Applicazioni dei DSP

Corso di Elettronica dei sistemi programmabili
Digital Signal Processing:
Applicazioni
Stefano Salvatori
Sommario
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Origini dei DSP
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Applicazioni
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Ambiti
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Telecomunicazioni
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Elaborazione audio
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Localizzazione tramite eco
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Elaborazione delle immagini
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Introduzione
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Le applicazioni dei DSP oggi si espandono da audio a
video, comunicazioni, immagini mediche, …
Ogni disciplina ha sviluppato la propria tecnologia:
algoritmi, tecniche speciali, …
Non è quindi possibile identificare un'unica linea guida
per lo studio dei DSP;
A livello didattico è possibile apprendere i concetti
generali (sviluppati in queste lezioni) e sviluppare poi
l'approfondimento verso le tecniche più specialistiche che
coinvolgano la particolare area di interesse.
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Origine
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L'elaborazione digitale dei segnali si distingue da altre
aree informatiche per il tipo di dati che i DSP usano: i
segnali;
I segnali provengono dal mondo esterno attraverso
sensori;
DSP rappresenta la “metodologia” con cui questi segnali
vengono trattati una volta che sono stati convertiti in
formato numerico;
Gli obiettivi possono essere:
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Qualità immagini;
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Generazione e riconoscimento voce;
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Compressione per trasmissione o memorizzazione...
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Origine
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L'elaborazione digitale dei segnali ha origine intorno al
1970 quando iniziò a intravedersi lo sviluppo dei
computer;
In origine l'uso di DSP era limitato ad applicazioni critiche
e speciali:
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Radar e sonar (sicurezza nazionale);
–
Esplorazioni petrolifere (interessi economici)
–
Esplorazione spaziale (intervento diretto impossibile)
–
Immagini in medicina (salvare vite umane)
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Origini
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L'evoluzione dei computer negli anni '80, che portò allo
sviluppo dei personal computer, segnò anche
un'espansione delle applicazioni per i DSP, non più
limitate a casi speciali;
I DSP cominciarono a entrare nel mercato dell'elettronica
di consumo e raggiunse un pubblico sempre più vaso:
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Telefonia mobile;
Riproduttori CD;
Fotografia e ripresa digitale;
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Applicazioni
The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing
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Applicazioni
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Origini
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A livello di insegnamento, per i DSP si è assistita alla stessa
“storia” che si è avuta in ambito elettronico: lo studio dei
DSP è ormai inserito anche in corsi di base che riguardano
discipline anche molto diverse;
Normalmente i testi che trattano i DSP formano una
piattaforma di conoscenze di base soprattutto dedicate ad
algoritmi e metodi matematici anche piuttosto complessi e
un loro studio prevederebbe (almeno) un corso unico
dedicato allo scopo;
In queste lezioni (seguendo l'approccio di S. W. Smith) i
DSP verranno trattati nelle linee generali pensando ad essi
come un supporto per la progettazione di sistemi elettronici
piuttosto che come fondamentali per intraprendere una
carriera interamente basata su di essi.
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“Interdisciplinarità” per i DSP
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Si deve osservare che i DSP costituiscono oggi
una metodologia utile in diversi ambiti applicativi;
Il loro studio approfondito, quindi, non potrebbe
prescindere dall'approfondimento anche delle
altre tematiche ad essi collegati:
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Telecomunicazioni
–
Analisi numerica
–
Elettronica analogica e digitale
–
...
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“Interdisciplinarità” per i DSP
The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing
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Applicazioni principali
dei DSP
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Telecomunicazioni
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MULTIPLEXING
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Le telecomunicazioni pervadono il nostro ambiente.
Prima dell'avvento dei DSP, le comunicazioni avvenivano con
tecnica elettromeccanica di commutazione e multiplexing di
tipo analogico in modo da condividere su uno stesso canale più
conversazioni;
–
I DSP hanno avuto un impatto determinante perché
consentirono di abbattere notevolmente i costi di realizzazione
delle infrastrutture che adottavano la tecnica di commutazione;
–
Sul singolo canale a doppino telefonico possono viaggiare 32
conversazioni contemporaneamente (2 sono in realtà dedicate a
segnalamento e diagnostica) rimando nel limite di 1-2 Mbit/s di
velocità di trasferimento dati (ogni conversazione è campionata
a 64 kbit/s);
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Telecomunicazioni
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COMPRESSIONE
–
La tecnica digitale consente agevolmente di mettere a punto
algoritmi matematici utili all'elaborazione dei segnali. Una
tecnica molto importante consiste nel comprimere
l'informazione che si vuole trasferire riconoscendo che in essa,
senza compressione, vi è molta ridondanza;
–
Nel caso della voce, anziché usare la maggiore fedeltà che si ha
con 64 kbit/s, una tecnica di compressione può servire per
abbassare il rate a 32 o a 16 o a 8 kSPS;
–
Ovviamente, se la compressione è troppo spinta la qualità viene
degradata. Con 32 kbit/s il risultato non produce alcuna perdita
di qualità sulla voce. Si giunge a 8 kbit/s, con un degradamento
apprezzabile della qualità, per applicazioni speciali, tipo militare.
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Telecomunicazioni
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CONTROLLO DELL'ECO
–
Nelle comunicazioni a grande distanza il problema di ritorno
della voce è un problema piuttosto serio. Finché la distanza è
intorno alle centinaia di km l'eco è di pochi ms e non costituisce
un fastidio durante una conversazione;
–
per distanze più lunghe, l'eco si ha per frazioni di secondo e la
conversazione appare piuttosto disturbata;
–
I DSP possono permette di superare agevolmente i problemi
d'eco semplicemente registrando in tempo reale il ritorno e
sovrapponendo ad esso un segnale esattamente opposto in
modo che si abbia la sua completa cancellazione.
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Elaborazione Audio
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MUSICA
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Il passaggio dalla registrazione analogica a quella digitale è ben
noto e la qualità della musica che oggi ascoltiamo è sicuramente
superiore a quella che potevamo avere nel passato;
–
Ciò che i DSP consentono di fare in ambito musicale è molto
ampio. Tra gli effetti più utilizzati nell'ambito digitale gioca il ruolo
maggiore la manipolazione del suono che dia vita alla
sensazione che il pezzo sia stato registrato all'aperto, in una
chiesa, o nello studio stesso di registrazione;
–
Per ottenere tale effetto i DSP vengono impiegati per creare
artificialmente gli stessi effetti d'eco e riverbero che si hanno
proprio nei diversi ambienti in cui la musica viene prodotta. Ciò
con semplici algoritmi è funzioni matematiche che i DSP
svolgono sui dati (campioni del suono originario).
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Elaborazione Audio
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GENERAZIONE E RICONOSCIMENTO DELLA VOCE
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Con la tecnica digitale è piuttosto agevole memorizzare la voce
come sequenza di numeri. La riproduzione del brano è fatta
semplicemente adottando la tecnica inversa di lettura dei dati e
conversione in formato analogico.
–
La conversazione di un'ora può essere memorizzata in pochi
Mbyte, uno spazio esiguo per un moderno PC. Quindi è oggi
molto diffusa la registrazione digitale proprio in forma di file;
–
La simulazione della voce è invece un processo molto più
complesso. Tuttavia la simulazione delle risonanze e dei
“rumori” che la voce umana presenta a seguito dei toni che le
corde vocali generano, viene agevolmente effettuata con filtri
digitali che, al solito, impiegando funzioni matematiche apposite,
riescono a riprodurre piuttosto fedelmente gli effetti che il nostro
apparato vocale fa naturalmente.
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Localizzazione tramite eco
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Il metodo comune per localizzare un oggetto è quello di investirlo
con un'onda e misurare l'onda di ritorno che l'oggetto rimanda.
I radar ad esempio inviano verso un bersaglio un impulso di onde
radio e misurano l'eco costituito dall'impulso di ritorno che il
bersaglio stesso riflette;
Il sonar, viceversa, operando sott'acqua, invia onde di tipo acustico.
L'eco di ritorno costituisce l'informazione che si sta cercando;
Per studiare le profondità terrestri, in geofisica, si usano tecniche
analoghe alle precedenti: si misura l'eco che si ha da
micro-esplosioni controllate prodotte in punti prefissati del terreno.
I DSP hanno rivoluzionato tutti questi campi di indagine e
applicazione portando a una eccellente qualità le tecniche e i
metodi impiegati.
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Localizzazione tramite eco
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RADAR
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In un sistema Radar, Radio Detection And Ranging, un
trasmettitore invia un impulso radio di pochi microsecondi di
durata. Un'antenna direzionale invia tale impulso come fascio
stretto di radiazione. Parte dell'onda radio viene riflessa da un
bersaglio e raccolta da un'antenna ricevente;
–
Le informazioni relative alla posizione e alla distanza sono
rispettivamente calcolate in base alla posizione dell'antenna
trasmittente e al tempo che intercorre tra l'invio dell'impulso e la
sua ricezione;
–
Per aumentare il range di azione di un radar bisogna aumentare
l'energia dell'impulso trasmesso che si traduce però in un
allargamento della durata (nel tempo) dello stesso con un
conseguente deterioramento della capacità risolutiva dello
strumento.
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Localizzazione tramite eco
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RADAR
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I DSP hanno permesso di far evolvere i radar in termini di
risoluzione e rivelazione a grande distanza.
–
Con la tecnica di compressione dell'impulso ricevuto, è possibile
aumentare la capacità di misura della distanza;
–
È possibile incrementare il rapporto segnale-rumore in modo da
avere uno strumento con maggiore capacità risolutiva;
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I DSP consentono facilmente di adattare le caratteristiche di
durata e ampiezza dell'impulso trasmesso per migliorare le
caratteristiche di misura in funzione del particolare oggetto da
esaminare;
–
L'intera elaborazione è svolta alla frequenza di campionamento
dell'impulso ricevuto: centinaia di MHz. In pratica un DSP per
applicazioni radar deve svolgere centinaia di milioni di operazioni
matematiche ogni secondo!
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Localizzazione tramite eco
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SONAR
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La tecnica Sorar, Sound Navigation and Ranging, è divisa nelle
due categorie: attiva e passiva. In quella attiva, impulsi di suoni
di frequenza tra i 2 e i 40 kHz sono inviati in acqua e viene
analizzato l'eco che si produce. Il campo di azione è fino a 100
km. Con i sonar passivi, viceversa, viene semplicemente
ascoltato il fondo del mare in modo da rivelare turbolenze, vita
marina, suoni emessi da sottomarini o navi. I sonar passivi sono
impiegati quando si deve evitare di mostrare la propria
presenza. Il raggio di azione, impiegando onde a più bassa
frequenza dei sonar attivi, è di qualche migliaio di km.
–
Anche per i sonar, i DSP hanno consentito un'evoluzione
straordinaria sia dei metodi che delle tecniche: generazione e
compressione degli impulsi, filtraggio dei segnali di ritorno...
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Localizzazione tramite eco
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SONAR
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Rispetto ai radar sicuramente si ha che fare con frequenza ben
più basse dei segnali. Tuttavia, l'ambiente in cui questi segnali
viaggiano è molto meno uniforme e stabile e quindi la loro
elaborazione è più complessa;
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Tipicamente sia i trasmettitori che i ricevitori per sonar sono
composti da matrici di elementi anziché un unico canale.
Controllando ciascuno degli elementi della matrice, il sonar può
inviare segnali di forma opportuna e scandagliare meglio gli echi
che l'ambiente e gli oggetti in esso producono.
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Per trattare le informazioni che provengono dai canali della
matrice di un sonar, i DSP debbono lavorare a rate del tutto
paragonabili a quelli che si hanno per un radar.
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Localizzazione tramite eco
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SISMOLOGIA
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Lo studio della crosta terrestre per mezzo di onde sonore risale al
1920. Lo studio consiste nel generare una esplosione e nella
registrazione ed elaborazione degli echi che sono prodotti a
seguito dell'esplosione stessa. La sismologia per riflessione venne
subito impiegata nelle esplorazioni atte ad individuare giacimenti
petroliferi o di minerali. Ancora oggi si usa la stessa tecnica.
–
Il suono che viene generato dall'esplosione viene riflesso dai
diversi strati della terra, ma poiché le onde prodotte devono
attraversare i medesimi stati, ciò che giunge in superficie è l'eco di
diversi echi.
–
I DSP sono qui impiegati per isolare gli echi primari da quelli
secondari.
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Negli anni la tecnica è così progredita che i DSP consentono lo
studio di porzioni anche molto stratificate e addirittura i fondali
marini.
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Elaborazione delle immagini
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Le immagini sono a tutti gli effetti dei particolari segnali.
Per lo più, un'immagine ha un contenuto informativo di tipo spaziale
anziché temporale;
In confronto al suono, il suo contenuto informativo è molto elevato e un
secondo di un'immagine TV occupa una decina di Mbyte.
Bisogna sottolineare che spesso il contenuto informativo di
un'immagine ha diverse caratteristiche soggettive.
Per tutti questi motivi l'elaborazione digitale di segnali digitali legati ad
immagini riveste oggi un campo di interesse sempre nuovo.
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Elaborazione delle immagini
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AMBITO MEDICO
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Fin dagli inizi del secolo scorso, i raggi X hanno trovato largo
impiego in ambito medico. Tuttavia, un'immagine a raggi X presenta
diverse problematiche: le strutture sovrapposte formano immagini di
difficile interpretazione; non è sempre possibile distinguere fra
tessuti simili (forme tumorali e non); ciò che si ha è relativo alla sola
anatomia e non la fisiologia (un'immagine X non permette di
distinguere un soggetto vivo da uno morto).
–
Il problema della sovrapposizione fu risolto negli anni '70 con
l'introduzione della scansione tomografica assistita al calcolatore
(Tomografia Assiale Computerizzata). Diverse immagini X, prese
sotto diverse angolazioni, vengono elaborate digitalmente per avere
una riproduzione del corpo interno il più fedele possibile alla realtà.
–
Viceversa per risolvere gli altri problemi si devono impiegare altre
radiazioni.
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Elaborazione delle immagini
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AMBITO MEDICO
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Per esempio le immagini ottenute mediante Risonanza Magnetica,
elaborate da DSP, usano nel contempo campi magnetici e onde
elettromagnetiche per sondare l'interno del corpo. Con la regolazione
dei campi e delle onde si riescono ad individuare parti i cui nuclei
atomici risuonano con l'onda incidente. La risonanza produce un'onda
secondaria che viene rivelata con un'antenna ricevente. Intensità, fase
e altre caratteristiche consentono di individuare l'origine del segnale e
formare così l'immagine della porzione che l'ha generata.
–
La regolazione del campo magnetico consente di scandagliare più o
meno in profondità.
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L'enorme mole di informazioni che viene raccolta serve a formare
immagini la cui elaborazione è centralmente svolta dai DSP.
–
Con la tecnica a risonanza è possibile anche osservare la fisiologia
del corpo esaminato.
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Elaborazione delle immagini
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SPAZIO
–
L'elaborazione di immagini spaziali è uno dei campi in cui i DSP
giocano il ruolo fondamentale.
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Le immagini prese da un satellite o un veicolo che viaggia nel
nostro Sistema Solare sono affette da notevoli difetti (luminosità,
contrasto, rumore, …). I DSP consentono di aggiustare al meglio i
parametri che regolano una ripresa in modo da contrastare i difetti
che l'immagine stessa presenta.
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L'elaborazione automatica è qui di fondamentale importanza
poiché è impensabile un qualunque intervento umano di
aggiustamento.
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Elaborazione delle immagini
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ELETTRONICA DI CONSUMO
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I prodotti commerciali che oggi implementano DSP per
l'elaborazione delle immagini sono davvero tanti:
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Video-telefonia;
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Telecamere e macchine fotografiche;
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TV digitali;
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…
I prodotti commerciali, a dispetto di un uso professionale, devono
permettere un'elaborazione efficace ed efficiente ma a un costo
molto contenuto. L'evoluzione della microelettronica, portando alla
produzione di DSP sempre più evoluti ad un costo che non è
parimenti aumentato, ha permesso la risoluzione di questo
“problema”.
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