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Interés y actualidad del PDS
Vivimos en un mundo digital
Infinidad de aplicaciones del PDS:
multimedia: voz / sonido / imagen
robótica
medicina
y otras muchas más………..
Internet: google: búsqueda: DSP
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sólo en castellano, aprox. 14.500
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Introducción (1)
DSP: Digital Signal Processing
Procesado digital de señales (PDS)
Señales: magnitudes físicas que contienen información sobre un fenómeno natural
Señales más habituales en aplicaciones informáticas:
temperatura
presión
desplazamiento
sonido / voz
imagen
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Introducción (2)
Procesado de las señales
Captación, adquisición de la señal
sensores, transductores
Para extraer la información de la señal
procesamiento de la señal
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Introducción (3)
Señales naturales: analógicas (continuas)
Procesamiento analógico (amplificadores)
Procesamiento digital
muestrear la señal y digitalizarla (CAD)
¿microprocesador convencional?
tratamiento digital pero no DSP
DSP específicamente: tratamiento de la señal en el dominio de la frecuencia
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Introducción (4)
Captación
(sensores, transductores)
Acondicionamiento (amplificación, filtrado)
Procesamiento analógico (amplificadores)
Aplicación (actuadores)
Muestreo
Conversión A/D
Procesamiento digital
Conversión D/A
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Procesamiento analógico (1)
Características (desventajas)
Solución específica para cada aplicación
Alta sensibilidad a los componentes
Tolerancias de resistencias y condensadores (falta de precisión)
Diferencia de ganancia entre transistores aparentemente iguales
Derivas térmicas
Envejecimiento
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Procesamiento analógico (2)
Alto grado de incertidumbre en el comportamiento de cada circuito concreto
Necesidad de ajustes (desplazamiento del cero u offset, de ganancia)
Pérdida de tiempo caso por caso en soluciones particulares
Coste añadido al diseño
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Inicios del PDS (1)
1950-1960: diseñadores de sistemas de procesamiento analógico
necesidad de simularlos antes de construir caros prototipos
matemáticas / algoritmos
herramienta obvia para la simulación: el ordenador digital
arquitecturas más eficientes
simulaciones más rápidas
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Inicios del PDS (2)
Salto obvio:
de la simulación al tratamiento digital de la señal real
cambio de objetivos:
tratamiento en tiempo real
desarrollo de mejores algoritmos
desarrollo tecnológico de procesadores digitales específicos
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Procesamiento digital (1)
Características (ventajas)
Programabilidad: procesador genérico / sólo el algoritmo dependiente de la aplicación
Estabilidad (no le afectan ni la temperatura ambiente ni el envejecimiento)
Repetibilidad (independiente de la tolerancia de los componentes)
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Procesamiento digital (2)
Características (ventajas)
Consumo (más bajo, sobre todo en CMOS)
Coste (en muchas aplicaciones, más barato)
Calibración (ni ajustes ni mantenimiento sistemático)
Número de chips (puede reducirse)
Algoritmos adaptativos (muy difíciles o imposibles con tecnología analógica)
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Procesamiento digital (3)
Desventajas:
Señales reales: analógicas. Variable continua; precisión infinita (rango y dominio: continuos).
Deben ser muestreadas y digitalizadas: secuencia discreta de valores discretos
(rango y dominio: discretos)
Errores en el muestreo y en la digitalización
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Tipos de señales
4 tipos básicos en PDS:
Analógicas, x(t): amplitud y tiempo continuos
Muestreadas, xS[n]: tiempo discreto, amplitud continua
Cuantizadas, xQ(t): tiempo continuo, amplitud discreta
Digitales, xQ[n]: tiempo y amplitud discretos
t
n
t
n
X(t)
XS[n]
XQ(t)
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XQ[n]
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Muestreo (1)
Toma de valores de la señal en instantes de tiempo prefijados:
frecuencia de muestreo, fs (periodo de muestreo)
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Muestreo (2)
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Muestreo (3)
Problema: reconstrucción de la señal original
Pérdida de información en el muestreo, dependiendo de la frecuencia de muestreo en relación a la frecuencia de la señal concreta a muestrear
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Muestreo (4)
Ejemplo 1:
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Muestreo (5)
Ejemplo 2:
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Muestreo (6)
Pérdida de información en el muestreo.
Errores de “aliasing” (enmascaramiento de la señal):
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Muestreo (7)
¿Cómo determinar la frecuencia de muestreo para evitar el “aliasing”?
Señal analógica variable. Análisis de Fourier: cualquier señal está compuesta por señales sinusoidales de diferentes frecuencias.
Teorema de Shannon del muestreo. Frecuencia de Nyquist de muestreo: doble de la máxima frecuencia presente en la señal a muestrear
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Análisis de Fourier
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Espectro frecuencial (1)
Conjunto de frecuencias que componen una señal determinada
Ejemplos:
de una sinusoidal pura: espectro discreto
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Espectro frecuencial (2)
de una señal cualquiera: espectro continuo
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Muestreo y espectro frecuencial (1)
Espectro frecuencial de la señal muestreada: se repite cada fs
fs > 2fm
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Muestreo y espectro frecuencial (2)
fs < 2fm: solapamiento espectral = aliasing
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Muestreo y espectro frecuencial (3)
Si la señal original tiene un espectro muy ancho:
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Muestreo y espectro frecuencial (4)
solapamiento seguro: ¿aliasing inevitable?
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Filtro anti-aliasing (1)
Para evitar el aliasing:
filtro pasa-baja previo al muestreo
elimina las frecuencias más altas de la señal
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Filtro anti-aliasing (2)
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Eliminación de glitches (1)
consecuencia directa del muestreo:
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Eliminación de glitches (2)
consecuencia del filtro pasa-baja:
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Digitalización. CAD (1)
En la conversión analógico-digital se pierde información debido a:
Imprecisiones en la medida
Incertidumbre en la temporización
Limitaciones en la duración de la medida
Errores de cuantificación
no-lineales, dependientes de la señal
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Digitalización. CAD (2)
precisión limitada:
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Digitalización. CAD (3)
Incertidumbre en el reloj:
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Digitalización. CAD (4)
ruido de cuantificación:
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Digitalización. CAD (5)
ruido de cuantificación:
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Reconstrucción de la señal
Filtro en la salida:
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Sistema PDS completo
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Aplicaciones del PDS (1)
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Aplicaciones del PDS (2)
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Bibliografía
DSP Processor Fundamentals. Architectures and Features. P. Lapsley, J. Bier, A. Shoham, E.A. Lee. IEEE Press, 1997 (http://www.BDTI.com)
A simple approach to Digital Signal Processing. C. Marven, G. Ewers. Texas Instruments, 1994 (http://dspvillage.ti.com)
The Scientist and Engineer’s Guide to Digital Signal Processing. S.W. Smith.California Technical Publishing, 1997 (http://www.dspguide.com)
Introduction to DSP. Curso on-line. http://www.bores.com/courses/intro/index.htm