Introdução ao Processamento Digital de Sinais – DSP – Parte 1

Caro(a) Colega,

esse assunto é bastante complexo, difícil, porém muito interessante. Vou tentar passar para você uma ideia do que é processamento digital de sinais e da sua importância. Esse artigo foi publicado originalmente no site Embarcados e é de minha autoria.

Para ler outros artigos técnicos nesse blog, acesse a seção de ARTIGOS TÉCNICOS. Mais artigos técnicos com o foco em sistemas embarcados, acesse diretamente no site Embarcados.

Abraço,

Henrique

consulte sempre um engenheiro eletrônico

==================

Processamento Digital de Sinais – DSP – Parte 1

6350332-133870-illustration-technology-background_700x300

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.

Highslide JS

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, como por exemplo o que são transformadas de Fourier, DFT, FFT, Critério de Nyquist – Shannon, entre outras coisas. Tudo isso e um pouco mais no artigo Processamento Digital de Sinais – DSP – Parte 2

Licença Creative Commons
Esta obra, “Introdução ao Processamento Digital de Sinais – DSP – Parte 1“, de Henrique Frank W. Puhlmann, foi licenciada sob uma Licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 3.0 Não Adaptada.

Deixe um comentário

Preencha os seus dados abaixo ou clique em um ícone para log in:

Logotipo do WordPress.com

Você está comentando utilizando sua conta WordPress.com. Sair /  Alterar )

Foto do Google

Você está comentando utilizando sua conta Google. Sair /  Alterar )

Imagem do Twitter

Você está comentando utilizando sua conta Twitter. Sair /  Alterar )

Foto do Facebook

Você está comentando utilizando sua conta Facebook. Sair /  Alterar )

Conectando a %s