Teoria introductoria PDS

7/25/2019 Teoria introductoria PDS

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UNSA-EPIS 1

Ing. Lucy Delgado Barra Procesamiento Digital de Seales

PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEALES

PRMERA UNIDAD: FUNDAMENTOS

1. SISTEMAS DE PROCESAMIENTO DE SEALES

El Procesamiento Digital de Seales(Digital Signal Processing DSP) es el rea de laingeniera que sededica al anlisis y procesamiento de seales (audio,voz,imgenes,video)discretas.La mayora de estasseales, son representaciones equivalentes de la informacin real, las mismas que suelen ser de naturalezaanalgica,tambin existen casos en que estas son por su naturaleza digitales, por ejemplo, las edades deun grupo de personas, el estado civil, etc.

Unaseal analgica es aqulla que puede tomar una infinidad de valores (frecuencia yamplitud)dentrode un lmite superior e inferior. El trmino analgicoproviene de anlogo. Por ejemplo, si se observa enunosciloscopio,la forma de laseal elctrica en que convierte unmicrfono elsonido que capta, stasera similar a laonda sonora que la origin.

Figura 1.1: Seal anloga

En cambio, unaseal digital es aqulla cuyas dimensiones (tiempo yamplitud)no son continuas sino

discretas, lo que significa que la seal necesariamente ha de tomar unos determinados valores fijospredeterminados en momentos tambin discretos. Estos valores fijos se toman delsistema binario,lo quesignifica que la seal va a quedar convertida en una combinacin de ceros y unos, que ya no se parece ennada a la seal original. Precisamente, el trmino digital tiene su origen en esto, en que la seal seconstruye a partir de nmeros (dgitos), entonces se entiendo una seal digital como una secuencia denmeros generados a lo largo del tiempo

Figura 1.2: Seal discreta

Donde n es el nmero de dgito generado y snla secuencia de dgitos
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Figura 1.3 Fuentes de seal

Las seales digitales son necesarias porque las seales analgicas presentan una serie de inconvenientes:

Precisin (tolerancia de componentes, amplificacin no lineal) Duplicacin limitada (tolerancias, variaciones por condiciones ambientales) Sensibilidad al ruido elctrico (ruido interno amplificador) Limitado rango dinmico de corrientes y voltajes Rapidez de procesamiento limitado debido a atrasos fsicos No hay flexibilidad para cambiar especificaciones de procesamiento Dificultad para implementar operaciones no lineales y variantes en el tiempo Alto costo y limitaciones de seguridad para almacenamiento y recuperacin de informacin

Adicionalmente el manejo de las seales digitales tiene las siguientes ventajas:

Una seal digital es ms fcil de procesar que una analgica. Las seales son convertidas a formato discreto (digital) para facilitar su transmisin o

almacenamiento. Es posible realizar mediante procesamiento digital acciones imposibles de obtener mediante el

procesamiento analgico (por ejemplo, filtros con respuesta de frecuencia arbitraria). Ms cmodo de realizar y ms barato de implementar que en el procesamiento analgico. Ante la atenuacin, la seal digital puede ser amplificada y al mismo tiempo reconstruida gracias

a lossistemas de regeneracin de seales. Cuenta consistemas de deteccin y correccin de errores que se utilizan cuando la seal llega al

receptor, entonces comprueban (uso de redundancia) la seal, primero para detectar algn error,

y, algunos sistemas, pueden luego corregir alguno o todos los errores detectados previamente. Facilidad para elprocesamiento de la seal. Cualquier operacin es fcilmente realizable a travs

de cualquier software de edicin o procesamiento de seal. La seal digital permite lamultigeneracin infinita sin prdidas de calidad. Esta ventaja slo es

aplicable a los formatos dedisco ptico;lacinta magntica digital, aunque en menor medida quela analgica (que slo soporta como mucho 4 o 5 generaciones), tambin va perdiendo informacincon la multigeneracin.

Sin embargo el manejo de seales digitales tambin presenta algunos inconvenientes:

La seal digital requiere mayorancho de bandapara ser transmitida que la analgica. Se necesita una conversin analgica-digital previa y una decodificacin posterior, en el momento

de la recepcin.
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La transmisin de seales digital requiere unasincronizacinprecisa entre los tiempos del reloj detransmisor, con respecto a los del receptor. Un desfase cambia la seal recibida con respecto a laque fue transmitida.

Entonces un sistema de procesamiento digital se basa en la representacin de seales analgicas por unasecuencia de nmeros en un computador o hardware especializado, y en la ejecucin de operacionesnumricas sobre estas seales (sumas, multiplicaciones, transferencia de datos, operaciones lgicas, etc.).

El esquema bsico de estos sistemas es:

Fig.1.4 Sistema para el procesamiento digital

El corazn del sistema es el DSP o procesador digital de seales, un procesador digital de sealeso DSP(digital signal processor) es un procesador que posee un juego de instrucciones, un hardware y unsoftware optimizados para aplicaciones que requieran operaciones numricas a muy alta velocidad y

precisin, son indispensables en el procesado y representacin deseales analgicas en tiempo real. Laestructura general de un DSP se muestra a continuacin:

Fig. 1.5 Estructura general de un DSP

Los conversores cumplen la funcin de interface con el mundo anlogo, encargndose de generar sealesdiscretas equivalentes a la entrada de informacin anloga (A/D) y viceversa (D/A). Adems se puedenagregar algn elemento adicional, para poder garantizar la calidad de las seales manejadas, bsicamente

filtros, para eliminar ruidos o informacin no requerida para el objetivo del procesamiento.

Fig. 1.6 Adicin del filtrado
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1.1 CONVERSIN ANALGICA-DIGITAL (ADC)

Una conversin analgica-digital (CAD)( ADC) consiste en la conversin de seales analgicas enseales digitales, con el propsito de facilitar suprocesamiento (codificacin,compresin,etc.) y hacerla seal resultante (digital) inmune alruido y otrasinterferencias a las que son ms sensibles las sealesanalgicas, es decir es el que se encarga de digitalizar la seal original, consiste bsicamente en realizarde forma peridica medidas de laamplitud de la seal y traducirlas a un lenguaje numrico. La conversin

A/D tambin es conocida por el acrnimo ingls ADC (analogic to digital converter).

Figura 1.7 Conversin Analgica a Digital

Figura 1.8 Procesamiento de la seal

Procesos de la conversin A/D.

a) Muestreo:El muestreo (sampling) es medir los valores instantneos de la amplitud de la seal aintervalos de tiempo preestablecidos. La velocidad con que se toman estas muestras, es decir, elnmero de muestras por segundo, se denomina frecuencia de muestreo. la seal generada aun esanalgica puesto que la amplitud puede tomar cualquier valor. El muestreo est basado en elTeoremade Muestreo,de Nyquist o Shannon, que es la base de la representacin discreta de una seal continuaen banda limitada y que asegura el tomar la suficiente cantidad de informacin de la seal, lo que es

imprescindible para garantizar que el posterior procesamiento sea confiable.
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Figura 1.9 Proceso de muestreo

Donde Tses el periodo de muestreo, parmetro que debe ser correctamente seleccionado

a)

b)

Figura 1.10 Influencia del periodo de muestreo

Teorema de Shannon o Nyquist

Una seal de tiempo continuo x(t)cuya Transfomada de Fourier (operador que descompone la seal enfrecuencia)es cero fuera del intervalo (-wB,wB) (se dice que es de banda limitada) est dada de manera


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nica por sus valores en puntos equidistantes (muestreo uniforme) si la frecuencia de muestreo wses mayorque 2wB.

El requisito sobre la transformada de Fourier de x(t) simplemente significa que la seal x(t) nodeber contener frecuencias mayores de wc. Debido al importante papel que juega la frecuencia wN= ws/2, a sta se le llama la frecuencia de Nyquist.

El Teorema de Shannon es un resultado terico, en el cual se considera un muestrador idealizado yno se consideran errores en los componentes electrnicos utilizados para implementar de manera

prctica el muestreo de la seal. En un sistema real, la restriccin terica que establece el Teorema(ws> 2wB), deber ser exagerada al menos unas cinco veces

Muestrear una seal continuax(t) equivale a multiplicarla por un tren de funciones deltap(t), siendo

= {1 0

Entonces sixs(t) es el resultado del proceso de muestreo

=

= []

Figura 1.11 Muestreo en el tiempo

En frecuencia, aplicando la Transformada de Fourier a cada seal obtendramos:

12 [ ]

con

2

=

tenemos

12

12 2

=


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1

=

Fig. 1.12 Espectro en frecuencia de la seal original y la seal muestreada

En funcin a la seleccin que se haga de la frecuencia de muestreo wsse pueden presentar los siguientescasos

Figura 1.13 Resultados sobre el espectro en frecuencias al elegir ws

Esta situacin es lo que explica la condicin sobre wsque establece el Teorema de Muestreo o Nyquist.Adicionalmente al construir un muestreador es imposible implementar un tren de pulsos instantneos(sealp(t)) para controlar el cierre del switch, en su lugar se opta por usar seales semejantes


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.

=

Fig. 1.14.- Seal muestreada real

El muestreo prctico difiere del terico en tres aspectos principales:

La onda muestreadora est constituida por trenes de impulsosde duracin no nula. Los filtros prcticos de reconstruccin no son ideales. Los mensajes a los que se aplica el teorema no estn estrictamente limitados en banda, ni

pueden, ya que se trata de seales limitadas en el tiempo.

Filtro de reconstruccin:

De la observacin del espectro se deduce la posibilidad de recuperarx(t)simplemente pasandoxs(t)porunfiltro paso-bajo cuyafrecuencia de corte wCcumpla la condicin:

y una amplificacin A=TS

Un filtro es un sistema selectivo en frecuencia, aporta una ganancia unitaria en el rango de frecuenciaspermitidas y una ganancia cero en la banda de frecuencias rechazadas. En el caso de un filtro dereconstruccin (recupera la informacin original, eliminando las armnicas)

Figura 1.15 Reconstruccin de la seal

En el dominio del tiempo
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Como

{ ||0

(

)

De manera ideal en frecuencia, se tendra entonces una funcin de transferencia rectangular, la velocidadcon que cae de uno a cero constituye el orden del filtro, un filtro ideal entonces sera de orden infinito.

Figura 1.16 Reconstruccin de la seal en el tiempo

Como ya se vio

= []entonces

=

(

)

= (

)

=( )

[]

=( )

Como este tipo de filtros de orden infinito (ideales), son imposibles de implementar, se usan funciones detransferencia semejantes (campanas senoidales). La influencia de los filtros de reconstruccin no idealesse observa fcilmente en el dominio de la frecuencia.En la siguiente figura se representa parte delespectro de una seal muestreada, supuesto sin distorsin y una posible caracterstica de transferencia deunfiltro paso-bajoreal.
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Fig. 1.17.- Filtrado de reconstruccin

Si se ha muestreado la seal alrgimen de Nyquist o mayor y las muestras se representan medianteimpulsos peridicos cuya amplitud sea proporcional a sus valores, puede reconstruirseaproximadamente la seal a partir de sus muestras mediante un filtraje paso-bajo.

Frecuencias de muestreo tpicas

b) Retencin(Hold): Los valores instantneos muestreados en la etapa anterior deben ser retenidos poruncircuito de retencin (Hold) el tiempo suficiente para permitir a la etapa posterior evaluar su nivel(cuantificacin). Este proceso no modifica el valor muestreado, pero es necesario por razones fsicas,debido a limitaciones prcticas (tiempos de respuesta y retardo de los elementos), por esta razn

matemticamente no cambia el comportamiento del sistema. Hay que recordar que la seal de salidadel retenedor, aun es analgica puesto que an puede tomar cualquier valor. Como el muestreo y
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retencin es bsicamente un solo proceso, los circuitos que los implementan reciben el nombre deSample/Hold (S/H)

Fig. 1.18.- Retencin de la seal muestreada

c) Cuantificacin: en el proceso de cuantificacin se mide el nivel de voltaje de cada una de las

muestras y se asigna un nico valor de salida, dependiendo de un margen pre-establecido. Esteproceso aade, como resultado, una seal indeseada a la seal de entrada: elruido de cuantificacin.La seal de salida est en un rango finito de posibles valores, por lo que la seal ya es discreta.

El proceso de cuantificacines uno de los pasos que se sigue para lograr ladigitalizacin de unaseal analgica.

Fig. 1.19.- Cuantificacin

Bsicamente, la cuantificacin lo que hace es convertir una sucesin de muestras deamplitud continuaen una sucesin de valores discretos preestablecidos segn los niveles de cuantificacin utilizados.

Durante el proceso de cuantificacin se mide el nivel detensin de cada una de las muestras, obtenidasen el proceso demuestreo,y se les atribuye a un valor finito (discreto) deamplitud,seleccionado poraproximacin dentro de un margen de niveles previamente fijado. Los valores preestablecidos para
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ajustar la cuantificacin se eligen en funcin de la propia resolucin que utilice elcdigo empleadodurante lacodificacin.Si el nivel obtenido no coincide exactamente con ninguno, se toma como valorel inferior ms prximo.

La seal analgica (que puede tomar cualquier valor) se convierte en una seal digital, ya que losvalores que estn preestablecidos, son finitos. No obstante, todava no se traduce alsistema binario.La

seal ha quedado representada por un valor finito que durante lacodificacin (siguiente proceso de laconversin analgico digital) ser cuando se transforme en una sucesin de ceros y unos.

Fig. 1.20.- Cuantificacin de la seal muestreada

La seal digital que resulta tras la cuantificacin es sensiblemente diferente a la seal elctricaanalgica que la origin, por lo que siempre va a existir una cierta diferencia entre ambas que es lo quese conoce comoerror de cuantificacinque se produce cuando el valor real de la muestra no equivalea ninguno de los escalones disponibles para su aproximacin y la distancia entre el valor real y el que

se toma como aproximacin es muy grande. Un error de cuantificacin se convierte en unruido cuandose reproduzca la seal tras el proceso dedecodificacin digital.

Para minimizar los efectos negativos del error de cuantificacin, se utilizan distintas tcnicas decuantificacin:

Cuantificacin uniformeo lineal. Se utiliza unbit rateconstante.A cada muestra se le asigna elvalor inferior ms prximo, independientemente de lo que ocurra con las muestras adyacentes.

Figura 1.21 Relacin entrada/salida de un cuantificador uniforme

Cuantificacin no uniformeo no lineal. Se estudia la propiaentropa de laseal analgica y seasignan niveles de cuantificacin de manera no uniforme (bit ratevariable)de tal modo que, se
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asigne un mayor nmero de niveles para aquellos mrgenes en que laamplitud de latensin cambiams rpidamente.

Figura 1.22 Relacin entrada/salida de un cuantificador uniforme

Cuantificacin logartmica:Se hace pasar la seal por un compresor logartmico antes de lacuantificacin. Como en la seal resultante laamplitud delvoltaje sufre variaciones menos abruptasla posibilidad de que se produzca unruido de cuantificacin grande disminuye. Antes de reproducirlaseal digital,esta tendr que pasar por unexpansor.

Figura 1.23 Relacin entrada/salida de un cuantificador logartmico

Cuantificacin vectorial En lugar de cuantificar las muestras obtenidas individualmente, secuantifica por bloques de muestras. Cada bloque de muestras ser tratado como si se tratara de unvector,de ah el nombre.

La funcin de cuantificacin define una aproximacin de los valores analgicos a un nmero finito deposibles valores, con ello se genera un error llamado error de cuantificacin

Figura 1.24 Error de cuantificacin
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d) Codificacin:La codificacin es el ltimo de los procesos que tiene lugar durante la conversinanalgica-digital,consiste en traducir los valores obtenidos durante la cuantificacin alcdigo binario.Hay que tener presente que el cdigo binario es el ms utilizado, pero tambin existen otros tipos decdigos. La seal ya es digital y binaria y est lista para ser procesada.

La codificacin consiste en la traduccin de los valores detensin elctrica analgicos que ya han sido

cuantificados (ponderados) alsistema binario,mediantecdigospreestablecidos. Laseal analgicava a quedar transformada en untren de impulsosdigital (sucesin de ceros y unos). La codificacinque se realiza mediante elsistema binario est basada en ellgebra de Boole.Elcdec es el cdigoespecfico que se utiliza para la codificacin/decodificacin de los datos. Precisamente, la palabraCdec es una abreviatura de Codificador-Decodificador.

Parmetros que definen el cdec

Nmero de canales:Indica el tipo de seal con que se va a tratar: monocanal, bicanal omulticanal Frecuencia de muestreo:La frecuencia o tasa de muestreo se refiere a la cantidad de muestras de

amplitud tomadas por unidad de tiempo. De acuerdo con el Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon,la tasa de muestreo determinar el ancho de banda base de la seal muestreada, es decir,limitar la frecuencia mxima de los componentes sinusoidales que forman la seal analgica. Deacuerdo con este teorema, matemticamente, una mayor tasa de muestreo para una seal no debeinterpretarse como una mayor fidelidad en la reconstruccin de la seal. El proceso de muestreoes reversible, lo que quiere decir que, desde el punto de vista matemtico, la reconstruccin se

puede realizar en modo exacto (no aproximado). La tasa de muestreo se determina multiplicandopor dos el ancho de banda base de la seal a muestrear y, aadiendo un margen (un 10% en CD-Audio, por ejemplo) para contemplar las limitaciones prcticas de los filtros no ideales (reales).

Resolucin(Nmero de bits). Determina la precisin con la que se reproduce la seal original. Sesuelen utilizar 8, 10, 16 o 24 bits por muestra. Mayor precisin a mayor nmero de bits.

Bit rate.El bit rate es la velocidad o tasa de transferencia de datos. Su unidad es el bit por segundo(bps). Prdida.Algunos cdecs al hacer lacompresin eliminan cierta cantidad de informacin, por lo

que la seal resultante, no es igual a la original (compresin con prdidas).

En el caso especfico de la codificacin de seales de alta calidad, como el sonido o video, se utilizaun tipo de cdec (cdigo) especficamente diseado para la compresin ydescompresin de ese tipodeseales.Por ejemplo en elcdec de audio:

PAM (Modulacin de amplitud de pulsos). La frecuencia de la portadora debe ser al menos mayorque el doble de la frecuencia de la seal moduladora. Realiza una cuantificacin lineal de la

amplitud de la seal analgica. Actualmente, la principal aplicacin principal de una codificacinPAM se encuentra en latransmisin de seales,pues permite elmultiplexado (enviar ms de unaseal por un slo canal).

PCM (Pulse Code Modulated) cuya resolucin es de 8 bits (1byte), utiliza la modulacinPAMcomo base, pero en lugar de 8 bits usa 7 bits, reservndose el octavo para indicar el signo).

ADPCM (Adaptative Differential Pulse Code Modulated).

Asimismo para la codificacin de laTelevisin digital:

Codificacin de seal compuesta: se codifica la seal analgica en funcin del estndar detelevisin que haya en el pas donde se est realizando la codificacin: NTSC (EEUU), PAL

(Europa), SECAM (Francia). No permite la compatibilidad entre los estndares. Codificacin por componentes: se digitaliza la seal analgica utilizando su divisin por

componentes:luminancia (Y) y Crominancia (subportadoras de color:R-Y y B-Y). La principal
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nal%C3%B3gica-digitalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Codificaci%C3%B3n_digital


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ventaja es que, por primera vez, se pueden mantener la compatibilidad entre estndares. Slo serequiere un conversor D/A especfico para cada estndar, para mantener, tambin lacompatibilidad con los estndares analgicos. El CCIR (Comit Consultivo Internacional de RadioComunicaciones) emiti en1982 la normaCCIR 601 de televisin digital por componentes.

d.1) Codificacin digital unipolar

La codificacin unipolar usa una sola polaridad, codificando nicamente uno de los estados binarios,el 1, que toma una polaridad positiva o negativa. El otro estado, normalmente el 0, se representa por0 voltios, es decir, la lnea ociosa.

d.2) Codificacin digital polar

La codificacin polar utiliza dos niveles de voltaje, positivo y negativo.

NRZ (No retorno a cero) El nivel de la seal es siempre positivo o negativo. Los dos mtodosms utilizados son:

NRZ-L (Non Return to Zero-L): un voltaje positivo significa un 0, y un voltaje negativo esun 1.

NRZ-I (Non Return to Zero, Invert on ones): el bit 1 se representa con la inversin del nivelde voltaje, se usa la transicin entre un voltaje positivo y un voltaje negativo, o al revs. Un

bit 0 no provoca un cambio de voltaje en la seal. El nivel de la seal no solo depende delvalor del bit actual, sino tambin del bit anterior.

RZ (Retorno a cero) utiliza tres valores: positivo, negativo y cero. El 1 se representa por latransicin de positivo a cero y un 0 con la transicin de negativo a cero, con retorno de voltaje

0 a mitad del intervalo.

Bifase (autosincronizados) la seal cambia en medio del intervalo del bit, pero no retorno a cero,sino que contina el resto del intervalo en el polo opuesto. Hay dos tipos de codificacin Bifase:

Manchester: Una transicin de polaridad de positiva a negativa representa el valor binario 0,y una transicin de negativa a positiva representa un 1.

Manchester Diferencial: Necesita dos cambios de seal para representar el bit 0, pero solo

1 para representar el bit 1. Es decir, una transicin de polaridad inversa a la del bit previo,

para representar el '0' y una transicin igual para el '1'.
http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Conversor_D/A&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/1982http://es.wikipedia.org/wiki/CCIR_601http://es.wikipedia.org/wiki/CCIR_601http://es.wikipedia.org/wiki/1982http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Conversor_D/A&action=edit&redlink=1


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Figura 1.25 Cdigos

d.3) Codificacin digital bipolar

La Codificacin Digital Bipolar, utiliza tres valores: positivo, negativo y cero. El nivel de voltaje cerose utiliza para representar un bit "cero". Los bits "uno" se codifica como valores positivo y negativode forma alternada. Si el primer "uno" se codifica con una amplitud positiva, el segundo lo har conuna amplitud negativa y as sucesivamente, aunque estos bits no sean consecutivos.

Fig. 1.26 Codificacin bipolar

Hay 3 tipos de codificacin Bipolar:

AMI ("Alternate Mark Inversin")

Representa a los "unos" con impulsos de polaridad alternativa, y a los "ceros" mediante ausenciade impulsos. El cdigo AMI genera seales ternarias (+V -V 0), bipolares (+ -), y del tipo RZ o

NRZ (con o sin vuelta a cero). La seal AMI carece de componente continua y permite la deteccinde errores en base a la ley de formacin de los "unos" alternados.

Si se codifica los "ceros" con impulsos de polaridad alternativa y los "unos" mediante ausencia deimpulsos, el cdigo resultante se denomina pseudoternario.

Unipolar no retorno a cero (NRZ)

Polar no retorno a cero (NRZ)

Unipolar retorno a cero (RZ)

Bipolar retorno a cero (RZ)

Fase desplazada cdigo Manchester
http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Bipolaire.gif


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El cdigo AMI consigue anular la componente continua de la seal elctrica. Sin embargo noresuelve la cuestin de cmo evitar la prdida de la seal de reloj cuando hay secuencias de ceros.Este problema lo solucionan los cdigos bipolares de alta densidad de orden N, HDBN (HighDensity Bipolar) de la misma familia pero que evitan la transmisin de secuencias con ms de N"ceros" consecutivos. El HDB3 es un cdigo bipolar de orden 3.

B8ZS (Bipolar 8-Zero Substitution)

B8ZS: la sustitucin bipolar de 8 ceros o sustitucin binaria de 8 ceros, el canal claro, y 64 claros.Es un mtodo que inserta dos veces sucesivas al mismo voltage - refiriendose a una violacin

bipolar, en una seal donde ocho ceros consecutivos sean transmitidos. El dispositivo que recibela seal interpreta la violacin bipolar como una seal de engranaje mantiene la transmisin ydispositivos de encubrimiento sincronizados. Es decir, cuando aparecen 8 "ceros" consecutivos, seintroducen cambios artificiales en el patrn basados en la polaridad del ltimo bit 'uno' codificado:

o V: Violacin, mantiene la polaridad anterior en la secuencia.o B: Transicin, invierte la polaridad anterior en la secuencia.

Los ocho ceros se sustituyen por la secuencia: 000V B0VB

e) Compresin

La compresin consiste en la reduccin de la cantidad de datos a transmitir o grabar, pues hay quetener en cuenta que la capacidad de almacenamiento de los soportes es finita, de igual modo, que losequipos de transmisin pueden manejar slo una determinada tasa de datos. Para realizar lacompresin de las seales, se usan complejosalgoritmos de compresin (frmulasmatemticas). Haydos tipos de compresin:

e.1) Compresin sin prdidas:En esencia se transmite toda la informacin, pero eliminando lainformacin repetida, agrupndola para que ocupe menos...etc.

e.2)Compresin con prdidas:Se desprecia cierta informacin considerada irrelevante. Este tipo decompresin puede producir prdida de calidad en el resultado final.

1.2 APLICACIONES DE DSP

Son cada vez ms los campos de aplicacin del Procesamiento digital de seales como por ejemplo:

Eliminar el eco en las lneas decomunicaciones. Clarificar lasimgenes de rganos internos en los equipos dediagnstico mdico. Cifrar conversaciones en telfonos celulares LAN Inalmbricas. Reconocimiento de Voz. Manejo de imgenes digitales. Reproductores digitales de audio. Telefona celulares

Modems inalmbricos. Cmaras digitales. Control demotores.
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Procesamiento digital de sonido Procesamiento digital de voz Procesamiento digital de imgenes Procesamiento digital de vdeo

DSP se utiliza en el procesamiento demsica (por ejemploMP3), de voz (por ejemplo,reconocimiento

de voz)entelfonos celulares,de imgenes (en la transmisin de imgenessatelitales)y vdeo (DVDs).Adicionalmente, tambin hay que mencionar que cada vez ms se estn implementando, en base aalgoritmos, las funciones propias de sistemas analgicos directos, como por ejemplo:

Filtrado Transformadas Amplificacin

Ello se debe principalmente, a que las transformaciones de seales son ms sencillas de realizar. Caberesaltar por ejemplo la implementacin de laTransformada de Fourier discreta (TFD), la que convierte laseal del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia. La TDF entonces, permite un anlisis mssencillo y eficaz sobre la frecuencia, para eliminar ruidos, extraer ciertos componentes y otrostipos defiltrado, se puede implementar tambin operaciones sobre el espectro de potencias. Otra de lastransformadas que hay que resaltar es laTransformada de Coseno Discreta, la misma que se utiliza como

base para implementar lacompresin de imgenesJPEG.

Antecedentes

1.3 PROCESADORES DIGITALES DE SEALES

Algunos modelos de microprocesadores son optimizados para el DSP. Estos procesadores se llamanProcesadores Digitales de Seales.Estos realizan operaciones para el DSP ms rpida y eficientemente.

El DSP permite aplicaciones que no podran realizarse efectivamente con seales analgicas como, porejemplo, almacenar unapelcula de cine en undisco compacto (DVD) o canciones en un aparato porttil(iPod).

Una de las ms importantes caractersticas de un DSP es su capacidad de realizar operaciones demultiplicacin y acumulacin (MACs) en slo un ciclo de reloj. No obstante ello, es necesario que el
http://es.wikipedia.org/wiki/Procesamiento_digital_de_sonidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Procesamiento_digital_de_vozhttp://es.wikipedia.org/wiki/Procesamiento_digital_de_im%C3%A1geneshttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Procesamiento_digital_de_v%C3%ADdeo&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%BAsicahttp://es.wikipedia.org/wiki/MP3http://es.wikipedia.org/wiki/Reconocimiento_de_vozhttp://es.wikipedia.org/wiki/Reconocimiento_de_vozhttp://es.wikipedia.org/wiki/Telefon%C3%ADa_m%C3%B3vilhttp://es.wikipedia.org/wiki/Sat%C3%A9lite_artificialhttp://es.wikipedia.org/wiki/DVDhttp://es.wikipedia.org/wiki/Transformada_de_Fourier_discretahttp://es.wikipedia.org/wiki/Filtro_digitalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Filtro_digitalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Transformada_de_coseno_discretahttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Compresi%C3%B3n_de_im%C3%A1genes&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/JPEGhttp://es.wikipedia.org/wiki/Microprocesadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Procesador_digital_de_se%C3%B1alhttp://es.wikipedia.org/wiki/Procesador_digital_de_se%C3%B1alhttp://es.wikipedia.org/wiki/Pel%C3%ADcula_%28cine%29http://es.wikipedia.org/wiki/Disco_compactohttp://es.wikipedia.org/wiki/IPodhttp://es.wikipedia.org/wiki/IPodhttp://es.wikipedia.org/wiki/Disco_compactohttp://es.wikipedia.org/wiki/Pel%C3%ADcula_%28cine%29http://es.wikipedia.org/wiki/Procesador_digital_de_se%C3%B1alhttp://es.wikipedia.org/wiki/Microprocesadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/JPEGhttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Compresi%C3%B3n_de_im%C3%A1genes&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Transformada_de_coseno_discretahttp://es.wikipedia.org/wiki/Filtro_digitalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Filtro_digitalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Transformada_de_Fourier_discretahttp://es.wikipedia.org/wiki/DVDhttp://es.wikipedia.org/wiki/Sat%C3%A9lite_artificialhttp://es.wikipedia.org/wiki/Telefon%C3%ADa_m%C3%B3vilhttp://es.wikipedia.org/wiki/Reconocimiento_de_vozhttp://es.wikipedia.org/wiki/Reconocimiento_de_vozhttp://es.wikipedia.org/wiki/MP3http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%BAsicahttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Procesamiento_digital_de_v%C3%ADdeo&action=edit&redlink=1http://es.wikipedia.org/wiki/Procesamiento_digital_de_im%C3%A1geneshttp://es.wikipedia.org/wiki/Procesamiento_digital_de_vozhttp://es.wikipedia.org/wiki/Procesamiento_digital_de_sonido


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dispositivo posea la caracterstica de manejar aplicaciones crticas en tiempo real. Esto requiere de unaarquitectura que soporte un flujo de datos a alta velocidad hacia y desde la unidad declculo y memoria.Esta ejecucin a menudo requiere el uso de unidades DMA (Direct Memory Acess) y generadores dedirecciones duales (DAG's) que operan en paralelo con otras partes del chip.

Los DGA's realizan los clculos de direcciones, permitiendo al DSP buscar dos datos distintos para operarcon ellos en un slo ciclo de reloj, de tal forma que es posible ejecutaralgoritmos complejos en tiemporeal.

Es importante para DSP's tener un mecanismo efectivo de salto para la ejecucin de loops ya que elcdigogeneralmente programado es altamente repetitivo. La arquitectura permite realizar estos loops sininstrucciones adicionales ni demoras, las que al ejecutarse millones de veces empiezan a generar retardossignificativos.

Los DSP's deben manejar rangos dinmicos extendidos y de precisin para evitar overflow y underflowy para minimizar los errores deredondeo. Para acomodarse a esta capacidad, los DSP's incluyenacumuladores dedicados conregistros ms anchos que el tamao nominal de los datos para as conservarla precisin (por ejemplo, DSP's de 16 bits poseen acumuladores de 32 bits para manejar el resultado delas multiplicaciones). Tambin deben soportar el manejo de buffers circulares para la ejecucin defunciones algortmicas, tales como filtros. En estos tipos de buffers el puntero del buffer se actualiza en

paralelo con otras funciones del chip en cada ciclo de reloj. En cada ciclo el buffer circular realiza unacomprobacin de "fin de buffer" para verificar si es necesario volver al inicio de ste sin demorar as laejecucin delalgoritmo a causa de la ejecucin de instrucciones adicionales de comparacin y salto.

Por otro lado, losmicrocontroladores se utilizan sobre todo en aplicaciones donde existen acontecimientosexternos los que requieren de la deteccin y el control. Elambiente externo es detectado por cualquierade los dispositivos perifricos; puertos digitales I/O, pines dedicados de interrupcin, o las entradasanlogas (de analgico a digital). La fuente de las seales a estos pines viene de los interruptores, sensoresanlogos y/o digitales, y de las seales de estado de otros sistemas. Cada entrada representa un pedazo deinformacin sobre el estado de un cierto acontecimiento exterior. Las salidas se envan a actuadores,

relays, motores o a otros dispositivos que controlen acontecimientos. Entre la deteccin y actuacin estel microcontrolador, analizando las entradas y el estado actual del sistema, determinando cundo y quencender y/o apagar. El software es el que hace todo esto, toma las decisiones, generalmente trabaja deuna manera condicional; es decir, realiza saltos slo bajo ciertas condiciones y realiza manipulaciones anivel de bits. Las interrupciones son consideradas como condiciones externas que alteran el flujo principaldelprograma.

1.4. ARQUITECTURAS EN DSP

Las arquitecturas de los computadores actuales estn comnmente clasificadas como RISC's (ReducedInstruction Set Computers) y CISC's (Complex Instruction Set Computers). Estos ltimos tienen un grannmero de instrucciones sumamente poderosas, mientras que la arquitectura RISC posee pocasinstrucciones y realiza movimientos de datos entre registros en un ciclo de mquina. Hoy en da loscomputadores RISC comienzan a reemplazar a los CISC's, porque se puede alcanzar un ms altorendimiento por medio del uso de un eficiente compilador como a travs de la ejecucin de instruccionessimples en forma ordenada.

DSP's estndars tienen mucho rasgos de una arquitectura tipo RISC, pero ellos son procesadores depropsitos especficos cuya arquitectura es especialmente diseada para operar en ambientes de altanecesidad de clculo. Un DSP estndar ejecuta varias operaciones en paralelo mientras que un RISC usa

unidades funcionales altamente eficientes que pueden iniciar y completar una instruccin simple en unoo dos ciclos de reloj.

Dentro de las caractersticas comunes en la arquitectura de los DSPs tenemos:
http://www.monografias.com/trabajos6/arma/arma.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos7/caes/caes.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/algoritmos/algoritmos.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos12/eticaplic/eticaplic.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos7/regi/regi.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/algoritmos/algoritmos.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos34/microcontroladores-genericos/microcontroladores-genericos.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/medio-ambiente-venezuela/medio-ambiente-venezuela.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/losperif/losperif.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos12/elorigest/elorigest.shtmlhttp://www.monografias.com/Computacion/Programacion/http://www.monografias.com/Computacion/Programacion/http://www.monografias.com/trabajos12/elorigest/elorigest.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/losperif/losperif.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/medio-ambiente-venezuela/medio-ambiente-venezuela.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos34/microcontroladores-genericos/microcontroladores-genericos.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/algoritmos/algoritmos.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos7/regi/regi.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos12/eticaplic/eticaplic.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/algoritmos/algoritmos.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos7/caes/caes.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos6/arma/arma.shtml


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1. Una unidad funcional rpida que puede multiplicar y acumular en un ciclo de instruccin. Un ciclode instruccin puede durar generalmente 1 2 ciclos de reloj. Disponibles en DSP's de punto fijo yflotante.

2. Varias unidades funcionales que realizan operaciones en paralelo, incluyendo accesos a memoria yclculo de direcciones. Las unidades poseen tpicamente una unidad principal (ALU) junto con doso ms unidades de generacin de direcciones. Estas unidades funcionales poseen su propio conjuntode registros y muchas instrucciones se realizan en un solo ciclo de instruccin.

3. Varias unidades de memoria onchip (generalmente 2 3) usadas para almacenar instrucciones,datos o tablas. Cada unidad de memoria puede ser accedida una vez en cada ciclo de instruccin.

4. Varios buses para incrementar las tasas de transferencia hacia y desde memoria y evitarconflictosde direcciones.

5. Soporte para tipos especiales de direccionamiento, especialmente modulo y bitreverse, requeridoen el clculo de la FFT. El direccionamiento mdulo es muy eficiente para la implementacin de

buffers circulares.

6. Soporte para manejo de loop con bajo costo en tiempo y manejo rpido de interrupciones,

especialmente aquellas que se deben a los puertos seriales.

La arquitectura Harvard:

En la arquitectura clsica de Neumann la ALU y la unidad de control estn conectadas a una sola unidadde memoria que almacena tanto instrucciones de programa como datos. Durante la ejecucin de un

programa, una instruccin es leda desde la memoria y decodificada, los operandos necesarios sonobtenidos (fetched) desde la memoria, y, finalmente, la instruccin es ejecutada. La principal desventajaes que la memoria se transforma en el cuello de botella de esa arquitectura.

Figura 1.27 Arquitectura Harward

La instruccin que con ms frecuencia realiza un DSP estndar es la multiplicacin y acumulacin. stadebe ser realizada con eficiencia,y para ello debera ser completada en un ciclo de instruccin. Estoimplica que dos valores deben ser ledos desde memoria y (dependiendo dela organizacin)un valor debeser escrito, o dos o ms registros de direcciones deben ser actualizados, en ese ciclo. Por lo tanto, unalongitud grande en la memoria es tan importante como la operacin de multiplicacinacumulacin.

Varios buses ymemorias incluidas en el chip son utilizadas de forma que lecturas y escrituras a diferentesunidades de memoria pueden ser hechas a la vez. Dos memorias son utilizadas en la arquitectura Harvard
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clsica. Una de ellas es utilizada exclusivamente para datos, mientras que la otra es utilizada parainstrucciones. Esta arquitectura alcanza un alto grado de concurrencia (lecturas y escrituras simultneas).Los DSP's actuales usan varios buses y unidades de ejecucin para alcanzar niveles incluso ms altos deconcurrencia. Es comn encontrar chips con mltiples DSP y procesadores RISC.

Una de las diferencias ms importante encontrada entre un DSP y un Microcontrolador es laestructura dememoria que poseen. En un microcontrolador es posible encontrar una memoria lineal, en la que sealmacenan tanto datos como instrucciones de programa. Esto obliga a generar programas que nosobrepasenlmites de tamao ya que podran sobrescribirse datos por instrucciones o viceversa. Un DSP

posee dos bloques separados e independientes de memoria, cada uno con su propio bus de acceso,permitiendo as al procesador ir a buscar la siguiente instruccin y dato en el mismo ciclo de reloj (Fetch).

Otra diferencia importante entre un Microcontrolador y un DSP (y an entre DSP's) es la cantidad deunidades de ejecucin que poseen, las cuales son capaces de realizar operaciones en paralelo. Por ejemplo,adems de la tpica ALU, un DSP posee bloques MAC de multiplicacin y acumulacin, se encuentrantambin bloques slo para corrimientos, shifters.

Cabe destacar que en la actualidad cada vez se empieza a desarrollar ms la tecnologa mezclada entremicroprocesadores y DSP's. Diversas son las razones para que se produzca esta integracin, sin embargoa groso modo es posible identificar una en particular. Los requerimientos de control en tiempo real bajocondiciones cada vez ms exigentes en cuanto a necesidad de clculo han llevado a los fabricantes demicrocontroladores a integrar a sus microprocesadores caractersticas de DSP (unidades de clculo

paralelas, pipeling, etc.) y por el otro lado los fabricantes de DSP's empiezan a utilizar las caractersticasde Microcontroladores (Conversores A/D, puertos digitales I/O, bloques PWM) integrndolas dentro delDSP.

Dentro de los principales fabricantes de DSPs tenemos:

Texas Instruments (http://dspvillage.ti.com/docs/dspproducthome.jhtml): familias TMS320C6000,TMS320C5000, TMS320C2000

Motorola (http://www.motorola.com/semiconductors): familias 56300 56800 56800E, MSC8100(StarCore)

Analog Devices (http://www.analog.com/technology/dsp/index.html), familias Blackfin, familiaSharc TigerSharc ADSP-21xx
http://www.monografias.com/trabajos15/todorov/todorov.shtml#INTROhttp://www.monografias.com/trabajos6/lide/lide.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos/bus/bus.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos11/micro/micro.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos11/wind/wind2.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos7/html/html.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos7/html/html.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos11/wind/wind2.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos11/micro/micro.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos/bus/bus.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos6/lide/lide.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos15/todorov/todorov.shtml#INTRO

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