Digital Signal Processing: Introduzione

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1 Corso di Elettronica dei sistemi programmabili Digital Signal Processing: Introduzione Stefano Salvatori

2 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 2/16

3 Un esempio I 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 3/16

4 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. 4/16

5 Definizioni I segnali analogici sono quelli con cui conviviamo tutti i giorni: hanno una variazione continua sia nel tempo che nell'ampiezza. 5/16

6 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. 6/16

7 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). 7/16

8 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. 8/16

9 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 9/16 crearne di nuovi.

10 Sistema di elaborazione In linea di principio, l'architettura di un sistema di elaborazione dei segnali che impieghi una macchina di calcolo digitale è: 10/16

11 Un esempio di elaborazione Un semplice filtro (passa basso) potrebbe sommare i 4 campioni più recenti e presentare in uscita la loro media: 11/16

12 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 12/16

13 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. 13/16

14 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 evoluzione è lo sviluppo della televisione digitale a cui abbiamo assistito negli ultimi anni anche nel nostro paese. 14/16

15 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. 15/16

16 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. 16/16