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Trabajo de Graduación
Francisco J. García Castillo
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Capítulo I
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Cotidianamente escuchamos la frase mundo digital, pero hasta donde estamos
concientes de esta realidad que vivimos.
Hasta hace algunas décadas el mundo había
subsistido con sistemas que implementaban tecnología análoga para el desarrollo de
aplicaciones.
Sin embargo con la aparición del microprocesador la electrónica y el
mundo entero toman un nuevo enfoque; explorando las bondades y efectividad de la
implementación de procesos digitales, dejando su perspectiva de desarrollo de
tecnologías análogas sólo para ciertas aplicaciones.
Con la implementación de esta nueva tecnología nace la necesidad de encontrar
nuevas herramientas que realicen con alta efectividad estos procesos.
Como la señal
tomada como entrada de nuestros sistemas ya no es del tipo continua (en función del
tiempo) sino de tipo discreta, muchas de las herramientas matemáticas como de
implementación de procesos quedaron obsoletas o con la necesidad de un reajuste para
adaptarse a la nueva tecnología.
Ha este conjunto de nuevas y renovadas herramientas teóricas prácticas se les
conoce como Procesamiento Digital de Señales o DSP(digital signal processing) por
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sus siglas en inglés. Este capitulo tiene como fin exponer los aspectos más relevantes de
esta tecnología y algunos de los procesos que ya implementan estas herramientas en todo
tipo de labores.
1.1 CONCEPTOS GENERALES DE DSP
Hemos identificado como DSP a aquella tecnología que se basa en los sistemas
digitales para el procesamiento masivo de información, ya sea de formato digital o
análoga.
Pero, ¿qué diferencia estos sistemas del resto de sistemas digitales
implementados hasta la fecha para que se consideren una nueva categoría de tecnología?.
Esta pregunta tiene varias respuestas que hacen a los DSP atractivos a la implementación
masiva y práctica.
Los DSP son sistemas que están predispuesto a tener que trabajar con señales de
carácter análogo, por tanto al momento de transformación de la señal a formato digital
todo se realiza en el mismo juego de componentes.
Los DSP poseen también diversas
soluciones vía hardware y/o software para el ahorro de instrucciones de trabajo, variable
de gran trascendencia al momento de tratar una señal muestreada. Estas herramientas
hacen que los DSP se impongan muchas veces a la construcción de un dispositivo
especializado sólo para ese proceso en particular.
Observamos pues que la ventaja principal de este sistema es el ser diseñado con
la predisposición de trabajar con la mayor cantidad de contratiempos posibles y en una
determinada cantidad de tiempo.
Por tanto se dota al equipo de la mayor cantidad de
herramientas de trabajo que estén planificadas a utilizar, según la aplicación a la cuál este
diseñado(audio, video, telemetría, etc.).
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Este proceso de confección por aplicación, de equipo DSP, hace que se facilite su
producción y demanda en masa.
Lo cual hace al sistema más económico que los
ajustado a las necesidades de un diseño en particular.
Otro factor de importancia en el avance de técnicas DSP es el desarrollo teórico
que ha acompañado al conocimiento práctico para la implementación de sistemas. Esto
permite al diseñador de sistemas DSP ubicar rápidamente el problema en una categoría
predefinida.
En estas categorías ya han sido desarrollados sistemas con características
similares, lo cuál permite obtener con mayor rapidez la implementación del proceso a
controlar.
1.2 CRITERIOS DE IMPLEMENTACIÓN DE PROCESAMIENTO
DIGITAL DE SEÑALES
Al momento de elaborar un sistema para tratar las señales de entrada, a fin de
obtener un determinado efecto en la salida, nos topamos con una decisión trascendental.
Implementar el sistema con las técnicas DSP o utilizar los patrones tradicionales de
procesamiento de señales análogas. Con las líneas antes enunciadas pareciera inclinar la
balanza hacia el procesamiento DSP; sin embargo, en ciertas aplicaciones resulta aún
conveniente el procesado de señales de la forma tradicional.
Por ejemplo, si un proceso de filtrado implica poca precisión y bajos rangos de
frecuencia de operación un sistema análogo podrá ser una opción indicada para la
solución del proceso; debido a su rápida implementación y bajo costo de obtención. Si
se requiera que el sistema de filtraje sea de mayor precisión, o que las frecuencias de
operación del sistema sean altas, lo más probable es que un filtro digital desempeñe una
mejor función.
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Como parámetros generales de selección de procesos digitales en lugar de
análogos podemos mencionar:
•
Altas frecuencias de operación, siempre y cuando el teorema de Nyquist
permita la debida operación del sistema.
•
Elevada precisión.
Por lo general los sistemas digitales tienen una mayor
exactitud que los sistemas implementados bajo procesos análogos.
•
Acoplamiento múltiple de sistemas. Los estándares de productos digitales
tienen mejor respuesta a la operación en conjunto con otros equipos de su
misma especie, que los sistemas análogos.
•
Necesidad de expansión.
Es conocida ya que generalmente los equipos
digitales vienen con la versatilidad de expandirse para llevar su labor mas
eficientemente.
•
Ajuste dinámico del sistema.
Los equipos digitales brindan una mayor
flexibilidad al ajuste de las rutinas de trabajo, que los equipos análogos.
•
Procesos inherentemente digitales.
Cuando un sistema digital produce una
salida digital y esta requiere ser tratada se impone mantener la señal en su
estado natural.
Aunque estos parámetros no dictan una ley a seguir, nos sirven de punto de
partida para una decisión final.
Queda a criterio del diseñador del sistema que tipo de
proceso elaborará, según sus necesidades y factibilidad económica.
1.3 SISTEMAS BASADOS EN EL PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES
Actualmente existe una gran diversidad de dispositivos que implementan
tecnología DSP en diversos campos.
La siguiente tabla describe algunos de estos
campos en los cuales la implementación DSP ha sido exitosa.
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Areas de
Procesos
Desarrollo
implementados
Audio
Ecualizadores Gráficos; Analizadores de espectro; compresión de
audio (MiniDisc); Discos compactos; Efectos acústicos; Sistema de
teatro casero (THX); Reducción de ruido (Dolby); etc.
Industria
Frenos antibloqueo; bolsas de aire; supresión de ruido activo;
Automotriz
control de mezcla de combustibles; etc.
Computadoras
MODEMs; tarjetas de sonido; tarjetas de video; sintetización y
reconocimiento de voz; etc.
Comunicaciones
Compresión de voz; eliminación de eco; ecualización adaptativa;
multiplexión de canales; modulaciones digitales; etc.
Medicina
Eliminación de ruido en ECG, EEG,
VCG, EMG; análisis
fisiológicos; mejoramiento de imágenes, CT, MR, X-RAY; etc.
Militar
Guía de misiles; GPS; Detección de agentes químicos; Radar;
Sonar; Visión Nocturna; etc.
Imagen y vídeo
Compresión de Imágenes; Restauración de imágenes; Creación de
efectos visuales; etc.
Sistemas eléctricos Detección de fallas; Supresores de Armónicos; Mejoramiento del
de potencia
factor de potencia; etc.
Tabla 1. Aplicaciones de DSP en diferentes campos
Algunos equipos que se encuentran en el mercado con técnicas DSP se muestran
a continuación.
Fig. 1 Osciloscopios Digitales Tektronix, de banca y portátil,
que utilizan tecnología DSP
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Fig. 2 Equipo PXI de instrumentación, fabricado por National Instruments, utilizado
en un proceso de automatización. El captador de datos implementa técnicas de DSP
Fig. 3 Medidores de parámetros de transmisión para equipos de
televisión(TG200 y WFM 601A/E) marca Tektronix, que implementan DSP
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En la actualidad el mercado se encuentra abarrotado con cientos de dispositivos
que implementan esta tecnología, y aunque conocedores del tema esperaban que en 10
años casi todos los sistemas fueran de tecnología DSP, a mi opinión esto ocurrirá aún más
pronto de lo esperado.
1.4 IMPLEMENTACIÓN DE DSP EN PROCESOS ACUSTICOS
Una de las aplicaciones más conocidas de la tecnología DSP es el manipular el
sonido con la finalidad de enriquecer la reproducción musical.
Los algoritmos de este
tipo de sistemas son relativamente sencillos y de fácil construcción. Por este motivo se
opto por desarrollar un proceso basado en estos sistemas como proyecto de grado.
Básicamente las señales de fuentes sonoras provienen de algún equipo
reproductor, luego pasa a través del procesador de sonido adecuado y como resultado
final se obtienen efectos tales como: compensación de la señal, coro, amplificación, etc.
El modelaje de estos procesos los discutiremos con mayor detenimiento en la capitulo 4.
Fuente de sonido:
radio, reproductor de CD,
canal de grabación,
instrumento musical, teclado,
generador de tonos,
procesador de efectos
Equipo reproductor de
sonido:
Efectos de audio incorporados
con DSP
amplificadores, bocinas,
mezcladores, o procesador de
fectos
Fig. 4 Diagrama de bloques de la implementación de efectos de sonido con DSP
En estos procesos las entradas pueden ser cualquier equipo reproductor de audio.
Luego se prepara el sistema DSP para el efecto deseado, para finalmente colocar en los
equipos de salida la señal ya procesada.
Generalmente en estos equipos la señal se
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muestra a 44.1kHz, que es suficiente para evitar efectos de aliasing de la señal de audio y
permite un número máximo de instrucciones del sistema.
El proceso seleccionado para la implementación práctica de los procesos DSP es
un compensador selectivo de componentes del sonido o popularmente conocido como
ecualizador.
Los próximos capítulos del trabajo tratan de manera general los procesos
DSP, pero se le brinda una especial atención a los procesos acústicos.
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