Sinais e Sistemas – Capítulo 1

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1 Sinais e Sistemas – Capítulo 1
Aula 1 Sinais e Sistemas – Capítulo 1 Simon Haykin Aula 1

2 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 físico Sinais de fala; Sinais biológicos; Previsão do tempo (temperatura, pressão,...); Bolsa de valores; Sonda espacial. Aula 1

3 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. Multidimensional Exemplo: sinal de imagem Aula 1

4 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 Aula 1

5 Alguns Sistemas Importantes
Sistemas de Comunicações Sistemas de Controle Sistemas de Sensoriamento Remoto Sistemas de Processamento de Sinais Biomédicos Sistemas Auditivos Aula 1

6 Sistemas de Comunicações
Sinal de fala, sinal de televisão, dados de computador (mensagem) Distorção devido a propagação, ruídos e sinais de interferência Estimativa da mensagem Sinal transmitido Sinal recebido Transmissor Canal Receptor Reconstrói uma forma reconhecível da mensagem original Converte mensagem em uma forma apropriada para transmissão Fibra ótica, Cabo coaxial, Canal de satélite, Canal de rádio móvel Sistema ANALÓGICO OU DIGITAL

7 Sistemas de Comunicações
Sinal de fala, sinal de televisão, dados de computador (mensagem) Distorção devido a propagação, ruídos e sinais de interferência Estimativa da mensagem Sinal transmitido Sinal recebido Transmissor Canal Receptor Demodulador (demodulação de amplitude, de fase ou de frequência) Modulador (modulação de amplitude, de fase ou de frequência) Sistema Analógico

8 Sistemas de Comunicações
Sinal de fala, sinal de televisão, dados de computador (mensagem) Erro de quantização Distorção devido a propagação, ruídos e sinais de interferência Estimativa da mensagem Sinal transmitido Sinal recebido Transmissor Canal Receptor Reconstrução da mensagem Amostragem, Quantização e Codificação Sistema Digital

9 Sistemas de Comunicações
Vantagem 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

10 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 Aula 1

11 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. Aula 1

12 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. Aula 1

13 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. Aula 1

14 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. Aula 1

15 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). Aula 1

16 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. Aula 1

17 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. Aula 1

18 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! Aula 1

19 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) Aula 1

20 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 Aula 1

21 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) Aula 1

22 Sistemas de Processamento de Sinais Biomédicos
Artefatos: 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 Aula 1

23 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. Aula 1

24 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 Aula 1

25 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) Aula 1

26 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). Aula 1

27 Processamento de Sinal Analógico x Digital
Aula 1 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. Aula 1

28 Aula 1 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. Aula 1