Corso di Elettronica dei sistemi programmabili

Digital Signal Processing:Digital Signal Processing:

Introduzione

Stefano Salvatori

S. Salvatori - Elettronica dei sistemi Programmabili - 2014

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Definizioni

● DSP: Digital Signal Processing– Signal: tutti sappiamo cosa sia un segnale;

– Signal Processing: qualunque tipo di elaborazione (attraverso un sistema elettronico, ma anche meccanico)

A volte l'elaborazione non è voluta, ma accidentale (rumore, interferenza, ...)

I filtri sono un esempio di semplici DSP

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Un esempioI filtri sono un esempio di semplici DSP:

Il segnale d'ingresso ad un filtro viene elaborato e presentato in uscita con una o più caratteristiche modificate

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Definizioni

● Quindi dovrebbero essere chiari i concetti di segnale e elaborazione;

● Che diciamo a proposito di digitale?

Siamo ormai abituati al concetto di digitale (TV digitale, trasmissione digitale, …)

La distinzione è tra analogico e digitale proprio nei riguardi della moderna microelettronica.

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Definizioni

● I segnali analogici sono quelli con cui conviviamo tutti i giorni: hanno una variazione continua sia nel tempo che nell'ampiezza.

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Definizioni

● I segnali digitali sono invece composti da una sequenza di quantità e non presentano una variazione continua in ampiezza. Tipicamente anche nel tempo si ha una discretizzazione.

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Campionamento

● Un segnale analogico può essere convertito in uno digitale attraverso l'operazione di campionamento e codifica.

● Qual è la frequenza di campionamento?– Maggiore è la frequenza,

più accurata sarà la sua ricostruzione (almeno il doppio della massima frequenza del segnale campionato).

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Campionamento audio

● Nel campo audio (fmax = 20 kHz) la frequenza di campionamento dev'essere almeno pari a 40 kHz (per i CD è adottata la frequenza 44.1 kHz).

● Il dispositivo che viene usato è l'ADC: Analog-to-Digital Converter.

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Elaborazione numerica

● Un segnale digitale è una lunga lista dei numeri che rappresentano il valore del segnale per ogni istante di campionamento.

● Cosa possiamo fare con questa lunga lista di numeri?– Ricostruire il segnale con un Convertitore

digitale→analogico (DAC) ...

– Elaborare i numeri prima di inviarli al DAC:● È proprio in questo aspetto che interviene l'uso di

computer (in grado di elaborare anche grosse moli di dati) → con un computer possiamo modificare i numeri e crearne di nuovi.

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Sistema di elaborazione

● In linea di principio, l'architettura di un sistema di elaborazione dei segnali che impieghi una macchina di calcolo digitale è:

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Un esempio di elaborazione

● Un semplice filtro (passa basso) potrebbe sommare i 4 campioni più recenti e presentare in uscita la loro media:

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Altri tipi di elaborazione

● Altri DSP potrebbero realizzare filtri passa-alto, mixer audio, equalizzatori, compressori e de-compressori, …

● Tutti nel dominio del tempo● ma anche trasformare il segnale dal dominio

del tempo a quello della frequenza per realizzare una elaborazione dello spettro del segnale

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Uso dei DSP negli anni '70

● L'uso dei DSP non è nuovo:– Le immagini inviate dal Voyager 1 (lanciato nel 1977)

vennero elaborate dalla NASA grazie ai DSP

● Se l'uso dei DSP non è così nuovo, perché ora è così in auge?– Molto è cambiato in termini

di velocità: se l'elaborazione prima prevedeva ore o giorni di calcolo, oggi è possibile trattare gli stessi segnali in tempo reale.

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Elaborazione real-time

● Chip dedicati all'elaborazione numerica dei segnali digitali sono oggi in grado di presentare il risultato con la stessa cadenza del segnale campionato d'ingresso (senza cioè dover impiegare tecniche “off-line”)

● Lo stesso tipo di elaborazione in tempo reale fino a qualche anno fa era possibile solo con sistemi (complessi) di tipo analogico.

● Un esempio calzante di questa evoluzioneè lo sviluppo della televisione digitale a cuiabbiamo assistito negli ultimi anni anche nel nostro paese.

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Progetto basato su DSP

● La progettazione di un sistema analogico prevede il dimensionamento di resistori, condensatori, amplificatori, …

● Con i DSP si lavora su funzioni matematiche e algoritmi;– Il vantaggio principale consiste nel poter

ridimensionare il sistema semplicemente cambiando l'algoritmo e quindi con una “semplice” riprogrammazione

– In questo modo l'aggiornamento può avvenire (entro certi limiti) mantenendo inalterato l'hardware abbattendo così i costi di produzione e manutenzione.

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Progetto basato su DSP

● Ovviamente non è tutto così semplice: la progettazione basata su DSP prevederebbe un corso ad esso interamente dedicato;

● Nelle lezioni che seguono si cercherà di arricchire la vostra sensibilità verso un tema così attuale:– Anche se il mondo è puramente analogico, molti dei sistemi

che ci circondano sono digitali (fax, telecomunicazioni, audio, video, …)

– Il vantaggio principale nelle tecniche digitali è che i dati sono semplicemente dei dati e ciò che un DSP compie è solo una manipolazione di numeri.

– La parola chiave per gli attuali DSP è quanto velocemente riescono a manipolare i dati e quale tecnica usano per tale manipolazione.