Descripción y contextualización de la asignatura

Esta asignatura es una asignatura obligatoria del Máster Universitario en Ingeniería de Sistemas Empotrados (impartida durante el segundo cuatrimestre del primer año cursado por el alumnado). La asignatura está destinada a introducir al alumno tanto en los aspectos teóricos como prácticos del Procesado Digital de Señal. En el ámbito profesional, la asignatura capacita para poder tratar digitalmente cualquier tipo de señal (sonido, imagen, información proveniente de sensores, series temporales, etc.) en múltiples ámbitos (audiovisuales, industria, medicina, meteorología, etc.). De esta manera, sirve de enlace para otro tipo de áreas como la Ciencia de Datos, Big Data, Industria 4.0, Internet of Things, etc.



La primera parte del curso la dedicaremos a presentar los fundamentos teóricos del procesado digital de señal (señales, análisis frecuencial, sistemas lineales FIR, IIR) insistiendo en aspectos prácticos, de interpretación y de uso. Durante esta fase alternaremos las sesiones teóricas con sesiones prácticas en las que utilizaremos MATLAB/SCILAB/Octave/Python/etc para poner en práctica y asimilar los conceptos teóricos.



La segunda parte abordaremos aspectos relacionados con la implementación. De entre las diferentes alternativas nos centraremos en el uso de FPGAs y VHDL, ya que la combinación de ambos está revolucionando el procesado digital de señales, tal y como hicieron hace dos décadas los DSPs. Durante esta parte simultanearemos las sesiones teóricas (aspectos aritméticos, transformada de Fourier, filtros FIR e IIR) con sesiones prácticas en las que utilizaremos FPGAs de Altera y VHDL para implementar diversos ejemplos prácticos.



En la primera parte dedicada a los fundamentos teóricos del PDS utilizaremos software específico de tratamiento de señal (MATLAB/SCILAB/Octave/Python/etc), pero no es imprescindible conocerlo previamente. En la parte dedicada a la implementación de sistemas PDS son necesarios conocimientos básicos de diseño digital, VHDL y herramientas, que han sido estudiados en la asignatura “Diseño avanzado de sistemas digitales y codiseño HW/SW”.





Los objetivos de aprendizaje que se quieren conseguir son los siguientes:



- Conocer y aplicar los conceptos matemáticos fundamentales para el análisis y diseño de sistemas de procesado digital de señales.

- Entender las técnicas utilizadas en sistemas digitales para captar, procesar y producir señales de sonido.

- Aplicar técnicas de análisis temporal y frecuencial a señales digitales.

- Diseñar e implementar filtros digitales para el procesado de señales de sonido.

- Utilizar software específico (MATLAB/SCILAB/Octave/Python/etc.) para desarrollar y aplicar sistemas de procesado digital de señal.

Convocatoria ordinaria: orientaciones y renuncia

En la convocatoria ordinaria el sistema de evaluación preferente será en la modalidad de evaluación continua. La nota se calcula de la siguiente manera:



- Proyectos específicos: 35%

- Examen de conocimientos final: 30%

- Proyecto final: 35%



Para la modalidad de evaluación final, el alumnado tendrá que entregar los informes correspondientes a los proyectos específicos y al proyecto final antes de la fecha de realización del examen de conocimientos final. En este caso, el examen tendrá un peso de 60% y la parte práctica (basada en los proyectos) un 40%.



Para superar la asignatura, en cualquier modalidad, es necesario aprobar las dos partes (teórica y práctica).

Convocatoria extraordinaria: orientaciones y renuncia

Para el caso de la convocatoria extraordinaria la nota final se calcula en base a dos partes:



- Teoría (60%): Se evalúa mediante un examen de conocimientos.

- Práctica (40%): Se evalúa a partir de los informes técnicos correspondientes a los proyectos específicos y final, que han de entregarse antes de la fecha de realización del examen de teoría.



Para superar la asignatura es necesario aprobar las dos partes (teórica y práctica).

Temario

Tema 1. Señales digitales. Conceptos y operaciones básicos.

Señales y sistemas ¿Por qué procesado digital? Operaciones básicas. Sonido.

Proyecto: Introducción a software específico para el tratamiento digital de señal:

MATLAB/SCILAB/Octave/Python/etc.



Tema 2. Análisis en el dominio del tiempo

Operaciones habituales. Enventanado y operaciones short-term. Correlación.

Proyectos: Análisis de señales de sonido.



Tema 3. Análisis en el dominio de la frecuencia. Transformada de Fourier.

Idea de partida. Series y transformada de Fourier. Aplicación a sistemas bidimensionales

Proyectos: Análisis frecuencial de señales de sonido.



Tema 4. Filtros lineales: filtros FIR, filtros IIR, métodos de diseño.

Sistemas LTI. Filtros FIR. Transformada Z. Filtros IIR. Filtros no lineales

Proyectos: Sistemas lineales (FIR, IIR) y Diseño de filtros.



Tema 5. Procesado multitasa.



Tema 6. Implementación de hardware de sistemas de PDS utilizando FPGAs y VHDL.

Proyecto práctico.







Desde el punto de vista metodológico, se contemplan cuatro tipos de actividades:



- Estudio autónomo por parte del alumnado del material disponible en el aula virtual para cada tema en el que se presentan los conceptos teóricos/prácticos que se van a utilizar, así como una propuesta de ejercicios asociados a los mismos. Además de la información directamente accesible el alumnado podrá utilizar las referencias bibliográficas como material de apoyo.



- Clases expositivas y de ejercicios en las que, de manera participativa, se ponen en común y se aclaran las dudas asociadas los conceptos teóricos/prácticos de cada tema, siempre haciendo hincapié en su utilidad y aspectos prácticos. En estas sesiones se pondrán en común los ejercicios propuestos inicialmente ("sobre papel"), para profundizar en los fundamentos teóricos.



- Desarrollo de proyectos específicos en las que el alumnado (en grupos de 2) aplica los conceptos teóricos/prácticos aprendidos, a casos reales de procesamiento de sonido (voz y música) utilizando MATLAB/SCILAB/Octave/etc. Por cada una de estas sesiones hay que entregar un informe técnico de resultados.



- Desarrollo de un proyecto final (nivel de complejidad media/alta) en el que el alumnado (en grupos de 2) aplicará los conocimientos teóricos/prácticos aprendidos en varios de los temas anteriores de la asignatura, realizando una implementación hardware de un sistema de PDS.



Para facilitar el aprendizaje del alumnado, se hará un seguimiento de los proyectos específicos proporcionando una retroalimentación en base a los criterios de evaluación previamente establecidos y compartidos. De esa manera, el alumnado es consciente de su nivel de aprendizaje y tomar medidas para mejorarlo en caso necesario.

Bibliografía

Materiales de uso obligatorio

- Un ordenador personal tipo PC.







- Software específico para tratamiento de señal (MATLAB/SCILAB/Octave/Python/etc.), necesario para la realización de las prácticas de laboratorio.







Ambos recursos son provistos por el centro. Además, el alumnado tiene la posibilidad de realizar los proyectos prácticos en sus propios ordenadores mediante software libre (SCILAB, Octave, Python, etc.).

Bibliografía básica

J, G, Proakis, D.G. Manolakis: "Tratamiento digital de señales". Prentice-Hall, 1997.

V. Oppenheim, R. W. Schafer: "Digital Signal Processing". Prentice-Hall, 1988.

U. Meyer-Baese : “Digital Signal Processing with Field Programmable Gate Arrays”. Springer-Verlag, 2007.

S. Burrus: “Ejercicios de tratamiento de señal utilizando MATLAB v4”. Prentice-Hall, 1997.

Bibliografía de profundización

E. Soria: "Tratamiento Digital de Señales: Problemas y ejercicios resueltos", Pearson Prentice Hall, 2003.



B. Gold, N. Morgan: "Speech and audio Signal Processing: Processing and perception of speech and music", Wiley 2000.



J. R. Deller, J. G. Proakis: "Discrete-Time Processing of Speech Signals". MacMillan, 1993

Revistas

Digital Signal Processing (Elsevier)



Signal Processing (Elsevier)



IEEE Signal Processing Letters

Enlaces

www.mathworks.com



www.scilab.org



www.dsprelated.com



www.gnu.org/software/octave



www.scipy.org