A lo largo de la última década, la aparición y posterior desarrollo de los dispositivos especializados en el procesado digital de señales o DSPs ha supuesto la apertura de una nueva vía de evolución hacia niveles superiores en el tratamiento de datos.
En este corto espacio de tiempo, debido a su bajo coste y gran rendimiento, los DSPs han reemplazado casi por completo a la tecnología analógica tradicional en campos como telecomunicaciones, procesado de audio y vídeo y control industrial. Según un estudio de mercado de la empresa Forward Conceps, la estimación de venta de estos dispositivos solo en Estados Unidos para el presente año es de $2.5 billones. Se ha generalizado el diseño de soluciones en este campo por parte de empresas de primer nivel, desarrolladores independientes y universidades.
Por todo lo anterior, al corto tiempo de vida de esta tecnología y a la escasa literatura disponible, ya que su avance se ha realizado en gran medida en el campo profesional, nuestro estudio se ha centrado en recopilar, analizar e interpretar todos los datos disponibles sobre esta tecnología a la que sus prestaciones y posibilidad de desarrollo convierten en un elemento indispensable de los sistemas del futuro.
Los objetivos de este proyecto apuntan al estudio de la teoría de tratamiento digital de señales sobre la que se basan estos procesadores, el análisis minucioso de las arquitecturas fundamentales de los dispositivos y el conocimiento de las aplicaciones que soportan. Asimismo, valoraremos la validez de sus características para hacer posible la elección del procesador idóneo para un proceso determinado.
Este proyecto se estructura en cuatro partes, las cuales se analizarán a continuación: fundamentos del tratamiento digital de la señal, dispositivos especializados en el tratamiento digital de la señal, implementación de aplicaciones sobre DSP y parámetros en la elección de DSP.
Se ha realizado un estudio de la teoría de tratamiento digital de la señal. En este estudio se observa que mientras en la tecnología analógica el procesamiento de señales se implementa mediante calculo integral, en la tecnología digital esta operación se reduce a sumas acumulativas de productos. Además, es posible procesar digitalmente y a continuación reconstruir señales de toda naturaleza, muestreándolas según el teorema de Nyquist.
La mayoría de las aplicaciones digitales comparten cálculos
comunes. Las operaciones básicas en el procesamiento digital
de la señal como filtrado, correlación, convolución,
se reducen a la siguiente estructura matemática de multiplicación
acumulación 
.
Se han analizado los procesadores digitales de señal (DSPs),
que son los dispositivos encargados del tratamiento digital de
señal. Los DSPs comparten unas características comunes
para optimizar el cálculo de la estructura matemática
de multiplicación acumulación 
,
permitiendo realizar la operación de multiplicación-acumulación
y varios accesos a memoria en un solo ciclo de instrucción,
por esto el procesador puede buscar una instrucción mientras
a la vez está realizando la búsqueda de operandos
y/o almacenando el resultado de una instrucción anterior.
Para realizar múltiples accesos a memoria, los DSP incluyen
unidades generadoras de direcciones, que operan en paralelo con
la ejecución de instrucciones aritméticas, y memorias
multipuerto e incluso bancos de memoria independientes. Al implicar
los algoritmos DSP cálculos repetitivos, la mayoría
de los DSP disponen de un set de instrucciones que soportan la
ejecución de bucles. Además, incorporan varios puertos
de entrada/salida serie o paralelo para manejar interrupciones
y accesos directos a memoria sin intervención del procesador.
Todas estas características se recogen en la arquitectura Harvard, que dispone de varios buses independientes para datos e instrucciones; frente a la arquitectura Von Neumann, sobre la que se desarrollan los procesadores de propósito general, que al tener un único bus de datos y otro de instrucciones, no permite cargar datos en paralelo con la búsqueda de código, provocando un cuello de botella que ralentiza la ejecución de algoritmos DSP.
Se ha estudiado con detalle como implementan la arquitectura Harvard tres de las empresas con mayor presencia en el mercado de los DSPs. Estas empresas fabrican una gran variedad de DSPs que incluyen desde procesadores de 16 bits en coma fija a procesadores de 32 bits en coma flotante.
Generalmente los DSPs de coma flotante usan palabras de 32 bits y los de coma fija usan palabras de 16 bits. Se han escogido para el estudio el TMS320C30 de Texas Instruments de 32 bits en coma flotante y el ADSP 2100 de Analog Devices de 16 en coma fija. Aunque los procesadores de coma fija suelen ser de 16 bits, Motorola dispone de una familia de procesadores de 24 bits en coma fija para incrementar el rango dinámico, por este motivo, también se ha escogido para el estudio el DSP56000 de Motorola de 24 bits en coma flotante.
Después de analizar las arquitecturas de los dispositivos, se ha obtenido una visión general del abanico de aplicaciones que soportan los DSPs. Por ejemplo, en el campo militar se utilizan los DSPs para procesamiento de radar, sonar o guía de misiles. En el campo del tratamiento de voz y audio para la codificación, síntesis y reconocimiento de voz. En el sector de las telecomunicaciones para la codificación ADPCM, cancelación de eco o telefonía móvil. Algunos de los avances de los DSPs en instrumentación médica son las imágenes ultrasónicas, radiografías digitales y varias formas de tomografía (CAT, tomografía asistida por ordenador; PET, tomografía por emisión de positrones; MRI, imágenes por resonancia magnética).
Una vez analizadas las arquitecturas de los dispositivos y las aplicaciones en los que éstos tienen presencia, se consideran los factores que hacen a un DSP adecuado para cada tipo de aplicación. Los diseñadores de sistemas DSP utilizan el procesador más simple que se ajusta a las necesidades de su aplicación.
El formato aritmético que soporta el dispositivo es un factor importante de cara a seleccionarlo para un proceso en concreto. La aritmética en coma flotante es mucho más flexible que la de coma fija, se dispone de un rango dinámico mucho mayor, con lo que son más fáciles de programar, ya que el programador no ha de preocuparse del rango dinámico ni de la precisión, aunque son más caros porque el procesamiento en coma flotante exige una circuitería más compleja. Por ejemplo se utilizan en la instrumentación científica y médica. Los DSPs de coma fija se usan en muchas aplicaciones debido a que ofrecen grandes prestaciones, para aplicaciones con un rango dinámico pequeño, a muy bajo precio. Por ejemplo, para el tratamiento de señales de voz que tienen un ancho de banda muy reducido.
El tamaño del dato tiene una mayor repercusión en el coste, ya que influye notablemente en el tamaño del chip y el número de pins que requiere, así como el tamaño de los dispositivos externos conectados al DSP. Por todo esto, los diseñadores tratan de emplear anchuras de palabras lo mas pequeñas posibles de acuerdo a sus necesidades. Hay que buscar el equilibrio entre el tamaño de palabra y la complejidad de desarrollo.
Cada tipo de procesador es ideal para un rango específico de aplicaciones. Los DSPs de 16 bits de coma fija, como por ejemplo la familia de Motorola DSP 56100 son buenos para sistemas de voz, como teléfonos, ya que estos DSP trabajan con el rango relativamente estrecho de las frecuencias del sonido. Las aplicaciones estéreo de alta fidelidad tienen un rango de frecuencias más amplio, un DSP de 24 bits de coma fija como los DSP56002; el DSP ha de ser de 24 bits para poder manipular los valores que se obtienen al procesar la señal. El procesamiento de imágenes, gráficas en 3D y simulaciones científicas tiene un rango dinámico mucho más amplio y necesitan DSPs de 32 bits con aritmética de coma flotante como por ejemplo el 96002 o el TMS320C30.
Este proyecto ha supuesto el estudio de una tecnología en pleno desarrollo. Durante su ejecución, se ha procedido a la detallada recopilación y análisis de numeroso material como: manuales de usuario, textos y fundamentalmente publicaciones obtenidas de los propios fabricantes a través de Internet, lo que proporciona una alta seguridad acerca de la actualidad y validez de los datos recopilados.
Se ha realizado el estudio del tratamiento digital de la señal que fundamenta la existencia de estos procesadores, las arquitecturas fundamentales que éstos adoptan y las aplicaciones que soportan, así como analizado qué dispositivo se adapta de mejor forma a tareas concretas.
Siendo conscientes de que la investigación y el desarrollo con procesadores digitales de señal es, aunque muy extendido, de relativamente corta aparición, dejamos este camino actualizado y abierto a posibles continuaciones.