El mundo se está volviendo digital, yo diría que el menos fanático de los profesionales de la electrónica. Incluso en circuitos analógicos comunes, como amplificadores de audio, radios, instrumentos musicales electrónicos e incluso juguetes, encontramos circuitos digitales. ¿Qué tan lejos llega?
Por supuesto, no podemos decir que la electrónica analógica desaparecerá por completo, pero hay que tener en cuenta un hecho: si digitalizamos señales analógicas es muy fácil trabajar con ellas y parece que la electrónica lo ha descubierto: empiezan a aparecer procesadores de señales digitales. en una multitud de aplicaciones prácticas que involucran señales analógicas y pronto, los profesionales que eran reacios a aprender electrónica digital, atrapados con la vieja tecnología analógica que aún puede darles algún campo de trabajo, se encontrarán en mal estado si no saben cómo trabajar. con tales DSPs o Digital Signal Processing. (1998)
Si convertimos señales analógicas como sonidos, imágenes, señales obtenidas de sensores lineales como termistores, LDRs y otros en señales digitales, además de tener mucha más facilidad para trabajar con ellas, existe la posibilidad de modificar sus características, agregando una ventaja de control desde un microprocesador.
Esto significa que, en equipos modernos que funcionan con señales analógicas como amplificadores de audio, televisores, módems, equipos de telecomunicaciones, teléfonos celulares, televisión por cable y digital, el uso de un dispositivo que sea capaz de convertir señales analógicas en digitales es fundamental. La tecnología que le permite desarrollar circuitos con la capacidad de convertir señales analógicas en digitales no es complicada. El problema surge cuando se quiere operar con señales que necesitan mantener sus características de fidelidad, pero a frecuencias muy altas.
Esto significa que los dispositivos comunes que podrían usarse para este propósito se vuelven inadecuados, lo que requiere que los fabricantes desarrollen tecnologías avanzadas. Hoy en día es posible contar con circuitos integrados que reúnan todos los elementos necesarios para convertir señales analógicas a forma digital y en muy altas frecuencias, y, además, incorporar microprocesadores y diversos circuitos de soporte que puedan trabajar con estas señales digitalizadas. A partir de ellos, se pueden desarrollar fácilmente aplicaciones en equipos como los mencionados como ejemplo al principio del artículo.
Está claro que el montaje de los DSPs en sí no interesa a nuestro lector que puede contar con el componente listo. Sin embargo, para saber utilizarlo y saber reparar o simplemente instalar estos dispositivos en aplicaciones modernas, es necesario conocer su principio de funcionamiento. Es precisamente este principio de funcionamiento el que detallaremos en este artículo.
CONVIRTIENDO SEÑALES ANALÓGICAS EN DIGITAL
Comencemos con una forma de onda de una señal común, como cualquier sonido, que se puede representar como se muestra en la figura 1.
Esta forma de onda corresponde a una señal analógica ya que instante a instante la intensidad de la señal varía asumiendo valores que cambian en saltos infinitamente pequeños. Esto es diferente de una señal digital en la que la intensidad de la señal varía de un instante a otro, pero de acuerdo con saltos discretos y, por lo tanto, puede representarse mediante valores finitos o dígitos, como se muestra en la figura 2.
La conversión de una señal analógica a digital de esta forma se puede hacer tomando una cierta cantidad de muestreos de su intensidad en diferentes momentos para que cada muestreo tenga un valor numérico que se pueda representar en forma digital. Nuestra señal analógica, tomada como ejemplo, se puede "muestrear" un cierto número de veces tomando valores que correspondan a la "altura" de cada rectángulo, es decir, su valor en cada instante como se muestra en la figura 3.
Representando el valor instantáneo de cada muestreo en forma digital, un ciclo de nuestra señal analógica se puede convertir en una secuencia de números binarios como se muestra en la figura 4.
Por supuesto, estos valores binarios pueden trabajarse fácilmente con un microprocesador que está programado para funcionar algún tipo de operación que nos interese. Una señal en su forma analógica original ni siquiera podría aplicarse a un microprocesador, y mucho menos funcionar de cierta manera por sus circuitos.
REQUISITOS MÍNIMOS
Un punto importante a considerar al convertir cualquier señal analógica en una secuencia de valores digitales es la precisión de que estos valores representan la señal original. Si representamos una señal sinusoidal, por ejemplo, con solo dos muestras, una para el valor máximo positivo y la otra para el negativo quedará claro que en la "recuperación" de la forma de onda original no tendremos buena fidelidad , como se sugiere en la figura 5.
Queda demostrado claramente, por la figura 6 que la precisión de la recuperación de la señal original y, por lo tanto,cualquier tratamiento que le demos a la señal digital depende de la cantidad de muestreos: cuanto mejor sea, más muestreos podremos llegar a la señal. El límite de Nyquist se define como la frecuencia de muestreo más baja que podemos usar para convertir una señal y aun así obtener precisión. Este límite establece que la frecuencia mínima de muestreo que podemos utilizar en la conversión es 3 veces la frecuencia de la señal muestreada.
Eso sí, en la práctica es conveniente utilizar frecuencias muy superiores a 3 veces la de la señal y esto ocurre, por ejemplo, en el caso de los CDs donde la frecuencia ronda los 150 kbytes por segundo donde tenemos un valor de 1 byte por instantáneo lo que nos lleva a 10 veces la frecuencia máxima que podemos escuchar, que es de 15 kHz. La cosa empieza a complicarse un poco si tenemos en cuenta que para representar un valor instantáneo de un muestreo con una definición de 1 byte (8 bits) que daría lugar a 256 valores diferentes, necesitamos transmitir 8 bits por muestreo.
Entonces, si tenemos una señal de 10 MHz y queremos muestrear 10 veces en cada ciclo, eso significa 100 millones de muestreos por segundo y en cada segundo la salida de 800 millones de bits, como sugiere la figura 6.
El lector ahora puede tener una idea de las dificultades que se presentan si deseamos procesar una señal de video, por ejemplo, o la señal producida por un sistema de telecomunicaciones que opera a varios cientos de megahertz. Usando solo un byte por muestreo de una señal de video, por ejemplo, limitamos sus intensidades a 256 niveles y si esto se hace con una señal de color tenemos la misma limitación en cuanto a su cantidad. Una forma interesante de hacer la conversión de frecuencia de muestreo usando solo un bit es el llamado sigma-delta que se usa en los convertidores de los CD-players.
La idea es simple: desde el momento en que la señal a muestrear pasa por cero, el circuito simplemente verifica si en el siguiente muestreo su intensidad ha cambiado lo suficiente como para cambiar un solo bit. Si la intensidad sigue siendo aproximadamente la misma (dentro de la banda de resolución), el bit enviado al circuito es cero y la intensidad se mantiene. Sin embargo, si la señal ha aumentado lo suficiente como para cambiarla un poco, ese bit se agrega a la intensidad anterior. Por lo tanto, en el ciclo de la señal muestreada, la suma o la resta de un bit se puede digitalizar con buena precisión, como se muestra en la figura 7.
Pero aún existen otros requisitos importantes para digitalizar las señales que deben tenerse en cuenta. Una de las aplicaciones más importantes de los DSPs en la actualidad es en los sistemas de telecomunicaciones móviles y en las microcomputadoras portátiles con aplicaciones especiales como el reconocimiento de escritura a mano (reconocimiento de letras).
En estos equipos que funcionan con baterías, el consumo del dispositivo es un requisito muy importante. A medida que la complejidad de un DSP aumenta según la cantidad de muestreo que pueda tomar y el potencial del microprocesador utilizado, los fabricantes trabajan duro en vista de este requisito hoy con resultados prácticos sorprendentes. De hecho, los DSPs que pueden manejar tanto señales digitales como analógicas se utilizan en teléfonos digitales.
Además de estos factores, se deben considerar el costo y la facilidad de uso.
CÓMO SE REALIZA LA CONVERSIÓN DE SEÑALES
Existen varias técnicas para convertir señales analógicas en digitales que se pueden encontrar en los DSPs. En la figura 8 tenemos un circuito llamado "flash converter" que se puede encontrar en la entrada de un DSP basado en un convertidor digital-analógico.
Para un circuito de 8 bits, lo que se hace es conectar 256 comparadores en serie, cada uno con una tensión aplicada a su entrada de referencia que determinará su punto de disparo. Estos circuitos están conectados a un decodificador que emite los valores digitales correspondientes a la señal aplicada a la entrada.
En funcionamiento, el circuito se habilita, por un momento, en el momento exacto en que desea muestrear la señal. La tensión de la señal instantánea se aplica luego al divisor de tensión conectado a la entrada de referencia de los comparadores de tensión. Los comparadores que cambiarán son aquellos en los que la tensión instantánea de la señal muestreada es mayor o igual a la tensión de referencia, es decir, una cantidad proporcional a la fuerza de la señal.
Así, tendremos un cierto número de señales de entrada que determinarán el valor digital que entregará el decodificador a la salida. Una desventaja de este tipo de convertidores es que se necesitan tantos comparadores como niveles de señal hay que detectar. La ventaja radica en su alta velocidad de funcionamiento.
Existen otras técnicas para convertir la señal, por ejemplo, los sucesivos convertidores de aproximación, el convertidor de doble pendiente, este último mostrado en bloques en la figura 9.
EL MICROPROCESADOR
La señal digital obtenida por el convertidor se aplica a un microprocesador que la someterá a una serie de procesos, según el propósito del proyecto. Entonces, en el chip DSP, además del convertidor A/D, encontramos un microprocesador.
El uso de microprocesadores específicos para el DSP y tipos no comunes se debe principalmente al hecho de que las señales deben procesarse a velocidades muy altas. Un microprocesador común no tiene una banda de paso lo suficientemente ancha para operar en un DSP. Además, las funciones más utilizadas suelen sumarse además, la multiplicación y otras funciones sencillas que deben aplicarse de forma rápida y repetitiva, que es una modalidad diferente a la operación esperada para microprocesadores comunes. Esto significa que los microprocesadores utilizados en los DSPs tienen características especiales que los diferencian de los microprocesadores comunes.
Uno de ellos es el uso de circuitos especiales que son capaces de multiplicar números a muy alta velocidad. Otra característica especial incorporada a los microprocesadores de los DSPs y que tiene en cuenta su principal aplicación, que es con señales de audio y video, es la incorporación de un modo de direccionamiento especial denominado bit-swapped addressing.
Como sugiere el nombre, el orden de procesamiento de los bits en la entrada y la salida se invierte. Entonces, con esta arquitectura, los bits se almacenan en el mismo orden en que se generan mediante muestreo, pero se direccionan en el mismo orden en que se solicitan, sin la necesidad de realizar cálculos de direccionamiento interno. Sin embargo, una función importante en un DSP se encuentra en el cálculo de las transformadas de. Fourier
A través de la transformada de Fourier es posible representar una forma de onda en frecuencia (por la intensidad relativa del fundamental y armónico).
Esta forma de representación simplifica la implementación de funciones de procesamiento como, por ejemplo, un filtro capaz de eliminar un componente de frecuencia que hace que el DSP funcione como un filtro de pasa bandas o rechaza bandas.
Transformada de Fourier
La idea básica de Fourier es que cualquier tipo de señal, independientemente de su forma de onda, en realidad está formada por una señal sinusoidal de cierta frecuencia y una cantidad (que puede ser infinita) de señales sinusoidales de intensidades cada vez más pequeñas. múltiples frecuencias (armónicas). Esto significa que una señal de cualquier forma de onda puede ser sintetizada por una señal sinusoidal de cierta frecuencia y señales sinusoidales de frecuencias e intensidades armónicas seleccionadas, ya que la recíproca es verdadera: cualquier señal, independientemente de su forma de onda, puede descomponerse en una señal sinusoidal de frecuencia fundamental y señales sinusoidal de frecuencias armónicas.
LOS DSPs COMERCIALES
Analog Devices tiene una amplia gama de DSPs, destacando el ADSP-2140 que se utiliza en juguetes, sintetizadores de música y otras aplicaciones.
Una nueva serie de DSPs de Analog Devices que utilizan la arquitectura SHARC (Super Harvard Architecture) es adecuada para aplicaciones como impresoras, escáneres, mixers de audio profesionales, etc. La característica principal de la arquitectura Super Harvard es que almacena código y datos en bancos de memoria separados con buses separados para acelerar el acceso a programas y a los datos.
Otro punto a destacar de Analog Device es el par AD9853 y AD8320, uno que consta de un transmisor de ruta inversa con sintetizador DDS (Direct Digital Synthesizer), además de otros circuitos DSPs en un solo chip y el otro un controlador de ganancia variable, ambos indicados. Estos integrados están indicados para aplicaciones en TV por cable, Módems, comunicaciones por satélite y microondas, entre otros.
El AD15060/14160 de Analog Device es un módulo multiprocesador DSP de alta velocidad con arquitectura SHARC con un rendimiento de 480 MFLOPS y SRAM en chip de 16 MBytes. Entre las aplicaciones sugeridas para este componente se encuentran equipos de control de tráfico aéreo, misiles, radar/sonar, aviónica, etc.
Se puede obtener información sobre los DSPs de dispositivos analógicos en Internet en: http://www.analog.com
Motorola también tiene DSPs en su línea de productos y la familia que se puede citar como ejemplo es el DSP6300 que puede ejecutar una instrucción por ciclo de clock con bajo consumo de energía. La frecuencia máxima de este dispositivo es del orden de 80 MHz y un PLL interno permite utilizar un cristal de menor frecuencia en su control. Entre las aplicaciones de este chip, Motorola sugiere: DVD, HDTV, Dolby, etc.
Como podemos ver, además de los circuitos de control, las señales multiplexadas de entradas y salidas con los convertidores D/A y soporte de circuitos PLL. destaca la CPU. Nótese que el bloque principal de la CPU es precisamente un multiplicador de 16 x 16 bits ya que, como hemos visto, en las principales aplicaciones de los DSPs la multiplicación de la señal debe realizarse de forma rápida. Este multiplicador en el propio hardware también tiene la característica de hacer la multiplicación en un solo ciclo de clock.
Este DSP está fabricado según la arquitectura de Harvard que permite el acceso simultáneo a instrucciones y operadores de datos. Una pila de hardware es un sector importante de este microprocesador, ya que permite procesar con interrupciones muy rápidas. Los puertos de I/O están mapeados en memoria, lo que facilita la transferencia de datos a los circuitos periféricos. Una unidad lógica paralela permite la manipulación directa de bits en los operadores de la memoria, aumentando así la velocidad de procesamiento.
El TMS320 de Texas Instruments está disponible en varias generaciones y versiones para operación de punto fijo y flotante. La última generación que tiene el chip TMS320Cx opera a 200 MHz y tiene una nueva arquitectura llamada Very Long Instruction Word que opera con hasta 8 paquetes de instrucciones de 32 bits en un ciclo. Este dispositivo también es capaz de realizar transformaciones de Fourier de 1024 en solo 70 ns.
Los tipos de punto fijo tienen una arquitectura de 16 bits con una ALU de 32 bits y un acumulador y se basan en la arquitectura de Harvard con buses de programación y datos separados. Los tipos de punto flotante proyectados para el procesamiento en paralelo tienen una arquitectura de 32 bits con registros de precisión extendidos de 40 bits basados en la arquitectura de Von Neuman. Contiene varios buses para un mejor rendimiento y, además, incorporan multiplicadores y ALU de punto flotante.
Puede encontrar más informaciones sobre los DSPs de Texas en el sitio web:
