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Sinais e Sistemas – Capítulo 1

Simon Haykin

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O que é um sinal?Um sinal é definido como uma função de uma ou mais variáveis, a qual veicula informações sobre a natureza de um fenômeno físicoSinais de fala;Sinais biológicos;Previsão do tempo (temperatura, pressão,...);Bolsa de valores;Sonda espacial.

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O que é um sistema?Sempre há um sistema associado à geração de cada sinal e outro associado à extração de informação do sinal.

Ex.: Sinal de fala – O sistema fonético o gera e o sistema auditivo extrai as informações Uma única variável – sistema unidimensional

Exemplo: sinal de fala

Duas ou mais variáveis – sist. MultidimensionalExemplo: sinal de imagem

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O que é um sistema? Um sistema é definido como uma entidade

que manipula um ou mais sinais para realizar uma função, produzindo assim, novos sinais

Sistema de Comunicação

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Alguns Sistemas Importantes Sistemas de Comunicações Sistemas de Controle Sistemas de Sensoriamento Remoto Sistemas de Processamento de Sinais

Biomédicos Sistemas Auditivos

Sistemas de Comunicações

Transmissor

Sinal de fala, sinal de televisão,

dados de computador(mensagem)

Canal Receptor

Sinal transmitido

Converte mensagem em

uma forma apropriada para

transmissão

Estimativa da

mensagem

Fibra ótica,Cabo coaxial,

Canal de satélite,Canal de rádio móvel

Sinal recebido

Distorção devido a propagação, ruídos e sinais de interferência

Reconstrói uma forma reconhecível da

mensagem original

Sistema ANALÓGICO OU DIGITAL

Sistemas de Comunicações

Transmissor

Sinal de fala, sinal de televisão,

dados de computador(mensagem)

Canal Receptor

Sinal transmitido

Modulador (modulação de

amplitude, de fase ou de frequência)

Estimativa da

mensagemSinal

recebido

Distorção devido a propagação, ruídos e sinais de interferência

Demodulador (demodulação de

amplitude, de fase ou de frequência)

Sistema Analógico

Sistemas de Comunicações

Transmissor

Sinal de fala, sinal de televisão,

dados de computador(mensagem)

Canal Receptor

Sinal transmitido

Amostragem,Quantização e

Codificação

Estimativa da

mensagemSinal

recebido

Distorção devido a propagação, ruídos e sinais de interferência

Reconstrução da mensagem

Sistema Digital

Erro de quantização

Sistemas de ComunicaçõesVantagem e Desvantagem da Comunicação Digital sobre a Analógica Comunicações digitais exigem sistemas mais complexos Comunicações digitais são mais eficientes que as analógicas, apresentando menor custo

Modos Básicos de Comunicação Radiodifusão: Um transmissor potente e inúmeros receptores relativamente baratos. Os sinais fluem em uma única direção.Exemplos: Rádio e televisão;

Comunicação ponto a ponto: Enlace entre um único transmissor e um único receptor. Permite fluxo bidirecional, desde que hajam um conjunto transmissor-receptor em cada extremidade.Exemplos: Telefone e comunicação espacial

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Sistemas de Controle

Exemplos: Piloto automático de avião, veículo de transporte coletivo, motores de automóveis, ferramentas de máquina, refinarias de petróleo, fábricas de papel, reatores nucleares, usinas elétricas, robôs, etc.

O objeto a ser controlado (o sistema de controle) é chamado de planta

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Sistemas de Controle

Para que?Os principais motivos, do ponto de vista da

engenharia, são a obtenção de uma resposta satisfatória e a promoção de um desempenho robusto.

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Sistemas de Controle A resposta de um sistema de controle será

satisfatória se sua saída segue ou acompanha uma entrada de referência específica (regulação).

Um sistema é robusto se tem boa regulação, apesar de perturbações externas.

Para alcançar tais propriedades, exige-se, normalmente, uma realimentação do sistema.

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Sistemas de Controle

Sistema de controle em malha fechada ou sistema de controle com realimentação

Sistema de aterrissagem de avião: Planta = avião; sensores determinam a posição horizontal; controlador = computador digital.

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Sistemas de Controle

Sistema de controle em malha fechada ou sistema de controle com realimentação

Em termos de simulação, a planta é representada por uma série de equações matemáticas que geram a saída y(t) em resposta ao sinal v(t) emitido pelo controlador (ação de controle) e à perturbação externa.

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Sistemas de Controle

Sistema de controle em malha fechada ou sistema de controle com realimentação

Em termos práticos, o(s) sensor(es) responsável(is) pela realimentação do sistema converte(m) a saída da planta y(t) para uma outra forma (normalmente elétrica), gerando o sinal de realimentação r(t).

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Sistemas de Controle

Sistema de controle em malha fechada ou sistema de controle com realimentação

A comparação entre o sinal de referência x(t) e o sinal de realimentação r(t) gera o sinal de erro e(t), o qual excita o controlador.

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Sistemas de Controle Um sistema de controle pode ser SISO (Single-Input/Single-Output), MIMO (Multiple-Input/Multiple-Output), MISO (Multiple-Input/Single-Output) ou SIMO (Single-Input/Multiple-Output).

Em qualquer tipo de sistema, o controlador, hoje em dia, nada mais é do que um sistema digital (computador ou sistema embarcado com microprocessador, microcontrolador, DSC, etc.), o qual é mais flexível e mais preciso do que um sistema analógico.

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Sistemas de Sensoriamento Remoto É definido como o processo de adquirir

informações sobre um objeto de interesse sem estar em contato físico com ele.

A aquisição de informações é feita detectando-se e medindo-se as mudanças que o objeto impõe ao campo circunvizinho.

O campo pode ser: Eletromagnético; Acústico; Magnético; ou Gravitacional.

=> nos preocuparemos com este!

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Sistemas de Sensoriamento Remoto A aquisição de informações pode ser passiva ou ativa

Na aquisição passiva, “ouve-se” o campo (sinal) que é emitido naturalmente pelo objeto Exemplo: informações provenientes do espaço

Na aquisição ativa, “ilumina-se” intencionalmente um objeto com um determinado tipo de campo (sinal) e observa-se o eco (sinal retornado do objeto) Exemplo: o sonar (baseado no modo de localização

dos morcegos)

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Sistemas de Sensoriamento Remoto Exemplo: estudo de superfície planetária

Sensores de radar para informações das propriedades físicas da superfície

Sensores infravermelhos para propriedades térmicas da superfície

Sensores visíveis e próximos do infravermelho para informação da composição química

Sensores de raio-X para informações sobre materiais radioativos

Campos eletromagnéticos cobrindo todo o espectro de frequência

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Sistemas de Processamento de Sinais Biomédicos A meta é extrair informações que auxiliem no diagnóstico ou

tratamento de uma condição médica Sinais biomédicos são fruto da atividade elétrica de grandes grupos de

células nervosas e/ou musculares As células nervosas do cérebro são chamadas de neurônios O EEG (Eletro-EncefaloGrama) é um registro das flutuações

decorrentes de atividades cerebrais (sinais de EEG) Os impulsos elétricos (sinais) produzidos pela atividade cerebral são,

muitas vezes, transmitidos ao corpo-humano a partir de nervos conectados a neurônios motores

O coração é um conjunto de células musculares que gera um sinal padrão chamado de ECG (Eletro-CardioGrama)

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Sistemas de Processamento de Sinais BiomédicosArtefatos: parte do sinal produzida por eventos que são estranhos ao

evento biológico de interesse

Tipos de artefatos: Instrumentais: gerados pelo uso de instrumentos, introduzindo,

normalmente, harmônicas de 60Hz da rede elétrica que alimenta o instrumento de medição

Biológicos: um sinal biológico contaminando um outro sinal biológico de interesse

de Análise: provenientes do processamento do sinal para busca de uma estimativa do evento de interesse

Artefatos de análise são controláveis, enquanto que os instrumentais e biológicos podem ser suprimidos a partir da utilização de filtros

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Sistema Auditivo Possui a função de discriminar e reconhecer sons

complexos, baseando-se em seu conteúdo de frequência

O som é produzido por vibrações mecânicas (cordas vocais, cordas de violão, etc.) que se irradiam para fora da fonte sonora em forma de onda acústica (aumento e diminuição da pressão exercida sobre o ar), ou seja, sinal acústico.

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Processamento de Sinal Analógico x Digital A abordagem analógica ou de tempo contínuo

prevaleceu durante muitos anos, permanecendo como opção viável, ainda hoje, para algumas aplicações

Sistemas de processamento analógico recorrem ao uso de elementos de circuitos analógicos tais como, resistores, capacitores, indutores, amplificadores transistorizados e diodos

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Processamento de Sinal Analógico x Digital A abordagem digital ou de tempo discreto é a

mais utilizada, hoje em dia, na maioria das aplicações

Sistemas de processamento digital são baseados em três elementos digitais básicos, a saber: somadores, multiplicadores (para operações aritméticas) e memória (para armazenamento de informações)

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Processamento de Sinal Analógico x Digital A abordagem analógica permite a operação em

tempo real, a digital não; Entretanto, a abordagem digital apresenta duas

características importantes, a saber: Flexibilidade: a mesma máquina digital (hardware) pode

ser utilizada para diferentes finalidades, bastando apenas utilizar o software adequado;

Repetitividade: a operação pode ser repetida de maneira exata inúmeras vezes (não há elementos físicos que

variem no tempo).

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Processamento de Sinal Analógico x Digital

Sistemas de processamento digital são eletronicamente mais complexos, porém isso já não é um problema hoje em dia

A escolha do tipo de processamento (se digital ou analógico) deve levar em conta: A aplicação de interesse; Os recursos disponíveis; O custo envolvido na construção do sistema.

A grande maioria dos sistemas são mistos, ou seja, combinam recursos de ambas as abordagens.

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Tarefa para Casa Recomenda-se a leitura das três primeiras seções

do capítulo 1. Recomenda-se, ainda, uma leitura prévia das

seções 1.4 e 1.5 do capítulo 1, os quais são objeto da próxima aula.