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DISEÑO DIGITAL AVANZADO Y TRATATAMIENTO DE SEÑALES

SILVIA PATRICIA VELOSA ARIAS

CESAR AUGUSTO LEÓN RINCÓN

IVÁN DARÍO BELLO GONZÁLEZ

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA

ANÁLISIS Y COMPRENSIÓN DE TEXTOS

BOGOTÁ

2010

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DISEÑO DIGITAL AVANZADO Y TRATATAMIENTO DE SEÑALES

SILVIA PATRICIA VELOSA ARIAS

CESAR AUGUSTO LEÓN RINCÓN

IVÁN DARÍO BELLO GONZÁLEZ

HARVEY GOMEZ CASTILLO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA

ANÁLISIS Y COMPRENSIÓN DE TEXTOS

BOGOTÁ

2010

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CONTENIDO

Pág.

1. GLOSARIO 4

2. INTRODUCCION 6

3. OBJETIVOS 7 3.1 OBJETIVOS GENERALES 7 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 7

4. MARCO HISTÓRICO 8

4.1 DESARROLLO A TRAVÉS DEL TIEMPO 8 4.1.1 DISEÑO DIGITAL AVANZADO 8 4.1.2 TRATAMIENTO DE SEÑALES 11

5. MARCO TEORICO 13 5.1 DISEÑO DIGITAL AVANZADO 13 5.2 TRATAMIENTO DE SEÑALES 18 5.3 MODELOS MATEMATICOS UTILIZADOS 19

6. CONCLUSIÓN 21

7. RECOMENDACIONES 22

8. BILBIOGRAFIA 23

9. ANEXOS 25

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1. GLOSARIO

Válvula termoiónica: La válvula electrónica, también llamada válvula termoiónica, válvula de vacío, tubo de vacío obulbo, es un componente electrónico utilizado para amplificar, conmutar, o modificar una señal eléctrica mediante el control del movimiento de los electrones en un espacio "vacío" a muy baja presión, o en presencia de gases especialmente seleccionados. La válvula originaria fue el componente crítico que posibilitó el desarrollo de la electrónica durante la primera mitad del siglo XX, incluyendo la expansión y comercialización de la radiodifusión, televisión, radar, audio, redes telefónicas, computadoras analógicas y digitales, control industrial

Transistor: El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones deamplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los aparatos domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y video, hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, teléfonos móviles, etc.

Circuito Integrado: Un circuito integrado (CI), es una pastilla pequeña de material semiconductor, de algunos milímetros cuadrados de área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado de plástico o cerámica. El encapsulado posee conductores metálicos apropiados para hacer conexión entre la pastilla y un circuito impreso.

HDL: Un lenguaje de descripción de hardware (HDL, Hardware Description Language) permite documentar las interconexiones y el comportamiento de un circuito electrónico, sin utilizar diagramas esquemáticos. Un rasgo común a estos lenguajes suele ser la independencia del hardware y la modularidad o jerarquía, es decir, una vez hecho un diseño éste puede ser usado dentro de otro diseño más complicado y con otro dispositivo compatible.

VHDL: VHDL es el acrónimo que representa la combinación de VHSIC y HDL, donde VHSIC es el acrónimo de Very High Speed Integrated Circuit yHDL es a su vez el acrónimo de Hardware Description Language. Es un lenguaje usado por ingenieros definido por el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) (ANSI/IEEE 1076-1993) que se usa para describir circuitos digitales. Otros métodos para diseñar circuitos son la captura de esquemas (con herramientas CAD) y los diagramas de bloques, pero éstos no son prácticos en diseños complejos. Otros lenguajes para el mismo propósito son Verilog y ABEL. Aunque puede ser usado de forma general para describir cualquier circuito se usa principalmente para programar PLD (Programable Logic Device - Dispositivo Lógico Programable), FPGA (Field Programmable Gate Array), ASIC y similares.

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DSP: El procesamiento digital de señales (en inglés digital signal processing, DSP) es un área de la ingeniería que se dedica al análisis y procesamiento de señales (audio, voz, imágenes, video) que son discretas. Aunque comúnmente las señales en la naturaleza nos llegan en forma analógica, también existen casos en que estas son por su naturaleza discretas, por ejemplo, las edades de un grupo de personas, el estado de una válvula en el tiempo (abierta/cerrada), etc. Se puede procesar una señal para obtener una disminución del nivel de ruido, para mejorar la presencia de determinados matices, como los graves o los agudos y se realiza combinando los valores de la señal para generar otros nuevos.

Investigación de Operaciones: La Investigación de Operaciones o Investigación Operativa, es una rama de las Matemáticas consistente en el uso de modelos matemáticos, estadística y algoritmos con objeto de realizar un proceso de toma de decisiones. Frecuentemente, trata del estudio de complejos sistemas reales, con la finalidad de mejorar (u optimizar) su funcionamiento. La investigación de operaciones permite el análisis de la toma de decisiones teniendo en cuenta la escasez de recursos, para determinar cómo se puede optimizar un objetivo definido, como la maximización de los beneficios o la minimización de costes.

Ley de Moore: La Ley de Moore expresa que aproximadamente cada 18 meses se duplica el número de transistores en un circuito integrado. Se trata de una ley empírica, formulada por el co-fundador de Intel, Gordon E. Moore el 19 de abril de 1965, cuyo cumplimiento se ha podido constatar hasta hoy. En 1965 Gordon Moore afirmó que la tecnología tenía futuro, que el número de transistores por pulgada en circuitos integrados se duplicaba cada año y que la tendencia continuaría durante las siguientes dos décadas. Más tarde, en 1975, modificó su propia ley al afirmar que el ritmo bajaría, y que la capacidad de integración se duplicaría aproximadamente cada 24 meses. Esta progresión de crecimiento exponencial, duplicar la capacidad de los circuitos integrados cada dos años, es lo que se considera la Ley de Moore. Sin embargo, el propio Moore ha puesto fecha de caducidad a su ley: “Mi ley dejará de cumplirse dentro de 10 o 15 años -desde 2007-“. Según aseguró durante la conferencia en la que hizo su predicción afirmó, no obstante, que una nueva tecnología vendrá a suplir a la actual.

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2. INTRODUCCIÓN

El diseño digital avanzado lo aplican los países industrializados y por consecuente es de gran importancia conocer y entender el diseño digital y los software que utiliza, las tecnologías de un país en desarrollo tienen que ser supeditadas a las de un país desarrollado. Estos avances hemos obtenido dispositivos mucho más pequeños y con diferentes funciones.

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3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL

Conocer y entender a la perfección la importancia de un tema posee gran repercusión a nivel mundial, el cual sirve para mecanizar circuitos como lo es el diseño digital avanzado y el tratamiento de las señales que se podrán manejar en cada circuito electrónico.

3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

Conocer lo importancia del diseño digital avanzado.

Identificar los software que tienen relación con el diseño digital de circuitos electrónicos.

Comprender la importancia que tiene un circuito electrónico la identificación de señales que genera.

Dominar un tema de gran cuantía para aplicarlos a todos los circuitos electrónicos que se diseñen de ahora en adelante.

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4. MARCO HISTORICO

4.1 DESARROLLO A TRAVÉS DEL TIEMPO.

4.1.1 DISEÑO DIGITAL AVANZADO

El manejo de la corriente y procesamiento de señales empezó con los tubos de

vacio o válvula termoiónica el cual tenia un funcionamiento similar a un

transistor como amplificador y/o oscilador.

1873- Válvula termoiónica: Aunque el efecto de emisión termoiónica fue originalmente reportado por Frederick Guthrie en 1873, es la investigación de Thomas Alva Edison el trabajo más a menudo mencionado. Edison, al ver que con el uso el cristal de las lámparas incandescentes se iba oscureciendo, buscó la forma de aminorar dicho efecto, realizando para ello diversos experimentos. Uno de ellos fue la introducción en la ampolla de la lámpara de un electrodo en forma de placa, que se polarizaba eléctricamente con el fin de atraer las partículas que, al parecer, se desprendían del filamento. A pesar de que Edison no comprendía a nivel físico el funcionamiento, y desconocía el potencial de su "descubrimiento", en 1884 Edison lo patentó bajo el nombre de "Efecto Edison". Al agregar un electrodo plano (placa), cuando el filamento se calienta se produce una agitación de los átomos del material que lo recubre, y los electrones de las órbitas de valencia son acelerados, alcanzando velocidades de escape, con lo que se forma una nube de electrones por encima del mismo. La nube termoiónica, fuertemente atraída por la placa, debido al potencial positivo aplicado en la misma, da lugar a la circulación de una corriente electrónica a través de la válvula entre el filamento y el ánodo. A este fenómeno se le denomina Efecto Edison-Richardson o termoiónico. Llegados a este punto, tenemos que la válvula termoiónica más simple está constituida por una ampolla de vidrio, similar a la de las lámparas de incandescencia, a la que se le ha practicado el vacío y en la que se hallan encerrados dos electrodos, denominados cátodo y ánodo. Físicamente, el cátodo, consiste en un filamento de wolframio, recubierto por una sustancia rica en electrones libres, que se calienta mediante el paso de una corriente. El ánodo está formado por una placa metálica que rodea al filamento a una cierta distancia y a la que se aplica un potencial positivo. Por constar de dos electrodos a la válvula antes descrita se le denomina diodo. En tanto en cuanto que la función de cátodo es realizada directamente por el filamento, se trata de una válvula de caldeo directo. Cuando se quieren obtener mayores corrientes a través de la válvula y un aislamiento eléctrico entre la fuente de corriente de caldeo del filamento y la de ánodo-cátodo, se utiliza un cátodo independiente constituido por un tubito metálico revestido o "pintado" con algún material rico en electrones libres, como el óxido de torio, que rodea el filamento, aislado eléctricamente, pero muy próximo a él para poder calentarlo adecuadamente. En este caso la válvula se denomina de caldeo indirecto, pudiendo entonces la corriente del caldeo ser incluso alterna. En este tipo de válvulas el filamento solo es el elemento calefactor y no se considera un electrodo activo. Al estar los filamentos aislados se pueden conectar juntos (en serie o paralelo) los

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filamentos de todas las válvulas del equipo, lo que no es posible con cátodos de caldeo directo. Se puede controlar o modular el flujo de electrones que llegan al ánodo, de ahí la denominación de válvula. Debido al hecho de que la corriente por el interior de la válvula solo puede circular en un sentido, una de las aplicaciones de las válvulas termoiónicas es su utilización como rectificador. Asimismo, y dado que con pequeñas diferencias de potencial aplicadas entre rejilla y cátodo se pueden producir variaciones considerables de la corriente circulante entre cátodo y ánodo, otra aplicación, posiblemente la más importante, es como amplificador.

1947-Transistor: El transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EE. UU. en diciembre de 1947 por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienes fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956. Al principio se usaron transistores bipolares y luego se inventaron los denominados transistores de efecto de campo (FET). En los últimos, la corriente entre la fuente y la pérdida (colector) se controla usando un campo eléctrico (salida y pérdida (colector) menores). Por último, apareció el semiconductor metal-óxido FET (MOSFET). Los MOSFET permitieron un diseño extremadamente compacto, necesario para los circuitos altamente integrados (IC). Hoy la mayoría de los circuitos se construyen con la denominada tecnología CMOS (semiconductor metal-óxido complementario). La tecnología CMOS es un diseño con dos diferentes MOSFET (MOSFET de canal n y p), que se complementan mutuamente y consumen muy poca corriente en un funcionamiento sin carga. El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas artificialmente (contaminadas con materiales específicos en cantidades específicas) que forman dos uniones bipolares, el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base). A diferencia de las válvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente amplificada. En el diseño de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo, a diferencia de los resistores, capacitores e inductores que son elementos pasivos. Su funcionamiento sólo puede explicarse mediante mecánica cuántica. De manera simplificada, la corriente que circula por el "colector" es función amplificada de la que se inyecta en el "emisor", pero el transistor sólo gradúa la corriente que circula a través de sí mismo, si desde una fuente de corriente continua se alimenta la "base" para que circule la carga por el "colector", según el tipo de circuito que se utilice. El factor de amplificación o ganancia logrado entre corriente de base y corriente de colector, se denomina Beta del transistor. Otros parámetros a tener en cuenta y que son particulares de cada tipo de transistor son: Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia Máxima, disipación de calor, frecuencia de trabajo, y varias tablas donde se grafican los distintos parámetros tales como corriente de base, tensión Colector Emisor, (transistores FET, MOSFET, JFET, CMOS, VMOS, etc.) no utilizan la corriente que se inyecta en el terminal de "base" para modular la corriente de emisor o colector, sino la tensión presente en el terminal de puerta o reja de control y gradúa la conductancia del canal entre los terminales de Fuente y Drenado. De este modo, la corriente de salida en la

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carga conectada al Drenado (D) será función amplificada de la Tensión presente entre la Puerta (Gate) y Fuente (Source). Los transistores de efecto de campo, son los que han permitido la integración a gran escala que disfrutamos hoy en día, para tener una idea aproximada pueden fabricarse varios miles de transistores interconectados por centímetro cuadrado y en varias capas superpuestas.

1949-Circuito Integrado: En abril de 1949, el ingeniero alemán Werner Jacobi (Siemens AG) completa la primera solicitud de patente para circuitos integrados (CI) con dispositivos amplificadores de semiconductores. Jacobi realizó una típica aplicación industrial para su patente, la cual no fue registrada. Más tarde, la integración de circuitos fue conceptualizada por el científico de radares Geoffrey W.A. Dummer (1909-2002), que estaba trabajando para la Royal Radar Establishment del Ministerio de Defensa Británico, a finales de la década de los 1940s y principios de los 1950s. El primer CI fue desarrollado en 1958 por el ingeniero Jack Kilby (1923-2005) pocos meses después de haber sido contratado por la firma Texas Instruments. Se trataba de un dispositivo de germanio que integraba seis transistores en una misma base semiconductora para formar un oscilador de rotación de fase. En el año 2000 Kilby fue galardonado con el Premio Nobel de Física por la contribución de su invento al desarrollo de la tecnología de la información. Los circuitos integrados se encuentran en todos los aparatos electrónicos modernos, como automóviles, televisores, reproductores de CD, reproductores de MP3, teléfonos móviles, etc. El desarrollo de los circuitos integrados fue posible gracias a descubrimientos experimentales que demostraron que los semiconductores pueden realizar algunas de las funciones de las válvulas de vacío. La integración de grandes cantidades de diminutos transistores en pequeños chips fue un enorme avance sobre el ensamblaje manual de los tubos de vacío (válvulas) y fabricación de circuitos utilizando componentes discretos. La capacidad de producción masiva de circuitos integrados, su confiabilidad y la facilidad de agregarles complejidad, impuso la estandarización de los circuitos integrados en lugar de diseños utilizando transistores discretos que pronto dejaron obsoletas a las válvulas o tubos de vacío. Existen dos ventajas importantes que tienen los circuitos integrados sobre los circuitos convencionales construidos con componentes discretos: su bajo costo y su alto rendimiento. El bajo costo es debido a que los CI son fabricados siendo impresos como una sola pieza por fotolitografía a partir de una oblea de silicio, permitiendo la producción en cadena de grandes cantidades con una tasa de defectos muy baja. El alto rendimiento se debe a que, debido a la miniaturización de todos sus componentes, el consumo de energía es considerablemente menor, a iguales condiciones de funcionamiento.

4.1.2 TRATAMIENTO DE SEÑALES

El tratamiento digital de la señal tiene su origen en los años sesenta con la utilización comercial de los primeros computadores digitales. En aquel entonces los sistemas de comunicaciones habían alcanzado una complejidad tal que su diseño y desarrollo, basándose en prototipos, implicaban costes prohibitivos. Como alternativa en las primeras fases de diseño, donde se estudian la viabilidad y las prestaciones básicas de las diferentes posibilidades,

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se acudió a la simulación mediante computador. Las señales, que se modelaban como funciones de variable real (el tiempo analógico), se representaron por secuencias de muestras, de modo que pasaron a ser funciones de variable entera (el ordinal o el tiempo discreto). De acuerdo con ello, los sistemas (analógicos), que actuaban sobre funciones de variable real, fueron sustituidos por sistemas (discretos) que manejaban secuencias de números. De esas fechas (1967) data el algoritmo Fast Fourier Transform (FFT) que permite el cálculo de la transformada de Fourier con un reducido coste computacional. Dada la relativamente escasa capacidad operacional de los computadores de la época, el cálculo de la transformada de Fourier, imprescindible para la descripción de las prestaciones de los sistemas de comunicaciones, era inabordable antes de la aparición de este algoritmo; por ello, se considera que la FFT proporcionó al tratamiento digital de la señal una excelente plataforma de lanzamiento. Durante la década de los setenta se asiste a un desarrollo continuado de la tecnología digital. En 1972 aparece el primer microprocesador de propósito general y en 1980 el primer microprocesador especializado en el tratamiento de señal (mDSP), diseñado para realizar eficientemente el cálculo reiterado de la combinación producto-acumulación (operación básica de la convolución). Al mismo tiempo, comienza un desarrollo vertiginoso de la teoría fundamental del tratamiento digital de la señal y la exploración de su aplicación práctica en un sinfín de campos. Al convertir la manipulación de las señales en una cuestión de cálculo numérico realizada en un computador, el DSP pudo incorporar a su patrimonio todos los conocimientos matemáticos o de cualquier otra índole susceptibles de ser programados en un computador. Así, la simulación de sistemas analógicos pronto se convirtió en una más de las muchas tareas que se podían abordar, y tomaron nuevo impulso actividades como el desarrollo de diversos tipos de radar inteligente (guerra electrónica), el reconocimiento y la síntesis de voz, nuevos sistemas de control, etc. No obstante, la tecnología digital era cara y sus prestaciones modestas, por lo que su aplicación industrial se limitaba a la manipulación de señales con reducido ancho de banda y a productos con una repercusión económica importante: telefonía y aplicaciones militares, sustancialmente. A partir de 1980 se produce un espectacular avance en las prestaciones de los mDSP y en el abaratamiento de sus costes. Hoy en día se encuentran disponibles microprocesadores que realizan en aritmética real más de 10 millones de operaciones producto-acumulación por segundo (10 Mflops), a un precio equivalente a un dólar por Mflop. Ello ha permitido la proliferación de aplicaciones industriales del tratamiento digital de la señal, que ha impuesto su presencia en campos tan dispares como las comunicaciones, el control, la robótica, la electromedicina, la geofísica e incluso la electrónica de consumo. El DSP ha facilitado, por ejemplo, que hoy pueda disponerse de servicios tales como la telefonía celular, las comunicaciones de datos vía red telefónica o la televisión digital, de sistemas de conversión de texto a voz. La importancia que ha adquirido el tratamiento digital de la señal, en la manipulación de las señales de información, ha sido reconocida con su presencia en los planes de estudio de las E. T. S. I. de Telecomunicación. Sin embargo, tal como están diseñados estos planes, el estudiante aborda el estudio de las señales y los sistemas en

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tiempo discreto tras haber recibido solamente una descripción analógica del mundo.

En 1978, Intel lanzó el 2920 como un "procesador analógico de señales". Este poseía un chip ADC/DAC con un procesador de señales interno, pero no poseía un multiplicador de hardware, el 2920 no tuvo éxito en el mercado. En 1979, AMI lanza el S2811, fue diseñado como un microprocesador periférico, al igual que el 2920 no tuvo gran éxito en el mercado.

En el mismo año, Bell Labs introduce el primer chip procesador digital de señales (DSP), The Mac 4 Microprocessor. Luego en 1980 fueron presentados en el ISSCC’80 los primeros DSP completos: el PD7710 de NEC y el DSP1 de AT&T, ambos procesadores fueron inspirados en las investigaciones de PSTN Telecomunicaciones. En ese mismo año NEC comenzó la producción del PD7710, la primera producción de DSP completos en el mundo. El primer DSP producido por Texas Instruments, el TMS32010, probó ser un sucesor mejor. Actualmente el TMS320C4X diseñado y producido por TEXAS INSTRUMENTS, posee ciertas ventajas frente al resto de los procesadores, ya que éste se diseña para ser escalable, es decir, para que pueda trabajar en paralelo con otros dispositivos similares.

Muchos de los procesadores se engloban dentro de la filosofía CISC, (Complex Instruction Set Computers) Aunque se pueden encontrar en el mercado algunos que operen bajo la filosofía RISC (Reduced Instruction Set Computers); estos últimos dedicados para aplicaciones concretas como la telefonía móvil.

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5. MARCO TEORICO

5.1 DISEÑO DIGITAL AVANZADO.

La acelerada evolución tecnológica en el campo de la microelectrónica ha conllevado a un déficit cada vez mayor entre las capacidades de integración que permite la tecnología de circuitos integrados y las capacidades de realización que los diseñadores pueden incorporar en dichos circuitos. La figura 1a ilustra como, en correspondencia con la Ley de Moore, la capacidad de integración de los circuitos se duplica casa 18 meses aproximadamente, mientras que la capacidad de utilización por parte de los diseñadores de los recursos microelectrónicos que permite la tecnología, muestra un crecimiento inferior el cual conlleva un déficit creciente1

Para reducir este déficit ha sido necesario reemplazar las técnicas tradicionales de diseño por las llamadas técnicas avanzadas de diseño de sistemas electrónicos digitales complejos, también conocidas como técnicas de diseño digital de alto nivel. Estas técnicas conforman un paquete tecnológico que agrupa a los lenguajes de descripción de hardware, las técnicas de reusabilidad con énfasis en la utilización de módulos de Propiedad Intelectual, la utilización de dispositivos lógicos programables, las técnicas de codiseño hardware/software y el desarrollo de los sistemas electrónicos empotrados2.

Aunque algunas de estas técnicas pueden ser utilizadas de forma independiente para la solución de determinadas aplicaciones simples, su verdadera potencialidad en el desarrollo de sistemas electrónicos digitales complejos radica en la utilización conjunta de las mismas. Así, mediante la utilización de estas novedosas técnicas se posibilita el incremento de la productividad de los diseñadores y se reduce el déficit relativo a la capacidad de integración. Estas técnicas están muy difundidas y se utilizan intensivamente en los países desarrollados debido a las enormes ventajas que reportan, entre las que sobresalen el incremento de la productividad de los diseñadores, el incremento de la fiabilidad del producto y la significativa reducción de los costos de desarrollo.3

Las técnicas avanzadas de diseño electrónico digital son un conjunto de técnicas, muy interrelacionadas entre si, en las que debe estar basado el diseño de sistemas electrónicos digitales complejos en la actualidad. Las mismas son las siguientes:

1. Lenguajes de descripción de hardware

1 SAVAGE, W., Chilton, J., Camposano, R. IP reuse in the system on a chip era, Proceedings

13th International Symposium on System Synthesis. 2000 2 FERRARI, A., Sangiovanni-Vincentelli, A., System design: traditional concepts and new

paradigms, International Conference on Computer Design. 1999 3 CABRERA, Alejandro. Transferencia de tecnologías de diseño digital avanzado. Cuba:

Departamento de Automática y Computación, Instituto Superior Politécnico “José Antonio Echeverría” 2010

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2. Reusabilidad de los diseños y utilización de módulos de Propiedad Intelectual

3. Implementaciones sobre dispositivos programables 4. Técnicas de codiseño hardware/software (HW/SW) 5. Desarrollos de sistemas digitales empotrados

Todas estas técnicas se caracterizan por requerir de potentes herramientas de diseño asistido por computadora (Computer Aided Design, CAD), haciendo que el desarrollo de hardware posea una componente software de importancia trascendental. A continuación se exponen brevemente cada una de estas técnicas, destacando sus ventajas de utilización y la gran interacción entre las mismas. Los lenguajes de descripción de hardware (Hardware Description Language, HDL) constituyen una descripción software de la funcionalidad de una componente hardware, característica que posibilita la descripción de diseños complejos con un alto grado de abstracción4.

De esta forma, y con el auxilio de las herramientas de CAD asociadas tanto al lenguaje como al dispositivo soporte de la implementación final se libera con frecuencia al diseñador de los detalles de cómo hacer una implementación. El hecho de que los HDLs permitan una descripción software de una componente hardware facilita en gran medida la reusabilidad de los diseños, permitiendo que el esfuerzo de desarrollo de un determinado circuito o grupo de circuitos sea reutilizado por otros diseñadores. De particular importancia en el aspecto de la reusabilidad resulta la disponibilidad y utilización de módulos de Propiedad Intelectual (Intellectual Property, IP)5.

Aunque pudiera considerarse que una descripción en HDL con una determinada funcionalidad hardware constituye un módulo IP, realmente esta denominación se reserva para aquellas realizaciones de circuitos complejos (microprocesadores, microcontroladores, interfaces, etc.) con cierto grado de configurabilidad y, con frecuencia, herramientas de CAD propias que facilitan su reutilización6.

La utilización de dispositivos programables (o reconfigurables) de gran complejidad, como los FPGA (Field Programmable Gate Array), es otro de los elementos distintivos de las implementaciones digitales actuales

. Estos circuitos se caracterizan por incorporar una gran cantidad de recursos electrónicos cuya interconexión (y por lo tanto, funcionalidad final) puede ser modificada a voluntad del diseñador. El propio avance de la microelectrónica ha posibilitado que los recursos disponibles en los FPGAs actuales (ver figura 2), que incluyen bloques de memoria, multiplicadores, diferentes tipos de interfaces y hasta procesadores de 32 bits, sean suficientes para contener todo un sistema digital complejo, con ventajas significativas en la reducción del tiempo de desarrollo del producto y del costo del mismo en comparación con

4 FERRARI, A., Sangiovanni-Vincentelli, A., System design: traditional concepts and new

paradigms, International Conference on Computer Design. 1999 5 CHIAN, S., Foundries and the dawn of an open IP era, Computer , vol. 34, n. 4 , p. 43-46, Apr.

2001 6 GAJSKI, D., et al, Essential issues for IP reuse, Proceedings Asia and South Pacific Design

Automation Conference, p. 37-42, Jan. 2000

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las realizaciones sobre un circuito integrado de aplicación específica (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), solo asequibles económica y tecnológicamente para los países desarrollados.

Figura 2. Ilustración de los diferentes recursos electrónicos que puede incorporar una FPGA actual

CABRERA, Alejandro. Transferencia de tecnologías de diseño digital avanzado. Cuba: Departamento de Automática y Computación, Instituto Superior Politécnico “José Antonio Echeverría” 2010

En el campo digital, las tareas pueden ser implementadas mediante un programa que se ejecuta sobre un procesador (realización software) o mediante un circuito electrónico que realice la funcionalidad equivalente (implementación hardware). La primera alternativa tiene la ventaja de la flexibilidad pero, debido a la ejecución secuencial de los programas, su velocidad de respuesta es limitada. La alternativa de implementación hardware, por el contrario, se caracteriza por una muy alta velocidad de respuesta debido a que se trata de conexiones eléctricas que, inherentemente, trabajan en paralelo, pero carecen de la flexibilidad de las soluciones software a no ser que se incurra en un costo elevado. Las técnicas de codiseño hardware/software permiten explorar la mejor alternativa (hardware o software) de implementar las diferentes tareas de un sistema electrónico digital complejo con el objetivo de obtener la mejor relación costo/velocidad7. Justamente la disponibilidad de módulos de Propiedad Intelectual de microprocesadores y microcontroladores facilita los desarrollos de realizaciones híbridas hardware/software (HW/SW) aplicando técnicas de codiseño ya que ofrecen el soporte para el desarrollo de

7 NASH, J., Smith, P., An analysis of the design processes required for the technology

conversion of SoC intellectual property, Proceedings IEEE Custom Integrated Circuits Conference, p. 525. 2000

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las tareas de software, además de que, con frecuencia, muchas de las tareas a implementar en hardware están disponibles como módulos IP.

Las realizaciones de sistemas electrónicos empotrados (embedded systems) consisten en incorporar en un único circuito integrado diversos componentes que antes se realizaban mediante circuitos integrados independientes interconectados entre si8. De esta forma no sólo se reduce el área total ocupada por el circuito sino que al eliminar las interconexiones externas entre los mismos se incrementa la fiabilidad de la solución y se puede incrementar la velocidad de operación del circuito.

Nótese como todas estas técnicas constituyen un paquete tecnológico que debe ser dominado y utilizado de conjunto por los especialistas pues, para poder desarrollar un sistema empotrado (casi siempre una realización híbrida hardware/software) se requiere disponer de dispositivos programables con recursos suficientes para soportar la implementación. A su vez, se requiere la utilización de módulos de Propiedad Intelectual, usualmente descritos mediante un lenguaje de descripción de hardware, describiendo las interconexiones entre los diferentes elementos también mediante HDL, dando así lugar a las implementaciones de todo un sistema electrónico digital complejo sobre un dispositivo programable (System on Programmable Chip, SoPC), tal como se ilustra en la figura 3

Figura 3. Ilustración de la integración de tecnologías avanzadas

Coussy, P., Baganne, A., Martin, E., A design methodology for integrating IP into SOC systems, Proceedings IEEE Custom Integrated Circuits Conference, p. 307-310, May. 2002

Ventajas de la utilización de técnicas avanzadas de diseño digital

Las ventajas más significativas derivadas de la utilización de las técnicas avanzadas descritas previamente en el diseño y desarrollo de sistemas electrónicos digitales complejos son las siguientes: 8 Ibíd., p. 527

FPGA

IP

UART

E/S

Timer

E/S

Timer ROM

RAM CPU

IT

Módulos IP de un

microcontrolador

Hardware

específico

Otros

módulos IP

IP

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a) Incremento de la productividad de los diseñadores. Al disponer de los módulos IP y las herramientas de CAD requeridas, las interconexiones entre los diferentes componentes del sistema electrónico complejo se describen y simulan mediante un lenguaje de descripción de hardware, no siendo preciso proceder al montaje de un prototipo con interconexiones eléctricas de varios componentes independientes. Dado que los dispositivos programables pueden ser reconfigurados en unos pocos segundos, cualquier modificación que sea preciso desarrollar se realiza en muy breve tiempo, contrariamente a lo que ocurre al utilizar técnicas tradicionales basadas en la utilización de diversos circuitos integrados independientes interconectados entre si.

b) Incremento de la fiabilidad del producto. Dado que se obtiene una realización empotrada sobre un único circuito integrado (el dispositivo programable, FPGA) las interconexiones entre los diferentes componentes son internas al FPGA, minimizando las conexiones con componentes externas. Esto reduce la probabilidad de fallos de conexiones así como la probabilidad de fallos de los circuitos al obtener un sistema empotrado sobre un único circuito integrado.

c) Facilidades de actualización del producto. Dado que el soporte electrónico fundamental del producto lo constituye un dispositivo programable que puede ser reconfigurado cuantas veces se desee, se facilita el desarrollo de actualizaciones del producto. Nótese que se trata no sólo de una posible actualización del firmware o software de bajo nivel (típica en los sistemas con microcontroladores) sino también de la actualización del hardware del producto, es decir de las componentes y sus conexiones dentro del dispositivo programable. De esta forma, utilizando un dispositivo programable se pueden acometer actualizaciones tanto del hardware como del software sin necesidad de desarrollar un nuevo circuito impreso.

d) Reconfiguración dinámica del producto. Dada la capacidad de algunos FPGAs de reconfigurarse dinámicamente, es decir, estando en operación, es posible desarrollar sistemas electrónicos auto reconfigurables que permitan realizar diferentes actividades en función de diferentes condiciones de operación.

e) Incremento de la velocidad de respuesta de la solución. Dado que es posible desarrollar aplicaciones híbridas HW/SW se puede obtener un incremento considerable en la velocidad de respuesta de una solución implementando sobre hardware aquellos procesos que sean paralelizables (procesos independientes que trabajan con datos independientes). Los incrementos de velocidad con relación a una implementación software equivalente pueden ser superiores a tres órdenes de magnitud.

f) Reducción del área y del consumo de potencia. Dado que es posible obtener un sistema empotrado sobre un único dispositivo programable (en contraste con los desarrollos basados en técnicas tradicionales caracterizados por la utilización de diversos circuitos integrados

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independientes) se reducen tanto el área como el consumo de potencia del sistema, características imprescindibles en múltiples aplicaciones como en sistemas autónomos y robóticos.

g) Posibilidad de desarrollos propios. Dado que es factible el desarrollo mediante la utilización de lenguajes de descripción de hardware de partes específicas de un sistema electrónico, no disponibles previamente como módulos de Propiedad Intelectual, que puedan ser reutilizados posteriormente por otros diseñadores, contribuyendo así al incremento de la productividad de los mismos.

h) Reducción de los costos. En este aspecto se incluye tanto la reducción del costo del desarrollo del producto como los de su producción y mantenimiento.

5.2 TRATAMIENTO DE SEÑALES

La caracterización, el análisis y la síntesis de las señales y los sistemas que las manipulan juegan un papel fundamental en la ingeniería de las tecnologías de la información. Ejemplos de sistemas eléctricos o electrónicos son el teléfono, la radio, la televisión, el radar, el sonar, equipos de control para navegación, instrumentación para laboratorio, biomédica, o para el análisis de seísmos, sistemas de simulación y muchos otros. Ejemplos de sistemas electromecánicos son los micrófonos, altavoces, hidrófonos, etc. Las señales son la representación de las entradas y salidas que estos sistemas procesan o generan: corrientes o tensiones eléctricas, presión, desplazamiento, índices económicos, etc. Las señales se expresan habitualmente como funciones de la variable tiempo, aunque también pueden depender de la posición, el ángulo, etc. El tratamiento de señales por medio de sistemas basados en procesadores digitales tiene un gran interés debido a su versatilidad y a la capacidad de manejar simultáneamente señales de muy diversos orígenes. Por ello, muchos de los sistemas anteriormente mencionados se realizan mediante sistemas discretos, esto es, sistemas basados en el tratamiento numérico de las señales. En este capítulo se establecen las bases para caracterizar las señales discretas mediante una notación y con una simbología común a todas ellas e independiente de la fuente que las haya generado. También se fija la notación para caracterizar los sistemas, se enuncian sus propiedades fundamentales y se relaciona la entrada y la salida de un grupo muy importante de ellos, los sistemas lineales e invariantes, por medio de la ecuación de convolución. Finalmente, se estudia la representación de sistemas por medio de ecuaciones en diferencias finitas y se muestran las ventajas que éstas aportan para la realización de sistemas lineales e invariantes. Caracterización de señales: rango y dominio Una señal es una función de una o varias variables. Atendiendo a los valores que pueden tomar estas variables (dominio), las señales se clasifican en dos grupos: señales analógicas y señales discretas. Las señales analógicas son función de una o varias variables reales, y las señales discretas o secuencias son función de una o varias variables que únicamente puede tomar valores enteros. Ejemplos de señales de dominio real son la señal de voz (presión en función del tiempo), imagen (brillo en función de la posición x,y), o la temperatura en función de la

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altura; ejemplos de señales de dominio discreto son el stock de un almacén (cantidad en función del elemento), el índice de la bolsa (valor en función del día) y todas las señales que son resultado de tomar muestras o valores de señales de dominio continuo en instantes determinados. El rango de una señal es el conjunto de valores que puede tomar la señal en su dominio. El rango es continuo si está formado por uno o varios intervalos reales, o discreto cuando la señal toma un valor de entre los de un conjunto previamente establecido. Ejemplos de señales de rango continuo son la temperatura, la tensión o el brillo de una imagen; ejemplos de señales de rango discreto son la población, el número de coches (sólo pueden tomar valores enteros) y las que se obtienen como resultado de un proceso de cuantificación (representación de una señal por medio de N valores distintos): imagen en un periódico donde sólo se permite una escala de grises determinada para su representación, señal almacenada en una memoria de ordenador con un número de bits determinado.9 5.3 MODELOS MATEMÁTICOS UTILIZADOS Estos son de muchos importancia ya que estos expresan en términos reales (cifras) como puede ser una ecuación esta es sencilla, fácil de comprender y fácil de manipular por este motivo sin los que se debe poner mayor atención para realizar operaciones en una organización. CUANTITATIVOS Y CUALITATIVOS: La investigación de operaciones se ocupa de la sistematización de modelos cualitativos y de su desarrollo hasta el punto en el que pueden cuantificarse. Este significa que la metrología de la investigación de operaciones. Puede cuantificar soluciones cualitativas. Hay muchos problemas que no se pueden cuantificar debido a uno o más problemas como técnicas inadecuadas de medición, necesidad de muchas variables desconocidas y excepciones que son demasiado complicadas para expresarse en forma cuantitativos. Los problemas de la investigación de operaciones que se ocupan de las cualidades o propiedades de los componentes se llaman modelos cualitativitos. Cuando construimos unos modelos matemáticos e insertamos símbolos para representar constantes y variables se le llama modelos cuantitativos PROBABILÍSTICO Y DETERMINATIVO: Los modelos pueden dividirse en 2 categorías estos son los probabilísticos y determinativos. Los modelos que se basan en las probabilidades y en estadísticas y que se ocupan de incertidumbres futuras son llamadas probabilistas. Los modelos cuantitativos que no incluyen consideraciones probabilísticos se les llama modelos determinativos. Un ejemplo de esto es “ganancia nula y el inventario”. DESCRIPTIVOS Y DE OPTIMIZACIÓN: En diversas ocasiones un modelos se construye sencillamente como descripción matemática de una condición del mundo real. Esos modelos llaman “descriptivos” y en el pasado se han usado para poder aprender mas sobre algún problema, sin embargo en este modelo 9 MARIÑO, José. Tratamiento digital de la señal una introducción experimental. Barcelona:

UPC, 1998 p 8.

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no se hace un intento para escoger una mejor alternativa. En cambio cuando se compara con un modelo de optimización, en este se hace un esfuerzo para llegar a la solución óptima cuando se representan alternativas, y teniendo un buen uso este suministra la mejor alternativa de acuerdo con los criterios de entrada. ESTÁTICOS Y DINÁMICOS: Los modelos estáticos se ocupan de determinar una respuesta para una serie especial de condiciones fijas que probablemente no cambiaran significativamente a corto plazo. Un ejemplo de estos es la programación lineal. En la las restricciones se fijan en términos de los requerimientos de tiempo de los productos individuales y de las horas disponibles por turno a corto plazo. Un modelos estático dada por resultados la mejor solución basada en esa condición “estática” SIMULACIÓN Y NO SIMULACIÓN: la simulación es un método que comprende cálculos secuenciales estos son realizados a computadora paso por paso, donde puede producirse el funcionamiento de problemas o sistemas a gran escala. En un modelo de simulación los datos pueden ser generados y no generados o sea reales. Los modelos de no simulación pueden y no usar la computadora, tienen técnicas preparadas especialmente para soluciones respectivas tal es el caso de un modelo de optimización.10

10

Slideshare, Tipos de modelos utilizados, Electrónica. {Articulo de internet}.

http://www.slideshare.net/quintomerca/tipos-de-modelos-matematicos {Consulta: 1 Abril de 2010}

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6. CONCLUSIÓN

Uno de los mayores inventos de la humanidad ha sido los tubo de vacio con los

cuales se fabricaron los primeros equipos electrónicos aplicando un diseño

electrónico se dio paso al transistor que era mucho mas pequeño y consumía

mucho menos energía después diseñando y probando con componentes

semiconductores se dio paso al circuito integrado el cual fue capaz de sintetizar

miles de transistores en tan solo en una pastilla, la ley de moore le dio un futuro

a los circuitos integrados y es que en cada 18 meses se duplica el numero de

transistores en un circuito integrado.

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7. RECOMENDACIONES

Con este documento se desea tener una idea clara sobre el tema

que trabaja el grupo “DIGITI” de la Universidad Distrital francisco

José de Caldas.

Para tener una mejor idea sobre el diseño digital avanzado se

sugiere leer conceptos sobre electrónica digital.

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8. BIBLIOGRAFIA

[1] AIZPURÚA Matías, Información sobre componentes para amplificadores a

válvulas y válvulas de recepción. Buenos Aires: Albatros, 1959.

[2] BEATY William, Crystal Triode Action in Lead Sulphide. Conference proceedings, H.K. Henisch (ed), 1951 [3] WIKIPEDIA, Circuito Integrado. [Articulo de internet].

http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_integrado [Consulta: 31 marzo de 2010].

[4] MARIÑO, José. Tratamiento digital de la señal una introducción experimental. Barcelona: UPC, 1998 p 8.

[5] WIKIPEDIA, Procesamiento digital de señales. [Articulo de internet].

http://es.wikipedia.org/wiki/Procesamiento_digital_de_señales [Consulta: 31

marzo de 2010].

[6] SAVAGE, W., Chilton, J., Camposano, R. IP reuse in the system on a chip era, Proceedings 13th International Symposium on System Synthesis. 2000 [7] FERRARI, A., Sangiovanni-Vincentelli, A., System design: traditional concepts and new paradigms, International Conference on Computer Design. 1999 [8] CABRERA, Alejandro. Transferencia de tecnologías de diseño digital

avanzado. Cuba: Departamento de Automática y Computación, Instituto

Superior Politécnico “José Antonio Echeverría” 2010

[9] FERRARI, A., Sangiovanni-Vincentelli, A., System design: traditional concepts and new paradigms, International Conference on Computer Design. 1999 [10] CHIAN, S., Foundries and the dawn of an open IP era, Computer , vol. 34,

n. 4 , p. 43-46, Apr. 2001

[11] GAJSKI, D., et al, Essential issues for IP reuse, Proceedings Asia and

South Pacific Design Automation Conference, p. 37-42, Jan. 2000

[12] NASH, J., Smith, P., An analysis of the design processes required for the technology conversion of SoC intellectual property, Proceedings IEEE Custom Integrated Circuits Conference, p. 525. 2000

[13] Ibíd., p. 527 [14 MARIÑO, José. Tratamiento digital de la señal una introducción

experimental. Barcelona: UPC, 1998 p 8

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[15]] Slideshare, Tipos de modelos utilizados, Electrónica. [Articulo de internet].

http://www.slideshare.net/quintomerca/tipos-de-modelos-matematicos

[Consulta: 1 Abril de 2010]