Processament Digital del Senyal

Crèdits
6
Tipus
Complementària d'especialitat (Enginyeria de Computadors)
Requisits
Departament
ESAII
L'assignatura Processament Digital del Senyal forma a l'estudiant en les tècniques i eines fonamentals del processament digital del senyal, i en el maquinari necessari per a la implementació d'aquests sistemes. Un processador digital de senyals o DSP és un sistema basat en un processador o microprocessador que posseeix un joc d'instruccions, un maquinari i un programari optimitzats per a aplicacions que requereixin operacions numèriques a molt alta velocitat.

Les aplicacions més habituals dels DSP són les que requereixen un processat en temps real, com el processat d'àudio i vídeo, la instrumentació, les comunicacions, equips de diagnòstic mèdic, dispositius mòbils, televisió digital, generació/reconeixement de veu, reproductors MP3, etc.

L'assignatura no té examen, ni parcial ni final. L'avaluació de l'assignatura es farà mitjançant les pràctiques del laboratori i un treball en grup,

Professorat

Responsable

Hores setmanals

Teoria
1.5
Problemes
0.5
Laboratori
2
Aprenentatge dirigit
0
Aprenentatge autònom
6

Competències

Competències Tècniques

Competències tècniques comunes

  • CT1 - Demostrar coneixement i comprensió de fets essencials, conceptes, principis i teories relatives a la informàtica i a les seves disciplines de referència.
    • CT1.1B - Demostrar coneixement i comprensió dels conceptes fonamentals de la programació i de l'estructura bàsica d'un computador. CEFB5. Coneixement de l'estructura, funcionament i interconnexió dels sistemes informàtics, i dels fonaments de la seva programació.
    • CT1.2A - Interpretar, seleccionar i valorar conceptes, teories, usos i desenvolupaments tecnològics relacionats amb la informàtica i la seva aplicació a partir dels fonaments matemàtics, estadístics i físics necessaris. CEFB1: capacitat per a resoldre els problemes matemàtics que es plantegin en la enginyeria. Aptitud per a aplicar els coneixements sobre: àlgebra, càlcul diferencial i integral i mètodes numèrics; estadística i optimització.
    • CT1.2B - Interpretar, seleccionar i valorar conceptes, teories, usos i desenvolupaments tecnològics relacionats amb la informàtica i la seva aplicació a partir dels fonaments matemàtics, estadístics i físics necessaris. CEFB2. Capacitat per a comprendre i dominar els fonaments físics i tecnològics de la informàtica: electromagnetisme, ones, teoria de circuits, electrònica i fotònica i la seva aplicació per a la resolució de problemes propis de l'enginyeria.
    • CT1.2C - Interpretar, seleccionar i valorar conceptes, teories, usos i desenvolupaments tecnològics relacionats amb la informàtica i la seva aplicació a partir dels fonaments matemàtics, estadístics i físics necessaris. CEFB3. Capacitat per a comprendre i dominar els conceptes bàsics de matemàtica discreta, lògica, algorísmica i complexitat computacional, i la seva aplicació per al tractament automàtic de la informació mitjançant sistemes computacionals i la seva aplicació per a la resolució de problemes propis de l'enginyeria.
  • CT2 - Utilitzar d'una manera apropiada teories, procediments i eines en el desenvolupament professional de l'enginyeria informàtica en tots els seus àmbits (especificació, disseny, implementació, desplegament -implantació- i avaluació de productes) de manera que es demostri la comprensió dels compromisos adoptats a les decisions de disseny.
    • CT2.3 - Dissenyar, desenvolupar, seleccionar i avaluar aplicacions, sistemes i serveis informàtics i, al mateix temps, assegurar-ne la fiabilitat, la seguretat i la qualitat en funció de principis ètics i de la legislació i la normativa vigents.
  • CT5 - Analitzar, dissenyar, construir i mantenir aplicacions de forma robusta, segura i eficient, triant el paradigma i els llenguatges de programació més adequats.
    • CT5.5 - Usar les eines d'un entorn de desenvolupament de software per a crear i desenvolupar aplicacions.
    • CT5.6 - Demostrar coneixement i capacitat d'aplicació dels principis fonamentals i de les tècniques bàsiques de la programació paral·lela, concurrent, distribuïda i en temps real.
  • CT6 - Demostrar coneixement i comprensió del funcionament intern d'un computador i del funcionament de les comunicacions entre ordinadors.
    • CT6.2 - Demostrar coneixement, comprensió i capacitat d'avaluar l'estructura i l'arquitectura dels computadors, i els components bàsics que els componen.
  • CT7 - Avaluar i seleccionar plataformes de producció hardware i software per a l'execució d'aplicacions i de serveis informàtics.
    • CT7.2 - Avaluar sistemes hardware/software en funció d'un criteri de qualitat determinat.

    • Competències Transversals

    Ús solvent dels recursos d'informació

  • G6 [Avaluable] - Gestionar l'adquisició, l'estructuració, l'anàlisi i la visualització de dades i d'informació de l'àmbit de l'enginyeria informàtica, i valorar de forma crítica els resultats d'aquesta gestió.
    • G6.3 - Planificar i utilitzar la informació necessària per a un treball acadèmic (per exemple, per al treball de final de grau) a partir d'una reflexió crítica sobre els recursos d'informació utilitzats. Gestionar la informació de manera competent, independent i autònoma. Avaluar la informació trobada i identificar-ne les llacunes.

    • Competències Tècniques de cada especialitat

    Especialitat enginyeria de computadors

  • CEC1 - Dissenyar i construir sistemes digitals, incloent computadors, sistemes basats en microprocessadors i sistemes de comunicacions.
    • CEC1.1 - Dissenyar un sistema basat en microprocessador/microcontrolador.
    • CEC1.2 - Dissenyar/configurar un circuit integrat utilitzant les eines de software adients.
  • CEC2 - Analitzar i avaluar arquitectures de computadors incloent plataformes paral·leles i distribuïdes, i desenvolupar i optimitzar software per a aquestes plataformes.
    • CEC2.3 - Desenvolupar i analitzar software per a sistemes basats en microprocessadors i les seves interfícies amb usuaris i altres dispositius.
  • CEC3 - Desenvolupar i analitzar hardware i software per a sistemes encastats i/o de molt baix consum.
    • CEC3.1 - Analitzar, avaluar i seleccionar les plataformes hardware i software més adients per al suport d'aplicacions encastades i de temps real.
    • CEC3.2 - Desenvolupar processadors específics i sistemes encastats; desenvolupar i optimitzar el software d'aquests sistemes. 

    • Objectius

    1. Diferenciar els diferents tipus de sistemes, i definir quines són les seves característiques
      Competències relacionades: G6.2, CT1.2B,
    2. Comprendre les característiques especifiques d'un processador DSP respecte un processador de propòsit general
      Competències relacionades: CT6.2, CEC3.1, CT1.1B, CT1.2B,
    3. Diferenciar els diferents tipus de senyals, i definir quines són les seves característiques
      Competències relacionades: G6.2, CT1.2B,
    4. Comprendre el significat i beneficis del processament digital del senyal (PDS), i quines són les àrees d'aplicació més habituals
      Competències relacionades: CEC3.2, CEC3.1, G6.2, CT1.1B, CT1.2B,
    5. Comprendre el fonaments del procés de conversió analògic a digital, la interfície necessària en un sistema DSP i les limitacions inherents d'aquest procés.
      Competències relacionades: CEC3.2, CEC1.2, CT6.2, CEC3.1,
    6. Especificar, analitzar i determinar els paràmetres bàsic d'una interfície d'entrada o sortida analògica (adquisició i reconstrucció).
      Competències relacionades: CEC1.1, CEC1.2, CEC3.1,
    7. Conèixer i aplicar la dualitat del domini temps-freqüència del senyal. Comprendre les relacions existents entre ambdós dominis
      Competències relacionades: CT1.2A, CT1.2C, G6.3, CT1.2B,
    8. Dominar les diverses alternatives per a la implementació de la transformada de Fourier per senyals discretes
      Competències relacionades: CEC2.3, CEC3.2, CT1.2A, CT1.2C, G6.3, CT7.2, CT5.6, CT1.2B,
    9. Reconèixer la utilitat de les transformacions discretes en el camp del PDS, i saber aplicar aquestes tècniques
      Competències relacionades: CEC2.3, CEC3.2, CT1.2A, CT1.2C, G6.3, CT7.2, CT5.6, CT1.2B,
    10. Utilitzar la transformada z per a la representació, anàlisi i disseny de senyals i sistemes discrets
      Competències relacionades: CT1.2A, CT1.2C, CT1.2B,
    11. Definir les aplicacions més habituals de la transformada z en els sistemes de PDS
      Competències relacionades: CEC2.3, CEC3.1, CT5.6, CT2.3,
    12. Conèixer i saber aplicar la tècnica de la correlació en l'àmbit del PDS
      Competències relacionades: CEC2.3, CEC3.2, CT1.2A, CT1.2C, CEC3.1, CT1.2B, CT2.3,
    13. Conèixer els àmbits d'aplicació dels filtres en els sistemes DSP
      Competències relacionades: CEC2.3, CEC3.2, CT1.2B,
    14. Dissenyar filtres segons els requisits de l'aplicació
      Competències relacionades: CEC1.2, CT6.2, CT5.5, CT1.2B,
    15. Saber aplicar els filtres FIR i filtres IIR segons els requisits de l'aplicació
      Competències relacionades: CEC2.3, CT1.2A, CEC1.2, CT1.2B,
    16. Conèixer les diferències en l'arquitectura dels DSP de coma flotant i de coma fixa
      Competències relacionades: CEC2.3, CEC3.2, CT1.2A, CT1.2C, CEC1.1, CT7.2, CEC3.1, CT5.5, CT5.6, CT1.1B, CT1.2B,
    17. Analitzar els errors inherents en els sistemes DSP deguts a la quantificació i la resolució finita
      Competències relacionades: CEC2.3, CT7.2, CT6.2, CEC3.1, CT1.1B, CT1.2B,
    18. Saber utilitzar els entorns de desenvolupament basats en DSP, pel ràpid desenvolupament de prototips
      Competències relacionades: CT7.2, CEC3.1, CT5.5, CT2.3,
    19. Saber utilitzar els paquets de computació numèrica per la simulació, anàlisi i desenvolupament algorismes en l'àmbit del DSP
      Competències relacionades: CT5.5, CT1.2B, CT2.3,
    20. Saber aplicar les tècniques del DSP en els sistemes d'àudio
      Competències relacionades: CEC2.3, CEC3.2, G6.3, CEC1.1, CT7.2, CT5.5, CT2.3,
    21. Saber aplicar les tècniques del DSP en l'àmbit de l'imatge
      Competències relacionades: CEC2.3, CEC3.2, G6.3, CEC1.1, CT7.2, CT5.5, CT2.3,
    22. Saber aplicar les tècniques del DSP en l'àmbit del vídeo
      Competències relacionades: CEC2.3, CEC3.2, G6.3, CT7.2, CT5.5, CT2.3,
    23. Aplicar les tècniques de compressió de la informació (JPEG, MPEG, ...)
      Competències relacionades: CEC3.2, G6.3, CT7.2, CEC3.1, CT5.6, CT2.3,
    24. Conèixer els components bàsics d'un sistema de processament digital del senyal
      Competències relacionades: CEC2.3, CEC1.1, CT6.2, CT2.3,
    25. Conèixer i saber aplicar la tècnica de la convolució en l'àmbit del PDS
      Competències relacionades: CEC2.3, CEC3.2, CT1.2A, CT1.2C, CEC3.1, CT1.2B, CT2.3,

    Continguts

    1. Introducció.
      - Senyals, sistemes i processat del senyal.
      - Aplicacions del PDS
      - Operadors bàsics en el PDS
      - Arquitectura dels microprocessadors DSP
      - Estructura dels sistemes PDS
    2. Discretització de senyals.
      - 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. Analisi freqüèncial del senyal. Transformada de Fourier
      - Aplicacions. Equalització, filtrat i compressió d' àudio, imatges i vídeo.
      -Transformada discreta de Fourier (DFT).
      - Algorisme ràpid (FFT).
      - Transformada Inversa de Fourier
    4. Transformada Z. Utilització pel processat del senyal
      - Transformada Z.
      - Transformada Inversa Z.
      - Propietats de la transformada Z.
      - Aplicacions de la transformada Z en el PDS
    5. Correlació i convolució

      - Correlació creuada i autocorrelació
      - Fast correlation.
      - Convolució. Circular. Deconvolució. Fast linear convolution.
      - Exemples d'aplicacions.
    6. Filtres digitals
      - 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. Processadors pel tractament del senyal

      - Arquitectura i tipus
      - Criteris de selecció.
      - Implementació dels algorismes en PDS de propòsit general.
      - PDS de propòsit específic.
      - Sistemes de desenvolupament pel PDS.
    8. Processat d'àudio

      Equalització
      Efectes de so
      Compressió
      Sintetitzador de so i veu
    9. Processat d'imatges i vídeo
      Formats d'imatges. Compressió
      Efectes d'imatge
      Equalització
      Compressió de vídeo

    Activitats

    Activitat Acte avaluatiu


    Tema 1. Què es el Processat Digital del Senyal

    Participar activament en la sessió presencial. Estudi autònom dels materials propossats. Resolució dels problemes proposats. Busqueda d'informció i sistemes en que el PDS és clau.
    • Teoria: - Senyals, sistemes i processat del senyal. - Aplicacions del PDS - Operadors bàsics en el PDS - Arquitectura dels microprocessadors DSP - Estructura dels sistemes PDS
    • Problemes: --
    • Laboratori: --
    • Aprenentatge dirigit: --
    • Aprenentatge autònom: --
    Objectius: 4 24
    Continguts:
    Teoria
    2h
    Problemes
    0h
    Laboratori
    0h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    3h

    Tema 2. Discretització de senyals

    Participar activament en la sessió presencial. Estudi autònom dels materials propossats. Resolució dels problemes proposats.
    • Teoria: 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
    Objectius: 3 1 5 6
    Continguts:
    Teoria
    3h
    Problemes
    0.5h
    Laboratori
    0h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    8h

    Tema 3. Analisi freqüèncial del senyal. Transformada de Fourier

    Participar activament en les sessions presencials. Estudi autònom dels materials proposats. Resolució dels problemes proposats. Recerca d'informació respecte les diferents transformades discretes: concepte, propietats, implementació i aplicació en el PDS.
    • Teoria: - Aplicacions. Equalització, filtrat i compressió d' àudio, imatges i vídeo. -Transformada discreta de Fourier (DFT). - Algorisme ràpid (FFT). - Transformada Inversa de Fourier - Altres transformades discretes (DCT,Wavelet
    Objectius: 4 7 8 9 20 21 22
    Continguts:
    Teoria
    3h
    Problemes
    1h
    Laboratori
    0h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    6h

    Tema 4. Transformada Z. Utilització pel processat del senyal

    Participar activament en les sessió presencial. Estudi autònom dels materials proposats. Resolució dels problemes proposats
    Objectius: 10 11
    Continguts:
    Teoria
    3h
    Problemes
    1h
    Laboratori
    0h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    12h

    Tema 5. Filtres digitals FIR

    Participar activament en la sessió presencial. Estudi autònom dels materials proposats. Resolució dels problemes proposats
    • Teoria: - Introducció ¿ Filtres promig. - Resposta freqüencial ideal. - Windowing - Disseny de filtres de resposta impulsional finita - Exemples
    Objectius: 12 25
    Continguts:
    Teoria
    4h
    Problemes
    2h
    Laboratori
    0h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    12h

    Tema 6. Filtres digitals IIR

    Participar activament en les sessions presencials. Estudi autònom dels materials proposats. Resolució dels problemes proposats
    • Teoria: - Introducció - Disseny de filtres de resposta impulsional infinita ¿ Metode pols i zeros -Exemples
    Objectius: 7 13 14 15
    Continguts:
    Teoria
    4h
    Problemes
    2h
    Laboratori
    0h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    12h

    Tema 7. Processat d'àudio

    Participar activament en les sessions presencials. Estudi autònom dels materials proposats. Resolució dels problemes proposats
    • Teoria: Equalització Efectes de so Compressió Sintetitzador de so i veu
    Objectius: 4 24 2 16 17 18 20 21
    Continguts:
    Teoria
    3.5h
    Problemes
    1h
    Laboratori
    0h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    9h

    Pràctica 1. Sistemes i senyals

    Lectura comprensiva de l'enunciat de la pràctica, i de la resta de materials indicats a l'enunciat. Realització de les activitats prèvies indicades a l'enunciat. Realització dels exercicis que s'han d'entregar a l'inici de la sessió de laboratori.
    Objectius: 4 24 2 3 1 5 6 17 18 20
    Continguts:
    Teoria
    0h
    Problemes
    0h
    Laboratori
    6h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    4h

    Pràctica 2. Mosterig

    Lectura comprensiva de l'enunciat de la pràctica, i de la resta de materials indicats a l'enunciat. Realització de les activitats prèvies indicades a l'enunciat. Realització dels exercicis que s'han d'entregar a l'inici de la sessió de laboratori.
    Objectius: 4 24 2 7 8 9 10 11 12 25 20
    Continguts:
    Teoria
    0h
    Problemes
    0h
    Laboratori
    6h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    6h

    Pràctica 3. Processador DSP

    Lectura comprensiva de l'enunciat de la pràctica, i de la resta de materials indicats a l'enunciat. Realització de les activitats prèvies indicades a l'enunciat.
    Objectius: 4 2 3 1 13 14 15 19
    Continguts:
    Teoria
    0h
    Problemes
    0h
    Laboratori
    6h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    4h

    Pràctica 4. Filtres FIR amb DSP

    Lectura comprensiva de l'enunciat de la pràctica, i de la resta de materials indicats a l'enunciat. Realització de les activitats prèvies indicades a l'enunciat.
    Objectius: 16 17 18 19 20 23
    Continguts:
    Teoria
    0h
    Problemes
    0h
    Laboratori
    6h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    6h

    Pràctica 5. Filtres IIR amb DSP

    Lectura comprensiva de l'enunciat de la pràctica, i de la resta de materials indicats a l'enunciat. Realització de les activitats prèvies indicades a l'enunciat.
    Objectius: 17 19 21 22 23
    Continguts:
    Teoria
    0h
    Problemes
    0h
    Laboratori
    6h
    Aprenentatge dirigit
    0h
    Aprenentatge autònom
    8h

    Metodologia docent

    No es farà distinció entre classes de teoria i problemes, les classes teòriques es reforçaran amb exemples mostrant les possibles alternatives i solucions a problemes de l'àmbit del DSP (tant de components d'un sistema DSP com d'aplicacions).
    Les sessions de pràctiques es realitzaran 'in situ' al laboratori docent del departament a la FIB.

    Mètode d'avaluació

    La nota de l'assignatura s'obté a partir de dos components: la nota del treball (NT) i la nota de laboratori (NL). Les dues components tenen un pes del 50% de la nota final.

    NT s'obté a partir d'un treball en grup que té un pes del 90%, i de l'avaluació de les activitats relacionades directament amb la competència transversal (ACT), que té un pes del 10% en la NT.

    ACT s'obté de la realització d'un treball relacionat amb el contingut de l'assignatura, on l'estudiant buscarà informació per completar els aspectes treballats. Es fa especial atenció en allò relatiu a la qualitat de les referències utilitzades, la seva obtenció i valoració crítica, i la seva correcte citació.

    La nota de laboratori NL s'obté a partir de la mitjana de les avaluacions individuals de les pràctiques. Es realitzaran 5 pràctiques avaluables durant el curs. La nota NL s'obté a partir del treball realitzat a totes les sessions de laboratori, així com per la feina de preparació que requereixen que es presenta i avalua a l'inici de les sessions de laboratori.

    La fórmula que descriu la nota final de l'assignatura és:

    NOTA = 0.5*NT+ 0.5*NL

    * És condició necessària per superar l'assignatura realitzar i presentar adequadament les pràctiques de laboratori.

    Bibliografia

    Bàsic

    Complementari

    Capacitats prèvies

    Programació en llenguatge C.
    Saber com es representen els números en un computador, i saber realitzar operacions aritmètico-lògiques.
    Conèixer el funcionament i estructura del processador.
    Conèixer l'arquitectura i funcionament d'un computador.
    Entendre correctament documentació escrita en anglès.