Processamento digital de sinal

Apresentação em tema: "Processamento digital de sinal"— Transcrição da apresentação:

1 Processamento digital de sinal
Sistemas de tempo real

2 New Collegiate Dictionary
Definições Sinal “Uma quantidade física detectável ou impulso pelo qual são transmitidas informações ou mensagens” New Collegiate Dictionary

3 Definições Sinal Quantidades físicas Mensuráveis Contém informações
Todos são analógicos

4 Sinais analógicos sendo condicionados e formados em um dígito.
Sinal digital Sinais analógicos sendo condicionados e formados em um dígito.

5 Processamento digital de sinal
Um sinal analógico é convertido na forma binária por um serviço conhecido como conversor analógico digital Sinal digital = (representação binária) sinal analógico Manipulação aritmética por um processador digital de sinal

6 Extrair informação Informação existente nas formas:
Amplitude do sinal (absoluta ou relativa)‏ Frequência Fase Ou relacionamento temporal com outros sinais

7 Transmissão de informação
Exemplos FDMA (acesso múltiplo por divisão de freqüência)‏ Transmissão de sinais de voz. TDMA (acesso múltiplo por divisão de tempo)‏ Representação do sinal de voz por sinal digital. Canais de voz são multiplexados no tempo

8 Compressão de dados Compressão da freqüência do sinal (sem perdas de dados)‏ Transmissão em pequenas taxas de dados Vantagens: Redução da largura de banda do canal

9 Micro-conversores Precisões analógicas, ADCs, DACs, micro- controlador e memória Flash em um mesmo chip. Exemplo: Estudo de dados industriais para controle do processo de produção

10 Ruídos Recuperação do sinal Filtros Autocorrelações convolução

11 Geração de sinal analógico
Sinal analógico (sinal do mundo real)‏ Com uso de DACs e DSP

12 Processamento de sinais
DSP ASP (processamento de sinal analógico)‏ MSP (processamento de sinal misto)‏ Implementado por: Circuito impresso Micro-circuito híbrido Ou circuito integrado VLSI – processamento digital e analógico no mesmo chip

13 Sistemas de Amostragem, Problemas e Erros comuns
Amostragem de sinal Sistemas de Amostragem, Problemas e Erros comuns

14 Sistemas de Amostragem de Sinal
Etapas Fundamentais Filtragem Conversão A/D Processamento Conversão D/A Reconstituição do Sinal

15 Problemas na amostragem
Ruídos Térmico, Shot, Rosa, Branco Aliasing famostr < 2*fsinal Perder as características do sinal original

16 Captura do Sinal Sinais reais possuem componentes de alta frequência indesejáveis Filtros Teorema de Nyquist famostr > 2*fsinal Intervalo de amostragem constante Quanto maior a frequência de amostragem, mais precisa é a representação do sinal original

17 Erros de amostragem Erro de Off-set Erro de Ganho
Tensão constante que o circuito aplica a todas as medições Erro de Ganho Diferentes ganhos ao longo do tempo Não-linearidade dos componentes eletrônicos

18 Captura de Informação Próximas Etapas Quantização Codificação

19 Conversão A/D - Introdução
DSP´s trabalham, de alguma forma, com sinais existentes na natureza Como sabemos, estes sinais são analógicos... Ex: Intensidade luminosa, intensidade sonora... Logo, a primeira coisa a ser feita é converter tais sinais para o formato digital

20 Conversão A/D (2)

21 Conversão A/D (3) É realizado através das seguintes etapas: Transdução
Anti-aliasing Amostragem Quantização Codificação

22 Conversão A/D (4)- Transdução
O transdutor é um dispositivo eletromagnético que tem a função de converter fenômenos em sinais elétricos de tensão e corrente Ex: Transdutor de pressão (converte pressão em sinal de corrente)

23 Conversão A/D (5)- Aliasing
A amostragem acima pode gerar duas senóides diferentes Aliasing é um efeito que faz com que dois sinais se tornem indistinguíveis no processo de amostragem Ocorre quando um sinal é amostrado a uma taxa menor do que deveria (Fa > 2Fmax) Para corrigir esse efeito, é usado um filtro anti-aliasing (passa-baixa), remove as partes do sinal com frequências baixas que poderiam corromper o sinal convertido

24 Conversão A/D (6)- Amostragem
A saída do amostrador varia apenas em intervalos discretos de tempo, assumindo o valor do sinal de entrada naquele momento Entre estes intervalos, qualquer variação no sinal de entrada é ignorado

25 Conversão A/D (7)- Quantização e Codificação
O processo de quantização é caracterizado por aproximar cada saída do amostrador em um valor discreto, definido por um certo número N de bits Após a quantização, cada amostra quantizada é representada por uma palavra de código

26 Análise de Fourier para DSP´s
A análise de Fourier consiste de uma série de técnicas matemáticas para decomposição de sinais em senóides A única ferramenta de Fourier que pode ser usada em DSP´s é a transformada discreta de Fourier (DFT) As análises são baseadas na premissa de que qualquer sinal periódico pode ser construído como a soma de um certo número de senos e co-senos.

27 Análise de Fourier para DSP´s(2)
No caso de DSP´s, o sinal é amostrado em intervalos discretos Para a análise deste sinal, deve ser aplicada a transformada discreta de Fourier N é a taxa de amostragem k é a ordem da amostra Rn e W são definidos por

28 Conversão D/A - Introdução
Um sistema que aceita uma palavra digital como entrada e traduz ou converte o valor recebido para uma voltagem ou corrente analógicas proporcionais à entrada é chamado de Conversor digital-analógico ("D/A converter" ou DAC).

29 Conversão D/A - Aplicação
O sinal digitalizado recebido é processado e, na maioria das vezes, será utilizado para atuar sobre o circuito analógico que gerou o sinal original ou até mesmo sobre outro circuito. Um sinal na forma digital, para ser processado por um bloco funcional analógico, deve ser previamente convertido (ou reconvertido) para a forma analógica equivalente.

30 Conversão D/A - Exemplo
Escutar música através de um CD Dados armazenados de forma digital Áudio é um sinal analógico Transmissão no formato digital(Imune a ruídos) Conversão D/A no dispositivo Conversão em ondas sonoras

31 Conversão D/A – O que viabilizou?
O ponto chave que proporcionou a criação de dispositivos que utilizam conversores D/A foi a criação de filtros. Especificamente filtros passa-baixa.

32 Conversão D/A – Filtro Passa-Baixa
Analogamente

33 Conversão D/A – Filtro de reconstrução
Filtro passa-baixo Usados geralmente após a conversão D/A Eliminar réplicas do sinal em múltiplos inteiros da frequência de conversão

34 Filtros Eletrônicos O que são? Circuitos eletrônicos AC
Capazes de realizar operações sobre sinais elétricos Atenuam componentes indesejadas do sinal de entrada ou intensificam as componentes desejadas

35 Filtros Eletrônicos Onde são usados? Aparelhos de som
Aumento da qualidade do som Diminuição dos gastos com energia elétrica Equalizadores de áudio Ajuste da amplitude de determinadas faixas de freqüência do sinal de áudio Adaptam o som ao gosto dos ouvintes e às propriedades acústicas do local onde o som é reproduzido

36 Filtros Eletrônicos Onde são usados? Redes de pares trançados
Circuitos de potência Filtros adaptativos Anulação de eco em modens Anulação de ruído Reconhecimento de voz Celulares TV-Digital, TV a cabo, etc... Traduzido desse link: Tweeters (auto-falantes de alta performance) são ineficientes para a reprodução de sinais de baixa freqüência como os da batida de uma bateria por exemplo. Por causa disso, um circuito de pares trançados (cross-over) é conectado entre o tweeter e os terminais de saída do aparelho de som de forma a bloquear sinais de baixa freqüência. Este arranjo permite apenas a passagem de sinais de alta freqüência para os terminais de conexão do auto-falante. Com isto, obtém-se uma maior eficiência e melhor eficiência do sistema de áudio. Ambos equalizadores e redes de pares trançados são exemplos de filtros desenvolvidos para bloquear certas faixas de freqüência. Condicionamento de waveforms de voltagem não-senoidal Alguns dispositivos eletrônicos são sensíveis à presença de harmônicos n e portanto requerem acondionamento da potência se um onda senoidal voltáica distorcida se comporta como uma série de harmônicos de waveforms somadas à freqüência fundamental, então deveria ser possível construir o circuito de um filtro que permite apenas a passagem da onda de freqüência fundamental, bloqueando todos os harmônicos de freqüência mais alta. 36

37 Filtros Eletrônicos Tipos Passivos X Ativos Analógicos X Digitais
Tempo-discreto X Tempo-contínuo Linear X Não-linear IIR X FIR

38 Filtros Eletrônicos Passivos X Ativos Passivos
Contêm apenas elementos passivos, ou seja, que não exigem alimentação externa para o seu funcionamento Elementos utilizados: Indutores Capacitores Resistores Circuitos do tipo RC, RL ou RLC

39 Filtros Eletrônicos Passivos X Ativos Ativos
Contêm elementos ativos, ou seja, elementos que exigem alimentação externa Elementos utilizados: Amplificadores Operacionais

40 Filtros Eletrônicos Analógicos X Digitais Analógicos
Feitos a partir de componentes eletrônicos (capacitores, resistores)‏ Menor precisão Fase não linear Flutuações decorrentes de variações dos componentes Dificuldade em se implementar filtros adaptativos Difíceis de serem simulados e implementados Filtros analógicos requeridos para altas freqüências e para filtros de anti-aliasing Não há a necessidade de ADC, DAC ou DSP Adicionei dois pontos. Pus isso para situar de como são feitos os analógicos. Largamente usado em aplicações como realce em sinais de vídeo, equalização gráfica em sistemas hi-fi.

41 Filtros Eletrônicos Analógicos X Digitais Digitais Programáveis
Alta precisão Suportam baixas freqüências Fase Linear (FIR Filters)‏ Não há flutuações Flexíveis, filtros adaptativos Fácil simulação e implementação Computação deve ser completada mais rapidamente que o período de amostragem Limitações de tempo-real Requerem ADC, DAC e DSP de alta performance

42 Filtros Eletrônicos Tempo-discreto X Tempo-contínuo

43 Filtros Eletrônicos Linear X Não-linear Linear
Aplica um operador linear a um sinal de entrada variante no tempo Largamente utilizados nas engenharias eletrônica e mecânica e também em diversos outros campos Existem vários tipos de filtros lineares utilizados para diversos propósitos diferentes

44 Tipos de Filtros Lineares
Passa-baixas Freqüências abaixo da freqüência de corte Passa-altas Freqüências acima da freqüência de corte Passa-faixa Passagem de uma faixa de frequências Rejeita-faixa Passagem de todas as frequências fora de uma certa faixa Passa-tudo Passagem de todas as frequências, alterando a relação de fase entre elas Filtro de corte Rejeita-faixa que atua em uma faixa limitada de frequências

45 Filtros Eletrônicos Linear X Não-linear Não-linear
De difícil implementação Praticamente todos os problemas da engenharia podem ser aproximados por uma modelagem linear Tratamento matemático mais simples

46 Filtros Eletrônicos IIR X FIR IIR (Infinite Impulse Response)‏
Filtros cuja função de resposta ao impulso é não- negativa durante um período de tempo infinito Implementações mais comuns Filtro Bessel Filtro Butterworth Filtro Chebyshev Filtro elíptico (filtro de Cauer)‏

47 Filtros Eletrônicos IIR X FIR FIR (Finite Impulse Response)‏
Filtros cuja resposta ao impulso tende a zero em determinado momento

48 Exemplos de filtros digitais
Filtro de ganho unitário: y[n] = x[n] Filtro de ganho: y[n] = Kx[n] Filtro de atraso: y[n] = x[n-1] Diferenciador y[n] = x[n] – x[n-1] O primeiro filtro não muda nada da entrada. O segundo serve como um amplificador. O terceiro para atrasos em geral, quando precisa-se esperar por um dado.

49 Filtros Analógicos Limitações
Possíveis flutuações da resposta dos componentes passivos em função da temperatura e do tempo Instabilidade comportamental dos componentes ativos (Op-amps)‏ Complexidade de implementação e manutenção Baixa adaptabilidade Não atingem os requisitos de performance desejados para solucionar certos problemas Ex.: Inviabilidade de se implementar um circuito com 100 indutores!

50 Filtros Digitais Filtros eletrônicos que realizam operações matemáticas digitais Por que utilizar? Muito mais poderosos Baixo custo de implementação Mais fáceis de serem implementados Fortemente adaptáveis Filtros adaptativos As características de um filtro digital podem ser facilmente modificadas através de software

51 Filtros Digitais Aplicações

52 Filtros Digitais Filtros Adaptativos

53 Filtros Digitais Filtros Adaptativos

54 Hardware DSP Processamento Digital de Sinais possui restrições que o hardware deve ser capaz de solucionar Realização de operações matemáticas rapidamente Conhecimento do tempo de execução de cada instrução Microcontroladores x Microprocessadores x Processadores Digitais de Sinais (DSPs) DSPs são otimizados para processar sinais em tempo real no contexto da aplicação

55 Processadores Digitais de Sinais
Capacidade de realizar operações matemáticas rapidamente, sobretudo a soma de produtos (dot product) Aritmética rápida Precisão estendida Fetch de 2 operandos Buffer circular Loop de Overhead em Zeros

56 Manipulação de Números
Ponto fixo 16 bits, possibilitando valores 1.15 ou 0.16 Pouco preciso Ponto Flutuante 32 bits IEEE-754: Boa precisão

57 Família ADSP-21xx 16-Bits Ponto fixo Arquitetura Harvard Modificada
Instruções e dados na memória de programa Alto nível de paralelismo Arquitetura flexível Amplo conjunto de instruções

58 Família ADSP-21xx

59 Ciclo de Desenvolvimento de um DSP
Descrição da arquitetura do sistema Geração do código do DSP Depuração em simuladores ou placas de desenvolvimento Geração do código de boot do sistema

60 Interfaces para o DSP Paralela Serial Principais periféricos
Periféricos mapeados em memória Serial Uso da porta serial e registradores de acesso direto Principais periféricos Conversor digital analógico Conversor analógico digital

61 Interface paralela DSP e DAC/ADC Maior complexidade
São usados vários sinais de controle Uso de periféricos mapeado em memória Dados são enviados diretamente para a memória Na maioria dos casos é necessário estados de espera, programáveis através do software

62 Interface paralela Exemplo:

63 Interface serial Interface mais simples para os periféricos
Reduz significativamente o barramento de dados Transmissão e recepção separados para cada porta Clock da comunicação gerada internamente

64 Interface serial Exemplo:

65 Aplicações dos DSPs

66 Processamento de áudio
Processamentos das representações do som Representações podem ser analógicas ou digitais Tratamento de sinais de áudio com foco nas regiões onde os sinais são audíveis (escutáveis)

67 Compressão de áudio Compressão de dados de áudio
Redução no tamanho dos dados gravados Exemplos: CDs, MP3, etc. Compressão de nível de áudio Redução da diferença entre som alto e baixo do sinal Exemplos: Racks de efeitos para guitarras, estúdios de som, etc.

68 Processamento de digital de Imagens
Uso de algorítimos para processamento de imagens digitais Usado principalmente na edição de imagens digitais Exemplos: Máquinas digitas, etc.

69 Compressão de video Redução da quantidade de dados usados na representação de imagens de video Visa manter a qualidade original da imagem Exemplos: DVDs, Filmadoras digitais, etc...

70 Processamento de voz Estudo dos sinais da voz e o processamento destes sinais digitalmente Interseção entre processamento de sinais e processamento de linguagens naturais Principais áreas: Reconhecimento de voz, reconhecimento da fala, codificação da fala, análise de voz, etc.

71 Comunicações digitais
Trata da transmissão de dados digitais Trasmissões digitais são divididas em várias mensagens discretas Processamento de sinais mais fácil Erros detectados mais fácilmente Exemplos: Celulares, WiFi, etc

72 Outras Aplicações Outras aplicações dos DSPs são: Radares e Sonares
Sismologia Biomedicina Dispositivos para previsões climáticas Dispositivos para previsões economicas Controle e análise de processos industriais Etc...