La presente investigación estuvo dirigida a definir el Procesamiento Digital de Señales, su definición, componentes, ventajas, desventajas y tendencias. Se trata sobre un método de tratamiento de datos cuyas aplicaciones involucran diferentes disciplinas e inclusive de aplicaciones diarias por el ser humano, cuyo fundamento radica en la ventaja del manejo de los datos digitales para la recuperación de los datos originales, que bien pudieran ser de fuentes analógicas. Para finalizar se muestran dos tendencias actuales de las telecomunicaciones, las cuales tienen entre su basamento el procesamiento digital de la voz, a saber la telemetría y la domótica, así como también se plantea la posibilidad de realizar otras acciones importantes controladas por la voz procesada en forma digital.
PALABRAS CLAVE: Procesamiento, Digital, Señales, Voz.
La ciencia y la tecnología han avanzado de forma que muchos componentes electrónicos pueden aplicarse a diferentes disciplinas; es el caso de los circuitos integrados, microprocesadores y computadores, los cuales constituyen un tema que se ha vuelto indispensable por su aplicación en áreas como la medicina, la ingeniería, la seguridad, la economía, la biología, entre otras.
Los circuitos integrados han evolucionado desde la integración a escala media (MSI), pasando por la integración a gran escala (LSI) y actualmente la integración a gran escala (VLSI), lo cual a permitido que dispositivos digitales mas pequeños, rápidos y económicos formen parte de modernos sistemas que realizan funciones para complejos proceso de tratamiento de la señal digital.
La referencia a que el tratamiento de la señal digital es un proceso complejo se debe a que la mayor parte de las aplicaciones del Procesamiento Digital de Señales manipulan señales analógicas; así que "una señal continua que está definida con precisión (supuesta) infinita es convertida en una señal que está representada digitalmente [1].
La razón de que el procesamiento se realice en dirección a la digitalización se deriva de la ventaja que esta ofrece en la recuperación de la señal posterior a los efectos que tiene, por citar un ejemplo, la línea de transmisión, que por no poseer linealidades en su función de transferencia (respuesta en frecuencia) crea distorsiones sobre los pulsos digitales; o bien ante factores como el ruido eléctrico que se induce en las señales y produce distorsión en la forma de onda cuadrática. No obstante, tras un proceso de amplificación por un amplificador digital puede llegar a regenerarse e incluso prevenir el ruido y otras distorsiones a lo largo de la transmisión, lo que no sucede con las señales analógicas, que por su continuidad poseen múltiples variaciones en su forma de onda, razón por la cual no puede eliminarse la distorsión.
"Con las técnicas digitales, se produce una taza de error extremadamente baja, produciendo una señal de alta fidelidad con posibilidad de detección de error y corrección por un proceso similar que no es compatible con los analógicos" [2].
En este orden de ideas, se puede definir al Procesamiento Digital de Señales como un sistema electrónico, que realiza operaciones matemáticas para manipular, o controlar señales que son representadas digitalmente. Estas señales pueden ser de voz, música, etc; y se representan por intervalos periódicos para posteriormente codificarlas y llevarlas a números binarios.
En general un sistema DPS se compone por elementos que le permitan recabar las señales analógicas y luego que luego de ser procesadas las regrese a su forma original; por lo que el procesado de señales implica tres etapas, a saber: a) la conversión analógica/digital, b) el procesado de la señal digital propiamente y c) la conversión de la señal digital que ha sido procesada en una señal continua.
A continuación se muestra en forma de bloques un sistema de procesado digital de señales [3]:
El diagrama de bloques anterior muestra los elementos principales de un sistema procesador digital de señales. Nótese que el mismo inicia con una flecha resaltada, la cual indica la que la señal que entra al primer filtro analógico proviene de una fuente de información, externa al diagrama en referencia. El primer filtro analógico pasa-baja el cual funciona con una frecuencia de corte suficientemente inferior a la mitad de la frecuencia de muestreo. Es muy usual que se utilicen filtros simples: de primero orden pasivos (RC) o de segundo orden activos, es decir que utilicen necesariamente un amplificador operacional en la adaptación de las señales; esto sucede porque en los filtros de mayor orden se presenta mas atenuación, de tal manera que permite una frecuencia de corte mas próxima a la mitad de la de muestreo. La finalidad de la utilización de este pre-filtro es prevenir el efecto aliasing, el cual no permite la distinción de las señales continuas distintas, al ser muestreadas en forma digital.
Cabe destacar, el efecto aliasing representa un factor crítico en el proceso de conversión analógica-digital, sobre todo en señales de audio y video, la cual representa la segunda etapa en el diagrama de bloques precitado. La entrada al convertidor analógico digital es una señal analógica, que varía con el tiempo, por lo que se utiliza un circuito Sample-and-Hold (S/H) el cual muestrea la señal analógica de entrada en intervalos periódicos de tiempo y mantiene el valor constante muestreado en la entrada de dicho convertidor. A la salida se encuentra una cadena de datos binarios que posteriormente son procesados por el procesador digital que implementa el algoritmo deseado. Luego, en el cuarto bloque, la señal es convertida en señal analógica mediante el convertidor analógico-digital. Finalmente el filtro pasabajas elimina los componentes de frecuencia indeseables para que a la salida se tenga la señal analógica procesada.
En relación a los usos del procesado digital de señales, se puede destacar que en principio se diseño para simular el funcionamiento de sistemas analógicos como paso previo a su construcción, teniendo como principal ventaja la posibilidad de plantear, en el dominio digital, ecuaciones que no se corresponden a un sistema realizable físicamente, esto proporciona un campo de aplicación muy amplio, teniendo como resultado que las tareas que realizadas por circuito electrónico, pueden ser ejecutadas por un computador.
Es por ello que diversos autores, comparan el procesamiento de señales analógicas con el procesamiento digital. "Una de las mayores desventajas del APS (Procesamiento Análogo de Señales) es su limitado alcance para ejecutar el procesamiento de aplicaciones. Esto se traduce dentro de una inflexibilidad y complejidad en el diseño de procesadores…// usar el DSP (Procesamiento de Señales Digitales) permite aprovecha y posibilita convertir la señales para ser procesadas por computadores personales"[4].
Entre las ventajas que tiene el Procesamiento Digital de Señales, se encuentran: a) la facilidad de cambiar los algoritmos sin necesidad de modificar el circuito electrónico, tal y como sucede con los sistemas analógicos; b) la memoria y la lógica de un procesador no se alteran , de manera que los procesos repetibles no se influencian por aspectos como la intolerancia de componentes a condiciones, o ajustes individuales en los mismos; c) dado a que los algoritmos son ecuaciones matemáticas su resultado no varía, aunque sea remplazado un dispositivo, lo que también tiene influencia en el aspecto económico. Por otro lado la modificación de funcionamiento se debe realizar a nivel de software (en el algoritmo); d) se pueden generar formas de ondas en forma arbitraria, de manera que se pueden almacenar señales para ser procesadas a posteriori.
Evidentemente, que existen diferentes herramientas para el diseño de los algoritmos, inclusive muchos modelos matemáticos ya han sido elaborados tales como la derivación o la obtención de formulas, dado a que existen herramientas que permiten automatizar procesos desde el diseño hasta la programación del dispositivo ejecutor, lo cual representa otra ventaja de los sistemas de procesamiento digital.
No obstante, el funcionamiento de estos procesadores se ve afectado ante señales cuyo ancho de banda es excesivamente grande como para permitir su tratamiento digital en tiempo real.
Asimismo, se puede considerar una ventaja que dado su carácter de software, no se ve afectado por el envejecimiento de los componentes, o la disparidad entre estos, por defectos de fabricación.
En relación a sus desventajas, se pueden mencionar: "Mayor limitación en frecuencias altas, ya que normalmente se requieren conversores A/D capaces de tomar muestras a una tasa varias veces mayor que la de frecuencia de la señal analógica, y procesadores capaces de efectuar muchas operaciones por cada muestra recibida" [5]
Por otro lado la complejidad en su diseño, y el limitado dinamismo para amplitudes y frecuencias tras los procesos de discretización en amplitud y filtrado.
Entre sus aplicaciones, se pueden considerar aéreas como las siguientes: a) electrónica de consumo: TV/Audio digital, cámaras digitales, detectores de radar; b) instrumentación y control: filtros digitales, análisis de espectros, control de discos, control de motores; c) automoción: control de airbag, control de la velocidad del crucero; d) telecomunicaciones: cancelación de eco, módem, encriptación de datos, telefonía celular, telefonía inalámbrica, videoconferencias; e) aplicaciones industriales y militares: control numérico, seguridad de acceso y comunicación, sonar (formación de haces, medición de distancia, demarcación, velocidad), radar (medición de distancia y velocidad, compresión del pulso), guías de misiles; f) medicina: reducción de ruido y diagnósticos de electrocardiogramas, electroencefalogramas, tomografías axiales, resonancias magnéticas, y ultrasonidos; g) afines a la geografía: alertas de maremotos, tsunamis, medición de energías de las olas, estudios climatológicos y de terremotos; h) Imágenes: mejora de brillo, contraste, color, nitidez, restauración de las mismas; i) telefonía: conmutación en plantas telefónicas, decodificación de discado por tonos, cancelación de ecos y telefonía satelital; j) audio: ecualización, reverberación artificial, compresión de información,; k) voz: compresión de información, identificación de personas y reconocimiento de voz.
Es de notar que, dichas aplicaciones se presentan manipulando la tipificación común de la información, a saber audio, video, datos. Para ejemplificar, se puede considerar la manipulación de las señales de voz
La voz es una señal que lleva una información consciente, si se quiere inteligente, la cual es producida para que las personas que la escuchan obtenga dicha información en forma directa. De manera que, considerando los principio de las telecomunicaciones (comunicaciones a distancia – o por medio de equipos electrónicos), independientemente, de que si el destinatario está conectado en tiempo real o si almacena la señal de voz para su posterior reproducción, su procesamiento involucra dos aspectos. El primero se oriente a la reducción del acho de banda necesario para su transmisión, manteniendo la mayor calidad y la segunda la encriptación de esta señal de manera que sea asegurada una confidencialidad de los mensajes.
Es de notar, que la voz constituye un fenómeno natural, y rápido (hasta 160 palabras por minuto), flexible, accesible y dinámico. No obstante posee información redundante y portador de ruido, el cual debe ser eliminado para poder extraer la información importante.
Cabe destacar, que la voz posee ciertos parámetros resultantes, tras la eliminación del ruido, a saber: coeficientes de predicción lineal, coeficientes cepstrales, escala de Bark (modelo perceptual de oído), y componentes de energía multi-resolución y según modelos auditivos; los cuales permiten codificar, comprimir y digitalizar la misma.
El procesado digital de la voz, requiere que la señal acústica sea convertida a eléctrica mediante un micrófono y la conversión de la señal analógica resultante a señal digital. Para restaurar o generar una señal audible partiendo de un sistema digital, entonces se debe realizar el proceso contrario (conversión digital/analógica), y manipular parámetros tales como su amplitud y su radiación mediante un altavoz.
La conversión analógica/digital necesita, obviamente, de un muestreo de los valores de la señal a cada cierto intervalo temporal, cuyo inverso determina la frecuencia de Nyquist. Una vez discretizada la señal en tiempo, se discretizan también los valores en amplitud mediante un convertidor analógico/digital que deberá ser de un numero elevado de bits (para telefonía digital se utilizan 8 bits, en audio con calidad compact disc 16 bits), de manera que se genera una secuencia de muestras que obedece al modelo de la Modulación por Pulsos Codificador (PCM).
Es de notar, que la codificación de la voz, reduce el volumen de información necesario para almacenar o transmitir una señal de voz, de forma que la perdida de calidad de la señal decodificada sea la menor posible; para ello "deberá mantenerse la inteligibilidad del mensaje y existirá un compromiso de calidad versus tasa de compresión, complejidad computacional, etc" [6]; un aspecto de definitivamente, debe ser considerado por los diseñadores de los PDS.
En general los diseñadores de PDS para voz, se centran en dos aspectos: a) la codificación de forma de onda, que intenta reproducir exactamente la forma de onda de la señal a codificar y b) los métodos paramétricos, con los que se busca un modelo de producción del habla, y la reproducción en el proceso de decodificación de una señal que al ser escuchada sea parecida a la original, aunque existan distorsiones en la forma de onda generada.
Es importante hacer mención que los codificadores manejan señales de hasta 20 KHz, mientras que el oído humano detecta sonidos desde un mínimo de 5 Hz a un máximo de 20 KHz; lo que hace que la voz esté en el límite superior de la capacidad auditiva del ser humano. No obstante, "la mayor parte de la información en la señal de voz se localiza en la mitad inferior de la señal, tal que la voz humana ronda los 7 KHz" [7].
La siguiente figura [8], muestra un esquema en forma de módulos para la digitalización de la señales de voz.
Se puede observar la aplicación del procesamiento digital en las diferentes etapas del mismo; bien sea en la extracción de parámetros, el reconocimiento de la voz, o el etiquetado que se realiza posterior a la extracción de los parámetros de la voz.
El procesamiento digital de señales, lleva consigo un conjunto de tendencias que una vez fueron consideradas futuristas; no obstante cada día se profundiza más en estos aspectos, a saber el estudio de la demótica y la telemetría; de tal manera que con ellos se puede controlar objetos mediante el uso de la señal de voz. Ciertamente, que para ello es necesaria la digitalización de la señal de voz para obtener la respuesta deseada. De tal manera que la voz y sus componentes necesitan de un sistema de reconocimiento de voz.
Otra aplicación de los PDS en el ámbito de la voz, se observa en el envío de mensajes de textos, a números telefónicos analógicos, en los que el texto de los mensajes es traducido a una señal analógica, lo que hace pensar en la posible realidad de practicas de cirugías controladas por voz, accesos a servicios, llenado de formularios, entre otras acciones posibles mediante el uso del Procesamiento Digital de Señales.
[1] Colla, P. (2007), "Bores Signal Processing. Tutorial de Procesamiento Digital de Señales (DSP). Teoría Básica" [En línea]. Disponible en: http://www.bores.com/courses/intro.
[2] Sklar, X. "Comunicación Digital Avanzada". Editorial, pp. 4, AÑO
[3] Martínez M, Serrano, A. y Gómez, J. "Introducción al Procesado Digital de Señales". Universidad de Valencia, Curso 2009-2010, pp. 1.6
[4] Ingle, K, y Poakis, J. "Digital Signal Processing Using V.4", PWS, USA, 1997. Pp. 19.
[5] Barchiesi, J. (2008), "Introducción al Procesamiento Digital de Señales", Ediciones Universitarias Valparaiso, España, pp.23
[6] Fagúndez, M (2000). "Tratamiento digital de voz e imagen y aplicación a la multimedia". Marcombo, España, pp. 38.
[7] SA, (s/f). [En línea]. "Capítulo III, Compresión", Disponible en:
http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/4070/III_-_Compresi%C3%B3n.pdf?sequence=6
[8] Suarez, S. (s/f), "Procesamiento de Voz, Retos actuales", [En línea], Disponible en:
http://www.cic.ipn.mx/sitioCIC/images/seminarios/b11/Material/proyectos.pdf
[9] Gomez, J (2011),"Procesamiento Digital de Señales de Voz" [En línea], Disponible en: www.fcera.unr.edu.ar/prodivoz/apuntes.htm.
[10] Ballesi, F. y Ortíz F. (2008), "Reconocimiento de Voz para aplicación en domótica". Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Nicolas, Argentina. Pp. 6
Autor:
Ing. Héctor, R. Martínez
Participante de la Maestría en Ingeniería Electrónica (opción Telecomunicaciones)
UNEXPO-Barquisimeto, Venezuela.