Los procesadores de señales digitales están presentes en multitud de aplicaciones de la tecnología moderna como teléfonos móviles, equipos de telecomunicaciones, equipos de sonido, instrumentos, en el coche, etc. Qué es exactamente un DSP es lo que tratamos de explicar en este artículo muy didáctico para aquellos que aún no están familiarizados con esta tecnología.
En el pasado, cuando se quería trabajar con una señal como, por ejemplo, una señal de cierta frecuencia para filtrar y eliminar ciertos componentes modificando su forma de onda, se usaba un circuito analógico, en componentes pasivos de la red y, eventualmente, un conjunto de amplificadores operacionales, como se muestra en la figura 1.
En resumen, ingresa una señal analógica (una forma de onda), trabaja esta señal en su forma analógica con un circuito analógico, por lo tanto, y nuevamente el la salida se obtuvo en la forma analógica original.
Con la elección adecuada de circuitos capaces de manejar estas señales, era posible hacer casi cualquier cosa con ellas.
Sin embargo, con la evolución de la electrónica digital, con procesadores cada vez más potentes, quedó claro que trabajar con una señal en forma digital podía ser más sencillo e incluso dar lugar a aplicaciones que no serían sencillas de obtener con un circuito analógico.
LA IDEA BÁSICA
Cuando modificamos una señal en su forma analógica para cambiar la forma de onda, la frecuencia e introducir retrasos, no hacemos más que aplicar algún tipo de procesamiento que se puede calcular a partir de procedimientos matemáticos convencionales.
Cuando cortamos las bajas frecuencias de una señal, en un filtro, podemos calcular con precisión los elementos de ese filtro para obtener los efectos deseados, vea la figura 2.
En definitiva, el trabajo de una señal analógica, sea la que sea, también implica un tipo de procesamiento que hace uso de recursos matemáticos.
Ahora bien, una de las principales ventajas de la electrónica digital y los microprocesadores es que pueden realizar cálculos muy complejos con gran rapidez y precisión.
Esto significa que podríamos reemplazar los circuitos analógicos que funcionan con cierto tipo de señal con equivalentes digitales, si las señales se convirtieran a formato digital.
Así, como se ilustra en la figura 3, llegamos a la idea básica del procesador de señal digital o DSP (Digital Signal Processor).
Una señal (una forma de onda) se convierte en forma digital mediante un convertidor de analógico a digital. Esta forma de onda se transforma en una secuencia de valores numéricos expresados en forma digital que pueden ser aplicados en secuencia a un segundo bloque, que es precisamente el procesador. El procesador luego trabaja la forma de onda en su forma numérica, haciendo los cálculos y transformaciones de acuerdo a lo que se desea del circuito.
Si se trata de un filtro, por ejemplo, se puede programar el procesador para aplicar la transformada de Fourier de la señal, y eliminar en determinadas proporciones los componentes armónicos de determinadas frecuencias, como se muestra en la figura 4.
Esto hará que el valor numérico que representa la señal en la salida es diferente al que la representa en la entrada, pero con una forma nueva, que es precisamente la que se desea del circuito.
Por ejemplo, si se recortan todos los armónicos de una señal de una frecuencia dada y una forma de onda compleja, la salida será una señal sinusoidal. El circuito del procesador digital habrá transformado una señal de cualquier forma de onda de cierta frecuencia en una señal sinusoidal de la misma frecuencia, como se muestra en la figura 5.
Para recuperar la señal en su forma analógica original, simplemente agregue a la salida de este conjunto un convertidor digital para analógico o D/A.
En nuestro ejemplo, modificamos la forma de onda de la señal, pero el DSP puede hacer mucho más.
Por ejemplo, si en lugar de transformar la señal de entrada, simplemente retrasamos su aplicación a la salida, memorizando su valor instantáneo en una memoria, podemos crear una cámara de eco.
Pero, el DSP puede hacer mucho más que eso.
APLICACIONES
En el ejemplo que presentamos, mostramos cómo un DSP puede modificar una señal analógica trabajando sobre ella en forma digital.
Las aplicaciones en las que se pueden utilizar los DSPs son las siguientes:
a) Filtrado digital
Respuesta a impulsos finitos (FIR)
Respuesta a impulsos infinitos (IIR)
Filtros adaptados (correladores)
Transformadas de Hilbert
Filtros adaptativos
b) Procesamiento de señales
Compresión (reconocimiento de voz)
Expansión
Media
Cálculos de energía
Procesamiento homomórfico
c) Procesamiento de datos:
Criptografía y barajar (scrambling)
Codificación (Codificación Trellis)
De-codificación (Decodificación de Viterbi)
d) Procesamiento numérico
Escalar, vectorial, matriz aritmética y computación con funciones trascendentales
Funciones no lineales
Generación de números pseudoaleatorios
e) Análisis espectral
Transformada de Fourier Rápida (FFT)
Transformada de Fourier Discreta (DFT)
Transformadas de seno/coseno
Modelaje ARMA, MA y AR
Todo esto hace que DSP se encuentre en los siguientes tipos de circuitos:
a) Telecomunicaciones
* Generación de tonos
* Circuitos DTMF
* Interfaces de abonado
* Full duplex
* Transcodificadores
* Vocoders
* Repetidores
* Cancelación de ruido
* ISDN
b) Comunicación de datos:
* Módems de alta velocidad
* Fax de alta velocidad
c) Comunicaciones por radio:
* Sistemas de comunicaciones seguras
* Radiodifusión
* Teléfonos celulares
d) Computadoras:
* Estaciones de trabajo
* PCs
* Aceleradores de gráficos
e) Procesamiento de imágenes
* Compresión, restauración
* Vista de robot
* Animación
f) Instrumentación
* Análisis espectral
* Adquisición de datos
* Generación de formas de onda
g) Procesamiento de sonido
* Radio digital (AM/FM)
* HI FI
* Cancelación de ruido
* Síntesis de música y procesamiento
h) Control
* Servos
* Robótica
* Control de motores
i) Medicina
* Escáneres
* Rayos X
* Electrocardiograma
f) Video digital
* TV digital
g ) Radar y Sonar
* Navegación
* Oceanografía
* Localización automática
Y muchos otros.
CONCLUSIÓN
Cuando se quiere trabajar con señales analógicas procesadas en tiempo real, la mejor solución para realizar operaciones complejas es la que hace uso del DSP. Disponibles por muchos fabricantes como Texas, Motorola, etc., estos componentes se pueden encontrar en configuraciones que se adaptan a aplicaciones específicas.
Sitios web sobre DSP:
Texas Instruments - http://www.ti.com
