su basamento el procesamiento digital de la
voz, a saber la telemetría y la domótica,
así como también se plantea la posibilidad de
realizar otras acciones importantes controladas por la voz
procesada en forma digital.

PALABRAS CLAVE: Procesamiento, Digital,
Señales, Voz.

La ciencia y la tecnología han avanzado de forma
que muchos componentes electrónicos pueden aplicarse a
diferentes disciplinas; es el caso de los circuitos integrados,
microprocesadores y computadores, los cuales constituyen un tema
que se ha vuelto indispensable por su aplicación en
áreas como la medicina, la ingeniería, la
seguridad, la economía, la biología, entre
otras.

Los circuitos integrados han evolucionado desde la
integración a escala media (MSI), pasando por la
integración a gran escala (LSI) y actualmente la
integración a gran escala (VLSI), lo cual a permitido que
dispositivos digitales mas pequeños, rápidos y
económicos formen parte de modernos sistemas que realizan
funciones para complejos proceso de tratamiento de la
señal digital.

La referencia a que el tratamiento de la señal
digital es un proceso complejo se debe a que la mayor parte de
las aplicaciones del Procesamiento Digital de Señales
manipulan señales analógicas; así que "una
señal continua que está definida con
precisión (supuesta) infinita es convertida en una
señal que está representada digitalmente
[1].

La razón de que el procesamiento se realice en
dirección a la digitalización se deriva de la
ventaja que esta ofrece en la recuperación de la
señal posterior a los efectos que tiene, por citar un
ejemplo, la línea de transmisión, que por no poseer
linealidades en su función de transferencia (respuesta en
frecuencia) crea distorsiones sobre los pulsos digitales; o bien
ante factores como el ruido eléctrico que se induce en las
señales y produce distorsión en la forma de onda
cuadrática. No obstante, tras un proceso de
amplificación por un amplificador digital puede llegar a
regenerarse e incluso prevenir el ruido y otras distorsiones a lo
largo de la transmisión, lo que no sucede con las
señales analógicas, que por su continuidad poseen
múltiples variaciones en su forma de onda, razón
por la cual no puede eliminarse la distorsión.

"Con las técnicas digitales, se produce una taza
de error extremadamente baja, produciendo una señal de
alta fidelidad con posibilidad de detección de error y
corrección por un proceso similar que no es compatible con
los analógicos" [2].

En este orden de ideas, se puede definir al
Procesamiento Digital de Señales como un sistema
electrónico, que realiza operaciones matemáticas
para manipular, o controlar señales que son representadas
digitalmente. Estas señales pueden ser de voz,
música, etc; y se representan por intervalos
periódicos para posteriormente codificarlas y llevarlas a
números binarios.

En general un sistema DPS se compone por elementos que
le permitan recabar las señales analógicas y luego
que luego de ser procesadas las regrese a su forma original; por
lo que el procesado de señales implica tres etapas, a
saber: a) la conversión analógica/digital, b) el
procesado de la señal digital propiamente y c) la
conversión de la señal digital que ha sido
procesada en una señal continua.

A continuación se muestra en forma de bloques un
sistema de procesado digital de señales [3]:

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El diagrama de bloques anterior muestra los elementos
principales de un sistema procesador digital de señales.
Nótese que el mismo inicia con una flecha resaltada, la
cual indica la que la señal que entra al primer filtro
analógico proviene de una fuente de información,
externa al diagrama en referencia. El primer filtro
analógico pasa-baja el cual funciona con una frecuencia de
corte suficientemente inferior a la mitad de la frecuencia de
muestreo. Es muy usual que se utilicen filtros simples: de
primero orden pasivos (RC) o de segundo orden activos, es decir
que utilicen necesariamente un amplificador operacional en la
adaptación de las señales; esto sucede porque en
los filtros de mayor orden se presenta mas atenuación, de
tal manera que permite una frecuencia de corte mas próxima
a la mitad de la de muestreo. La finalidad de la
utilización de este pre-filtro es prevenir el efecto
aliasing, el cual no permite la distinción de las
señales continuas distintas, al ser muestreadas en forma
digital.

Cabe destacar, el efecto aliasing representa un factor
crítico en el proceso de conversión
analógica-digital, sobre todo en señales de audio y
video, la cual representa la segunda etapa en el diagrama de
bloques precitado. La entrada al convertidor analógico
digital es una señal analógica, que varía
con el tiempo, por lo que se utiliza un circuito Sample-and-Hold
(S/H) el cual muestrea la señal analógica de
entrada en intervalos periódicos de tiempo y mantiene el
valor constante muestreado en la entrada de dicho convertidor. A
la salida se encuentra una cadena de datos binarios que
posteriormente son procesados por el procesador digital que
implementa el algoritmo deseado. Luego, en el cuarto bloque, la
señal es convertida en señal analógica
mediante el convertidor analógico-digital. Finalmente el
filtro pasabajas elimina los componentes de frecuencia
indeseables para que a la salida se tenga la señal
analógica procesada.

En relación a los usos del procesado digital de
señales, se puede destacar que en principio se
diseño para simular el funcionamiento de sistemas
analógicos como paso previo a su construcción,
teniendo como principal ventaja la posibilidad de plantear, en el
dominio digital, ecuaciones que no se corresponden a un sistema
realizable físicamente, esto proporciona un campo de
aplicación muy amplio, teniendo como resultado que las
tareas que realizadas por circuito electrónico, pueden ser
ejecutadas por un computador.

Es por ello que diversos autores, comparan el
procesamiento de señales analógicas con el
procesamiento digital. "Una de las mayores desventajas del APS
(Procesamiento Análogo de Señales) es su limitado
alcance para ejecutar el procesamiento de aplicaciones. Esto se
traduce dentro de una inflexibilidad y complejidad en el
diseño de procesadores…// usar el DSP
(Procesamiento de Señales Digitales) permite aprovecha y
posibilita convertir la señales para ser procesadas por
computadores personales"[4].

Entre las ventajas que tiene el Procesamiento Digital de
Señales, se encuentran: a) la facilidad de cambiar los
algoritmos sin necesidad de modificar el circuito
electrónico, tal y como sucede con los sistemas
analógicos; b) la memoria y la lógica de un
procesador no se alteran , de manera que los procesos repetibles
no se influencian por aspectos como la intolerancia de
componentes a condiciones, o ajustes individuales en los mismos;
c) dado a que los algoritmos son ecuaciones matemáticas su
resultado no varía, aunque sea remplazado un dispositivo,
lo que también tiene influencia en el aspecto
económico. Por otro lado la modificación de
funcionamiento se debe realizar a nivel de software (en el
algoritmo); d) se pueden generar formas de ondas en forma
arbitraria, de manera que se pueden almacenar señales para
ser procesadas a posteriori.

Evidentemente, que existen diferentes herramientas para
el diseño de los algoritmos, inclusive muchos modelos
matemáticos ya han sido elaborados tales como la
derivación o la obtención de formulas, dado a que
existen herramientas que permiten automatizar procesos desde el
diseño hasta la programación del dispositivo
ejecutor, lo cual representa otra ventaja de los sistemas de
procesamiento digital.

No obstante, el funcionamiento de estos procesadores se
ve afectado ante señales cuyo ancho de banda es
excesivamente grande como para permitir su tratamiento digital en
tiempo real.

Asimismo, se puede considerar una ventaja que dado su
carácter de software, no se ve afectado por el
envejecimiento de los componentes, o la disparidad entre estos,
por defectos de fabricación.

En relación a sus desventajas, se pueden
mencionar: "Mayor limitación en frecuencias altas, ya que
normalmente se requieren conversores A/D capaces de tomar
muestras a una tasa varias veces mayor que la de frecuencia de la
señal analógica, y procesadores capaces de efectuar
muchas operaciones por cada muestra recibida" [5]

Por otro lado la complejidad en su diseño, y el
limitado dinamismo para amplitudes y frecuencias tras los
procesos de discretización en amplitud y
filtrado.

Entre sus aplicaciones, se pueden considerar
aéreas como las siguientes: a) electrónica de
consumo: TV/Audio digital, cámaras digitales, detectores
de radar; b) instrumentación y control: filtros digitales,
análisis de espectros, control de discos, control de
motores; c) automoción: control de airbag, control de la
velocidad del crucero; d) telecomunicaciones: cancelación
de eco, módem, encriptación de datos,
telefonía celular, telefonía inalámbrica,
videoconferencias; e) aplicaciones industriales y militares:
control numérico, seguridad de acceso y
comunicación, sonar (formación de haces,
medición de distancia, demarcación, velocidad),
radar (medición de distancia y velocidad,
compresión del pulso), guías de misiles; f)
medicina: reducción de ruido y diagnósticos de
electrocardiogramas, electroencefalogramas, tomografías
axiales, resonancias magnéticas, y ultrasonidos; g) afines
a la geografía: alertas de maremotos, tsunamis,
medición de energías de las olas, estudios
climatológicos y de terremotos; h) Imágenes: mejora
de brillo, contraste, color, nitidez, restauración de las
mismas; i) telefonía: conmutación en plantas
telefónicas, decodificación de discado por tonos,
cancelación de ecos y telefonía satelital; j)
audio: ecualización, reverberación artificial,
compresión de información,; k) voz:
compresión de información, identificación de
personas y reconocimiento de voz.

Es de notar que, dichas aplicaciones se presentan
manipulando la tipificación común de la
información, a saber audio, video, datos. Para
ejemplificar, se puede considerar la manipulación de las
señales de voz

La voz es una señal que lleva una
información consciente, si se quiere inteligente, la cual
es producida para que las personas que la escuchan obtenga dicha
información en forma directa. De manera que, considerando
los principio de las telecomunicaciones (comunicaciones a
distancia – o por medio de equipos electrónicos),
independientemente, de que si el destinatario está
conectado en tiempo real o si almacena la señal de voz
para su posterior reproducción, su procesamiento involucra
dos aspectos. El primero se oriente a la reducción del
acho de banda necesario para su transmisión, manteniendo
la mayor calidad y la segunda la encriptación de esta
señal de manera que sea asegurada una confidencialidad de
los mensajes.

Es de notar, que la voz constituye un fenómeno
natural, y rápido (hasta 160 palabras por minuto),
flexible, accesible y dinámico. No obstante posee
información redundante y portador de ruido, el cual debe
ser eliminado para poder extraer la información
importante.

Cabe destacar, que la voz posee ciertos
parámetros resultantes, tras la eliminación del
ruido, a saber: coeficientes de predicción lineal,
coeficientes cepstrales, escala de Bark (modelo perceptual de
oído), y componentes de energía
multi-resolución y según modelos auditivos; los
cuales permiten codificar, comprimir y digitalizar la
misma.

El procesado digital de la voz, requiere que la
señal acústica sea convertida a eléctrica
mediante un micrófono y la conversión de la
señal analógica resultante a señal digital.
Para restaurar o generar una señal audible partiendo de un
sistema digital, entonces se debe realizar el proceso contrario
(conversión digital/analógica), y manipular
parámetros tales como su amplitud y su radiación
mediante un altavoz.

La conversión analógica/digital necesita,
obviamente, de un muestreo de los valores de la señal a
cada cierto intervalo temporal, cuyo inverso determina la
frecuencia de Nyquist. Una vez discretizada la señal en
tiempo, se discretizan también los valores en amplitud
mediante un convertidor analógico/digital que
deberá ser de un numero elevado de bits (para
telefonía digital se utilizan 8 bits, en audio con calidad
compact disc 16 bits), de manera que se genera una secuencia de
muestras que obedece al modelo de la Modulación por Pulsos
Codificador (PCM).

Es de notar, que la codificación de la voz,
reduce el volumen de información necesario para almacenar
o transmitir una señal de voz, de forma que la perdida de
calidad de la señal decodificada sea la menor posible;
para ello "deberá mantenerse la inteligibilidad del
mensaje y existirá un compromiso de calidad versus tasa de
compresión, complejidad computacional, etc" [6]; un
aspecto de definitivamente, debe ser considerado por los
diseñadores de los PDS.

En general los diseñadores de PDS para voz, se
centran en dos aspectos: a) la codificación de forma de
onda, que intenta reproducir exactamente la forma de onda de la
señal a codificar y b) los métodos
paramétricos, con los que se busca un modelo de
producción del habla, y la reproducción en el
proceso de decodificación de una señal que al ser
escuchada sea parecida a la original, aunque existan distorsiones
en la forma de onda generada.

Es importante hacer mención que los codificadores
manejan señales de hasta 20 KHz, mientras que el
oído humano detecta sonidos desde un mínimo de 5 Hz
a un máximo de 20 KHz; lo que hace que la voz esté
en el límite superior de la capacidad auditiva del ser
humano. No obstante, "la mayor parte de la información en
la señal de voz se localiza en la mitad inferior de la
señal, tal que la voz humana ronda los 7 KHz"
[7].

La siguiente figura [8], muestra un esquema en forma de
módulos para la digitalización de la señales
de voz.

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Se puede observar la aplicación del procesamiento
digital en las diferentes etapas del mismo; bien sea en la
extracción de parámetros, el reconocimiento de la
voz, o el etiquetado que se realiza posterior a la
extracción de los parámetros de la voz.

El procesamiento digital de señales, lleva
consigo un conjunto de tendencias que una vez fueron consideradas
futuristas; no obstante cada día se profundiza más
en estos aspectos, a saber el estudio de la demótica y la
telemetría; de tal manera que con ellos se puede controlar
objetos mediante el uso de la señal de voz. Ciertamente,
que para ello es necesaria la digitalización de la
señal de voz para obtener la respuesta deseada. De tal
manera que la voz y sus componentes necesitan de un sistema de
reconocimiento de voz.

Otra aplicación de los PDS en el ámbito de
la voz, se observa en el envío de mensajes de textos, a
números telefónicos analógicos, en los que
el texto de los mensajes es traducido a una señal
analógica, lo que hace pensar en la posible realidad de
practicas de cirugías controladas por voz, accesos a
servicios, llenado de formularios, entre otras acciones posibles
mediante el uso del Procesamiento Digital de
Señales.

[1] Colla, P. (2007), "Bores Signal Processing.
Tutorial de Procesamiento Digital de Señales (DSP).
Teoría Básica"
[En línea]. Disponible
en: http://www.bores.com/courses/intro.

[2] Sklar, X. "Comunicación Digital
Avanzada".
Editorial, pp. 4, AÑO

[3] Martínez M, Serrano, A. y Gómez, J.
"Introducción al Procesado Digital de
Señales".
Universidad de Valencia, Curso 2009-2010,
pp. 1.6

[4] Ingle, K, y Poakis, J. "Digital Signal
Processing Using V.4
", PWS, USA, 1997. Pp. 19.

[5] Barchiesi, J. (2008), "Introducción al
Procesamiento Digital de Señales",
Ediciones
Universitarias Valparaiso, España, pp.23

[6] Fagúndez, M (2000). "Tratamiento digital
de voz e imagen y aplicación a la multimedia
".
Marcombo, España, pp. 38.

[7] SA, (s/f). [En línea]. "Capítulo
III, Compresión",
Disponible en:

http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/4070/III_-_Compresi%C3%B3n.pdf?sequence=6

[8] Suarez, S. (s/f), "Procesamiento de Voz, Retos
actuales",
[En línea], Disponible en:

http://www.cic.ipn.mx/sitioCIC/images/seminarios/b11/Material/proyectos.pdf

[9] Gomez, J (2011),"Procesamiento Digital de
Señales de Voz"
[En línea], Disponible en:
www.fcera.unr.edu.ar/prodivoz/apuntes.htm.

[10] Ballesi, F. y Ortíz F. (2008),
"Reconocimiento de Voz para aplicación en
domótica". Universidad Tecnológica Nacional
Facultad Regional San Nicolas, Argentina. Pp. 6

 

 

Autor:

Ing. Héctor, R.
Martínez

Participante de la Maestría en
Ingeniería Electrónica (opción
Telecomunicaciones)

UNEXPO-Barquisimeto, Venezuela.

 

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