Procesamiento Digital De Señales De Audio

Introducción

Un sistema de procesado digital de señal puede definirse como cualquier sistema electrónico que realice procesado digital de señal, entendiéndose por él la aplicación de operaciones matemáticas a señales representadas de forma digital. Las señales son representadas de forma digital mediante secuencias de muestras. A menudo, estas muestras se obtienen de señales físicas (por ejemplo, señales de audio) utilizando transductores (un micrófono en este caso) y convertidores analógico-digitales.

Después del procesado matemático, las señales digitales pueden volver a convertirse en señales físicas mediante convertidores digital-analógicos.

Si bien, en principio, el corazón de un sistema de procesado digital puede ser un microcontrolador, un procesador de propósito general o un procesador digital de señal (DSP), en sistemas en los cuales la carga computacional es extremadamente intensa la solución óptima pasan por escoger a un DSP.

En la actualidad, los cuatro grandes fabricantes de DSP son Texas Instruments, con la serie TMS320; Motorola, con las series DSP56000, DSP56100, DSP56300, DSP56600 y DSP96000; Lucent Technologies (anteriormente AT&T), con las series DSP1600 y DSP3200; y Analog Devices, con las series ADSP2100 y ADSP21000.

¿Qué es un DSP?

Estrictamente hablando, el término DSP se aplica a cualquier chip que trabaje con señales representadas de forma digital. En la práctica, el término se refiere a microprocesadores específicamente diseñados para realizar procesado digital de señal. Los DSP utilizan arquitecturas especiales para acelerar los cálculos matemáticos intensos implicados en la mayoría de sistemas de procesado de señal en tiempo real. Por ejemplo, las arquitecturas de los DSP incluyen circuitería para ejecutar de forma rápida operaciones de multiplicar y acumular, conocidas como MAC. A menudo poseen arquitecturas de memoria que permiten un acceso múltiple para permitir de forma simultánea cargar varios operando, por ejemplo, una muestra de la señal de entrada y el coeficiente de un filtro simultáneamente en paralelo con la carga de la instrucción. También incluyen una variedad de modos especiales de direccionamiento y características de control de flujo de programa diseñadas para acelerar la ejecución de operaciones repetitivas. Además, la mayoría de los DSP incluyen en el propio chip periféricos especiales e interfaces de entrada salida que permiten que el procesador se comunique eficientemente con el resto de componentes del sistema, tales como convertidores analógicos- digitales o memoria.

La diferencia esencial entre un DSP y un microprocesador es que el DSP tiene características diseñadas para soportar tareas de altas prestaciones, repetitivas y numéricamente intensas.

Por contra, los microprocesadores de propósito general o microcontroladores no están especializados para ninguna aplicación en especial; en el caso de los microprocesadores de propósito general, ni están orientados a aplicaciones de control, en el caso de los microcontroladores.

Historia

El procesado de señales digitales en línea o en tiempo real, tal y como lo conocemos hoy día, comenzó realizándose en los años sesenta sobre máquinas VAX y DEC PDP (en 1965 se presenta el PDP-8, que podía colocarse en una mesa de laboratorio, cuando la mayoría de los computadores necesitaban una habitación con aire acondicionado y cuyas últimas versiones incorporan por primera vez estructura de bus).

En la década de los años setenta aparecieron algunas máquinas de cálculo que usaban chips de lógica discreta en tecnología TTL y que iban acompañados por una unidad aritmética programable de cuatro bits, para realizar las funciones de procesamiento de los datos en tiempo real. Estos primeros sistemas eran lentos y muy voluminosos.

El primer multiplicador integrado en un chip lo comercializa en 1973 la compañía TRW, aunque a un excesivo coste. Posteriormente, en 1978, AMI anuncia el primer circuito integrado diseñado específicamente para el procesado de señales en tiempo real, el S2811, con capacidad para procesar datos de 12 bits. Este dispositivo no llegó a alcanzar niveles importantes de venta en su comercialización. En 1979, Intel introduce el Intel 2920, al que denominó «chip procesador analógico de señales», dado que disponía de periféricos de conversión analógico-digital y digital-analógico (después de todo, se trataba de un dispositivo capaz de procesar digitalmente señales analógicas). El Intel 2920 no disponía de multiplicador interno y era extremadamente lento en la realización de cualquier operación aritmética (ciclo máquina de 600 ns) para hacerlo útil en el procesamiento de señales de audio (el ámbito de aplicación que inicialmente estaba reservado a los DSP).

El primer DSP, con una unidad multiplicadora y otra acumuladora (MAC) integradas en el chip, lo comercializa a principios de 1980 NEC (el μPD7720). Tenía un ciclo máquina de 122 ns, operando su unidad MAC en dos ciclos máquina. Se trató del primer dispositivo comercial útil en el procesamiento de señales de audio y con aplicación en el espectro audible (hasta unos 20 kHz).

Ese mismo año, Ed Cordell diseñó para Texas Instruments el boceto de lo que sería la primera arquitectura de DSP fabricada por la compañía. Dicha arquitectura fue posteriormente optimizada por Surendar Magar, para favorecer la ejecución de los algoritmos de procesamiento de la señal conocidos en la fecha. Así, en abril de 1982 se lanza comercialmente el primer DSP de la familia TMS320 de Texas Instruments, el TMS32010, diseñado en tecnología TTL. Posteriormente se incorpora la tecnología CMOS al proceso de fabricación y se complica el diseño del chip, hasta llegar a los potentes sistemas de hoy en día, optimizados en el hardware para el procesado de la señal. El desarrollo inicial de los DSP por parte de Texas Instruments se puede considerar casi como un trabajo visionario, dado que la rentabilidad de estos dispositivos no aparece hasta la década de los años noventa. Hoy en día, los DSP suponen un negocio anual para Texas Instruments que supera los 5.000 millones de dólares estadounidenses (sin contar los 10.000 millones de dólares que implica la venta de periféricos específicamente diseñados para ellos).

Aplicaciones

Los DSP se utilizan en muy diversas aplicaciones, desde sistemas radar hasta la electrónica de consumo. Naturalmente, ningún procesador satisface todas las necesidades de todas o la mayoría de aplicaciones. Por lo tanto, la primera tarea para el diseñador al elegir un

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