O que é processamento de sinal digital?

O que é processamento de sinal digital? 
O DSP manipula diferentes tipos de sinais com a intenção de filtrar, medir ou compactar e produzir sinais analógicos. Os sinais analógicos diferem ao pegar informações e traduzi-las em pulsos elétricos de amplitude variável, enquanto as informações de sinais digitais são traduzidas para o formato binário, onde cada bit de dados é representado por duas amplitudes distinguíveis. Outra diferença notável é que os sinais analógicos podem ser representados como ondas senoidais e os sinais digitais são representados como ondas quadradas. O DSP pode ser encontrado em praticamente qualquer campo, seja processamento de óleo, reprodução de som, radar e sonar, processamento de imagens médicas ou telecomunicações - essencialmente qualquer aplicativo em que os sinais estejam sendo compactados e reproduzidos. 

Então, o que exatamente é o processamento de sinal digital? O processo de sinal digital captura sinais como áudio, voz, vídeo, temperatura ou pressão que já foram digitalizados e os manipula matematicamente. Essas informações podem ser representadas como tempo discreto, frequência discreta ou outras formas discretas, para que as informações possam ser processadas digitalmente. No mundo real, é necessário um conversor de analógico para digital para capturar sinais analógicos (som, luz, pressão ou temperatura) e convertê-los em 0 e 1 para um formato digital. 

Um DSP contém quatro componentes principais: 
 Mecanismo de computação: manipulações matemáticas, cálculos e processos acessando o programa ou tarefa a partir da memória do programa e  as informações armazenadas na memória de dados.
 Memória de dados: armazena as informações a serem processadas e trabalha lado a lado com a memória do programa. 
 Memória do programa: armazena os programas ou tarefas que o DSP utilizará para processar, compactar ou manipular dados.
 E / S: Isso pode ser usado para várias coisas, dependendo do campo em que o DSP está sendo usado, por exemplo, portas externas, portas seriais, temporizadores e conexão com o mundo externo. 

Abaixo está uma figura de como são os quatro componentes de um DSP em uma configuração geral do sistema. 

Filtros DSP 
O filtro Chebyshev é um filtro digital que pode ser usado para separar uma banda de frequência da outra. Esses filtros são conhecidos por seu atributo principal, velocidade e, embora não sejam os melhores na categoria de desempenho, são mais que adequados para a maioria dos aplicativos. O design do filtro Chebyshev foi projetado em torno da técnica matematical, conhecida como transformação z. Basicamente, a transformação z converte um sinal de tempo discreto, composto de uma sequência de números reais ou complexos em uma representação no domínio da frequência. A resposta Chebyshev é geralmente usada para obter um roll-off mais rápido, permitindo ondulações na resposta de frequência. Esses filtros são chamados de filtros do tipo 1, o que significa que a ondulação na resposta de frequência é permitida apenas na banda passante. Isso fornece a melhor aproximação à resposta ideal de qualquer filtro para uma ordem e ondulação especificadas. Foi projetado para remover determinadas frequências e permitir que outras pessoas passem pelo filtro. O filtro Chebyshev geralmente é linear em sua resposta e um filtro não linear pode resultar no sinal de saída contendo componentes de frequência que não estavam presentes no sinal de entrada. 


Por que usar processamento de sinal digital?
Para entender como o processamento de sinal digital, ou DSP, se compara ao circuito analógico, comparamos os dois sistemas com qualquer função de filtro. Embora um filtro analógico use amplificadores, capacitores, indutores ou resistores e seja acessível e fácil de montar, seria bastante difícil calibrar ou modificar a ordem dos filtros. No entanto, o mesmo pode ser feito com um sistema DSP, mais fácil de projetar e modificar. A função de filtro em um sistema DSP é baseada em software, portanto é possível escolher vários filtros. Além disso, para criar filtros flexíveis e ajustáveis ​​com respostas de alta ordem, é necessário apenas o software DSP, enquanto o analógico requer hardware adicional. 

Por exemplo, um filtro de passagem de banda prático, com uma resposta de frequência especificada, deve ter um controle de roll-off de banda de parada, ajuste de banda e controle de largura, atenuação infinita na faixa de parada e uma resposta dentro da banda de passagem completamente plana com mudança de fase zero. Se métodos analógicos estivessem sendo usados, os filtros de segunda ordem exigiriam muitas seções escalonadas de alto Q, o que significa que será extremamente difícil de ajustar e ajustar. Ao abordar isso com o software DSP, usando uma resposta de impulso finito (FIR), a resposta de tempo do filtro a um impulso é a soma ponderada do presente e um número finito de valores de entrada anteriores. Sem feedback, sua única resposta a uma determinada amostra termina quando a amostra atinge o "final da linha". Com essas diferenças de design em mente, o software DSP é escolhido por sua flexibilidade e simplicidade em relação aos projetos de filtros de circuitos analógicos. 

Ao criar esse filtro passa-banda, o uso do DSP não é uma tarefa terrível a ser concluída. Implementá-lo e fabricar os filtros é muito mais fácil, pois você só precisa programar os filtros da mesma forma com todos os chips DSP que entram no dispositivo. No entanto, ao usar componentes analógicos, você corre o risco de componentes defeituosos, ajustando o circuito e programando o filtro em cada circuito analógico individual. O DSP cria uma maneira acessível e menos tediosa de design de filtro para processamento de sinal e aumenta a precisão para ajustar e ajustar os filtros em geral.


ADC e DAC
O equipamento elétrico é muito usado em quase todos os campos. Conversores analógico para digital (ADC) e conversores digital para analógico (DAC) são componentes essenciais para qualquer variação do DSP em qualquer campo. Essas duas interfaces de conversão são necessárias para converter sinais do mundo real para permitir que o equipamento eletrônico digital capte qualquer sinal analógico e o processe. Tomemos um microfone, por exemplo: o ADC converte o sinal analógico coletado por uma entrada em equipamento de áudio em um sinal digital que pode ser emitido por alto-falantes ou monitores. Enquanto passa pelo equipamento de áudio para o computador, o software pode adicionar ecos ou ajustar o andamento e o tom da voz para obter um som perfeito. Por outro lado, o DAC converterá o sinal digital já processado de volta no sinal analógico usado por equipamentos de saída de áudio, como monitores. Abaixo está uma figura mostrando como o exemplo anterior funciona e como seus sinais de entrada de áudio podem ser aprimorados através da reprodução e, então, emitidos como sinais digitais através de monitores.

Um tipo de conversor analógico para digital, conhecido como ADC de rampa digital, envolve um comparador. O valor da tensão analógica em algum momento no tempo é comparado com uma dada tensão padrão. Uma maneira de conseguir isso é aplicando a tensão analógica a um terminal do comparador e gatilho, conhecido como contador binário, que aciona um DAC. Enquanto a saída do DAC for implementada no outro terminal do comparador, ele disparará um sinal se a tensão exceder a entrada de tensão analógica. A transição do comparador interrompe o contador binário, que mantém o valor digital correspondente à tensão analógica nesse ponto. A figura abaixo mostra um diagrama de uma rampa digital ADC. 

Aplicações de DSP
Existem inúmeras variantes de um processador de sinal digital que podem executar coisas diferentes, dependendo do aplicativo que está sendo executado. Algumas dessas variantes são processamento de sinal de áudio, compactação de áudio e vídeo, processamento e reconhecimento de fala, processamento de imagem digital e aplicativos de radar. A diferença entre cada um desses aplicativos é como o processador de sinal digital pode filtrar cada entrada. Existem cinco aspectos diferentes que variam de cada DSP: freqüência do relógio, tamanho da RAM, largura do barramento de dados, tamanho da ROM e tensão de E / S. Todos esses componentes realmente afetam apenas o formato aritmético, a velocidade, a organização da memória e a largura dos dados de um processador. 

Um layout de arquitetura bem conhecido é a arquitetura de Harvard. Esse design permite que um processador acesse simultaneamente dois bancos de memória usando dois conjuntos independentes de barramentos. Essa arquitetura pode executar operações matemáticas enquanto busca mais instruções. Outra é a arquitetura de memória Von Neumann. Embora exista apenas um barramento de dados, as operações não podem ser carregadas enquanto as instruções são buscadas. Isso causa um congestionamento que acaba atrasando a execução dos aplicativos DSP. Embora esses processadores sejam semelhantes a um processador usado em um computador padrão, esses processadores de sinal digital são especializados. Isso geralmente significa que, para executar uma tarefa, os DSPs precisam usar a aritmética de ponto fixo. 

Outra é a amostragem, que é a redução de um sinal contínuo a um sinal discreto. Uma das principais aplicações é a conversão de uma onda sonora. A amostragem de áudio usa sinais digitais e modulação por código de pulso para a reprodução do som. É necessário capturar áudio entre 20 - 20,000 Hz para humanos ouvirem. Taxas de amostragem maiores do que cerca de 50 kHz - 60 kHz não podem fornecer mais informações ao ouvido humano. Usando diferentes filtros com software DSP e ADC's e DAC's, amostras de áudio podem ser reproduzidas por meio desta técnica. 

O processamento de sinal digital é muito usado nas operações diárias e é essencial na recriação de sinais analógicos para sinais digitais para muitos propósitos.

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