¿Qué es el procesamiento de señal digital?

¿Qué es el procesamiento de señal digital? 
DSP manipula diferentes tipos de señales con la intención de filtrar, medir o comprimir y producir señales analógicas. Las señales analógicas difieren al tomar información y traducirla en pulsos eléctricos de amplitud variable, mientras que la información de la señal digital se traduce a formato binario donde cada bit de datos está representado por dos amplitudes distinguibles. Otra diferencia notable es que las señales analógicas se pueden representar como ondas sinusoidales y las señales digitales se representan como ondas cuadradas. DSP se puede encontrar en casi cualquier campo, ya sea procesamiento de petróleo, reproducción de sonido, radar y sonar, procesamiento de imágenes médicas o telecomunicaciones, esencialmente cualquier aplicación en la que las señales se comprimen y reproducen. 

Entonces, ¿qué es exactamente el procesamiento de señal digital? El proceso de señal digital toma señales como audio, voz, video, temperatura o presión que ya se han digitalizado y luego las manipula matemáticamente. Esta información se puede representar como tiempo discreto, frecuencia discreta u otras formas discretas para que la información se pueda procesar digitalmente. Se necesita un convertidor de analógico a digital en el mundo real para tomar señales analógicas (sonido, luz, presión o temperatura) y convertirlas en 0 y 1 para un formato digital. 

Un DSP contiene cuatro componentes clave: 
 Motor de computación: manipulaciones, cálculos y procesos matemáticos mediante el acceso al programa o tarea, desde la memoria del programa y  la información almacenada en la memoria de datos.
 Memoria de datos: almacena la información que se procesará y funciona de la mano con la memoria del programa. 
 Memoria de programa: almacena los programas o tareas que el DSP utilizará para procesar, comprimir o manipular datos.
 E / S: Esto se puede usar para varias cosas, dependiendo del campo para el que se esté usando DSP, es decir, puertos externos, puertos serie, temporizadores y para conectarse al mundo exterior. 

A continuación se muestra una figura de cómo se ven los cuatro componentes de un DSP en una configuración general del sistema. 

Filtros DSP 
El filtro Chebyshev es un filtro digital que se puede usar para separar una banda de frecuencia de otra. Estos filtros son conocidos por su atributo principal, velocidad y, aunque no son los mejores en la categoría de rendimiento, son más que adecuados para la mayoría de las aplicaciones. El diseño del filtro Chebyshev se diseñó en torno a la técnica matemática, conocida como transformación z. Básicamente, la transformación z convierte una señal de tiempo discreto, compuesta de una secuencia de números reales o complejos en una representación de dominio de frecuencia. La respuesta de Chebyshev se usa generalmente para lograr una caída más rápida al permitir la ondulación en la respuesta de frecuencia. Estos filtros se denominan filtros tipo 1, lo que significa que la fluctuación en la respuesta de frecuencia solo se permite en la banda de paso. Esto proporciona la mejor aproximación a la respuesta ideal de cualquier filtro para un orden y ondulación específicos. Fue diseñado para eliminar ciertas frecuencias y permitir que otras pasen a través del filtro. El filtro Chebyshev es generalmente lineal en su respuesta y un filtro no lineal podría dar como resultado que la señal de salida contenga componentes de frecuencia que no estaban presentes en la señal de entrada. 


¿Por qué utilizar el procesamiento de señal digital?
Para comprender cómo el procesamiento de señal digital, o DSP, se compara con los circuitos analógicos, uno compararía los dos sistemas con cualquier función de filtro. Si bien un filtro analógico usaría amplificadores, condensadores, inductores o resistencias, y sería asequible y fácil de ensamblar, sería bastante difícil calibrar o modificar el orden del filtro. Sin embargo, se puede hacer lo mismo con un sistema DSP, simplemente más fácil de diseñar y modificar. La función de filtro en un sistema DSP está basada en software, por lo que se pueden elegir múltiples filtros. Además, para crear filtros flexibles y ajustables con respuestas de alto orden solo se requiere el software DSP, mientras que el analógico requiere hardware adicional. 

Por ejemplo, un filtro de paso de banda práctico, con una respuesta de frecuencia dada, debe tener un control de caída de la banda de detención, ajuste de ancho de banda y control de ancho, atenuación infinita en la banda de detención y una respuesta dentro de la banda de paso que es completamente plana con desplazamiento de fase cero. Si se usaran métodos analógicos, los filtros de segundo orden requerirían muchas secciones escalonadas de alta Q, lo que en última instancia significa que será extremadamente difícil de ajustar y ajustar. Al abordar esto con el software DSP, utilizando una respuesta de impulso finita (FIR), la respuesta de tiempo del filtro a un impulso es la suma ponderada del presente y un número finito de valores de entrada anteriores. Sin retroalimentación, su única respuesta a una muestra dada finaliza cuando la muestra llega al "final de la línea". Con estas diferencias de diseño en mente, el software DSP se elige por su flexibilidad y simplicidad sobre los diseños de filtros de circuitos analógicos. 

Al crear este filtro de paso de banda, usar DSP no es una tarea terrible de completar. Implementarlo y fabricar los filtros es mucho más fácil, ya que solo tiene que programar los filtros de la misma manera con cada chip DSP que ingresa al dispositivo. Sin embargo, al usar componentes analógicos, corre el riesgo de componentes defectuosos, ajustando el circuito y programando el filtro en cada circuito analógico individual. DSP crea una forma asequible y menos tediosa de diseño de filtros para el procesamiento de señales y aumenta la precisión para sintonizar y ajustar los filtros en general.


ADC y DAC
El equipo eléctrico se usa mucho en casi todos los campos. Los convertidores analógico a digital (ADC) y los convertidores digital a analógico (DAC) son componentes esenciales para cualquier variación de DSP en cualquier campo. Estas dos interfaces de conversión son necesarias para convertir señales del mundo real para permitir que el equipo electrónico digital capte cualquier señal analógica y la procese. Tomemos un micrófono, por ejemplo: el ADC convierte la señal analógica recolectada por una entrada al equipo de audio en una señal digital que puede ser emitida por altavoces o monitores. Mientras pasa por el equipo de audio a la computadora, el software puede agregar ecos o ajustar el tempo y el tono de la voz para obtener un sonido perfecto. Por otro lado, DAC convertirá la señal digital ya procesada nuevamente en la señal analógica que es utilizada por equipos de salida de audio como monitores. A continuación se muestra una figura que muestra cómo funciona el ejemplo anterior y cómo se pueden mejorar sus señales de entrada de audio a través de la reproducción, y luego emitirlas como señales digitales a través de monitores.

Un tipo de convertidor analógico a digital, conocido como el ADC de rampa digital, implica un comparador. El valor del voltaje analógico en algún momento se compara con un voltaje estándar dado. Una forma de lograr esto es aplicando el voltaje analógico a un terminal del comparador y disparador, conocido como contador binario, que controla un DAC. Mientras la salida del DAC se implementa en el otro terminal del comparador, disparará una señal si el voltaje excede la entrada de voltaje analógico. La transición del comparador detiene el contador binario, que luego mantiene el valor digital correspondiente al voltaje analógico en ese punto. La siguiente figura muestra un diagrama de una rampa digital ADC. 

Aplicaciones de DSP
Existen numerosas variantes de un procesador de señal digital que puede ejecutar diferentes cosas, dependiendo de la aplicación que se realice. Algunas de estas variantes son procesamiento de señal de audio, compresión de audio y video, procesamiento y reconocimiento de voz, procesamiento de imágenes digitales y aplicaciones de radar. La diferencia entre cada una de estas aplicaciones es cómo el procesador de señal digital puede filtrar cada entrada. Hay cinco aspectos diferentes que varían de cada DSP: frecuencia de reloj, tamaño de RAM, ancho del bus de datos, tamaño de ROM y voltaje de E / S. Todos estos componentes realmente afectarán el formato aritmético, la velocidad, la organización de la memoria y el ancho de datos de un procesador. 

Un diseño de arquitectura bien conocido es la arquitectura de Harvard. Este diseño permite que un procesador acceda simultáneamente a dos bancos de memoria utilizando dos conjuntos independientes de buses. Esta arquitectura puede ejecutar operaciones matemáticas mientras busca más instrucciones. Otra es la arquitectura de memoria de Von Neumann. Si bien solo hay un bus de datos, las operaciones no se pueden cargar mientras se obtienen las instrucciones. Esto provoca un atasco que finalmente ralentiza la ejecución de las aplicaciones DSP. Si bien estos procesadores son similares a los procesadores utilizados en una computadora estándar, estos procesadores de señales digitales están especializados. Eso a menudo significa que, para realizar una tarea, los DSP deben utilizar la aritmética de punto fijo. 

Otro es el muestreo, que es la reducción de una señal continua a una señal discreta. Una aplicación importante es la conversión de una onda de sonido. El muestreo de audio utiliza señales digitales y modulación de código de pulso para la reproducción de sonido. Es necesario capturar audio entre 20 y 20,000 50 Hz para que los humanos lo escuchen. Las frecuencias de muestreo superiores a las de unos 60 kHz - XNUMX kHz no pueden proporcionar más información al oído humano. Usando diferentes filtros con software DSP y ADC's & DAC's, se pueden reproducir muestras de audio mediante esta técnica. 

El procesamiento de señales digitales se usa mucho en las operaciones diarias y es esencial para recrear señales analógicas en señales digitales para muchos propósitos.

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