Os processadores de sinais digitais estão presentes numa infinidade de aplicações de tecnologia moderna como telefones celulares, equipamentos de telecomunicações, equipamentos de som, instrumentos, no carro, etc. O que é exatamente um DSP é o que procuramos explicar neste artigo bastante didático para os que ainda não estão familiarizados com esta tecnologia.
Antigamente, quando se desejava trabalhar um sinal como, por exemplo, um sinal de determinada frequência de modo a filtrá-lo e eliminar certas componentes modificando sua forma de onda, fazia-se uso de um circuito analógico, uma rede de componentes passivos e, eventualmente, de um conjunto de amplificadores operacionais, conforme mostra a figura 1.
Em resumo, entrava-se com um sinal analógico (uma forma de onda), trabalhava-se este sinal na sua forma analógica com um circuito analógico, portanto, e novamente obtinha-se a saída na forma analógica original.
Com a escolha apropriada dos circuitos capazes de trabalhar estes sinais era possível fazer quase tudo com eles.
No entanto, com a evolução da eletrônica digital, com processadores cada vez mais poderosos, ficou claro que o trabalho com um sinal na forma digital poderia ser mais simples e até levar a aplicações que não seriam simples de obter com um circuito analógico.
A IDÉIA BÁSICA
Quando modificamos um sinal na sua forma analógica de modo a alterar forma de onda, frequência, e introduzir retardos, nada mais fazemos do que aplicar algum tipo de processamento que pode ser calculado a partir de procedimentos matemáticos convencionais.
Quando cortamos as frequências baixas de um sinal, num filtro, podemos calcular com precisão exatamente os elementos deste filtro de modo a obter os efeitos desejados, observe a figura 2.
Em suma, o trabalho de um sinal analógico, qualquer que seja ele, também envolve um tipo de processamento que faz uso de recursos matemáticos.
Ora, uma das principais vantagens da eletrônica digital e dos microprocessadores é a de poder realizar cálculos muito complexos com grande velocidade e precisão.
Isso significa que poderíamos substituir os circuitos analógicos que trabalham com um determinado tipo de sinal por equivalentes digitais, se os sinais fossem convertidos para a forma digital.
Assim, conforme ilustra a figura 3, chegamos à idéia básica do processador de sinais digital ou DSP (Digital Signal Processor).
Um sinal (uma forma de onda) é convertido para a forma digital por um conversor analógico digital. Esta forma de onda se transforma numa sequência de valores numéricos expressos na forma digital que podem ser aplicados em sequência a um segundo bloco, que é justamente o processador.
O processador trabalha então a forma de onda em sua forma numérica fazendo os cálculos e as transformações de acordo com o que se deseja do circuito.
Se é um filtro, por exemplo, o processador pode ser programado para aplicar a transformada de Fourier ao sinal, e eliminar em certas proporções as componentes harmônicas de certas frequências, como indica a figura 4.
Isso fará com que o valor numérico que representa o sinal na saída seja diferente daquele que o representa na entrada, mas com uma nova forma, que é justamente o que se deseja do circuito.
Por exemplo, se todas as harmônicas de um sinal de determinada frequência e forma de onda complexa forem cortadas, a saída será um sinal senoidal. O circuito processador digital terá transformado um sinal de qualquer forma de onda de certa frequência em um sinal senoidal de mesma frequência, conforme ilustra a figura 5.
Para recuperar o sinal em sua forma analógica original basta agregar à saída deste conjunto um conversor digital para analógico ou D/A.
No nosso exemplo modificamos a forma de onda do sinal, mas o DSP pode fazer muito mais.
Por exemplo, se em lugar de transformarmos o sinal que entra apenas retardarmos sua aplicação à saída, memorizando o seu valor instantâneo numa memória, podemos elaborar uma câmara de eco.
Mas, o DSP pode fazer muito mais que isso.
APLICAÇÕES
No exemplo que apresentado mostramos como um DSP pode modificar um sinal analógico trabalhando nele na forma digital.
São as seguintes as aplicações em que os DSPs podem ser usados:
a) Filtragem digital
Resposta a impulsos finitos (FIR)
Resposta a impulsos infinitos (IIR)
Filtros casados (correlatores)
Transformadas de Hilbert
Filtros adaptativos
b) Processamento de sinais
Compressão (reconhecimento de voz)
Expansão
Média
Cálculos de energia
Processamentos Homomórficos
c) Processamento de dados:
Criptografia e embaralhamento (scrambling)
Codificação (Codificação Trellis)
Decodificação (Decodificação Viterbi)
d) Processamento numérico
Escalar, vetorial, matriz aritmética e computação com funções transcendentais
Funções não lineares
Geração de números pseudo-aleatórios
e) Análise espectral
Transformada de Fourier Rápida (FFT)
Transformada de Fourier Discreta (DFT)
Transformadas de seno/cosseno
Modelagem ARMA, MA e AR
Tudo isso leva o DSP a ser encontrado nos seguintes tipos de circuitos:
a) Telecomunicações
* Geração de tom
* Circuitos DTMF
* Interfaces de assinantes
* Full duplex
* Transcoders
* Vocoders
* Repetidoras
* Cancelamento de ruído
* ISDN
b) Comunicação de dados:
* Modems de alta velocidade
* Fax de alta velocidade
c) Radiocomunicações:
* Sistemas de comunicações seguras
* Radiodifusão
* Telefones celulares
d) Computadores:
* Estações de trabalho
* PCs
* Aceleradores gráficos
e) Processamento de imagem
* Compressão, restauração
* Visão de robô
* Animação
f) Instrumentação
* Análise espectral
* Aquisição de dados
* Geração de formas de onda
g) Processamento de som
* Rádio digital (AM/FM)
* HI FI
* Cancelamento de ruído
* Síntese de música e processamento
h) Controle
* Servos
* Robótica
* Controle de motores
i) Medicina
* Scanners
* Raio X
* Eletrocardiograma
f) Vídeo digital
* TV digital
g) Radar e Sonar
* Navegação
* Oceanografia
* Localização automática
E muitas outras.
CONCLUSÃO
Quando se desejar trabalhar com sinais analógicos processados em tempo real, a melhor solução para a realização de operações complexas é a que faz uso do DSP. Disponíveis em diversas fabricantes tais como Texas, Motorola, etc., estes componentes podem ser encontrados em configurações que atendem a aplicações específicas.
Sites sobre DSP:
Texas Instruments - http://www.ti.com
