Procesador de señales digitales para niños

Un procesador de señales digitales o DSP (por sus siglas en inglés, Digital Signal Processor) es como un cerebro electrónico muy rápido, diseñado para trabajar con números a una velocidad increíble. Imagina que es un tipo especial de microprocesador que tiene instrucciones, partes físicas (hardware) y programas (software) hechos a medida para tareas que necesitan cálculos numéricos muy, muy rápidos.

Esto lo hace perfecto para procesar señales en tiempo real. ¿Qué significa "tiempo real"? Significa que el DSP recibe información, la procesa y da una respuesta casi al instante, sin demoras. Por ejemplo, puede tomar señales de audio o video, que son analógicas (como ondas), y convertirlas en números para poder trabajarlas. Para esto, necesita un conversor analógico/digital (ADC) que transforma esas ondas en datos digitales.

¿Cómo surgieron los DSP?

Los primeros pasos para crear los DSP se dieron hace varias décadas.

Los primeros intentos

En 1978, una empresa llamada INTEL lanzó un chip llamado 2920. Lo llamaron "procesador de señales analógicas". Tenía partes para convertir señales y un procesador interno, pero no fue muy exitoso.

Un año después, en 1979, AMI lanzó el S2811, que tampoco tuvo mucho éxito. Pero en ese mismo año, Bell Labs presentó el primer chip que realmente era un procesador digital de señales, llamado The Mac 4 Microprocessor.

Los primeros DSP completos

En 1980, aparecieron los primeros DSP completos. NEC presentó el PD7710 y AT&T el DSP1. Ambos se inspiraron en investigaciones sobre telecomunicaciones. NEC fue la primera en producir en masa el PD7710, marcando un hito importante.

El éxito de Texas Instruments

El primer DSP de Texas Instruments, el TMS32010, fue un gran éxito. Hoy en día, procesadores como el TMS320C4X, también de Texas Instruments, son muy avanzados. Están diseñados para poder trabajar juntos, lo que significa que varios de ellos pueden unirse para hacer tareas aún más complejas y rápidas.

Muchos DSP usan una forma de trabajar llamada CISC, que significa que tienen muchas instrucciones diferentes. Pero también existen algunos que usan RISC, que tienen menos instrucciones pero son muy eficientes para tareas específicas, como las que se usan en los teléfonos móviles.

¿Cómo funciona un DSP?

Aunque un DSP trabaja con señales que originalmente pueden ser analógicas, él mismo es un sistema completamente digital. Por eso, necesita "traductores" especiales.

La necesidad de conversores

Para que un DSP pueda entender una señal analógica (como tu voz o la música), primero esa señal debe pasar por un conversor analógico/digital (ADC). Este conversor toma la señal analógica y la convierte en números (datos digitales). Una vez que el DSP ha procesado esos números, si la señal necesita volver a ser analógica (por ejemplo, para que la escuches en unos auriculares), pasa por un conversor digital/analógico (DAC).

Memoria y programas

Como cualquier computadora, un DSP necesita memoria para guardar los datos con los que trabaja y el programa que le dice qué hacer.

Lo que hace a un DSP tan potente es su capacidad para manejar muchos datos al mismo tiempo y su diseño especial para el procesamiento digital. Estas características son lo que lo diferencia de otros tipos de procesadores.

Un ejemplo práctico: un filtro digital

Imagina que quieres limpiar el sonido de una grabación. Un DSP puede hacer esto usando un "filtro digital". El DSP recibe los números (muestras) de la señal de entrada, calcula qué salida debe dar según el filtro que se le programó, y luego produce esa salida.

Un sistema que usa un DSP podría verse así:

Ejemplo de un filtrado antialiasing.

La señal que entra pasa primero por un filtro especial llamado "antialiasing". Esto evita que se mezclen frecuencias no deseadas. Después, el módulo DSP hace el procesamiento digital. Finalmente, la señal se convierte de nuevo a analógica para que pueda ser utilizada, por ejemplo, en un altavoz.

¿Cómo está construido un DSP?

Un DSP está diseñado pensando en las operaciones más comunes que necesita hacer: sumar, multiplicar y guardar información (retrasar).

Arquitectura interna

A diferencia de las computadoras tradicionales que guardan datos y programas en la misma parte de la memoria (arquitectura Von Neumann), los DSP usan una Arquitectura Harvard. Esto significa que tienen bloques de memoria separados físicamente para los datos y para los programas. Cada bloque tiene sus propios caminos (buses) para acceder a la información, lo que permite que el DSP lea instrucciones y datos al mismo tiempo, haciendo que sea mucho más rápido.

Componentes clave de un DSP

Los elementos principales que forman un DSP son:

• Conversores: Para transformar señales analógicas a digitales y viceversa.
• Memorias: Para guardar datos y programas.
• MACs: Son como calculadoras muy rápidas que multiplican y suman números.
• ALU: La unidad aritmético-lógica que realiza operaciones matemáticas y lógicas.
• Registros: Pequeños espacios de memoria muy rápidos para guardar información temporalmente.
• PLL: Circuitos que ayudan a mantener la sincronización de las señales.
• PWM: Módulos para controlar el ancho de los pulsos eléctricos, útiles en muchas aplicaciones.

¿Cómo se programa un DSP?

Los DSP se pueden programar usando lenguajes de programación.

Lenguajes de programación

Se pueden programar con un lenguaje de bajo nivel llamado ensamblador, que es muy específico para cada tipo de DSP. También se pueden programar con un lenguaje de alto nivel más común como C.

Gracias a la colaboración entre fabricantes, existen herramientas y programas más fáciles de usar, como LabVIEW y Matlab, que permiten programar DSPs de manera más sencilla, ya que automáticamente convierten el código a un formato que el DSP puede entender.

¿Para qué se usan los DSP?

Los DSP se usan en muchísimas aplicaciones que necesitan procesar información muy rápido.

Aplicaciones comunes

Las aplicaciones más comunes son el procesamiento de audio y vídeo. Pero también se usan en:

• Eliminar el eco en las llamadas telefónicas.
• Mejorar la claridad de las imágenes en equipos de diagnóstico médico.
• Cifrar conversaciones en teléfonos móviles para proteger la privacidad.
• Analizar datos sísmicos para encontrar recursos naturales.
• Hacer posibles las comunicaciones inalámbricas (como el Wi-Fi).
• Reconocimiento de voz.
• Reproductores digitales de audio.
• Módems inalámbricos.
• Cámaras digitales.
• Y una larga lista de otros dispositivos que procesan señales.

Más información

Véase también

En inglés: Digital signal processor Facts for Kids