Processamento Digital de Sinais - DSP - Parte 1

processamento digital de sinais
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Introdução

 

O processamento digital de sinais (DSP - Digital Signal Processing) de maneira geral já faz parte do nosso cotidiano. Ele está presente nos celulares, nas câmeras fotográficas, televisores, nos automóveis, computadores, equipamentos médicos, sistemas de automação, de controle, de comunicação, etc. Poucas pessoas porém, têm consciência da exata dimensão da ciência envolvida e da complexa tecnologia que está por trás de tudo isso. Para nós, usuários, é tudo muito simples e fácil de usar. Basta apertar um botão.

 

Nessa sequência de artigos, vou abordar de uma maneira bastante superficial esse tema e explicar alguns tópicos básicos e importantes sobre processamento digital de sinais. Não tenho a pretensão de apresentar um curso sobre esse assunto.  Isso seria muito longo e tedioso. Quem quiser realmente estudar esse assunto, pode consultar o livro a seguir:

  • Discrete-Time Signal Processing - 3rd Edition - Alan V. Oppenheim & Ronald W. Schafer (2011) 

 

 

Analógico x Digital

 

Todos os sistemas ou processos naturais são na sua essência analógicos. O desenvolvimento da eletrônica foi pelo mesmo caminho:  analógica em sua essência. Dessa forma, condicionamentos de sinais, filtragens e até operações matemáticas eram implementadas de forma analógica. Não existiam meios computacionais que pudessem ser utilizados de maneira eficiente e economicamente viáveis para a implementação de equipamentos mais complexos. A FIGURA 1 ilustra um circuito eletrônico analógico com alguma complexidade.

 

Como tudo que é natural, os componentes eletrônicos também estão sujeitos às variações de condições ambientais, tais como temperatura, umidade, envelhecimento, pressão, ataques químicos, corrosão, etc. Fazia-se necessária a utilização de complexos procedimentos de compensação para corrigir os erros decorrentes dessas variações.

 

Stock image of 'Printed-circuit board- It is photographed by close up'
FIGURA 1: Circuito analógico
 

Com a criação dos primeiros circuitos integrados por volta do início dos anos de 1960 e a posterior criação dos microprocessadores integrados em silício a partir de 1971, foi aberto o caminho para se pensar em digitalizar os sinais do mundo real e processá-los digitalmente. A vantagem mais óbvia do sinal digitalizado é que esse sinal não sofre mais as variações a que os sinais analógicos estão sujeitos. Pode-se reduzir as interfaces analógicas ao mínimo, o suficiente para transformar o sinal analógico em digital com precisão e deixar que o microprocessador se encarregue de tratar e processar esse sinal. O mesmo ocorre para o caso de se fazer necessária a saída para o mundo real, convertendo-a para um sinal analógico. Ao mesmo tempo abriu-se uma oportunidade ainda pouco explorada de desenvolver tecnologias para os sinais digitalizados. As possibilidades são quase infinitas.

 

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FIGURA 2: Processador INTEL 4004

 

 

Contínuo x Discreto

 

Os sinais analógicos são por natureza contínuos no tempo. São teoricamente constituídos por uma sequência de infinitos pontos. Quando digitalizamos esses sinais, eles passam por um processo conhecido por amostragem e são transformados numa sequência finita de pontos discretos. Essa transformação é realizada por componentes conhecidos como conversores Analógicos / Digitais ou simplesmente conversores A/D. A transformação dos sinais digitais em analógicos é realizada por componentes eletrônicos conhecidos por conversores Digitais / Analógicos, ou conversores D/A. Na FIGURA 3, pode-se observar um exemplo do processo de transformação do sinal analógico contínuo em um sinal discretizado. 

 

Continuo_Discreto
FIGURA 3: Transformação do sinal analógico em discreto

O efeito decorrente devido à amostragem do sinal é visível: O sinal discretizado não é exatamente igual ao sinal analógico. Na FIGURA 3 o sinal discretizado é uma reprodução grosseira do sinal original. Isso tem uma série de consequências e implicações. Por outro lado, transformar um sinal contínuo em sinal discreto traz as vantagens de se poder adequar o  tamanho do sinal a ser processado à capacidade limitada de memória dos processadores. A memória do processador, por maior que seja, é sempre finita, assim como sua capacidade de processamento. Aqui já apontamos alguns dos problemas que devem ser levados em consideração e resolvidos quando se pensa em projetar sistemas de processamento digital de sinais.

 

 

Afinal, o que é Processamento Digital de Sinais?

 

Ao leigo pode parecer que o processamento digital de sinais só é possível de ser realizado com o auxílio de DSPs, processadores integrados em silício especialmente desenvolvidos para essa função. Isso é um engano compreensível. Os DSPs são processadores com uma arquitetura de hardware diferenciada, desenvolvidos para a realização de operações típicas da implementação de procedimentos de processamento digital de sinais. Muitos fabricantes adotaram uma arquitetura conhecida como Arquitetura de Harvard, onde existem vias de dados e de endereçamento separados para as memórias de dados e de instruções, um conceito bem mais moderno que a arquitetura tradicional de Von Neumann. Na Arquitetura de Harvard é possível endereçar e acessar numa mesma instrução mais de uma posição de memória simultaneamente, num único ciclo de máquina.  Apesar de terem uma arquitetura diferenciada, os DSPs podem ser utilizados como microcontroladores, tanto que há uma pressão por parte de alguns fabricantes desses componentes, de que  também sejam adotados esses DSPs para operações convencionais. Alguns deles foram até rebatizados de DSCs (Digital Signal Controlers), ou seja controladores digitais de sinais.

 

O processamento digital de sinais propriamente dito, é uma tecnologia, uma ciência, uma série de conceitos abstratos que se traduz na aplicação de algoritmos computacionais para a realização de operações específicas sobre dados digitais. Alguns exemplos de processamento digital de sinais:

  • Filtragem digital de sinais;
  • Reconhecimento e síntese de voz;
  • Tratamento e reconhecimento de padrões em imagens;
  • Rádio e TV digitais;
  • etc.

Os algoritmos de processamento digital de sinais podem ser executados em DSPs, desenvolvidos especialmente para otimizar o desempenho desses algoritmos e permitir operações em tempo real. Porém, mantidas as devidas proporções e em aplicações adequadas, pode-se realizar o processamento digital de sinais em microprocessadores comuns, com baixo desempenho, ou até off-line num computador pessoal, tablet, etc.

 

No próximo segmento iremos nos aprofundar um pouco mais na teoria e nos detalhes dessa arte.

 

Outros artigos da série

Processamento Digital de Sinais - DSP - Parte 2 >>
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Henrique Frank Werner Puhlmann
Sou paulistano, 59 anos, formado em Engenharia Eletrônica pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (formado em 1982) e trabalho há pelo menos 33 anos no Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S/A - IPT com Pesquisa e Desenvolvimento, principalmente pesquisa aplicada e desenvolvimento tecnológico de protótipos e produtos eletrônicos dedicados.

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Henrique Frank Werner PuhlmannEDELSON MARTINSHenrique Frank Werner PuhlmannPedro NetoAlgoritmos DSP com a placa STM32F4Discovery - Parte I Recent comment authors
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EDELSON MARTINS
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EDELSON MARTINS

Olá, Henrique!
Tenho uma aplicação que necessita a conversão A/D de um sinal de 480 khz. Já desenvolvi o Transformador de Corrente que opera nessa faixa de frequência trazendo a tensão máxima para pouco mais de 2 volts que pretendo amplificar para 5 Volts para casar com os A/D's dos microcontroladores. O problema é que acredito que deva precisar de uma amostragem perto de 1M sample. Seria esse um bom motivo para direcionar o projeto a um DSP? Obrigado e parabéns pelo post!

Henrique Frank Werner Puhlmann
Visitante
Eng Puhlmann

Caro Edelson,

precisaria entender melhor a sua necessidade para dar um palpite mais acertado. A resposta mais adequada seria: depende...

Se você necessitar tratar esses dados em tempo real, sim provavelmente você necessitará de uma plataforma computacional de alto desempenho para isso, pode ser DSP, mas também FPGA, e outras com ARM ou mistas com capacidade de processamento para isso.

Se for off-line. qualquer coisa serve. A diferença será o tempo de processamento.

A título de comentário, a taxa de amostragem ideal para o sistema que você apresentou seria algo entre 4 e 5 Ms/s. Não é pouca coisa não...

Boa sorte!

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[…] Processamento digital de sinais, por Henrique Puhlmann […]

Pedro Neto
Visitante
Pedro Neto

amigo, eu preciso sanar uma dúvida. em que situação basta utilizar um conversor AD dada a sua resolução (exemplo conversor AD de 10 bit para sinal 4-20mA), e em que situação deve se usar o Processamento de Sinal? por exemplo, PCM (modulação por código de pulso), eu uso apenas um conversor ou tenho que trabalhar com Processamento Digital de Sinal?

Henrique Frank Werner Puhlmann
Visitante

Caro Pedro Neto, sem conhecer melhor a sua aplicação, é difícil responder corretamente à sua pergunta. Se você tem dúvida se precisa ou não usar DSP, é porque provavelmente não precisa. A utilização de processamento digital de sinais é um recurso para se utilizar principalmente quando outros recursos se tornam caros, inviáveis tecnicamente ou pioram muito o desempenho do processador. No caso de se utilizar conversor A/D ou PCM (que não deixa de ser um tipo especial de A/D) é indiferente o uso ou não de DSP. A necessidade de se utilizar DSP ou não não depende do tipo de… Leia mais »

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[…] Na primeira parte dessa série de artigos foi apresentada uma breve história do processamento digital de sinais e alguns conceitos básicos. Nesse artigo serão abordados alguns conceitos específicos referentes ao processamento digital de sinais voltado para aplicações de análise espectral, filtragem digital de sinais, tratamento de sinais etc. Para isso devemos começar apresentando um pouquinho de teoria, nesse caso o teorema ou as séries de Fourier. Não vou transcrever as fórmulas e as demonstrações que se fariam necessárias para uma compreensão mais aprofundada desses desenvolvimentos. Vou apenas sintetizar e comentar os resultados de uma forma superficial e direta para… Leia mais »