PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS Evaldo Gonçalves Pelaes Aldebaro Klautau Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - PPGEE Universidade Federal do Pará - UFPA Tel: (091) 3181-1634 Email: {pelaes, aldebaro}@ufpa.br

Esboço do Curso Introdução ao Processamento Digital de Sinais Sinais e Sistemas Discretos no Tempo Transformada Z Amostragem de Sinais Contínuos no Tempo Análise de sistemas LTI no Domínio Transformado Análise de Estruturas de Sistemas Discretos no Tempo. Filtros FIR e IIR. Transformada de Fourier Discreta (DFT)

Bibliografia Oppenheim, A. V.; Schafer, R. W. , “Discrete -Time Signal Processing”, Prentice-Hall, 2rd edition, 1998. Oppenheim, A., A. S. Willsky, “Signal and Systems”, Prentice-Hall, 2rd edition, 1997. Mitra, S. K.,“Digital Signal Processing: A Ccomputer-Based Aproach”, McGraw-Hill, 2rd edition, 2001. Mitra, S. K.,“Digital Signal Processing Laboratory Using Matlab”, McGraw-Hill, 1999.

Perspectiva Histórica de PDS Fast Fourier Transform (FFT) Processamento de sinais com computadores com sistemas analógico & digital Micro-eletrônica com Tecnologia VLSI Métodos numéricos Tecnologia IC chips DSP Cálculos 1600’s 1700’s 1950’s 1965 1980’s Futuro

Sinais Analógicos Historicamente (antes dos computadores e processadores digitais), a Engenharia Elétrica lidava principalmente com sinais contínuos no tempo ou contínuos no espaço. Tipos de Sinais “Contínuos” Sinais contínuos no tempo: definidos para qualquer instante de tempo sobre um domínio ou intervalo contínuo, ou ainda uma união de intervalos. Sinais de amplitude contínua: assumem qualquer valor de uma região contínua, um número incontável de possíveis valores. Sinais Analógicos: Ambos, contínuo no tempo e contínuo em amplitude.

Sinais Digitais Após a invenção de computadores e processadores digitais, os sinais discretos, em amplitude e tempo, passaram a ter grande interesse na Engenharia Elétrica. Tipos de Sinais “Discretos” Sinais Discretos no Tempo: Assumem somente valores contidos em um conjunto de pontos contáveis sobre uma linha real e esses instantes de tempo são igualmente espaçados. Sinais Discretos em Amplitude: Assumem valores dentre um conjunto de valores reais, discretos, contáveis e finitos. Sinais Digitais - Ambos: Discretos no tempo e discretos em amplitude.

Exemplo de sinais: a) Contínuo no tempo b) Sequências de amostras obtidas para T = 125 s Sinal discreto no tempo

Processamento Digital de Sinais Processamento ou manipulação de sinais usando técnicas digitais Sinal de entrada Sinal de Saída A/D D/A ConversorDigital Analógico Conversor AnalógicoDigital

Objetivo do Processamento de Sinais Modificar a apresentação de um sinal para - Facilitar a supressão de alguma componente. Ex. redução de ruído. - Realçar alguma componente. Ex. imagens médicas. - Extrair ou isolar alguma informação. - Permitir a implementação de sistemas em software. - Armazenar e transmitir imagens utilizando métodos de codificação e compressão para a redução do tamanho de um arquivos, etc.

Processamento Digital de Sinais Aplicações Jogos de diversão, Telecomunicações, Medicina, Processamento de Vídeo, voz, etc. Conteúdo Representação, Transformação Manipulação Abrangências Teoria, Aplicações, Tecnologias

Onde é usado PDS? …E muito mais!

Processamento de Voz Codificação/compressão de Voz Síntese de voz Reconhecimento de voz

Codificação de voz BTS BSC MSC TRAU 64 kbits/s 13 kbits/s 22.8 kbits/s

Sistema de Reconhecimento de Fala Modelos de fenenas pronúncia Semântica Extração de características Reconhecimento de fenemas Reconhecimento de palavras Reconhecimento de sentença Sinal de voz Decisão Diálogo Sintax

Digital Audio CD de música padrão: Taxa de amostragem: 44.1 kHz 16-bits/amostra 2 canais stereo Transferencia de dados = 21644,100 = 1.4 Mbits/s 1 hora de música = 1.43,600 = 635 MB

Codificação de Áudio Padrões: MPEG: Camadas I, II, e III (MP3); AAC. Usado em DAB, DVD. Dolby AC3, Dolby Digital, Dolby Surround. Taxa típica de bits para 2 canais stereo: 64kbits/s a 384 kbits/s.

Codificação de Áudio Típico 3/2 multicanal stereo (configuração) Right Surround Right Surround Left Centre Left Left, Right, Centre, Left Surround, Right Surround, .

Imagem/Vídeo Baseado na DCT (Discrete Cosine Transform) Codificação de imagem parada: JPEG (Joint Photographic Experts Group): Baseado na DCT (Discrete Cosine Transform) JPEG2000: Baseado na Transformada Wavelet Codificação de Vídeo: MPEG (Moving Pictures Experts Group): Baseado na DCT Predição interframe e intraframe Estimação e compensação de movimento. Aplicações: TV digital, DVD, etc.

JPEG: Exemplo Original JPEG (4:1) JPEG (100:1)

Contraste Detecção de bordas Imagem distorcida

Realce de Imagens Filtragem high-boost

Porque o processamento de sinais? Versátil: é fácil de programar e reprogramar. Alta precisão: Pode-se especificar a precisão desejada, bastando para isso um algoritmo apropriado. Custo: sistemas digitais são pequenos, baratos e consomem pouca energia. Velocidade: limitada pela taxa do clock, e a cada dia tem-se buscado velocidades cada vez maior.

Sinal analógico x digital O processamento de sinais analógicos são limitados somente pela Velocidade dos elétrons (sistemas elétricos ou circuitos) A velocidade de fótons (sistemas ópticos) e são efetivamente instantâneos. Interpretação de sinais digitais Podem ser amostrados a partir de um sinal contínuo (A/D). (Teorema da amostragem) Podem ser armazenados como sequência de números, permitindo o uso de poderosas ferramentas matemáticas.