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Engenharia Elétrica ·
Processamento Digital de Sinais
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REDES CONVERGENTES Leandro Salenave Gonçalves Codecs Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto você deve apresentar os seguintes aprendizados Definir o que são codecs e para que servem Descrever a função do DSP digital signal processor Identificar os principais codecs suas características e principais aplicações Introdução É comum ouvir as pessoas expressarem por meio de frases bemhumoradas que os aparelhos celulares atuais até fazem ligação e são tantas as disponibilidades e os recursos embarcados nesses aparelhos que essa expressão faz todo sentido Esse dispositivo eletrônico em específico representa bem a evolução exponencial que a tecnologia recebeu ao longo dos anos Contudo a quantidade de serviços embarcados disponíveis requer a construção de hardware e software mais eficientes bem como um ambiente de telecomunicação que atenda a essa crescente gama de necessidades Neste capítulo você estudará o processo de codificar e decodificar a voz humana Além disso verá como a indústria eletrônica foi sensível às necessidades e criou através de um encapsulamento um processador de sinal digital Por fim conhecerá as principais características e aplicações desses processadores chamados de DSP digital signal processor 1 A função dos codecs Com o passar dos anos e o avanço da tecnologia houve um crescente aumento na utilização de serviços de voz De acordo com Haykin e Moher 2008 p 20 A introdução desses serviços aumentou a mobilidade e a área de serviços de muitas aplicações existentes criando numerosas aplicações Contudo utilizar um dispositivo que foi projetado para se comunicar através da voz e permitir que por este mesmo canal possam trafegar dados requer uma transformação do sinal por uma codificação bem específica Segundo Haykin e Moher 2008 p 201 Um sinal analógico por exemplo um sinal de voz apresenta uma faixa con tínua de amplitudes então suas amostras também terão uma faixa contínua de amplitudes Em outras palavras dentro da faixa de amplitude do sinal identificamos um número finito de níveis possíveis Entretanto sabendo que qualquer um dos sentidos humanos por exemplo a audição pode detectar apenas finitas diferenças de intensidade podese aproximar o sinal analógico a uma versão quantizada que é constituída de amplitude discreta selecionada a partir de um conjunto com um erro mínimo A palavra codec é uma junção de parte das palavras CODificador e DECodificador Os codecs podem ser implementados tanto em hardware quanto em software e têm por objetivo transformar a voz humana um sinal analógico em uma sequência de bits um sinal digital para transmitir uma rede de dados Se você buscar na internet pela palavra codec terminologia básica deste capítulo é muito provável que encontre como resultado os programas que executam codificação e decodificação de mídia e não de voz Embora seja um acrônimo fique atento pois são aplicações totalmente diferentes Codecs 2 O codec é chamado de codificaçãodecodificação porque a sua atividade é receber os sinais provenientes de uma linha telefônica identificar os sinais digitais realizar a descompressão e a correção de erros quando existirem e na transmissão de dados realizar a conversão dos sinais digitais para o formato analógico A Figura 1 a seguir apresenta um exemplo de processa mento de sinal Figura 1 Exemplo simples de um processamento de sinal ADC analogtodigital converter conversor analógicodigital DAC digitaltoanalog converter conversor digitalanalógico Fonte Adaptada de Wolter 2007 Sinal analógico Sinal analógico DAC ADC Processamento do sinal digital Na prática a Figura 1 tem o mesmo funcionamento de um modem aparelho comumente utilizado nas residências para conectar equipamentos eletrônicos à internet inclusive por linhas telefônicas Também é correto afirmar que possuindo as conexões necessárias por meio da programação de um software específico é possível criar um codec como ocorria até a criação dos chips que encapsulam esses software Historicamente é possível dividir os microchips que atuam como codecs em quatro gerações Na primeira geração os cálculos demoravam cerca de 390 ms para retornar e o TMS32010 da Texas Instruments teve seu uso ampla mente difundido por utilizar uma ferramenta chamada RTDX Real Time Data Exchange A segunda geração de DSPs por sua vez possuía três memórias de armazenamento dois núcleos de operações simultâneas implantação de loops e operação em 24 bits Em 1995 a terceira geração incluiu a capaci dade de processamento paralelo e a utilização de matrizes Por fim a quarta geração a atual possui uma arquitetura superescalar eclock muito mais robusta e o processamento caiu para 3 ns Um exemplo de microchip DSP de quarta geração é o C6000 da Texas Instruments Ele possui 6 clocks 1G hz de processamento e 8000 MIPS milhões de instruções por segundo 3 Codecs Hoje é completamente possível fazer a aquisição de placas de núcleos com DSP e com um baixo investimento realizar estudos nas próprias casas dos estudantes A Figura 2 a seguir apresenta uma placa que possui um chip da Analog Devices modelo ADSP21489 que está disponível para aquisição através de diversos sites de comércio eletrônico Figura 2 Placa de núcleo com DSP Fonte ADSP21489 2020 documento online Entender o processo de interpretação interno dos codecs ajuda a estabe lecer definições e tudo começa pela digitalização do sinal da voz O pro cesso de digitalização da voz é dividido em duas partes tempo amostragem e amplitude O espectro do tempo também conhecido como amostragem é o primeiro passo na digitalização de um sinal analógico seguindo do uso de técnicas de codificação de canal e fonte Já a amplitude é a faixa mínima e máxima em que o sinal trafega Por meio da amplitude é possível identificar um número infinito de níveis possíveis porém como o sentido da audição humana é limitado é possível quantizar dentro desses limites estabelecendo a faixa a ser utilizada Codecs 4 A Figura 3 a seguir apresenta o espectro de um sinal analógico analisado sob o tempo ou amostragem e sua amplitude É importante ressaltar que esse é o conteúdo que trafega nas linhas telefônicas Figura 3 Sinal analógico amplitude e tempo Fonte Adaptada de Puhlmann 2015 Senoide decimada 1 05 0 05 1 0 10 20 30 40 50 Tempo Amplitude Após conhecer os conceitos de amplitude e tempo o próximo passo é saber como ocorre o ADC conversor analógicodigital Esse item sinalizado na Figura 1 prepara o conteúdo para o processamento do sinal digital pois o ADC é um dispositivo eletrônico que recebe um sinal analógico e gera como saída uma representação digital Para melhor compreensão da conversão do sinal analógico para o digital o Quadro 1 a seguir descreve as entradas mensuradas em volts V e as saídas descritas em um conjunto de 10 bits Embora a transformação por código ou circuitos lógicos esteja sinalizada de forma abstrata é possível compreender essa conversão 5 Codecs Volts V Bits Decimal 0 00000 00000 0 125 01000 00000 256 25 10000 00000 512 375 11000 00000 768 5 11111 11111 1024 Quadro 1 Conversão de volts em bits Seguindo uma conversão linear e interpretando o Quadro 1 é possível adaptar a Figura 3 confrontando uma possível entrada analógica em digital Figura 4 Figura 4 Entrada analógica e saída digital 1 0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 2 3 Analógico Tempo Amplitude Digital 4 5 6 1 0 2 3 4 5 6 Codecs 6 Com o sinal digital pronto para ser interpretado fazse necessário acabar com possíveis ruídos Para tanto é possível estabelecer por meio de cálculos matemáticos um processo de filtro do sinal simplesmente transformandoo em um conteúdo amplamente interpretável Uma vez convertido o conteúdo de um DSP é passível de armazenamento processamento e inclusive de voltar ao estado inicial de um sinal analógico agora com a vantagem de estar filtrado A Figura 5 a seguir demonstra o quanto o espectro de um sinal analógico é melhorado durante todo esse processo Figura 5 Esquema de configuração básico de filtro digital Fonte Adaptada de Nunes Albuquerque e Albuquerque 2006 SINAL ANALÓGICO NÃO FILTRADO SINAL DIGITALMENTE FILTRADO SINAL ANALÓGICO FILTRADO AMOSTRA DIGITALIZADA ADC DSP DAC V t 2 Função do DSP A tarefa de codificardecodificar sinais gerar compressão de dados e controlar e corrigir erros requer bastante processamento de qualquer CPU Assim entendendo a necessidade emergente de atender a essa demanda a indústria eletrônica fechou em um chip um software específico para desempenhar esse conjunto de atividades Esse chip foi denominado DSP digital signal processor ou processador de sinais digitais em português A partir dessa interpretação em uma relação mais abstrata é possível afir mar que basta enviar para o modem os dados a serem transmitidos que o DSP faz todo o trabalho e entrega os dados prontos para emissão o mesmo ocorre ao receber dados provenientes da internet Contudo essas implementações através de microchips existem há décadas No final dos anos 1970 e início dos anos 1980 três empresas lideraram a construção desse tipo de equipamento A Texas Instruments a Altera Devices e a Motorola tornaramse expoentes na construção desse tipo de microchip as quais criaram arquiteturas específicas para atender a esse tipo pujante de mercado 7 Codecs É comum que junto ao desenvolvimento do dispositivo cada empresa que cria seu dispositivo crie também seu próprio ambiente de desenvolvimento IDE bem como um conjunto de comandos de baixo nível para o desenvol vimento das próprias aplicações com base nas interrupções e nos endere çamentos acessíveis em Assembly Embora algumas estruturas e comandos sejam diferentes conforme os fabricantes basicamente os DSPs são projetados levandose em consideração operações habituais em processamento digital Como o DSP trabalha como um filtro dos conteúdos provenientes do ADC esperase do seu processamento uma qualidade de voz dentro de padrões aceitáveis Uma das medidas que qualifica e quantifica os DSPs é o MOS Mean Opinion Score em que uma nota escalar de 1 a 5 é atribuída junto ao delay tempo e à taxa de transmissão definindo o score desses microchips Ao contrário dos filtros analógicos que através de resistores capacito res e amplificadores buscam remover imperfeições ou partes indesejáveis os filtros digitais por serem programáveis têm a capacidade de se adaptar aos mais diversos tipos de sinais Segundo Oliveira Júnior 2005 p 23 são várias as aplicações possíveis reunindo cálculos programação e eletrônica O DSP reúne a matemática os algoritmos e as técnicas usadas para manipu lar sinais externos depois que eles forem convertidos em uma forma digital Ele é usado atualmente em diversas áreas como áudio reconhecimento e geração de voz comunicações compressão de dados para armazenamento e transmissão tratamento de imagens visuais controle de movimento e outras aplicações em aquisição e controle de dados 3 Principais codecs e suas características e aplicações Como visto os aparelhos celulares até fazem ligação e é justamente sobre esse serviço que uma das primeiras funções do DSP atua A qualidade de voz presente na telefonia celular tem relação intrínseca com o processamento digital do sinal No entanto as diversas formas de se utilizar esse sinal dão aos codecs uma vasta possibilidade de aplicações Uma das aplicações que faz uso dos codecs é o VoIP Voice over IP ou Voz sobre IP em português Por meio de um serviço associado aos roteado res é possível habilitar o transporte da voz na rede de internet o que possibilita ligar por ramal diferentes estações de distintas filiais de uma empresa por exemplo Hoje uma grande parte dos provedores de rede oferece o serviço de telefonia normalmente associado ao serviço VoIP Codecs 8 A função do DSP no VoIP é segmentar a voz em pacotes de frames Visando à garantia de eficiência do conjunto de pacotes esse protocolo descreve os níveis aceitáveis de qualidade do serviço tanto em conversas puramente de voz como em transmissões multimídia voz vídeo e dados Como não é possível garantir que todos os aparelhos utilizados na rede possuam tecnologia digital os roteadores implementam a tecnologia de codecs através de chips DSP Um exemplo de equipamento que possui esse tipo de tecnologia é o Cisco VG200 que inclui os codecs padrões g711 g7231 e g729a próprios da comunicação de voz A Figura 6 a seguir apresenta um VG204XM equipa mento que representa a evolução do Cisco VG200 Figura 6 Cisco VG204XM Fonte Cisco Voice 2017 documento online Assim como há chips próprios para a transmissão codificada de áudio a transmissão de vídeo possui atividades específicas O H264 e o H265 são exemplos de componentes que suportam a codificação e a decodificação de vídeos de alta eficiência conhecidos pela sua sigla em inglês HEVC highefficiency video coding e padrões avançados de vídeo AVC avanced video coding Atualmente é comum que os carros venham equipados com dispositivos multimídia nos quais está inclusa a função GPS Esse serviço de localização por geoprocessamento requer que sejam informados os pontos de latitude e longitude para que com base na sua localização atual rotas possam ser traçadas Para aumentar a usabilidade desse serviço as coordenadas são substituídas por endereço deixando a localização mais próxima da realidade do senso comum No entanto parar e digitar um destino deixa os ocupantes 9 Codecs do veículo em uma situação de vulnerabilidade Assim utilizando um micro chip de DSP o serviço de reconhecimento de voz permite ao condutor falar em vez de digitar o destino desejado Contudo não apenas a voz reflete o processamento de sinal Por exemplo os drones e demais equipamentos controlados por radiofrequência precisam reconhecer o comando e a interpretação das ações com alta qualidade e o menor delay possível A Figura 7 a seguir ilustra a realidade de um operador que por meio de um aplicativo instalado no seu celular conecta o seu dispositivo ao drone e consegue realizar todos os controles necessários para o voo e funções agregadas como filmar ou realizar interpelações p ex entregas filmagens etc Figura 7 Controle de drone através de aplicativo no celular Fonte ClassicVectorShutterstockcom Outro exemplo de processamento de sinal digital é o recurso presente no serviço Google Docs habilitado pela sequência menu Tools Voice Typing conforme demonstrado na Figura 8 Por meio desse programa é possível selecionar o idioma de entrada e utilizar a voz para digitar o texto Codecs 10 Figura 8 Habilitando o Voice Typing do Google Docs Como visto as aplicações são realmente incríveis e o limite é determi nado exclusivamente pela capacidade humana em vislumbrar possibilidades e transformálas em aplicações Outro exemplo é o monitoramento veicular via satélite em que por meio de diversas integrações é possível que uma central envie sinais para um caminhão específico de uma frota de determinada empresa para que haja uma ação imediata como por exemplo o corte de fornecimento de combustível ao motor Sem entrar no mérito ideológico da invasão de privacidade é possível afirmar que os DSPs iniciaram suas atividades com um objetivo mais restrito porém suas diversas possibilidades expandiram a sua usabilidade É importante registrar que os codecs foram concebidos há anos e como todos os demais recursos tecnológicos que seguem no mercado evoluíram a sua eficiência de forma exponencial O grande trunfo dos DSPs está na forma genérica de sua construção e nas aplicabilidades que a evolução das redes proporcionou aos codecs 11 Codecs ADSP21489 development board MW21489EVB New AliExpress Hangzhou 2020 Disponível em httpswwwaliexpresscomi32861545384html Acesso em 9 jul 2020 CISCO VOICE Gateway VG204XM Cisco Shop Hồ Chí Minh 2017 Disponível em https ciscoshopvnsanphamciscorouterciscovoicegatewayvg204xm Acesso em 9 jul 2020 HAYKIN S MOHER M Sistemas modernos de comunicações wireless Porto Alegre Bookman 2008 580 p NUNES R A A ALBUQUERQUE M P ALBUQUERQUE M P Introdução a processadores de sinais digitais DSP Rio de Janeiro Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas 2006 17 p CBPFNT0012006 Disponível em httpwwwcbpfbrrastutopdfNTCBPF0012006 pdf Acesso em 9 jul 2020 OLIVEIRA JÚNIOR A S Estratégia generalizada de modulação por largura de pulso para inversores multiníveis Orientador Edison Roberto Cabral da Silva Tese Doutorado em Engenharia Elétrica área de concentração Processamento da Energia Centro de Ciências e Tecnologia Universidade Federal de Campina Grande Campina Grande 2005 Disponível em httpdspacestiufcgedubr8080jspuihandleriufcg9507 Acesso em 9 jul 2020 PUHLMANN H F W DSP Oversampling Upsampling e Downsampling Embarcados Campinas 9 out 2015 Disponível em httpswwwembarcadoscombroversampling upsamplingdownsamplingdsp Acesso em 9 jul 2020 WOLTER S K Processadores de Sinais Digitais DSP Curitiba Departamento de Enge nharia Elétrica Universidade Federal do Paraná 2007 17 p Trabalho da disciplina de mestrado TE810 ministrada por Marcelo de Oliveira Rosa Disponível em httpwww eletricaufprbrmarceloTE810012007StefanDSPpdf Acesso em 9 jul 2020 Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados e seu fun cionamento foi comprovado no momento da publicação do material No entanto a rede é extremamente dinâmica suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo Assim os editores declaram não ter qualquer responsabilidade sobre qualidade precisão ou integralidade das informações referidas em tais links Codecs 12 Conteúdo SAGAH SOLUÇÕES EDUCACIONAIS INTEGRADAS
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REDES CONVERGENTES Leandro Salenave Gonçalves Codecs Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto você deve apresentar os seguintes aprendizados Definir o que são codecs e para que servem Descrever a função do DSP digital signal processor Identificar os principais codecs suas características e principais aplicações Introdução É comum ouvir as pessoas expressarem por meio de frases bemhumoradas que os aparelhos celulares atuais até fazem ligação e são tantas as disponibilidades e os recursos embarcados nesses aparelhos que essa expressão faz todo sentido Esse dispositivo eletrônico em específico representa bem a evolução exponencial que a tecnologia recebeu ao longo dos anos Contudo a quantidade de serviços embarcados disponíveis requer a construção de hardware e software mais eficientes bem como um ambiente de telecomunicação que atenda a essa crescente gama de necessidades Neste capítulo você estudará o processo de codificar e decodificar a voz humana Além disso verá como a indústria eletrônica foi sensível às necessidades e criou através de um encapsulamento um processador de sinal digital Por fim conhecerá as principais características e aplicações desses processadores chamados de DSP digital signal processor 1 A função dos codecs Com o passar dos anos e o avanço da tecnologia houve um crescente aumento na utilização de serviços de voz De acordo com Haykin e Moher 2008 p 20 A introdução desses serviços aumentou a mobilidade e a área de serviços de muitas aplicações existentes criando numerosas aplicações Contudo utilizar um dispositivo que foi projetado para se comunicar através da voz e permitir que por este mesmo canal possam trafegar dados requer uma transformação do sinal por uma codificação bem específica Segundo Haykin e Moher 2008 p 201 Um sinal analógico por exemplo um sinal de voz apresenta uma faixa con tínua de amplitudes então suas amostras também terão uma faixa contínua de amplitudes Em outras palavras dentro da faixa de amplitude do sinal identificamos um número finito de níveis possíveis Entretanto sabendo que qualquer um dos sentidos humanos por exemplo a audição pode detectar apenas finitas diferenças de intensidade podese aproximar o sinal analógico a uma versão quantizada que é constituída de amplitude discreta selecionada a partir de um conjunto com um erro mínimo A palavra codec é uma junção de parte das palavras CODificador e DECodificador Os codecs podem ser implementados tanto em hardware quanto em software e têm por objetivo transformar a voz humana um sinal analógico em uma sequência de bits um sinal digital para transmitir uma rede de dados Se você buscar na internet pela palavra codec terminologia básica deste capítulo é muito provável que encontre como resultado os programas que executam codificação e decodificação de mídia e não de voz Embora seja um acrônimo fique atento pois são aplicações totalmente diferentes Codecs 2 O codec é chamado de codificaçãodecodificação porque a sua atividade é receber os sinais provenientes de uma linha telefônica identificar os sinais digitais realizar a descompressão e a correção de erros quando existirem e na transmissão de dados realizar a conversão dos sinais digitais para o formato analógico A Figura 1 a seguir apresenta um exemplo de processa mento de sinal Figura 1 Exemplo simples de um processamento de sinal ADC analogtodigital converter conversor analógicodigital DAC digitaltoanalog converter conversor digitalanalógico Fonte Adaptada de Wolter 2007 Sinal analógico Sinal analógico DAC ADC Processamento do sinal digital Na prática a Figura 1 tem o mesmo funcionamento de um modem aparelho comumente utilizado nas residências para conectar equipamentos eletrônicos à internet inclusive por linhas telefônicas Também é correto afirmar que possuindo as conexões necessárias por meio da programação de um software específico é possível criar um codec como ocorria até a criação dos chips que encapsulam esses software Historicamente é possível dividir os microchips que atuam como codecs em quatro gerações Na primeira geração os cálculos demoravam cerca de 390 ms para retornar e o TMS32010 da Texas Instruments teve seu uso ampla mente difundido por utilizar uma ferramenta chamada RTDX Real Time Data Exchange A segunda geração de DSPs por sua vez possuía três memórias de armazenamento dois núcleos de operações simultâneas implantação de loops e operação em 24 bits Em 1995 a terceira geração incluiu a capaci dade de processamento paralelo e a utilização de matrizes Por fim a quarta geração a atual possui uma arquitetura superescalar eclock muito mais robusta e o processamento caiu para 3 ns Um exemplo de microchip DSP de quarta geração é o C6000 da Texas Instruments Ele possui 6 clocks 1G hz de processamento e 8000 MIPS milhões de instruções por segundo 3 Codecs Hoje é completamente possível fazer a aquisição de placas de núcleos com DSP e com um baixo investimento realizar estudos nas próprias casas dos estudantes A Figura 2 a seguir apresenta uma placa que possui um chip da Analog Devices modelo ADSP21489 que está disponível para aquisição através de diversos sites de comércio eletrônico Figura 2 Placa de núcleo com DSP Fonte ADSP21489 2020 documento online Entender o processo de interpretação interno dos codecs ajuda a estabe lecer definições e tudo começa pela digitalização do sinal da voz O pro cesso de digitalização da voz é dividido em duas partes tempo amostragem e amplitude O espectro do tempo também conhecido como amostragem é o primeiro passo na digitalização de um sinal analógico seguindo do uso de técnicas de codificação de canal e fonte Já a amplitude é a faixa mínima e máxima em que o sinal trafega Por meio da amplitude é possível identificar um número infinito de níveis possíveis porém como o sentido da audição humana é limitado é possível quantizar dentro desses limites estabelecendo a faixa a ser utilizada Codecs 4 A Figura 3 a seguir apresenta o espectro de um sinal analógico analisado sob o tempo ou amostragem e sua amplitude É importante ressaltar que esse é o conteúdo que trafega nas linhas telefônicas Figura 3 Sinal analógico amplitude e tempo Fonte Adaptada de Puhlmann 2015 Senoide decimada 1 05 0 05 1 0 10 20 30 40 50 Tempo Amplitude Após conhecer os conceitos de amplitude e tempo o próximo passo é saber como ocorre o ADC conversor analógicodigital Esse item sinalizado na Figura 1 prepara o conteúdo para o processamento do sinal digital pois o ADC é um dispositivo eletrônico que recebe um sinal analógico e gera como saída uma representação digital Para melhor compreensão da conversão do sinal analógico para o digital o Quadro 1 a seguir descreve as entradas mensuradas em volts V e as saídas descritas em um conjunto de 10 bits Embora a transformação por código ou circuitos lógicos esteja sinalizada de forma abstrata é possível compreender essa conversão 5 Codecs Volts V Bits Decimal 0 00000 00000 0 125 01000 00000 256 25 10000 00000 512 375 11000 00000 768 5 11111 11111 1024 Quadro 1 Conversão de volts em bits Seguindo uma conversão linear e interpretando o Quadro 1 é possível adaptar a Figura 3 confrontando uma possível entrada analógica em digital Figura 4 Figura 4 Entrada analógica e saída digital 1 0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 2 3 Analógico Tempo Amplitude Digital 4 5 6 1 0 2 3 4 5 6 Codecs 6 Com o sinal digital pronto para ser interpretado fazse necessário acabar com possíveis ruídos Para tanto é possível estabelecer por meio de cálculos matemáticos um processo de filtro do sinal simplesmente transformandoo em um conteúdo amplamente interpretável Uma vez convertido o conteúdo de um DSP é passível de armazenamento processamento e inclusive de voltar ao estado inicial de um sinal analógico agora com a vantagem de estar filtrado A Figura 5 a seguir demonstra o quanto o espectro de um sinal analógico é melhorado durante todo esse processo Figura 5 Esquema de configuração básico de filtro digital Fonte Adaptada de Nunes Albuquerque e Albuquerque 2006 SINAL ANALÓGICO NÃO FILTRADO SINAL DIGITALMENTE FILTRADO SINAL ANALÓGICO FILTRADO AMOSTRA DIGITALIZADA ADC DSP DAC V t 2 Função do DSP A tarefa de codificardecodificar sinais gerar compressão de dados e controlar e corrigir erros requer bastante processamento de qualquer CPU Assim entendendo a necessidade emergente de atender a essa demanda a indústria eletrônica fechou em um chip um software específico para desempenhar esse conjunto de atividades Esse chip foi denominado DSP digital signal processor ou processador de sinais digitais em português A partir dessa interpretação em uma relação mais abstrata é possível afir mar que basta enviar para o modem os dados a serem transmitidos que o DSP faz todo o trabalho e entrega os dados prontos para emissão o mesmo ocorre ao receber dados provenientes da internet Contudo essas implementações através de microchips existem há décadas No final dos anos 1970 e início dos anos 1980 três empresas lideraram a construção desse tipo de equipamento A Texas Instruments a Altera Devices e a Motorola tornaramse expoentes na construção desse tipo de microchip as quais criaram arquiteturas específicas para atender a esse tipo pujante de mercado 7 Codecs É comum que junto ao desenvolvimento do dispositivo cada empresa que cria seu dispositivo crie também seu próprio ambiente de desenvolvimento IDE bem como um conjunto de comandos de baixo nível para o desenvol vimento das próprias aplicações com base nas interrupções e nos endere çamentos acessíveis em Assembly Embora algumas estruturas e comandos sejam diferentes conforme os fabricantes basicamente os DSPs são projetados levandose em consideração operações habituais em processamento digital Como o DSP trabalha como um filtro dos conteúdos provenientes do ADC esperase do seu processamento uma qualidade de voz dentro de padrões aceitáveis Uma das medidas que qualifica e quantifica os DSPs é o MOS Mean Opinion Score em que uma nota escalar de 1 a 5 é atribuída junto ao delay tempo e à taxa de transmissão definindo o score desses microchips Ao contrário dos filtros analógicos que através de resistores capacito res e amplificadores buscam remover imperfeições ou partes indesejáveis os filtros digitais por serem programáveis têm a capacidade de se adaptar aos mais diversos tipos de sinais Segundo Oliveira Júnior 2005 p 23 são várias as aplicações possíveis reunindo cálculos programação e eletrônica O DSP reúne a matemática os algoritmos e as técnicas usadas para manipu lar sinais externos depois que eles forem convertidos em uma forma digital Ele é usado atualmente em diversas áreas como áudio reconhecimento e geração de voz comunicações compressão de dados para armazenamento e transmissão tratamento de imagens visuais controle de movimento e outras aplicações em aquisição e controle de dados 3 Principais codecs e suas características e aplicações Como visto os aparelhos celulares até fazem ligação e é justamente sobre esse serviço que uma das primeiras funções do DSP atua A qualidade de voz presente na telefonia celular tem relação intrínseca com o processamento digital do sinal No entanto as diversas formas de se utilizar esse sinal dão aos codecs uma vasta possibilidade de aplicações Uma das aplicações que faz uso dos codecs é o VoIP Voice over IP ou Voz sobre IP em português Por meio de um serviço associado aos roteado res é possível habilitar o transporte da voz na rede de internet o que possibilita ligar por ramal diferentes estações de distintas filiais de uma empresa por exemplo Hoje uma grande parte dos provedores de rede oferece o serviço de telefonia normalmente associado ao serviço VoIP Codecs 8 A função do DSP no VoIP é segmentar a voz em pacotes de frames Visando à garantia de eficiência do conjunto de pacotes esse protocolo descreve os níveis aceitáveis de qualidade do serviço tanto em conversas puramente de voz como em transmissões multimídia voz vídeo e dados Como não é possível garantir que todos os aparelhos utilizados na rede possuam tecnologia digital os roteadores implementam a tecnologia de codecs através de chips DSP Um exemplo de equipamento que possui esse tipo de tecnologia é o Cisco VG200 que inclui os codecs padrões g711 g7231 e g729a próprios da comunicação de voz A Figura 6 a seguir apresenta um VG204XM equipa mento que representa a evolução do Cisco VG200 Figura 6 Cisco VG204XM Fonte Cisco Voice 2017 documento online Assim como há chips próprios para a transmissão codificada de áudio a transmissão de vídeo possui atividades específicas O H264 e o H265 são exemplos de componentes que suportam a codificação e a decodificação de vídeos de alta eficiência conhecidos pela sua sigla em inglês HEVC highefficiency video coding e padrões avançados de vídeo AVC avanced video coding Atualmente é comum que os carros venham equipados com dispositivos multimídia nos quais está inclusa a função GPS Esse serviço de localização por geoprocessamento requer que sejam informados os pontos de latitude e longitude para que com base na sua localização atual rotas possam ser traçadas Para aumentar a usabilidade desse serviço as coordenadas são substituídas por endereço deixando a localização mais próxima da realidade do senso comum No entanto parar e digitar um destino deixa os ocupantes 9 Codecs do veículo em uma situação de vulnerabilidade Assim utilizando um micro chip de DSP o serviço de reconhecimento de voz permite ao condutor falar em vez de digitar o destino desejado Contudo não apenas a voz reflete o processamento de sinal Por exemplo os drones e demais equipamentos controlados por radiofrequência precisam reconhecer o comando e a interpretação das ações com alta qualidade e o menor delay possível A Figura 7 a seguir ilustra a realidade de um operador que por meio de um aplicativo instalado no seu celular conecta o seu dispositivo ao drone e consegue realizar todos os controles necessários para o voo e funções agregadas como filmar ou realizar interpelações p ex entregas filmagens etc Figura 7 Controle de drone através de aplicativo no celular Fonte ClassicVectorShutterstockcom Outro exemplo de processamento de sinal digital é o recurso presente no serviço Google Docs habilitado pela sequência menu Tools Voice Typing conforme demonstrado na Figura 8 Por meio desse programa é possível selecionar o idioma de entrada e utilizar a voz para digitar o texto Codecs 10 Figura 8 Habilitando o Voice Typing do Google Docs Como visto as aplicações são realmente incríveis e o limite é determi nado exclusivamente pela capacidade humana em vislumbrar possibilidades e transformálas em aplicações Outro exemplo é o monitoramento veicular via satélite em que por meio de diversas integrações é possível que uma central envie sinais para um caminhão específico de uma frota de determinada empresa para que haja uma ação imediata como por exemplo o corte de fornecimento de combustível ao motor Sem entrar no mérito ideológico da invasão de privacidade é possível afirmar que os DSPs iniciaram suas atividades com um objetivo mais restrito porém suas diversas possibilidades expandiram a sua usabilidade É importante registrar que os codecs foram concebidos há anos e como todos os demais recursos tecnológicos que seguem no mercado evoluíram a sua eficiência de forma exponencial O grande trunfo dos DSPs está na forma genérica de sua construção e nas aplicabilidades que a evolução das redes proporcionou aos codecs 11 Codecs ADSP21489 development board MW21489EVB New AliExpress Hangzhou 2020 Disponível em httpswwwaliexpresscomi32861545384html Acesso em 9 jul 2020 CISCO VOICE Gateway VG204XM Cisco Shop Hồ Chí Minh 2017 Disponível em https ciscoshopvnsanphamciscorouterciscovoicegatewayvg204xm Acesso em 9 jul 2020 HAYKIN S MOHER M Sistemas modernos de comunicações wireless Porto Alegre Bookman 2008 580 p NUNES R A A ALBUQUERQUE M P ALBUQUERQUE M P Introdução a processadores de sinais digitais DSP Rio de Janeiro Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas 2006 17 p CBPFNT0012006 Disponível em httpwwwcbpfbrrastutopdfNTCBPF0012006 pdf Acesso em 9 jul 2020 OLIVEIRA JÚNIOR A S Estratégia generalizada de modulação por largura de pulso para inversores multiníveis Orientador Edison Roberto Cabral da Silva Tese Doutorado em Engenharia Elétrica área de concentração Processamento da Energia Centro de Ciências e Tecnologia Universidade Federal de Campina Grande Campina Grande 2005 Disponível em httpdspacestiufcgedubr8080jspuihandleriufcg9507 Acesso em 9 jul 2020 PUHLMANN H F W DSP Oversampling Upsampling e Downsampling Embarcados Campinas 9 out 2015 Disponível em httpswwwembarcadoscombroversampling upsamplingdownsamplingdsp Acesso em 9 jul 2020 WOLTER S K Processadores de Sinais Digitais DSP Curitiba Departamento de Enge nharia Elétrica Universidade Federal do Paraná 2007 17 p Trabalho da disciplina de mestrado TE810 ministrada por Marcelo de Oliveira Rosa Disponível em httpwww eletricaufprbrmarceloTE810012007StefanDSPpdf Acesso em 9 jul 2020 Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados e seu fun cionamento foi comprovado no momento da publicação do material No entanto a rede é extremamente dinâmica suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo Assim os editores declaram não ter qualquer responsabilidade sobre qualidade precisão ou integralidade das informações referidas em tais links Codecs 12 Conteúdo SAGAH SOLUÇÕES EDUCACIONAIS INTEGRADAS