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Procesamiento Digital de Señales




Enviado por Oskar Sánchez



  1. Abstract
  2. Introducción
  3. Procesamiento
    digital de señales
  4. Ventajas del
    procesamiento digital de señales
  5. Desventajas del
    procesamiento digital de señales
  6. Tendencias del
    PDS
  7. Aplicación
    del PDS en un radar
  8. Conclusiones
  9. Referencias

Abstract

El procesamiento digital de señales (PDS, digital
signal processing o DSP) es el tratamiento, análisis y
manipulación de la información contenida en una o
más señales que a su vez pueden ser representadas
en funciones matemáticas específicas, con la
finalidad de mejorar o modificar las mismas. En este sentido la
señal está caracterizada por manejar la amplitud de
forma discreta y por estar en función del dominio del
tiempo discreto, las cuales son condiciones necesarias para que
la señal pueda ser procesada por un microprocesador o un
procesador DSP especializado.

I.
INTRODUCCIÓN

La electrónica digital es la rama de la
ingeniería encargada del estudio detallado y
sistemático del procesamiento digital de señales,
enfocada a la representación, transformación y
manipulación de la información contenida en ella.
Este tipo de señales son discretas, la amplitud solo puede
tener un numero finito de valores diferentes y su forma
eléctrica no guarda relación con su magnitud
física original, debido a que dichas señales
discretas son modificadas matemáticamente. No obstante,
cabe destacar que el primer tipo de procesamiento
electrónico de una señal que se desarrollo fue el
analógico que a diferencia del digital las señales
transportadas son continuamente variables en el tiempo y
constituyen una representación eléctrica de las
magnitudes físicas originales, tales como la voz,
temperatura, presión, imagen, entre otras.

II. Procesamiento
Digital de Señales

Antes de entrar en materia, es necesario indicar que es
una señal y se define como, "aquella cantidad
física que varía con el tiempo, espacio o cualquier
otra variable o variables independientes" [1].

Para una mejor comprensión de la
definición de PDS y un mayor sustento del tema, se tomo en
cuenta la siguiente definición, la cual estipula que el
"Procesamiento Digital de Señales" (DSP) se concentra en
el análisis y en el procesamiento de señales
representadas en forma digital, es decir, discretizadas en el
tiempo y en la amplitud" [2]. Dicho contenido coincide con el
objetivo de este artículo.

A su vez, "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"
[3].

En el PDS es de suma importancia considerar la
discretización en el tiempo, la discretización en
amplitud y la codificación o digitalización de la
señal, mas aun si la señal eléctrica a
tratar es de tipo analógica; la primera se define como el
muestreo de la señal y matemáticamente modifica las
ecuaciones de las trasformadas, convolución,
correlación, entre otras y si no cumple con ciertas
premisas como el teorema de Nyquist genera un posible problema,
denominado aliasing que no es más que el solapamiento de
la señal y se origina cuando la tasa de muestreo es
insuficiente, ocasionando una perdida irrecuperable de la
información contenida en la señal. Por otra parte,
la segunda consideración es definida como la
cuantificación (cuantización) de la señal,
esta parte del proceso puede ser casi imperceptible si se
cuantifica la señal con muchos bits o muy notoria si la
cuantificación consta de pocos bits, la
discretización en amplitud puede provocar algunos efectos
indeseables, tales como: Si procede de la conversión A/D
de la señal, adiciona un fenómeno denominado ruido
de cuantización, también afecta los cálculos
y si es significativo, puede producir errores importantes e
incluso inestabilidad en algunos sistemas. Finalmente la
codificación consiste en digitalizar la señal en
valores binarios (0 y 1), representados de acuerdo al
número de símbolos o bits y para ello existen
varias técnicas de codificación, tales como; NRZ,
UNRZ, mánchester, entre otras… También es
importe resaltar que el PDS "requiere de 2 componentes
esenciales: un algoritmo y una máquina calculadora"
[4].

De esta manera se aprecia que el PDS requiere en su
sistema de un filtro antialiasing, de un convertidor A/D
(muestreo, cuantificación y codificación de la
señal), un procesador DSP, un convertidor D/A y un filtro
analógico para suavizar la salida, tal y como lo muestra
la siguiente ilustración.

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Fig. 2 Sistema de procesamiento de
señales

Ilustrando la señal de entrada analógica y
los pasos del procesamiento digital de señales (PDS), el
primer bloque representa un filtro pasabajo análogo,
encargado de limpiar la señal antes de realizar el
muestreo; el argumento teórico de esta necesidad de
filtrado viene dada por el teorema de Nyquist escrito en su
artículo Certain Topics in Telegraph Transmission
Theory
, publicado por Harry Nyquist en 1928, el cual
indico "el efecto producido en el espectro de la frecuencia de
una señal analógica al ser discretizada en el
tiempo" [5] y por Claude Shanon en su artículo
Communications in the presence of noise publicado en 1949,
donde demostró que "es posible reconstruir perfectamente
una señal analógica a partir de sus muestras, si se
dispone de un filtro pasabajos análogos" [6]. Luego la
segunda sección en la figura representa la
conversión analógica-digital que no es más
que el muestreo, la cuantificación y la
codificación de la señal. Posteriormente el bloque
PDS, es similar a un procesador o microprocesador, que tiene la
finalidad del procesado digital, ajustados a las necesidades
requeridas y a la aplicación que se le otorgue.
Seguidamente el cuarto bloque es en resumidas cuentas el proceso
inverso de la segunda sección, este constituye un
convertidor digital-analógico. El quinto modulo viene dado
por otro filtro. Finalmente se obtiene la señal original
analógica recuperada.

Por consiguiente, en un sistema de comunicaciones
digital todo este proceso, se lleva a cabo al principio, del
mismo exactamente en la fuente y formateo de la señal,
donde se digitaliza la señal, a través de la
codificación y al final del mismo en la
decodificación y posteriormente el formateo de la
señal. Tal y como lo muestra la siguiente
ilustración.

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Fig. 2 Sistema de comunicación
digital [7]

III. VENTAJAS DEL
PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES

¿Por qué aplicar el PDS a las nuevas
tecnologías? y ¿Por qué los sistemas de hoy
en día utilizan el PDS?

La respuesta es fácil, debido a son más
confiables y ofrecen una serie de ventajas muy por encima de las
que puede brindar su contraparte, es decir el PAS; a
continuación las siguientes ventajas:

  • Ofrecen mayores facilidades, en comparación
    con las analógicas, para ser recuperadas. La Fig. 3
    ilustra un pulso digital binario ideal que se propaga a
    través de una línea de transmisión, el
    cual demuestra como la distorsión puede afectar una
    señal analógica, generando una forma de onda
    inaceptable y de cómo puede ser recuperada si se
    digitaliza.

  • Variaciones en su forma. Con circuitos
    analógicos, una gran distorsión puede dar una
    reproducción de la onda con una distorsión
    inaceptable. Una vez que la señal analógica
    esta distorsionada, la distorsión no puede ser
    removida por los amplificadores. Además la
    inserción de ruido en sistemas analógicos es
    irrecuperable, y esta no puede ser perfectamente regenerada.
    Ver la Fig. 3.

  • 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.

  • Hay otras importantes ventajas para las
    comunicaciones digitales son más seguras y pueden ser
    producidas a un costo más bajo que los circuitos
    analógicos.

  • También, el hardware digital presenta una
    mayor flexibilidad para su implementación que el
    hardware analógico. La combinación de
    señales digitales usando multiplexión por
    división de tiempo (TDM) la cual es más simple
    que la combinación de señales analógicas
    usando multiplexión por división de frecuencia
    (FDM).

  • Diferentes tipos de señales digitales pueden
    ser tratadas con señales similares y ser transmitidas
    y switcheadas bit a bit. También por un swicht
    conveniente, los mensajes digitados pueden ser transmitidos
    en grupos autónomos denominados paquetes. La
    técnica digital presenta condiciones naturales para el
    procesamiento de la señal que protegen de
    interferencia y jaming o para proveer encriptación y
    privacidad. También, aplica en comunicaciones entre
    computadoras y entre un instrumento digital o un terminal
    para computación.

  • El tiempo de los componentes y las derivas
    térmicas no afectan el resultado del
    proceso.

  • Todos los dispositivos fabricados se comportan de
    forma idéntica, debido a que la tolerancia de los
    componentes no influye en el procesamiento. La tolerancia de
    los componentes en un sistema análogo hacen que esto
    sea una dificultad para el diseñador al controlar la
    exactitud de la señal de salida análoga. Por
    otro lado, la exactitud de la señal de salida para un
    sistema digital es predecible y controlable por el tipo de
    aritmética usada y el número de bits usado en
    los cálculos.

  • Se puede reconfigurar un dispositivo modificando los
    valores de algunos coeficientes; no es necesario ajustar
    potenciómetros o reemplazar componentes.

  • El procesamiento análogo de señales de
    muy baja frecuencia se dificulta debido al requerimiento de
    capacitores de gran capacidad y muy baja corriente de fuga.
    En el caso del procesamiento digital no existen limitaciones;
    se puede procesar señales con periodos de horas (tales
    como las mareas) e incluso de años (manchas
    solares).

  • El tamaño de los componentes es
    constante.

  • El procesamiento digital es capaz de realizar tareas
    muy complejas.

  • La Tecnología VLSI (Very Large Scale
    Integration) da la posibilidad de diseñar sistemas con
    la capacidad para ejecutar procesamiento en tiempo real de
    muchas de las señales de interés para
    aplicaciones en comunicaciones, control, procesamiento de
    imagen, multimedia, entre otros.

  • Los sistemas digitales ofrecen una mayor
    flexibilidad que los correspondientes sistemas
    análogos.

  • Mayor precisión y mayor exactitud pueden ser
    obtenidos con sistemas digitales, comparado con los
    correspondientes sistemas análogos.

  • Un sistema programable permite flexibilidad en la
    reconfiguración de aplicaciones DSP.

  • Las señales digitales pueden ser almacenadas
    en un disco flexible, Disco Duro o CD–ROM, sin la
    pérdida de fidelidad más allá que el
    introducido por el convertidor Análogo Digital (CAD).
    Éste no es el caso para las señales
    análogas.

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Fig. 3 Degradación de la
señal [8]

IV. DESVENTAJAS
DEL PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES

  • La conversión de una señal
    analógica en digital, obtenida muestreando la
    señal y cuantificando las muestras, produce una
    distorsión que impide la exacta reconstrucción
    de la señal analógica original a partir de
    muestras cuantificadas.

  • Los sistemas digitales necesitan alcanzar un alto
    grado de sincronización, en donde en los sistemas
    analógicos esto es mucho más
    fácil.

  • Mayor limitación en frecuencias altas, debido
    a que normalmente se requieren convertidores A/D capaces de
    tomar muestras a una tasa varias veces mayor que la de la
    frecuencia de la señal análoga y procesadores
    capaces de efectuar muchas operaciones por cada muestra
    recibida. Por ejemplo un filtro FIR con una respuesta de
    impulso de 1000 coeficientes, operando a una tasa de
    Monografias.commuestras por
    segundo, requeriría un procesador capaz de efectuar al
    menos Monografias.commultiplicaciones y sumas por
    segundo.

  • El diseño generalmente es más
    complejo, debido a que incluye aspectos de hardware y
    software.

  • El rango dinámico de la amplitud
    (razón más grande y la más
    pequeña recibida que pueden ser procesadas) es
    más limitado, debido a la discretización en la
    amplitud. Sin embargo, la disponibilidad actual de
    convertidores A/D de alta resolución (18 a 24 bits) y
    de procesadores capaces de efectuar cálculos en puntos
    flotantes con un gran número de decimales, puede
    eliminar esta desventaja en muchas casos.

  • El rango dinámico en la frecuencia
    también es más limitado. Por ejemplo, un filtro
    análogo sencillo podría procesar
    simultáneamente componentes de 1 Hz y de 1 MHz, a
    pesar de que las dos frecuencias están separadas por
    seis órdenes de magnitud. Para realizar la misma tarea
    con un filtro digital, sería necesario procesar un
    gran número de muestras, ya que debería
    discretizar a una tasa mínima de Monografias.commuestras para
    representar solo 1 ciclo de la componente 1 Hz.

  • Una desventaja de los sistemas digitales es la
    utilización de grandes anchos de banda. Cuando la
    relación señal-ruido alcanza un cierto nivel,
    la calidad del servicio puede pasar de muy buena a muy mala.
    En contraste con los sistemas de comunicación
    analógicos donde tenemos una degradación
    más natural.

  • Existen efectos debidos a la precisión finita
    que deben ser considerados en el procesado digital de las
    muestras cuantificadas.

  • Para muchas señales de gran ancho de banda,
    se requiere procesado en tiempo real. Para tales
    señales, el procesado analógico, o incluso
    óptico, son las únicas soluciones
    válidas. Sin embargo, cuando los circuitos digitales
    existen y son de suficiente velocidad se hacen
    preferibles.

V. TENDENCIAS DEL
PDS

En los últimos 30 o 40 años con el avance
vertiginoso de la tecnología y de las telecomunicaciones
se ha producido una migración cada vez mayor desde el
procesamiento análogo hacia el procesamiento digital. Al
mismo tiempo, han surgido nuevas técnicas y nuevas
aplicaciones; que a su vez han generado nuevas tendencias en
campos de la ingeniería, en especial de las ramas que se
avocan al estudio, diseño y desarrollo de nuevas
arquitecturas con altas prestaciones para el PDS, tales como la
electrónica, las telecomunicaciones y la electricidad. A
continuación se mencionan algunas de las tendencias
actuales del PSD en diversas ramas de la
investigación.

  • Voz: Compresión de la
    información, identificación de personas y
    reconocimiento de voz (dictado por voz).

  • Telefonía: Desarrollo de nuevas
    técnicas como LTE entre otras, conmutación
    (centrales telefónicas digitales),
    decodificación de discado por tonos (DTMF), modems,
    canceladores de ecos, teléfonos celulares digitales
    (PCS), telefonía Ip, multimedia y teléfonos
    satelitales.

  • Redes de datos: Integración de todos
    los servicios de telecomunicaciones en uno.

  • Domótica: Para la
    automatización de los hogares de las personas.

  • Televisión: Televisión digital
    terrestre (TDC), IpTv, cancelación adaptiva de
    multipath para eliminar los "fantasmas", filtros "peineta"
    para mejorar la separación de luminancia y color en la
    señal de video compuesto, TV digital de alta
    definición (HDTV), compresión de la
    información.

  • Sistemas satelitales: Enlaces dedicados
    digitalización y codificación de servicios como
    Tv, telefonía, datos y multimedia.

  • Radiocomunicaciones Aeronáuticas: Para
    la medición de distancia y ubicación de
    aeronaves en el espacio aéreo.

  • Verificación de la calidad del suministro
    eléctrico
    : Detección de transientes,
    medición de valor efectivo, potencia, factor de
    potencia, contenido armónico y flicker.

  • Sonar: formación de haces, para
    orientar electrónicamente el arreglo de transductores;
    en modo activo, medición de la distancia, la
    demarcación y la velocidad de los contactos; en
    modo pasivo, clasificación de los contactos en
    base al ruido emitido por ellos.

  • Medicina: Reducción de ruido y
    diagnóstico automático de electrocardiogramas y
    electroencefalogramas; formación de imágenes en
    tomografía axial computarizada (scanner),
    resonancia magnética nuclear y ecografía
    (ultrasonido).

  • Análisis de vibraciones: En
    máquinas, para detectar tempranamente el desgaste de
    rodamientos o engranajes, comparando el análisis
    espectral de las vibraciones con un espectro de referencia
    obtenido cuando la máquina no tiene defectos.

  • Oceanografía: Alerta temprana de
    maremotos o tsunamis cuando se propagan en el
    océano abierto, en base a las características
    de esas ondas que las diferencian de las

  • olas y de las mareas; análisis
    armónico y predicción de mareas;
    medición de la energía de las olas con el
    objeto de dimensionar muelles y otras estructuras
    sumergidas.

  • Astronomía: Detección de
    planetas en estrellas lejanas, en base al movimiento
    oscilatorio que inducen en las estrellas alrededor de las
    cuales orbitan.

  • Radioastronomía: Búsqueda de
    patrones en las señales recibidas por los
    radiotelescopios, para detectar inteligencia extraterrestre
    (SETI).

  • Imágenes: Mejora del brillo,
    contraste, colorido y nitidez, restauración de
    imágenes borrosas debido al movimiento de la
    cámara o del elemento fotografiado, compresión
    de la información.

  • Audio: Ecualización,
    reverberación artificial, compresión de la
    información (MP3), cancelación activa de ruido
    ambiente (inyectando ruido en contrafase).

  • Industria automotriz: Control de la
    inyección y del encendido del motor para maximizar el
    rendimiento y minimizar las emisiones; control de la
    transmisión automática para maximizar la
    economía de combustible o la aceleración del
    vehículo; control del flujo de energía en los
    vehículos híbridos.

V.
APLICACIÓN DEL PSD EN UN RADAR

El sistema de radio detección y rango mejor
conocido como radar, fue una de las primeras aplicaciones del
procesamiento de señales digital, el cual es necesario
para la medición de la distancia y de la velocidad de los
blancos móviles (aeronaves). La compresión del
pulso, permite incrementar la longitud de los pulsos para
aumentar el alcance, manteniendo la resolución en
distancia.

En este caso se estudiara muy brevemente la
aplicación del radar primario de vigilancia ATCR-33S,
fabricados por la empresa italiana SELEX, este sistema procesa la
señal a nivel de recepción con un procesador de
señales que digitaliza la señales analógicas
que se reflectan en los blancos móviles y a su vez,
procesa datos meteorológicos. Es decir, "el procesador de
señales recibe las señales analógicas y las
digitaliza, utiliza la técnica de comprensión de
pulsos por impulsos para realizar el filtrado doppler, la
detección de blancos y procesar datos
meteorológicos como la lluvia" [9]. Todo esto es de gran
ayuda para el control y vigilancia del tráfico
aéreo que cada día se incrementa de manera
acelerada. A continuación si ilustra parte de la
arquitectura que usa este sistema en la Fig. 4.

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Fig. 4 Arquitectura del PDS en un RADAR
de vigilancia primario ATCR-33S, SELEX.

VI.
CONCLUSIONES

El procesamiento digital de señales representa el
futuro en el estudio de nuevas tecnologías que de la mano
de campos de la ingeniería como la electrónica
concretaran la evolución de la misma y garantizaran
avances tan significativos que la calidad de vida de los seres
humanos se incrementara de forma sustancial. En este sentido, la
fabricación y diseño de nuevas arquitecturas y el
incremento de la velocidad del cálculo matemático
de estos microprocesadores, que por lo general es en tiempo real,
serán las principales características que
estarán estrechamente ligada al tipo de aplicación
que se le quiera dar, lo que quiere decir, que la tendencia es
que siga evolucionando el PDS con arquitecturas que estén
cada vez mas adaptadas a las necesidades y particularidades de
las diferentes aplicaciones. De tal manera que a nivel de
prestaciones puede atender exigencias particulares como por
ejemplo la domotica, donde el usuario demanda los requisitos; sin
embargo existen otros aspectos a considerar como el costo y el
consumo que pueden disminuir el número el interés
en su estudio.

Finalmente se puede decretar el triunfo inminente del
procesamiento digital de señales sobre el procesamiento
analógico de señales con un gran número de
ventajas a nivel de costos y tamaño de los componentes,
así como también la confiabilidad y fidelidad que
nos ofrece el PDS, con respecto a la calidad de la
señal.

REFERENCIAS

[1] Alvarado. (2011). "Procesamiento Digital de
Señales". Escuela de Ingeniería Electrónica,
Tecnológico de Costa Rica. Disponible en Línea:
http://www.ie.itcr.ac.cr/palvarado/PDS/pds.pd.

[2] Barchiesi, J. (2008), "Introducción al
Procesamiento Digital de Señales",
Ediciones
Universitarias Valparaíso, Chile, pp.13.

[3] Sklar, (2001). "Comunicación Digital
Avanzada".
Editorial Prentice Hall, pp. 4.

[4] Vega, (2006). "Introducción a los
sistemas de telecomunicación",
Dpto. de
Ingeniería de Comunicaciones, Universidad de Cantabria,
pp. 18.

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

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

[7] Sklar, (2001). "Comunicación Digital
Avanzada".
Editorial Prentice Hall, pp. 3.

[8] Sklar, (2001). "Comunicación Digital
Avanzada".
Editorial Prentice Hall, pp. 1.

[9] Selex, (2007). "Technical Manual ATCR-33S-DPC
Receiver".
Marconi Systems, pp. 4-4-1.

 

 

Autor:

Oskar Sánchez

oskr2588[arroba]gmail.com

oskar.sanchez[arroba]inac.gob.ve

Dirección de Investigación y
Postgrado, Universidad Nacional Politécnica "Antonio
José de Sucre"

Barquisimeto, Venezuela

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