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Introducción al Procesamiento Digital de Señales (DSP)
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Objetivo
Exponer los aspectos generales del Introducción al Procesamiento Digital de Señales (DSP).
El alumno aprenderá las capacidades y limitaciones de las herramientas relacionadas con el Introducción al Procesamiento Digital de Señales y conocerá sus principales áreas de aplicación.
Al finalizar este curso el alumno deberá ser capaz de implementar una solución óptima de procesamiento mediante el uso de estas técnicas.
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Definición● El procesamiento digital de señales se entiende por todas aquellas técnicas destinadas al tratamiento de secuencias de valores discretos.
● El procesamiento digital de señales es una rama de las telecomunicaciones y se dedica a la generación o manipulación de señales mediante sistemas digitales.
● En un sentido más estricto se centra en el almacenamiento, transmisión y transformación de la información en el sentido de la teoría de la información en la forma de, señales digitales discretas.
Introducción
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Evolución● Primeras aplicaciones (1960-1970s) orientadas hacia el uso militar (detección de radar y sonar), hacia las telecomunicaciones, algunas aplicaciones en medicina y en la telemetría espacial.
● La revolución de la microelectrónica (1980-1990s) causó un gran crecimiento en las aplicaciones de los DSP's tanto en dispositivos de telecomunicaciones como en sistemas de control.
● Actualmente se encuentran en la mayoría de los sistemas digitales de mediana y alta complejidad
Introducción
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Evolución● La producción a gran escala de procesadores de alto desempeño produjo una notoria reducción de costos, lo que a su vez ha impulsado el desarrollo de aplicaciones embebidas, de sistemas con comunicaciones inalámbricas, así como la generación constante de sistemas inteligentes.
Introducción
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Áreas de Desarrollo● Audio, Imagen y Video.
● Industria Automotriz.
● Computación y cálculo numérico.
● Comunicaciones.
● Medicina.
● Tecnología Militar.
● Sistemas Eléctricos de Potencia.
● Automatización, Robótica, etc.
Introducción
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Audio, Imagen y Video.● Sintetizadores de audio, reproductores digitales de música, reproductores de discos compactos y DVD's, sistemas de teatro en casa (THX) y de reproducción Dollby digital.
● Aceleradores Gráficos, Compresión de imágenes y video, Restauración de imágenes, equipos de realidad aumentada, proyectores DLP, pantallas y televisores planos, edición fotográfica y edición de video juegos
Introducción
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Aplicaciones médicas● Sistemas de monitoreo y supervisión
● Sistemas de rehabilitación y medicina deportiva
● Sistemas de Dosificación
● MRI, PET, SPECT, Ultrasonido
● Tele-medicina
● Equipo de ayuda
Introducción
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Telecomunicaciones y redes● Transferencia de voz, datos y multimedia
● Enlace con redes y troncales
● Compresión de servicios de mensajería y correo
● Monitoreo y distribución de tráfico
● Modulación digital
● Encriptación y Protocolos de seguridad
Introducción
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Transporte● Sector Automotriz, de 40 a 100 procesadores con múltiples redes, hasta 128 nodos (actuadores y sensores)
● Motor, Transmisión, Chasis, Seguridad, Asistencia de manejo, Confort y sistema de entretenimiento
● Sistemas críticos. Operación en tiempo real
Introducción
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Ejemplo: Aviónica
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Aplicaciones Militares● Sistemas electrónicos usados en aeronaves, satélites artificiales y naves espaciales.
● Sistemas de control
● Indicadores de vuelo
● Sistemas de comunicación
● Sistemas de navegación
● Cajas negras
● Radar, Sonar, sistemas de cámaras, contramedidas electrónicas, etc ...
Introducción
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Otras aplicaciones● Procesamiento de Imágenes
● Reconocimiento de Patrones
● Visión Robótica
● Instrumentación y control
● Reducción de ruido
● Análisis espectral
● Reconocimiento y Síntesis de voz
● Etc.
Introducción
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Diagrama de bloques:
Acondicionamiento de señalProcesamiento: convolución,
correlación, DFT
Dispositivos para el procesamiento digital: PC, microprocesadores, microcontroladores, DSPs (Digital Signal Processors), ASICs (Application Specific Integrated Circuit)
Procesamiento digital de señales
Adecuación de señal
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Análogo vs Digital
• Análogo– Resolución infinita– Continuidad en el tiempo– Continuidad en la amplitud
• Digital– Números discretos– Discontinuo en el tiempo– De amplitud en intervalos discretos
• El Reto: Producir una representación digital que adecuadamente represente los valores de la señal analógica.
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Sistemas analógicos
Dominio Acoustico
DominioElectrico
Dominio Acoustico
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Sistema Programable
Dominio Acoustico
Dominio Acoustico
DominioElectrico
Dominio Digital
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Sistema Digital
Dominio Acoustico
DominioElectrico
Dominio Electrico
Dominio Acoustico
Dominio Digital
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¿Por que digital?
FlexibilidadProgramabilidadReproducibilidad y Precision (!)Procesamiento Avanzado de Señales
– Compresión Multicanal– Modulación precisa de frecuencia– Cancelación de perturbaciones y ecos– Reducción de ruido– Procesamiento Direccional
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Aplicaciones de los DSP's
Análisis y visualización de señales digitales,
Grabaciones digitales, procesamiento y reproducción, síntesis de señales digitales
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Temas relacionados con DSP's
Convertidores A/DConvertidores D/AMuestreoCuantizaciónAliasingFiltro Anti-aliasing Algoritmos ySobre-muestreo
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DSP’s Dispositivos orientados al procesamiento digital de señales
Señal Definición: Es una cantidad física cuantificable (e.g. voltaje, corriente, o campo magnético) por medio de la cual puede relacionar o transmitir datos o información a otro medio.
Introducción a las Plataformas
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Características:– Las señales son Magnitudes que representan variable físicas:– Son mensurables – Son analógicas– Contienen Información.
Ejemplos:– Temperatura [oC]– Presión [Newtons/m2] o [Pa]– Masa [kg]– Velocidad [m/s]– Acceleración [m/s2]– Torque [Newton*m]– Voltaje [Volts]– Corriente [Amps]– Energía [Watts]
En esta clase, las señales serán eléctricas.– Sensores: son dispositivos que convierten las magnitudes físicas
(temperatura, presión, etc.) a señales eléctricas.
Introducción a las Plataformas
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Extracción de Información– Amplitud– Fase– Frecuencia– Contenido Espectral
Modificación y multiplexión de Señales– FDMA (Frequency Division Multiple
Access)– TDMA (Time Division Multiple
Access)– CDMA (Code Division Multiple
Access)
Compresión de Datos– ADPCM (Adaptive Differential Pulse
Code Modulation)– CELP (Code Excited Linear
Prediction)– MPEG (Moving Picture Experts
Group)– HDTV (High Definition TV)
Retroalimentación y Señales de Control– Robótica – Manufactura de Vehículos– Control de procesos
Separación Señal y Ruido– Filtrado– Autocorrelación– Convolución
Almacenamiento de Señales en formato Digital para su Análisis
– FFT– DFT– …
Introducción a las PlataformasEspectro de aplicaciones
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Introducción a las Plataformas
32-bit ARMCortex™-M3
MCUs
16-bit ultra-low power
MCUs
DSPDSP+ARM
ARM Cortex-A8
MPUs
TI Embedded Processors
Digital Signal Processors (DSPs)Microcontrollers (MCUs) ARM®-Based Processors
32-bit real-time
MCUs
Stellaris®
ARM® Cortex™-M3
Up to 100 MHz
Flash8 KB to 256 KB
USB, ENET MAC+PHY CAN, ADC, PWM, SPI
Connectivity, Security,Motion Control, HMI,Industrial Automation
$1.00 to $8.00
C2000™
Delfino™
Piccolo™
40MHz to 300 MHz
Flash, RAM16 KB to 512 KB
PWM, ADC, CAN, SPI, I2C
Motor Control, Digital Power,
Lighting, Ren. Enrgy
$1.50 to $20.00
Sitara™
ARM® Cortex™-A8& ARM9
300MHz to >1GHz
Cache, RAM, ROM
USB, CAN,PCIe, EMAC
Industrial computing, POS & portable
data terminals
$5.00 to $20.00
MSP430™
Up to 25 MHz
Flash1 KB to 256 KB
Analog I/O, ADCLCD, USB, RF
Measurement,Sensing, General
Purpose
$0.25 to $9.00
Ultra Low power
DSP
C5000™
Up to 300 MHz+Accelerator
Up to 320KB RAMUp to 128KB ROM
USB, ADC McBSP, SPI, I2C
Audio, Voice
Medical, Biometrics
$3.00 to $10.00
Multi-coreDSP
C6000™
24.000 MMACS
Cache RAM, ROM
SRIO, EMACDMA, PCIe
Telecom T&M, media gateways,
base stations
$40 to $200.00
C6000™
DaVinci™
video processorsOMAP™
300MHz to >1Ghz +Accelerator
Cache RAM, ROM
USB, ENET, PCIe, SATA, SPI
Floating/Fixed PointVideo, Audio, Voice,Security, Confer.
$5.00 to $200.00
Portafolio de productos
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Control deMotoresNo tradicional
Redes ópticasControl de diodos láser
Control de Motores
Industriales
Enseres Domésticos
InversoresSolares
Sector MédicoAutomotriz
Enseres de Consumo
Sistemas de respaldoy control de energía
Aplicaciones de la familia C2000 de TI
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Introducción a las PlataformasEjemplo: telefonía digital
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GPP Disp. Dedicado
Memoria
Progama + Datos
ALU, Registros
Memoria Programa
L1 S1 M1 A1 L2 S2 M2 A2
Registros Registros
Memoria Datos
L:ALU S:Shift M:Multiply A:Address
Introducción a las Plataformas
Dispositivos Programables - GPP vs DSP
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Ejemplo de un filtro pasa bajos:
– Filtro analógico Chebyshev de Tipo I y Orden 6, vs.
– Filtro digital FIR de 129-términos
¿Por que usar los DSP’s?
¿Por que usar los DSP’s?
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Chebyshev Tipo I (Pass-Band Ripple)6-Polos1.0 dB de fluctuación en la banda de conducción (Pass-Band Ripple)Fase : No-linealMATLAB: fdatool
– Order = 6– Fs = 10,000 Hz– Fpass = 1,000 Hz– Apass = 1 [dB]
¿Por que usar los DSP’s?
Filtro analógico Chebyshev de Tipo I
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Implementación de un filtro pasa-bajo
¿Por que usar los DSP’s?
Ejemplo de un filtro Activo de 3er orden
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¿Por que usar los DSP’s?
Respuesta del Filtro Chebyshev Tipo I y 6to orden
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¿Por que usar los DSP’s?
Fluctuación en la banda de conducción de 1.0 dB
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● 129-Tap,
● Fluctuación en la banda de conducción menor a: 0.002 dB (Pass Band Ripple)
● Fase Lineal
¿Por que usar los DSP’s?
Diseño del Filtro tipo FIR
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¿Por que usar los DSP’s?
Respuesta en Magnitud del filtro FIR
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¿Por que usar los DSP’s?
Fluctuación menor a 0.002 dB (Pass-Band Ripple)
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¿Por que usar los DSP’s?
Comparativo de la Respuesta de los 2 filtros
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Implementación Analógica vs. Digital
Analógica
Contras:– Coeficientes de filtrado
aproximados• Sólo componentes estándar
disponibles– Dependencia de la temperatura
ambiente– Menor precisión– Diseñado específicamente para
la tarea en mente
Pros:– Opera en tiempo real (retraso
mínimo)
Digital (DSP)
Contras:– La operación en tiempo real está
directamente relacionada con la velocidad del procesador y la complejidad del diseño.
Pros:– Precisa implementación
(configurable de acuerdo a la implementación)
– Operación independiente de las condiciones ambientales.
– Flexibilidad• El DSP’s puede ser re-
programado
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Implementación de Filtros en el DSP
Filtro tipo FIR● El filtro digital de 129-taps require de 129 operaciones de multiplicación- acumulación (MAC: multiply-accumulates)
● La operación debe completarse dentro del intervalo de muestreo (1/Fs) para preservar la operación en tiempo real.
● Fs = 10000Hz = 10kHz 100 ns⇒
● La mayoría de los DSP's modernos realiza una operación MAC en una sólo ciclo de instrucción
● Verificar el «Instruction rate»
● Para este caso > 129/100 ns = 1.3 MIPS
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10111011x 1110x 1110
10111011x 1110x 1110
HardwareHardware MicrocodeMicrocode
1001101010011010 000000001011.1011.1011..1011..1011...1011...
1001101010011010
Cycle 1Cycle 1Cycle 2Cycle 2Cycle 3Cycle 3Cycle 4Cycle 4
Cycle 5Cycle 5
Implementación de Filtros en el DSP
Multiplicación por Hardware vs. Microcode ● Los procesadores DSP están optimizados para realizar operaciones de suma y multiplicación.
● Tradicionalmente las operaciones MAC se realizan en un sólo ciclo de instrucción.
● Ejemplo: Multiplicación de 4-bits sin signo.
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Punto Flotante vs. Punto Fijo
Ventajas del Punto Flotante (similar a calculos en PC's)
● Alta precisión.
● Amplio intervalo dinámico.
● Alta Razón Señal a Ruido (SNR).
● Fáciles de usar.
Desventajas del Punto Flotante:
● Alto consumo de energía.
● Mayor costo y tamaño respecto a las versiones de punto fijo.
● Menor velocidad vs. dispositivos equivalentes de punto fijo
Implementación de Filtros en el DSP
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Per
form
ance
P
ow
er
ARM
CortexA8
CortexM3
Code Compatibility (ISA)
ARM DSP 64x
M3
C6000C64x
Multi-core
MSP430
C5000
C2000
ARM Core
DSP
DM3xxDM644x
DM646x
CortexA8
ARM9
C674x
OMAP35xOMAP4
OMAP-L1X
OMAP5
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Diseño de Sistemas
Parámetros de diseño DSP's
Throughput
● MIPS / Tiempo de Ejecución
● Capacidad Aritmética
Memoria
● Almacenamiento / Flujo de Datos
● Capacidades de direccionamiento
Entradas / Salidas
● Interfaces / ancho de banda
● Formato de datos
Proceso deControl
Almacenamiento
Rx
Comunicaciones
DSP's
Tx
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Diseño de Sistemas
Metodología
1) Definición de Requerimientos
2) Análisis de la Señal
● Características, ruido y velocidad.
3) Diseño del proc. digital
● Operaciones primitivas
● Análisis aritmético.
4) Análisis de Recursos
5) Análisis de Configuración (HW)
2
4
1
3
Ok?
5
Ok?
No
No
Yes
Yes