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Introdução ao
Processamento Digital de Sinais
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O que chamamos de DSP?• Porquê usamos DSP?• Áreas de aplicação.
Conceitos Básicos de sinais contínuos• Descrição de sinais contínuos,• operação em sinais contínuos;• transformada de Fourier Direta e Inversa;• a Transformada de Laplace;• filtragem de sinais contínuos.
Conceitos Básicos de sinais amostrados O quê desejamos com DSP?
• Remover interferências como o ruído, a distorção, o fading,...
Objetivos
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Objetivos
Objetivos de um Curso de DSP: • Dar ao estudante uma visão da disciplina, das ferramentas disponíveis
e aplicações potenciais.
Preocupação da DSP: • DSP se preocupa com a representação de sinais por seqüências de
números/símbolos como também o processamento destas seqüências.
Propósito da DSP:• Estimar parâmetros característicos do sinal e transformá-lo numa
forma mais desejável.
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Objetivos
Base Teórica : • Sinais amostrados. Quais são as vantagens de trabalhar neste
domínio? Quais são as ferramentas matemáticas disponíveis? Aplicações Potenciais :
• Áreas de aplicação/uso.
Recursos em Hardware: • O que é um processador DSP?
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Objetivos
As raízes da DSP: Séculos 17 e 18 (matemática).• Até recentemente, processamento de sinais era utilizado em
equipamentos analógicos. Durante os anos 50 no entanto, para a análise de dados geofísicos, dados armazenados em fitas magnéticas, para posterior processamento num grande computador digital (minutos, horas ou dias eram necessários para processar segundos de dados).
• Simulação de sistemas num computador digital antes de implementá-lo em hardware.
• Aplicação da FFT: Vinculada ao conceito de tempo discreto. A FFT foi desenvolvida para computar a Transformada de Fourier de um sinal discreto que é exato no domínio do tempo discreto.
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O quê chamamos de DSP?
A disciplina: DSP, Digital Signal Processing, compreende os fundamentos matemáticos e algoritmos que descrevem como processar, num sistema digital, informação associada com sinais existentes no mundo real.
• Digital: quando operações são realizadas num sistema digital
• Sinal: alguma coisa que carrega informação (aleatórios e determi-nistico)
• Processamento:realização de operações num sinal para extrair e modificar a informação transportada pelo sinal.
O DISPOSITIVO: O processador DSP inclui certas soluções de funções especializadas implantadas em hardware que facilitam a execução de algoritmos incluído CPU’s e outros componentes customizados.
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Disciplina: Processamento Digital de Sinais
Base Matemática:• Modelagem de sinais contínuos. A Série e a Transformada de
Fourier. Transformada de Laplace. Filtros Analógicos. • Convolução e Correlação.• Sistemas amostrados, quantificação de sinais, quantificação de ruído. • Modelagem de sinais amostrados. A Transformada Z.• A Transformada Discreta de Fourier (DFT), Transformada Coseno
Discreta (DCT) e outras transformadas (Wavelets, Hartley, ...). Algoritmos:
• A Fast Fourier Transform (FFT).• Outros algoritmos: (Ex: O algoritmo de Goertzel, ...• Projeto de filtros digitais.
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Áreas de aplicação: Comunicações
Filtragem e compressão de áudio e vídeo, cancelamento de ruído: equalização e tratamento não linear para melhorar a
relação sinal/ruído ou o uso de banda larga (Ex: ADPCM,
MPEG2, MP3, FAX)
Modems: métodos de modulação e demodulação digital de
dados sobre um canal de banda larga e ruído próprio. Ex:
(ASK, FSK, PSK, DPSK, QAM, TCM) Reconhecimento da palavra: para automatização de
interfaces ao usuário (Ex: sistemas IVR)
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Áreas de aplicação: Comunicações
Sinalização: envio e deteção de informação de controle sobre um canal de voz ou dados (Ex: DTMF, R2, Caller ID).
Cancelamento de ecos: para compensar ecos em sistemas de elevado tempo de propagação (Ex: VOIP: Voz sobre IP) ou com elevado tom local (telefonia de mão livres).
Encriptado: para comunicação seguras.
Deteção e correção de erros: agregado de dados para a
informação transmitida com o objetivo de detectar e corrigir
eventuais erros de recepção.
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Áreas de aplicação: Comunicações
Empacotamento/desempacotamento de mensagens: em aplicações como ATM e Frame Relay.
Telefonia celular: manejo dinâmico de freqüências e potências em estações base.
Multiplexadores E1: para uso combinado de dados e voz. Switches PBX: para centrais telefônicas digitais. Síntese digital direta: para estações de broadcast totalmente
digitais. Tratamento de sinais de RF: telefonia celular, modulação e
demodulação digital, spread-spectrum
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Áreas de aplicação:instrumentação
Medicina: tomografia, MNR, ecografia, scanners, eletrocardiograma, eletroencefalograma, diagnóstico assistido.
Visão artificial e OCR (Optical Character Recognition) Telemetria: monitoria de recursos satelitais, prospeção
petrolífera, mineral e submarina. Sonar e radar: radar de abertura sintética, arrays de antenas,
deteção de brancos móveis, deteção doppler, navegação, oceanografia
Instrumental: analisadores de rede, de espectro, etc....
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Áreas de aplicaçãoIndústria
Controle de motores: robótica, sistemas de transporte, sistemas
de impressão, controle de cabeçotes em sistemas de
armazenamento massivo de dados (discos rígidos, DVD, etc.)
Control de processos: controladores PID, controle adaptativo
Análise de vibrações: deteção preventiva de falhas por análise de
espectro de vibrações
Sistemas de navegação: GPS, piloto automático, sistemas de
guia de mísseis, etc Controle de potência: correção do fator de potência, inversores,
variadores de freqüência, fontes de alimentação.
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Áreas de aplicação:consumo
Telefonia: Caller ID, geração DTMF, deteção de DTMF, call
progress e pulsos de tarifação (16kHz)...
Automotiva: Air-Bags, controle de combustão, injeção
eletrônica e controle de emissão, freios ABS, etc...
Eletrodomésticos inteligentes: geladeiras, máquinas de lavar
roupas, ar condicionado...
Sistemas de áudio semi-profissionais para residências: surrounding sistems.
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Áreas de aplicação:consumo
Equipamentos de música: órgãos eletrônicos, sintetizadores
Rádio digital e televisão: Set-Top boxes
Domótica e sistemas de segurança domiciliar
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Dispositivo: Processador Digital de Sinais
No que se difere um processador DSP de uma CPU tradicional?Por suas aplicações de software:
• aplicações cíclicas, de duração curta, onde se requer altíssima eficiência de execução;
• em sistemas operativos, para evitar o overhead do scheduling.• uso em Assembler e dialetos especiais da linguagem C para
otimizar o código;• algoritmos usuais:
– filtragem– convolução (interação de dois sinais)– correlação (comparação entre sinais)– transformação (não linearidade, retificação,..)
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Dispositivo: Processador Digital de Sinais
No que se difere um processador DSP de uma CPU tradicional?Por seus recursos de hardware:
• disponibilidade de modos de direcionamento especializados (Ex: bit-reversal, filas circulares);
• várias unidades de processamento operando em forma concorrente (MAC, Barrel Shift);
• operações aritméticas especiais (saturação);• alguns DSP’s com unidades de ponto flutuante;• esquema de Timing e Interrupções orientadas a ações em tempo real• poucos ou nenhum recursos que geram latências, como memória
virtual, caches, etc.
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Elementos de caracterização de um hardware em DSP
Arquiteturas do tipo HARVARD com mapas de dados e instruções separadas;
dois ou mais mapas de memória de dados que permitem ler concorrentemente operandos e coeficientes;
manejo especializado de ponteiros de direção através de unidades de cálculo dedicadas;
opções para a digitalização e captura de sinais com intervalos regulares (DMA);
recursos internos ou dispositivos periféricos especializados para a conversão A/D e D/A de sinais, assim como para a filtragem antiálias e para a reconstrução.
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Elementos de caracterização de um hardware em DSP
Elevada capacidade de processamento aritmético de dados em tempo real, com elevada precisão, para evitar problemas de arredondamento e truncamento;
etapas Multiplicadora / Acumuladora (MAC) apta para resolver equações do tipo A = A + (B x C) em um único ciclo;
circuitos BS (Barrel Shifter) para deslocar um dado vários bits a direita / esquerda em um único ciclo de instrução;
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Elementos de caracterização de um hardware em DSP
uma ALU (Arithmetic Logic Unit) operando de forma independente ao MAC e ao BS;
códigos de operação para controlar ao MAC, ALU e BS em uma única instrução (várias operações concorrentes );
laços interativos de overhead nulo.
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Porquê usar Processamento Digital de Sinais?
Parâmetro ou característica
Processamento analógico de sinais
Processamento digital de sinais
Precisão obtida 1% al 10% 2^(-16)...2^(-24)Efeitos espúrios Temperatura, umidade,
envelhecimento, ruídoArredondamento
/truncagemCusto e tamanho elevado baixo / mediano
Confiabilidade média elevadaRelação sinal/ruído 50 a 60 dB 100 ou mais dB
Calibração Manual Não necessária ou digitalAdaptabilidade Completa SimplesSinais 2D o 3D Não processável Processável
Atualização Mudança de hardware SoftwareConsumo de potência Elevado Baixo
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Esquema de um sistema DSP
filtro+ A/D
DSP
Entradasanalógicas
Entradasdigitais:Codificador Shaft, sensores, alarmes, CAN, ISP, UART, etc..
Saídasanalógicas
SaídasdigitaisI/O Padrão, PWM, CAN, ISP, UART, etc..
D/A +filtro
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