PROCESSAMENTO DIGITAL DE PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAISSINAIS

Evaldo Gonçalves PelaesAldebaro Klautau

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica - PPGEE

Universidade Federal do Pará - UFPATel: (091) 3181-1634

Email: {pelaes, aldebaro}@ufpa.br

Introdução ao Processamento Digital de SinaisIntrodução ao Processamento Digital de Sinais

Sinais e Sistemas Discretos no TempoSinais e Sistemas Discretos no Tempo

Transformada ZTransformada Z

Amostragem de Sinais Contínuos no TempoAmostragem de Sinais Contínuos no Tempo

Análise de sistemas LTI no Domínio TransformadoAnálise de sistemas LTI no Domínio Transformado

Análise de Estruturas de Sistemas Discretos noAnálise de Estruturas de Sistemas Discretos no

Tempo. Filtros FIR e IIR.Tempo. Filtros FIR e IIR.

Transformada de Fourier Discreta (DFT) Transformada de Fourier Discreta (DFT)

Esboço do CursoEsboço do Curso

BibliografiaBibliografia

• Oppenheim, A. V.; Schafer, R. W. , “Discrete -Time Signal Processing”, Prentice-Hall, 2rd edition, 1998.• Oppenheim, A., A. S. Willsky, “Signal and Systems”, Prentice-Hall, 2rd edition, 1997.•Mitra, S. K.,“Digital Signal Processing: A Ccomputer-Based Aproach”, McGraw-Hill, 2rd edition, 2001.

• Mitra, S. K.,“Digital Signal Processing Laboratory Using Matlab”, McGraw-Hill, 1999.

Perspectiva Histórica de PDSPerspectiva Histórica de PDS

Cálculos

Métodos numéricos

1600’s 1700’s 1950’s 1965 1980’s Futuro

Processamento de sinais com computadores com sistemas

analógico & digital

Fast Fourier Transform(FFT)

Tecnologia ICchips DSP

Micro-eletrônica com Tecnologia VLSI

Historicamente (antes dos computadores e processadores Historicamente (antes dos computadores e processadores digitais), a Engenharia Elétrica lidava principalmente com digitais), a Engenharia Elétrica lidava principalmente com sinais contínuos no tempo ou contínuos no espaço.sinais contínuos no tempo ou contínuos no espaço.

Tipos de Sinais “Contínuos”Tipos de Sinais “Contínuos”

– Sinais contínuos no tempoSinais contínuos no tempo: definidos para qualquer : definidos para qualquer instante de tempo sobre um domínio ou intervalo instante de tempo sobre um domínio ou intervalo contínuo, ou ainda uma união de intervalos.contínuo, ou ainda uma união de intervalos.

– Sinais de amplitude contínuaSinais de amplitude contínua: assumem qualquer valor : assumem qualquer valor de uma região contínua, um número incontável de de uma região contínua, um número incontável de possíveis valores.possíveis valores.

– Sinais Analógicos:Sinais Analógicos: Ambos, contínuo no tempo e contínuo Ambos, contínuo no tempo e contínuo em amplitude.em amplitude.

Sinais AnalógicosSinais Analógicos

Após a invenção de computadores e processadores digitais, Após a invenção de computadores e processadores digitais, os sinais discretos, em amplitude e tempo, passaram a ter os sinais discretos, em amplitude e tempo, passaram a ter grande interesse na Engenharia Elétrica. grande interesse na Engenharia Elétrica.

Tipos de Sinais “Discretos” Tipos de Sinais “Discretos”

– Sinais Discretos no Tempo:Sinais Discretos no Tempo: Assumem somente valores Assumem somente valores contidos em um conjunto de pontos contáveis sobre uma contidos em um conjunto de pontos contáveis sobre uma linha real e esses instantes de tempo são igualmente linha real e esses instantes de tempo são igualmente espaçados.espaçados.

– Sinais Discretos em Amplitude:Sinais Discretos em Amplitude: Assumem valores Assumem valores dentre um conjunto de valores reais, discretos, contáveis e dentre um conjunto de valores reais, discretos, contáveis e finitos.finitos.

– Sinais DigitaisSinais Digitais - Ambos: Discretos no tempo e discretos - Ambos: Discretos no tempo e discretos em amplitude.em amplitude.

Sinais DigitaisSinais Digitais

Exemplo de sinais: a) Contínuo no tempob) Sequências de amostras obtidas para T = 125 s

Sinal discreto no tempo

Processamento Digital de SinaisProcessamento Digital de Sinais Processamento ou manipulação de sinais Processamento ou manipulação de sinais usando técnicas digitaisusando técnicas digitais

A/D D/AProcessamento

Digital

Conversor Analógico

Digital

ConversorDigital

Analógico

Sinal de entrada

Sinal de Saída

Modificar a apresentação de um sinal paraModificar a apresentação de um sinal para

- Facilitar a supressão de alguma componente. Ex. redução- Facilitar a supressão de alguma componente. Ex. redução

de ruído.de ruído.

- Realçar alguma componente. Ex. imagens médicas.- Realçar alguma componente. Ex. imagens médicas.

- Extrair ou isolar alguma informação.- Extrair ou isolar alguma informação.

- Permitir a implementação de sistemas em software. - Permitir a implementação de sistemas em software.

- Armazenar e transmitir imagens utilizando métodos de - Armazenar e transmitir imagens utilizando métodos de codificação e compressão para a redução do tamanho de codificação e compressão para a redução do tamanho de um arquivos, etc.um arquivos, etc.

Objetivo do Processamento de SinaisObjetivo do Processamento de Sinais

Processamento Digital de SinaisProcessamento Digital de Sinais

ConteúdoRepresentação, Transformação

Manipulação

AplicaçõesJogos de diversão,

Telecomunicações, Medicina,Processamento de Vídeo, voz,

etc.

AbrangênciasTeoria, Aplicações,

Tecnologias

Onde é usado PDS?Onde é usado PDS?

……E muito mais!E muito mais!

Processamento de VozProcessamento de Voz

Codificação/compressão de VozCodificação/compressão de Voz Síntese de vozSíntese de voz Reconhecimento de vozReconhecimento de voz

Codificação de vozCodificação de voz

BTS

BSC

MSC

TRAU

64 kbits/s

13 kbits/s

22.8 kbits/s

Sistema de Reconhecimento de FalaSistema de Reconhecimento de Fala

Extração decaracterísticas

Sinal de voz

Reconhecimento de fenemas

Modelos de fenenas

Reconhecimento de sentença

Reconhecimento de palavras

pronúncia Semântica

Decisão

Sintax Diálogo

Digital AudioDigital Audio

CD de música padrão:CD de música padrão:– Taxa de amostragem: 44.1 kHzTaxa de amostragem: 44.1 kHz– 16-bits/amostra16-bits/amostra– 2 canais stereo2 canais stereo– Transferencia de dados = 2Transferencia de dados = 2161644,100 = 44,100 = 1.4 1.4

Mbits/sMbits/s– 1 hora de música = 1.41 hora de música = 1.43,600 = 3,600 = 635 MB635 MB

Codificação de ÁudioCodificação de Áudio

Padrões:Padrões:– MPEG: Camadas I, II, e III (MP3); AAC.MPEG: Camadas I, II, e III (MP3); AAC.

» Usado em DAB, DVD.Usado em DAB, DVD.

– Dolby AC3, Dolby Digital, Dolby Surround.Dolby AC3, Dolby Digital, Dolby Surround. Taxa típica de bits para 2 canais stereo:Taxa típica de bits para 2 canais stereo:

– 64kbits/s a 384 kbits/s.64kbits/s a 384 kbits/s.

Codificação de ÁudioCodificação de Áudio

– Left, Right, Centre,Left, Right, Centre,– Left Surround, Right Surround,Left Surround, Right Surround,..

• Típico 3/2 multicanal stereo (configuração)

RightSurround

Right

Surround Left

Centre

Left

Imagem/VídeoImagem/Vídeo Codificação de imagem parada:Codificação de imagem parada:

– JPEG (Joint Photographic Experts Group):JPEG (Joint Photographic Experts Group):

Baseado na DCT (Discrete Cosine Transform) Baseado na DCT (Discrete Cosine Transform)

– JPEG2000: Baseado na Transformada Wavelet JPEG2000: Baseado na Transformada Wavelet Codificação de Vídeo:Codificação de Vídeo:

– MPEG (Moving Pictures Experts Group):MPEG (Moving Pictures Experts Group):

Baseado na DCTBaseado na DCT

Predição interframe e intraframePredição interframe e intraframe

Estimação e compensação de movimento.Estimação e compensação de movimento.– Aplicações: TV digital, DVD, etc.Aplicações: TV digital, DVD, etc.

JPEG: ExemploJPEG: ExemploOriginal

JPEG (100:1)JPEG (4:1)

Contraste Detecção de bordas Imagem distorcida

Realce de Imagens

Filtragem high-boost

Versátil:Versátil: é fácil de programar e reprogramar. é fácil de programar e reprogramar.

Alta precisão:Alta precisão: Pode-se especificar a precisão desejada, Pode-se especificar a precisão desejada,

bastando para isso um algoritmo apropriado. bastando para isso um algoritmo apropriado.

Custo:Custo: sistemas digitais são pequenos, baratos e consomem sistemas digitais são pequenos, baratos e consomem

pouca energia.pouca energia.

Velocidade:Velocidade: limitada pela taxa do clock, e a cada dia tem-se limitada pela taxa do clock, e a cada dia tem-se

buscado velocidades cada vez maior. buscado velocidades cada vez maior.

Porque o processamento de sinais?Porque o processamento de sinais?

O processamento de sinais analógicos são limitados O processamento de sinais analógicos são limitados

somente pelasomente pela

– Velocidade dos elétrons (sistemas elétricos ou circuitos)Velocidade dos elétrons (sistemas elétricos ou circuitos)

– A velocidade de fótons (sistemas ópticos) e são efetivamente A velocidade de fótons (sistemas ópticos) e são efetivamente

instantâneos.instantâneos.

Interpretação de sinais digitaisInterpretação de sinais digitais

– Podem ser amostrados a partir de um sinal contínuo (A/D). Podem ser amostrados a partir de um sinal contínuo (A/D).

(Teorema da amostragem)(Teorema da amostragem)

– Podem ser armazenados como sequência de números, Podem ser armazenados como sequência de números,

permitindo o uso de poderosas ferramentas matemáticas. permitindo o uso de poderosas ferramentas matemáticas.

Sinal analógico x digitalSinal analógico x digital