Procesado Digital de la Señal

Créditos
6
Tipos
Complementaria de especialidad (Ingeniería de Computadores)
Requisitos
Departamento
ESAII
La asignatura Procesamiento Digital del Señal forma al estudiante en las técnicas y herramientas fundamentales del procesamiento digital de la señal, y en el hardware necesario para la implementación de estos sistemas. Un procesador digital de señales o DSP es un sistema basado en un procesador o microprocesador que posee un juego de instrucciones, un hardware y un software optimizados para aplicaciones que requieran operaciones numéricas a muy alta velocidad.

Les aplicaciones más habituales de los DSP son las que requieren un procesado en tiempo real, como el procesado de audio y vídeo, la instrumentación, las comunicaciones, equipos de diagnóstico médico, dispositivos móviles, televisión digital, generación / reconocimiento de voz, reproductores MP3, etc.

No hay examenes en esta asignatura. La evaluación se hará mediante las prácticas de laboratorio y trabajos en grupo.

Profesorado

Responsable

  • Antoni Grau Saldes (antoni.grau@upc.edu)

Horas semanales

Teoría
1.5
Problemas
0.5
Laboratorio
2
Aprendizaje dirigido
0
Aprendizaje autónomo
6

Competencias

Competencias Técnicas

Competencias técnicas comunes

  • CT1 - Demostrar conocimiento y comprensión de hechos esenciales, conceptos, principios y teorías relativas a la informática y a sus disciplinas de referencia.
    • CT1.1B - Interpretar, seleccionar y valorar conceptos, teorías, usos y desarrollos tecnológicos relacionados con la informática y su aplicación a partir de los fundamentos matemáticos, estadísticos y físicos necesarios. CEFB2. Capacidad para comprender y dominar los fundamentos físicos y tecnológicos de la informática: electromagnetismo, ondas, teoría de circuitos, electrónica y fotónica y su aplicación para la resolución de problemas propios de la ingeniería.
    • CT1.2A - Demostrar conocimiento y comprensión de los conceptos fundamentales de la programación y de la estructura básica de un computador. CEFB5. Conocimiento de la estructura, funcionamiento e interconexión de los sistemas informáticos, así como los fundamentos de su programación.
    • CT1.2B - Interpretar, seleccionar y valorar conceptos, teorías, usos y desarrollos tecnológicos relacionados con la informática y su aplicación a partir de los fundamentos matemáticos, estadísticos y físicos necesarios. CEFB3. Capacidad para comprender y dominar los conceptos básicos de matemática discreta, lógica, algorítmica y complejidad computacional, y su aplicación para el tratamiento automático de la información por medio de sistemas computacionales y su aplicación para la resolución de problemas propios de la ingeniería.
    • CT1.2C - Interpretar, seleccionar y valorar conceptos, teorías, usos y desarrollos tecnológicos relacionados con la informática y su aplicación a partir de los fundamentos matemáticos, estadísticos y físicos necesarios. CEFB1: Capacidad para la resolución de los problemas matemáticos que puedan plantarse en la ingeniería. Aptitud para aplicar los conocimientos sobre: algebra, cálculo diferencial e integral i métodos numéricos; estadística y optimización.
  • CT2 - Utilizar de forma apropiada teorías, procedimientos y herramientas en el desarrollo profesional de la ingeniería informática en todos sus ámbitos (especificación, diseño, implementación, despliegue -implantación- y evaluación de productos) de manera que se demuestre la comprensión de los compromisos adoptados en las decisiones de diseño.
    • CT2.3 - Diseñar, desarrollar, seleccionar y evaluar aplicaciones, sistemas y servicios informáticos, y al mismo tiempo asegurar su fiabilidad, su seguridad y su calidad, conforme a principios éticos y a la legislación y la normativa vigente.
  • CT5 - Analizar, diseñar, construir y mantener aplicaciones de forma robusta, segura y eficiente, escogiendo el paradigma y los lenguajes de programación más adecuados.
    • CT5.5 - Usar las herramientas de un entorno de desarrollo de software para crear y desarrollar aplicaciones.
    • CT5.6 - Demostrar conocimiento y capacidad de aplicación de los principios fundamentales y de las técnicas básicas de la programación paralela, concurrente, distribuida y de tiempo real.
  • CT6 - Demostrar conocimiento y comprensión del funcionamiento interno de un computador y del funcionamiento de las comunicaciones entre ordenadores.
    • CT6.2 - Demostrar conocimiento, comprensión y capacidad de evaluar la estructura y la arquitectura de los computadores, así como los componentes básicos que los conforman.
  • CT7 - Evaluar y seleccionar plataformas de producción hardware y software para la ejecución de aplicaciones y de servicios informáticos.
    • CT7.2 - Evaluar sistemas hardware/software en función de un criterio de calidad determinado.

    • Competencias Transversales

    Uso solvente de los recursos de información

  • G6 [Avaluable] - Gestionar la adquisición, la estructuración, el análisis y la visualización de datos e información del ámbito de la ingeniería informática y valorar de forma crítica los resultados de esta gestión.
    • G6.3 - Planificar y utilizar la información necesaria para un trabajo académico (por ejemplo, para el trabajo de final de grado) a partir de una reflexión crítica sobre los recursos de información utilizados. Gestionar la información de manera competente, independiente y autónoma. Evaluar la información encontrada e identificar las lagunas presentes.

    • Competencias Técnicas de cada especialidad

    Especialidad ingeniería de computadores

  • CEC1 - Diseñar y construir sistemas digitales, incluyendo computadores, sistemas basados en microprocesadores y sistemas de comunicaciones.
    • CEC1.1 - Diseñar un sistema basado en microprocesador/microcontrolador.
    • CEC1.2 - Diseñar/configurar un circuito integrado usando las herramientas de software adecuadas.
  • CEC2 - Analizar y evaluar arquitecturas de computadores incluyendo plataformas paralelas y distribuidas, y desarrollar y optimizar software para dichas plataformas.
    • CEC2.3 - Desarrollar y analizar software para sistemas basados en microprocesadores y sus interfícies con usuarios y otros dispositivos.
  • CEC3 - Desarrollar y analizar hardware y software para sistemas empotrados y/o de muy bajo consumo.
    • CEC3.1 - Analizar, evaluar y seleccionar las plataformas hardware y software más adecuadas para el soporte de aplicaciones empotradas y de tiempo real.
    • CEC3.2 - Desarrollar procesadores específicos y sistemas empotrados; desarrollar y optimizar el software de estos sistemas. 

    • Objetivos

    1. Diferenciar los distintos tipos de sistemas, y definir cuáles son sus características
      Competencias relacionadas: G6.2, CT1.2B,
    2. Comprender las características específicas de un procesador DSP respecto un procesador de propósito general
      Competencias relacionadas: CT6.2, CEC3.1, CT1.1B, CT1.2B,
    3. Diferenciar los distintos tipos de señales, y definir cuáles son sus características
      Competencias relacionadas: G6.2, CT1.2B,
    4. Comprender el significado y beneficios del procesamiento digital de la señal (PDS), y cuáles son las áreas de aplicación más habituales
      Competencias relacionadas: CEC3.2, CEC3.1, G6.2, CT1.1B, CT1.2B,
    5. Comprender el fundamentos del proceso de conversión analógico a digital, la interfaz necesaria en un sistema DSP y las limitaciones inherentes de este proceso.
      Competencias relacionadas: CEC3.2, CEC1.2, CT6.2, CEC3.1,
    6. Especificar, analizar y determinar los parámetros básico de una interfaz de entrada o salida analógica (adquisición y reconstrucción).
      Competencias relacionadas: CEC1.1, CEC1.2, CEC3.1,
    7. Conocer y aplicar la dualidad del dominio tiempo-frecuencia de la señal. Comprender las relaciones existentes entre ambos dominios
      Competencias relacionadas: CT1.2A, CT1.2C, G6.3, CT1.2B,
    8. Dominar las diversas alternativas para la implementación de la transformada de Fourier para señales discretas
      Competencias relacionadas: CEC2.3, CEC3.2, CT1.2A, CT1.2C, G6.3, CT7.2, CT5.6, CT1.2B,
    9. Reconocer la utilidad de las transformaciones discretas en el campo del PDS, y saber aplicar estas técnicas
      Competencias relacionadas: CEC2.3, CEC3.2, CT1.2A, CT1.2C, G6.3, CT7.2, CT5.6, CT1.2B,
    10. Utilizar la transformada z para la representación, análisis y diseño de señales y sistemas discretos
      Competencias relacionadas: CT1.2A, CT1.2C, CT1.2B,
    11. Definir las aplicaciones más habituales de la transformada z en los sistemas de PDS
      Competencias relacionadas: CEC2.3, CEC3.1, CT5.6, CT2.3,
    12. Conocer y saber aplicar la técnica de la correlación en el ámbito del PDS
      Competencias relacionadas: CEC2.3, CEC3.2, CT1.2A, CT1.2C, CEC3.1, CT1.2B, CT2.3,
    13. Conocer los ámbitos de aplicación de los filtros en los sistemas DSP
      Competencias relacionadas: CEC2.3, CEC3.2, CT1.2B,
    14. Diseñar filtros según los requisitos de la aplicación
      Competencias relacionadas: CEC1.2, CT6.2, CT5.5, CT1.2B,
    15. Saber aplicar los filtros FIR y filtros IIR según los requisitos de la aplicación
      Competencias relacionadas: CEC2.3, CT1.2A, CEC1.2, CT1.2B,
    16. Conocer las diferencias en la arquitectura de los DSP de coma flotante y de coma fija
      Competencias relacionadas: CEC2.3, CEC3.2, CT1.2A, CT1.2C, CEC1.1, CT7.2, CEC3.1, CT5.5, CT5.6, CT1.1B, CT1.2B,
    17. Analizar los errores inherentes en los sistemas DSP debidos a la cuantificación y la resolución finita
      Competencias relacionadas: CEC2.3, CT7.2, CT6.2, CEC3.1, CT1.1B, CT1.2B,
    18. Saber utilizar los entornos de desarrollo basados en DSP, por el rápido desarrollo de prototipos
      Competencias relacionadas: CT7.2, CEC3.1, CT5.5, CT2.3,
    19. Saber utilizar los paquetes de computación numérica para la simulación, análisis y desarrollo algoritmos en el ámbito del DSP
      Competencias relacionadas: CT5.5, CT1.2B, CT2.3,
    20. Saber aplicar las técnicas del DSP en los sistemas de audio
      Competencias relacionadas: CEC2.3, CEC3.2, G6.3, CEC1.1, CT7.2, CT5.5, CT2.3,
    21. Saber aplicar las técnicas del DSP en el ámbito de la imagen
      Competencias relacionadas: CEC2.3, CEC3.2, G6.3, CEC1.1, CT7.2, CT5.5, CT2.3,
    22. Saber aplicar las técnicas del DSP en el ámbito del vídeo
      Competencias relacionadas: CEC2.3, CEC3.2, G6.3, CT7.2, CT5.5, CT2.3,
    23. Aplicar las técnicas de compresión de la información (JPEG, MPEG, ...)
      Competencias relacionadas: CEC3.2, G6.3, CT7.2, CEC3.1, CT5.6, CT2.3,
    24. Conocer los componentes básicos de un sistema de procesamiento digital de la señal
      Competencias relacionadas: CEC2.3, CEC1.1, CT6.2, CT2.3,
    25. Conocer y saber aplicar la técnica de la convolución en el ámbito del PDS
      Competencias relacionadas: CEC2.3, CEC3.2, CT1.2A, CT1.2C, CEC3.1, CT1.2B, CT2.3,

    Contenidos

    1. Introducción
      - Senyals, sistemes i processat del senyal.
      - Aplicacions del PDS
      - Operadors bàsics en el PDS
      - Arquitectura dels microprocessadors DSP
      - Estructura dels sistemes PDS
    2. Discretización de señales
      - Mostreig de senyals. Sinusoide mostrejada.
      - Teorema del mostreig.
      - Espectre dels senyals mostrejats.
      - Relació de freqüències continu-discret.
      - Conversió analògic a digital. Quantificacions.
      - Conversió digital a analògic. Reconstrucció.
    3. Analisis frecuencial de la señal. Transformada de Fourier
      - Aplicaciones. ecualización, filtrado y compresión de audio, imágenes y video.
      - Transformada discreta de Fourier (DFT).
      - Transformada rápida de Fourier (FFT).
      - Transformada inversa de Fourier
    4. Transformada Z. Utilización para el procesado de la señal
      - Transformada Z.
      - Transformada Inversa Z.
      - Propietats de la transformada Z.
      - Aplicacions de la transformada Z en el PDS
    5. Correlación y Convolución

      - Correlació creuada i autocorrelació
      - Fast correlation.
      - Convolució. Circular. Deconvolució. Fast linear convolution.
      - Exemples d'aplicacions.
    6. Filtros digitales
      - Introducció
      - Funció de transferència.
      - Resposta impulsional.
      - Estabilitat.
      - Resposta freqüencial.
      - Estructures.
      - Criteris i procediment pel disseny de filtres digitals
      - Disseny de filtres de resposta impulsional finita
      - Disseny de filtres de resposta impulsional infinita
      - Exemples
    7. Procesadores para tratamiento de señales

      - Arquitectura i tipus
      - Criteris de selecció.
      - Implementació dels algorismes en PDS de propòsit general.
      - PDS de propòsit específic.
      - Sistemes de desenvolupament pel PDS.
    8. Procesado de señal de audio

      Equalització
      Efectes de so
      Compressió
      Sintetitzador de so i veu
    9. Procesado de images y video
      Formats d'imatges. Compressió
      Efectes d'imatge
      Equalització
      Compressió de vídeo

    Actividades

    Actividad Acto evaluativo


    Tema 1. Qué es el Procesado Digital de la Señal

    Participar activamente en la sesión presencial. Estudio autónomo de los materiales propuestos. Resolución de los problemas propuestos. Búsqueda de informción y sistemas en que el PDS es clave.
    • Teoría: - Señales, sistemas y procesado de la señal. - Aplicaciones del PDS - Operadores básicos en el PDS - Arquitectura de los microprocesadores DSP - Estructura de los sistemas PDS
    • Problemas: --
    • Laboratorio: --
    • Aprendizaje dirigido: --
    • Aprendizaje autónomo: --
    Objetivos: 4 24
    Contenidos:
    Teoría
    2h
    Problemas
    0h
    Laboratorio
    0h
    Aprendizaje dirigido
    0h
    Aprendizaje autónomo
    3h

    Tema 2. Discretización de señales

    Participar activamente en la sesión presencial. Estudio autónomo de los materiales propuestos. Resolución de problemas propuestos.
    • Teoría: Muestreo de señales. Sinusoide muestreada. - Teorema del muestreo. - Espectro de las señales muestreadas. - Relación de frecuencias continuo-discreto. - Conversión analógico a digital. Cuantificaciones. - Conversión digital a analógico. Reconstrucción
    Objetivos: 3 1 5 6
    Contenidos:
    Teoría
    3h
    Problemas
    0.5h
    Laboratorio
    0h
    Aprendizaje dirigido
    0h
    Aprendizaje autónomo
    8h

    Tema 3. Análisis frecuencial de la señal. Transformada de Fourier

    Participar activamente en las sesiones presenciales. Estudio autónomo de los materiales propuestos. Resolución de problemas propuestos. Búsqueda de información respecto a las diferentes transformadas discretas: concepto, propiedades, implementación y aplicación en el PDS.
    • Teoría: - Aplicaciones. Ecualización, filtrado y compresión de audio, imágenes y vídeo. -Transformada discreta de Fourier (DFT). - Algoritmo rápido (FFT). - Transformada Inversa de Fourier - Otras transformadas discretas (DCT,Wavelet
    Objetivos: 4 7 8 9 20 21 22
    Contenidos:
    Teoría
    3h
    Problemas
    1h
    Laboratorio
    0h
    Aprendizaje dirigido
    0h
    Aprendizaje autónomo
    6h

    Tema 4. Transformada Z. Utilización por el procesado de la señal

    Participar activamente en las sesiones presenciales. Estudio autónomo de los materiales propuestos. Resolución de los problemas propuestos
    • Teoría: - Transformada Z. - Transformada Inversa Z. - Propiedades de la transformada Z. - Aplicaciones de la transformada Z en el PDS
    Objetivos: 10 11
    Contenidos:
    Teoría
    3h
    Problemas
    1h
    Laboratorio
    0h
    Aprendizaje dirigido
    0h
    Aprendizaje autónomo
    12h

    Tema 5. Filtros digitales FIR

    Participar activamente en la sesión presencial. Estudio autónomo de los materiales propuestos. Resolución de los problemas propuestos
    • Teoría: - Introducción ¿ Filtros promedio. - Respuesta frecuencial ideal. - Windowing - Diseño de filtros de respuesta impulsional finita - Ejemplos
    Objetivos: 12 25
    Contenidos:
    Teoría
    4h
    Problemas
    2h
    Laboratorio
    0h
    Aprendizaje dirigido
    0h
    Aprendizaje autónomo
    12h

    Tema 6. Filtros digitales IIR

    Participar activamente en las sesiones presenciales. Estudio autónomo de los materiales propuestos. Resolución de los problemas propuestos
    • Teoría: - Introducción - Diseño de filtros de respuesta impulsional infinita - Metodo polvo y ceros -Ejemplos
    Objetivos: 7 13 14 15
    Contenidos:
    Teoría
    4h
    Problemas
    2h
    Laboratorio
    0h
    Aprendizaje dirigido
    0h
    Aprendizaje autónomo
    12h

    Tema 7. Procesado de audio

    Participar activamente en las sesiones presenciales. Estudio autónomo de los materiales propuestos. Resolución de los problemas propuestos
    • Teoría: Ecualización Efectos de sonido Compresión Sintetizador de sonido y voz
    Objetivos: 4 24 2 16 17 18 20 21
    Contenidos:
    Teoría
    3.5h
    Problemas
    1h
    Laboratorio
    0h
    Aprendizaje dirigido
    0h
    Aprendizaje autónomo
    9h

    Práctica 1. Sistemas y señales

    Lectura comprensiva del enunciado de la práctica, y del resto de materiales indicados en el enunciado. Realización de las actividades previas indicadas en el enunciado. Realización de los ejercicios que deben entregarse al inicio de la sesión de laboratorio.
    Objetivos: 4 24 2 3 1 5 6 17 18 20
    Contenidos:
    Teoría
    0h
    Problemas
    0h
    Laboratorio
    6h
    Aprendizaje dirigido
    0h
    Aprendizaje autónomo
    4h

    Práctica 2. Muestreo

    Lectura comprensiva del enunciado de la práctica, y del resto de materiales indicados en el enunciado. Realización de las actividades previas indicadas en el enunciado. Realización de los ejercicios que deben entregarse al inicio de la sesión de laboratorio.
    Objetivos: 4 24 2 7 8 9 10 11 12 25 20
    Contenidos:
    Teoría
    0h
    Problemas
    0h
    Laboratorio
    6h
    Aprendizaje dirigido
    0h
    Aprendizaje autónomo
    6h

    Práctica 3. Procesador DSP

    Lectura comprensiva del enunciado de la práctica, y del resto de materiales indicados en el enunciado. Realización de las actividades previas indicadas en el enunciado. Realización de los ejercicios que deben entregarse al inicio de la sesión de laboratorio.
    Objetivos: 4 2 3 1 13 14 15 19
    Contenidos:
    Teoría
    0h
    Problemas
    0h
    Laboratorio
    6h
    Aprendizaje dirigido
    0h
    Aprendizaje autónomo
    4h

    Práctica 4. Filtros FIR con DSP

    Lectura comprensiva del enunciado de la práctica, y del resto de materiales indicados en el enunciado. Realización de las actividades previas indicadas en el enunciado. Realización de los ejercicios que deben entregarse al inicio de la sesión de laboratorio.
    Objetivos: 16 17 18 19 20 23
    Contenidos:
    Teoría
    0h
    Problemas
    0h
    Laboratorio
    6h
    Aprendizaje dirigido
    0h
    Aprendizaje autónomo
    6h

    Práctica 5. Filtros IIR con DSP

    Lectura comprensiva del enunciado de la práctica, y del resto de materiales indicados en el enunciado. Realización de las actividades previas indicadas en el enunciado.
    Objetivos: 17 19 21 22 23
    Contenidos:
    Teoría
    0h
    Problemas
    0h
    Laboratorio
    6h
    Aprendizaje dirigido
    0h
    Aprendizaje autónomo
    8h

    Metodología docente

    No se hará distinción entre clases de teoría y problemas, las clases teóricas se reforzarán con ejemplos mostrando las posibles alternativas y soluciones a problemas del ámbito del DSP (tanto de componentes de un sistema DSP como de aplicaciones).
    Las sesiones de prácticas se realizarán 'in situ' en el laboratorio docente del departamento en la FIB.

    Método de evaluación

    La nota de la asignatura se obtiene a partir de dos componentes: la nota del trabajo (NT) y la nota de laboratorio (NL). Las dos componentes tienen un peso del 50% de la nota final.

    NT obtiene a partir de un trabajo que tiene un peso del 90% en la NT, y de la evaluación de las actividades relacionadas directamente con la competencia transversal (ACT), que tiene un peso del 10% en la NT.

    ACT obtiene de la realización de un trabajo relacionado con el contenido de la asignatura, donde el estudiante buscará información para completar los aspectos trabajados. Se hace especial atención en lo relativo a la calidad de las referencias utilizadas, su obtención y valoración crítica, y su correcto citación.

    La nota de laboratorio NL se obtiene a partir de la media de las evaluaciones individuales de las prácticas. Se realizarán 7 prácticas evaluables durante el curso.

    Bibliografía

    Básico

    Complementario

    Capacidades previas

    Programació en lenguaje C.
    Saber cómo se representan los números en un computador, y saber realizar operaciones aritmético-lógicas.
    Conocer el funcionamiento y estructura del procesador.
    Conocer la arquitectura y funcionamiento de un computador.
    Entender correctamente documentación escrita en inglés.