Procesadores Digitales de Señales

Procesamiento digital de señales

En el mundo hay un gran número de señales análogica, por ejemplo, la tempreatura, la luz, la presión atmosférica, la humediad relativa, son algunos cuantos ejemplos de magnitudes análogicas.
Hasta mediados del siglo XX se usaron recursos y técnicas análogicas que se ilustran en la siguiente figura:



En donde el sensor puede ser por ejemplo algun medidor de temperatura, el sistema de procesamiento análogico hace operaciones con la entrada de la temperatura y el actuador realiza alguna acción de acuerdo a la salida.

En 1977 Intel comercializó el primero microprocesador aumentando exponencialmente las ventajas y posibilidades del procesamiento digital. Un microprocesador es la parte más importante de un computador digital. Actualmente hay una gran variedad de circuitos integrados con millones de transistores y otros elementos en pocos mm2, que componen computadoras potentes a un precio accesible.



Los avances tecnológicos en microelectrónica han desarrollado métodos eficientes para análisis y tratamiento de señales continuas. La Serie básica de Fourier es una extraordinaria herramienta para el procesamiento de señales periódicas, entre otros métodos matemáticos.
Y es así como empieza la nueva etapa de el mundo de tratamiento de señales, la del procesamiento digital de las señales. El procesador digital de señales o DSP se define como un procesador monochip que fue diseñado para resolver un conjunto de operaciones matemáticas sobre una señal analógica expresada digitalmente.



Este procesador de señales fue de suma importancia para la ciencia y tecnología del siglo XXI. Los procesadores digitales estan hechos para realizar algoritmos matemáticos para el análisis y tratamiento de señales continuas.

Aunque puedieran ser lentos los conversores AD y DA, hay grandes beneficios del procesamiento digital respecto al procesamiento analógico.
Algunas ventajas:

• Teniendo la información digital es posible hacer cálculos matemáticos complejos con exactitud y rapidez, además la información se transfiere y almacena con seguridad.
• La tolerancia de los componentes que forman los circuitos electrónicos analógicos , la variacion de sus valores, su comportamiento a condiciones externas y su edad, producen una gran falta de precisión que afecta el funcionamiento general de dichos circuitos.
• En un circuito analógico digital es complicado modificar algún parametro o funcionamiento ya que se tiene que rediseñar el circuito, pero en los digitales simplemente se modifica el programa.
• Los digitales son menos costosos y más pequeños.

Un ejemplo de procesamiento digital de señales es el tratamiento de la señal de sonido que capta un micrófono:

Definición DSP

DSP (Procesador Digital de Señales) es un circuito integrado que tiene un procesador digital y otros recursos complementarios capaces de manejar digitalmente las señales analógicas que reciben del mundo real, cómo los sonidos y las imágenes.

Desde los 80s que se empezaron a comercializar distintos modelos DSP, las principales empresas que lo fabricaban en ese entonces son: Texas Instruments, NEX e Intel. Actualmente Texas Instruments es el líder en el mercado DSP, y fabrican cada vez modelos más potentes para las aplicaciones complejas y cambiantes de hoy en día.

Aunque los DSP se parecen mucho a los antiguos microcontroladores estos incorporan arquitectura y otros recursos para dar un mejor control a los algoritmos manejados en el procesamiento digital de señales análogicas.

Algunas características de los DSP:

• Geralmente los procesadores son RISC, un pequeño conjunto de instrucciones las ejecuta en un solo ciclo.
• Utiliza la arquitectura Harvard y tiene de dos memorias independientes, una que esta dedicada a guardar las instrucciones y la otra para los datos, así se puede acceder de manera simultanea a ambos bloques. Además aportan el procesamiento paralelo.

• Tienen recursos físicos complejos que le permiten hacer operaciones específicas de los algoritmos DSP. Tienen un multiplicador rápido ya que son imprescindibles y un registro de desplazamiento flexible. La operación DSP típica es la de "multiplicar y acumular" (x = a * b + x ), que se suele implementar la instrucción MAC nemónico, ejecutándose en un ciclo. Tiene acceso simultaneo a datos lo que le permite buscar alguna instrucción mientras realiza la búsqueda de operandos y/o almacena resultados.
• Contiene instrucciones específicas para resolver algoritmos matemáticos habituales.
• La manera de guardar datos y localizarlos es muy sofisticado, ya que es óptimo para los algoritmos empleados.
• Puede haber muchas interrupciones con niveles de prioridad.
• Los DSP tienen muchos recursos y periféricos que minimizan el tamaño y simplifican el diseño el sistema.
• Pueden controlar y optimizar el consumo de energía.

Microcontroladores y DSP

Los clásicos microcontroladores son llamados MCU, son circuitos integrados que tiene un procesador digital complejo que cumplen con caracteristicas necesarias para ciertas aplicaciones. Tiene un gran parecido con los DSP pero tienen diferencias que hacen a cada uno específico para su campo de aplicación.
Los DSP son microcontroladores dotados de circuitos lógicos y físicos para soportar las aplicaciones específicas del procesamiento digital de señales.
En los MCU las instrucciones aritméticas se ejecutan en varios ciclos, mientras que los DSP solo lo hacen en un ciclo.
Los DSP tienen conversores AD muy rápidos y precisos, los DSP estan preparados para poder ser programados con lenguajes de alto nivel como C. La velocidad y el rendimiento de los DSP son superiores a los habituales en MCU.

Los avances científicos y tecnológicos han fabricado DSP que añaden al MCU los recursos necesarios para soportar procesamiento digital y poder cubrir el campo de posibilidades y aplicaciones que envuelve.

El MCU ejecuta una secuencia de instrucciones tal como lo específica el programa, en donde las interrupciones son la manera de que no se ejecute de esa manera. El funcionamiento de los MCU es predecible y completamente determinista. De manera contraria en los DSP los resultados son consecuencia inmediata del flujo de datos que suministra la señal y la ejecución es independiente de los datos obtenidos en tiempo real.

Las modernas aplicaciones mezclan las típicas funciones MCU con el procesamiento digital de señales (DSP). Esto ha impulsado a fabricar circuitos híbridos MCU/DSP, su manejo es muy parecido a MCU pero con las virtudes de un DSP.
Así es como ha nacido el Controlador Digital de Señales , tiene características de un microcontrolador PIC de 16 bits y las de un DSP de gama baja.




La primera generación DSP es denominada dsPIC30F, fue un intento para ayudar a los a los usuarios de MCU de 8 a 16 acercarse al mundo del procesamiento digital de señales. La segunda generación es la llamada dsPIC33F, que ha mejorado las capacidades, el número de periféricos y el rendimiento, y así poder acceder a campos de aplicación más complejos.

Mercados y aplicaciones

En la siguiente gráfica muestro la distribución porcentual de las ventas de DSP en el mundo, según EE Times durante el año 2004.




En el 2005 se alcanzó un total de 1.3 billones de unidades DSP vendidas, lo que significa un volumen de ventas de 7.8 billones de dólares, que se incrementará en el futuro. El sector de comunicaciones es el principal responsable de este crecimiento.

El volumen de ventas se distribuye de las siguiente manera en los mercados: Comunicaciones 6.4 billones de dólares, en el de las Computadoras 414 millones de dólares, en el de automóvil 312 millones de dólares, estos datos según IC InSights durante el año 2005.

En cuanto a la distribución del mercado global de los DSP Forward Concepts las ha dividido en 6 secciones:



En la fabricación de DSP sobresale Asia que tiene 52%, destacando China, Taiwán y Corea del Sur. Después Europa que tiene un 20% del total y luego se sitúan Japón y Estados Unidos con un 17.3% y 10.7% respectivamente. Estados Unidos en el país que más consume DSP.

En lo campos de aplicación de los DSP destacan las Telecomunicaciones, la Multimedia y el control de Motores. Esto a dado una gran variedad de soluciones como la mejora de imágenes, reconocimiento de voz y generación de voz, la compresión de datos, etc. A continuación algunas aplicaciones concretas donde se pueden encontrar los DSP.

GRAN CONSUMO


En aplicaciones portátiles como la telefonía celular, televisores, radios, reproductores de músical digital, reproducciones de CD, órganos y sintetizadores musicales, frigoríficos, lavadoras y equipos de aire acondicionado.

MEDICINA



En aparatos dedicados a monitorizar pacientes como MNR, scanner, electrocardiogramas, electroencefalogramas y tomografías se ha logrado que las imágenes sean mostradas con mucho más detalle permitiendo mejores diagnósticos que antes de los DSP.
También las ecografías y la resonancia magnética.

IMÁGEN Y SONIDO



Los DSP hacen muchas funciones importantes en el procesamiento de sonido e imágenes. Se pueden agregar ecos, soportar la visión artificial, reconocimiento de patrones, compresión de imágenes, reconocimiento y generación de audio, cancelación de ruido, encriptado y la síntesis de voz.

INDUSTRIA

El DSP ha revolucionado áreas como la exploración petrolera, minera, submarina, espacial, control de motores, instrumentación y robótica.



CONTROL DE MOTORES



Es un campo en el que los fabricantes de DSP se estan dedicando ampliamente porque estan presentes en casi todos los procesos industriales el desarrollo de módulos de control de potencia es una inversión segura.
Se emplean los DSP en motores, inversores de potencia, controladores de posición, impresoras y fotocopiadoras, compresoras de alta potencia, etc.


AUTOMOCIÓN



La introducción de DSP en esta área ha creado un incremento en las funciones de los automóviles. En los activadores de airbag, sistemas de chequeo, control de velocidad de crucero, suspención activa, control de motor, DSP para el rastreo de automóviles aprovechando GPS.

MILITAR



El sonar, el radar, el piloto automático y el guiado automático de misiles son algunos ejemplos de uso de DSP.

TELECOMUNICACIONES



Generación y deteccion de tonos, filtrado para eliminar el ruido de la línea eleléctrica, multiplexado por División de Código (CDM, por sis siglas en inglés Code Divison Multiplexing)", compresión, control de eco, etc.. y en productos como télefonos móviles e inálambricos, módems, emisoras, videoconferencia, GPS, PDA, cámaras digitales, fax, RDSI, redes de sensores, receptores RDM y muchos otros.

Fuentes:
Libro "Microcontroladores PIC" Autores: José María Angulo Usategui