Transcript DSP: Digital Signal Processors

Procesadores digitales
de señal (PDS)
DSP: Digital Signal Processors
(procesadores)
DSP: Digital Signal Processing
(técnicas matemáticas)
Electrónica aplicada al
tratamiento de datos 2003-04
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Inicios del PDS (1)

Años 1960-70:
• Primeros computadores digitales
• Muy caros
• DSP limitada a unas pocas aplicaciones muy críticas

Esfuerzos pioneros en:
• Radar y sonar: seguridad nacional
• Exploración petrolífera: posibilidad de obtener grandes
cantidades de dinero
• Exploración del espacio: los datos son irreemplazables
• Imágenes médicas: para salvar vidas
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Inicios del PDS (2)

Años 1980-90:
• La revolución de los computadores digitales: el PC
• Cada vez más baratos
• Grandes avances tecnológicos: chips DSP específicos

DSP en productos comerciales para el gran
público:
• Teléfonos móviles
• Reproductores de CDs
• Correo electrónico por voz
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Interdisciplinariedad
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Aplicaciones del PDS (1)
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Ejemplos concretos (1)

Sistema ABS de alta fiabilidad con
controlador digital de señal
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Ejemplos concretos (2)

Sistema de suspensión activa
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Ejemplos concretos (3)

Sistema controlador de disco
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Características

Los sistemas DSP suelen tener una
serie de características comunes:
Algoritmos: operaciones aritméticas
 Frecuencia de muestreo
 Frecuencia de reloj
 Tipos de datos aritméticos

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Algoritmos

El algoritmo especifica la operación
aritmética que debe realizar el DSP
pero no cómo se debe implementar

Velocidad/ precisión aritmética
• Software
• En un procesador ordinario
• DSP programable
• Hardware
• ASIC
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Algoritmos típicos (1)

Codificación y decodificación de voz
• Teléfonos digitales celulares, sistemas de
comunicación personal, teléfonos digitales
inalámbricos, computadores multimedia,
comunicaciones seguras

Encriptación y desencriptación de
voz
• Teléfonos digitales celulares, sistemas de
comunicación personal, teléfonos digitales
inalámbricos, comunicaciones seguras
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Algoritmos típicos (6)

Composición de imágenes
• Computadores multimedia, video de consumo,
interfaces de usuario avanzadas, navegación

Formación de imágenes
• Navegación, imágenes médicas, radar/sonar,
inteligencia de las señales

Cancelación del eco
• Micrófonos, modems, conmutadores telefónicos

Estimación espectral
• Inteligencia de las señales, radar/sonar, audio
profesional, música
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Ejemplo: filtros digitales (1)

Operación básica de procesado de
señales


Bloquear o dejar pasar determinadas
frecuencias presentes en la señal
Filtro más sencillo: promediador (tapped
delay line) = filtro pasa-baja
• Ejemplo: promediador de 4 muestras
y ( n) 
x(n)  x(n  1)  x(n  2)  x(n  3)
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Ejemplo: filtros digitales (2)
• Operaciones aritméticas:
• Sumas
• Multiplicaciones (1/4)
• Retardos (n, n-1, n-2, n-3)
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Ejemplo: filtros digitales (3)
• En general:
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Ejemplo:correlación (1)

Sirve para comparar dos señales en el
dominio temporal
• Una desplazada con respecto a la otra
f
y[n]   t[k ]  x[n  k ]
k 0
• Aplicación: radar, sonar
• Operaciones aritméticas:
• Sumas
• Multiplicaciones
• Desplazamientos (retardos)
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Ejemplo:correlación (3)
• Aplicación: radar
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Ejemplo:correlación (4)
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Ejemplo:correlación (5)
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Ejemplo:autocorrelación (2)
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Ejemplo:convolución (1)

Similar a la correlación:
f
y[n]   t[k ]  x[n  k ]
k 0
• Posible interpretación: filtro de coeficientes t[k]
• Operaciones aritméticas:
• Sumas
• Multiplicaciones
• Desplazamientos (retardos)
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Ejemplo:convolución (2)

Filtro FIR (Finite Impulse Response)
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Ejemplo:convolución (3)
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Algoritmos: resumen (1)

En la gran mayoría de los algoritmos
típicos de PDS:
• Operaciones aritméticas:
• Sumas
• Multiplicaciones
• Desplazamientos (retardos)
• Denominadas MAC (multiply-accumulate)

DSP: ruta de datos adecuada para MAC
• Multiplicación en un sólo ciclo
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Algoritmos: resumen (2)
• Multiplicación : generalmente, lenta
• Necesidad de acelerarla
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Algoritmos: implementación

Diferencia esencial entre un DSP
(procesador digital de señal
específico) y un microprocesador o
microcontrolador convencionales:
• El DSP diseñado específicamente para
tareas de cálculo intensivas, repetitivas y
de alto rendimiento
• Microprocesador: no especializado para una
tarea concreta
• Microcontrolador: especializado para tareas
de control
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Frecuencia de muestreo (1)

Velocidad de muestreo: velocidad a
la que las muestras son consumidas,
procesadas o producidas
Tiempo real
 La aplicación concreta condiciona la
tecnología de implementación del
algoritmo

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Frecuencia de muestreo (2)

Dependiente de la aplicación:
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Frecuencia de muestreo (3)

Restricciones de tiempo real duras

Ejemplo: convertidor de CD a cinta
magnética
• CD: 44,1 kHz
• Cinta magnética: 48 kHz
• Muestras del CD cada 22,7 ms
• Convertidor debe producir muestras a la salida
cada 20,8 ms
• Si se pierde alguna muestra: señal de salida
corrupta
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Frecuencia de reloj

Importante: relación entre la frecuencia
de reloj del DSP y la frecuencia de
muestreo (f/fm)

Determina la implementación: cantidad de
hardware necesario para implementar en
tiempo real un algoritmo de una determinada
complejidad
• A menor razón f/fm, más hardware y más complejo
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Tipos de datos aritméticos
Coma flotante versus coma fija
 Ancho de palabra: precisión

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Algunos DSP típicos
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