Uma forma de se reduzir o custo (em termos tanto de área de chip quanto de consumo de energia) de algoritmos de processamento de sinais é empregar aritmética de ponto fixo, usando o menor número de bits possível para se representar as variáveis e coeficientes necessários. Com isso, consegue-se reduzir a complexidade do hardware, levando a economias de energia e de área de chip em circuitos dedicados. A escolha do nível de quantização a que cada variável deve ser submetida depende de se conhecer o efeito da quantização de cada variável nas saídas do sistema, o que pode ser conseguido através de simulações (em geral lentas) ou por métodos analíticos. Este documento propõe avanços a uma nova metodologia de análise de algoritmos para processamento digital de sinais implementados em aritmética de ponto fixo, usando modelos baseados em cadeias de Markov. As contribuições desta dissertação são as seguintes: Filtros IIR de primeira e de segunda ordem são analisados via cadeia de Markov, pressupondo que a entrada possui uma função densidade de probabilidade conhecida. O modelo é desenvolvido de forma geral, de forma que pode ser considerada uma função de densidade de probabilidade qualquer. A saída dos filtros é usada para definir os estados da cadeia. O modelo via cadeia de Markov para o coeficiente do algoritmo LMS unidimensional é estendido para entrada correlacionada. Nesse caso, os estados passam a ser descritos em termos do coeficiente e do da entrada anterior. Um exemplo assumido função de densidade de probabilidade de entrada gaussiana para o filtro adaptativo é apresentado. / The implementation cost of signal processing algorithms may be reduced by using fixed-point arithmetic with the smallest possible word-length for each variable or parameter. This allows the designer to reduce hardware complexity, leading to economy of energy and chip area in dedicated circuits. The choice of word-length depends on the determination of the effect at the output of the quantization of each variable, which may be obtained through simulations (generally slow) or through analytical methods. This document proposes new advances to a new analysis method for digital signal processing algorithms implemented in fixed-point arithmetic, based on Markov chain models. Our contributions are the following: A Markov chain model is used to study first and second order IIR filters for an known input density probability function. The model is general and can be applied for any probability function. We use the output of the filters to define the states of the Markov chain. The unidimensional LMS Markov chain model is extended to correlated input. The states are defined by a pair considering the coefficient and the previous input and an example assuming Gaussian-distributed input is presented.

Esta tese estuda modificações no sistema operacional Linux para a arquitetura x86 da Intel, com a finalidade de aumentar o desempenho, nessa plataforma, das aplicações de processamento digital de sinais em tempo real. Inicialmente são estabelecidos requisitos para um sistema operacional voltado para o processamento digital de sinais. Os requisitos são estabelecidos com base na estrutura dos programas de processamento digital de sinais em tempo real e nas situações mais comuns nesse tipo de processamento. Um fator chave quando se trata de processamento em tempo real é a latência para colocar o aplicativo em execução. Nesse contexto, o trabalho desenvolve um modelo para a latência no tratamento das interrupções externas no Linux. Usando esse modelo é desenvolvido um método para medir as várias componentes dessa latência, método este baseado na colocação de marcadores de tempo no núcleo do Linux. O método de medida proposto é usado para medir a latência do Linux no tratamento de uma interrupção externa em três condições diferentes. O estudo finaliza propondo, implementando e testando alterações no Linux que visam melhorar o desempenho, desse sistema, em aplicações de processamento digital de sinais em tempo real. / This work studies modifications in the Linux operating system for the Intel x86 architecture, with the purpose of increasing the performance in applications of digital signal processing in real-time. Initially the requirements for a digital signal processing operating systems are established. These requirements are based on the structure of the programs of digital signal processing in real-time and the most common situations in this type of processing. An important factor in real-time processing is the latency to put the process in execution. In this context, this work develops a latency model for the I/O interrupts handling in Linux. By using this model, a method is developed to measure components of this latency. This measurement method is based on time markers collocated in the Linux kernel. The proposed method is used to measure the Linux latency for an I/O interrupt handling in three different conditions. Finally this research proposes, implements and tests alterations in Linux with the purpose of increasing the performance of this operating system in applications of digital signal processing in real-time.

"This thesis describes a co-processor system that has been designed to accelerate computations associated with Singular Value Array Reconciliation Tomography (SART), a method for locating a wide-band RF source which may be positioned within an indoor environment, where RF propagation characteristics make source localization very challenging. The co-processor system is based on field programmable gate array (FPGA) technology, which offers a low-cost alternative to customized integrated circuits, while still providing the high performance, low power, and small size associated with a custom integrated solution. The system has been developed in VHDL, and implemented on a Virtex-4 SX55 FPGA development platform. The system is easy to use, and may be accessed through a C program or MATLAB script. Compared to a Pentium 4 CPU running at 3 GHz, use of the co-processor system provides a speed-up of about 6 times for the current signal matrix size of 128-by-16. Greater speed-ups may be obtained by using multiple devices in parallel. The system is capable of computing the SART metric to an accuracy of about -145 dB with respect to its true value. This level of accuracy, which is shown to be better than that obtained using single precision floating point arithmetic, allows even relatively weak signals to make a meaningful contribution to the final SART solution."

Uma forma de se reduzir o custo (em termos tanto de área de chip quanto de consumo de energia) de algoritmos de processamento de sinais é empregar aritmética de ponto fixo, usando o menor número de bits possível para se representar as variáveis e coeficientes necessários. Com isso, consegue-se reduzir a complexidade do hardware, levando a economias de energia e de área de chip em circuitos dedicados. A escolha do nível de quantização a que cada variável deve ser submetida depende de se conhecer o efeito da quantização de cada variável nas saídas do sistema, o que pode ser conseguido através de simulações (em geral lentas) ou por métodos analíticos. Este documento propõe avanços a uma nova metodologia de análise de algoritmos para processamento digital de sinais implementados em aritmética de ponto fixo, usando modelos baseados em cadeias de Markov. As contribuições desta dissertação são as seguintes: Filtros IIR de primeira e de segunda ordem são analisados via cadeia de Markov, pressupondo que a entrada possui uma função densidade de probabilidade conhecida. O modelo é desenvolvido de forma geral, de forma que pode ser considerada uma função de densidade de probabilidade qualquer. A saída dos filtros é usada para definir os estados da cadeia. O modelo via cadeia de Markov para o coeficiente do algoritmo LMS unidimensional é estendido para entrada correlacionada. Nesse caso, os estados passam a ser descritos em termos do coeficiente e do da entrada anterior. Um exemplo assumido função de densidade de probabilidade de entrada gaussiana para o filtro adaptativo é apresentado. / The implementation cost of signal processing algorithms may be reduced by using fixed-point arithmetic with the smallest possible word-length for each variable or parameter. This allows the designer to reduce hardware complexity, leading to economy of energy and chip area in dedicated circuits. The choice of word-length depends on the determination of the effect at the output of the quantization of each variable, which may be obtained through simulations (generally slow) or through analytical methods. This document proposes new advances to a new analysis method for digital signal processing algorithms implemented in fixed-point arithmetic, based on Markov chain models. Our contributions are the following: A Markov chain model is used to study first and second order IIR filters for an known input density probability function. The model is general and can be applied for any probability function. We use the output of the filters to define the states of the Markov chain. The unidimensional LMS Markov chain model is extended to correlated input. The states are defined by a pair considering the coefficient and the previous input and an example assuming Gaussian-distributed input is presented.

Esta tese estuda modificações no sistema operacional Linux para a arquitetura x86 da Intel, com a finalidade de aumentar o desempenho, nessa plataforma, das aplicações de processamento digital de sinais em tempo real. Inicialmente são estabelecidos requisitos para um sistema operacional voltado para o processamento digital de sinais. Os requisitos são estabelecidos com base na estrutura dos programas de processamento digital de sinais em tempo real e nas situações mais comuns nesse tipo de processamento. Um fator chave quando se trata de processamento em tempo real é a latência para colocar o aplicativo em execução. Nesse contexto, o trabalho desenvolve um modelo para a latência no tratamento das interrupções externas no Linux. Usando esse modelo é desenvolvido um método para medir as várias componentes dessa latência, método este baseado na colocação de marcadores de tempo no núcleo do Linux. O método de medida proposto é usado para medir a latência do Linux no tratamento de uma interrupção externa em três condições diferentes. O estudo finaliza propondo, implementando e testando alterações no Linux que visam melhorar o desempenho, desse sistema, em aplicações de processamento digital de sinais em tempo real. / This work studies modifications in the Linux operating system for the Intel x86 architecture, with the purpose of increasing the performance in applications of digital signal processing in real-time. Initially the requirements for a digital signal processing operating systems are established. These requirements are based on the structure of the programs of digital signal processing in real-time and the most common situations in this type of processing. An important factor in real-time processing is the latency to put the process in execution. In this context, this work develops a latency model for the I/O interrupts handling in Linux. By using this model, a method is developed to measure components of this latency. This measurement method is based on time markers collocated in the Linux kernel. The proposed method is used to measure the Linux latency for an I/O interrupt handling in three different conditions. Finally this research proposes, implements and tests alterations in Linux with the purpose of increasing the performance of this operating system in applications of digital signal processing in real-time.

Este trabalho apresenta a implementação prática de uma rede de microfones para ser utilizada em tempo real. A solução proposta envolve o uso de hardware de baixo custo e software de código aberto. Em termos de hardware, a rede de microfones utilizou dispositivos de áudio USB conectados diretamente a um computador pessoal (PC). Em termos de software, foram utilizados a biblioteca de código aberto Advanced Linux Sound Architecture (ALSA) e o sistema operacional Linux. Algumas implementações foram realizadas na biblioteca ALSA para que fosse possível a utilização da rede de microfones dentro do Linux. Os algoritmos implementados na biblioteca ALSA foram o Delay and Sum, Generalized Sidelobe Canceller (GSC) e o Post-Filtering. Os aspectos teóricos dos principais algoritmos empregados nas redes de microfones foram abordados de forma extensa. Os resultados teóricos e práticos desta implementação são apresentados no final deste trabalho. Todo o desenvolvimento de software foi publicado na Internet para que sirva de base para futuros trabalhos. / This work presents the practical implementation of a microphone array to be used in real time. The proposed solution involves the use of low-cost hardware and open source software. In terms of hardware, the microphone array used USB audio devices connected directly to a personal computer (PC). In terms of software, it was used the open-source library Advanced Linux Sound Architecture (ALSA) and Linux operating system. Some implementations were carried out in ALSA library to make it possible to use the microphone array within Linux. The algorithms implemented in ALSA library were the Delay and Sum, Generalized Sidelobe Canceller (GSC) and Post-Filtering. The theory of the main algorithms used in microphone array were discussed extensively. The results for the theoretical and practical implementation are presented at the end of this work. All software development was published on the Internet to serve as a basis for future works.

Neste trabalho faz-se um estudo sobre filtros IIR adaptativos e é apresentada uma estrutura polifásica para filtragem IIR adaptativa, que, em troca de um aumento de complexidade computacional, pode apresentar características mais favoráveis do que a estrutura direta comumente usada. O aumento da complexidade computacional, relativamente a um algoritmo do tipo newton, por exemplo, é pequeno. Apresenta-se uma análise dos efeitos da proximidade ao círculo unitário dos pólos do sistema sendo modelado. Um dos efeitos considerados é o comportamento limite do condicionamento da matriz de estados associada ao algoritmo de adaptação. São considerados algoritmos de adaptação de passo constante de uso comum para filtros IIR adaptativos. O método utilizado é particularmente útil para a verificação do efeito da posição dos pólos do sistema sendo modelado e também para a introdução de certas restrições ao mesmo, como, por exemplo, norma L2 fixa e resposta em freqüência passa-tudo. Um resultado interessante é que a única situação, entre as testadas, em que o condicionamento da matriz mencionada não tende a infinito quando um número qualquer de polosndo sistema sendo modelado H(z) se aproxima da circunferência unitária, é quando H(z) é passa-tudo e emprega-se o algoritmo PLR. São analisadas também a superfície de erro e a superfície de erro reduzida para filtros IIR adaptativos. Mostra-se que, quando o sistema sendo modelado possui polos próximos à circunferência unitária, a superfície de erro reduzida apresenta regiões planas com erro quadrático médio elevado. A existência destas regiões resulta em uma baixa velocidade de convergência global de algoritmos de passo constante. A partir da decomposição em valores singulares (SVD) da forma de Hankel do sistema sendo modelado, é apresentada também uma decomposição da superfície de erro reduzida, a partir da qual pode-se obter uma separaçãoparcial dos efeitos do sistema sendo modelado e da forma de realização do filtro adaptativo. Uma estrutura polifásica para filtragem IIR adaptativa é apresentada e seu desempenho é comparado com o de filtros IIR adaptativos na forma direta. Mostra-se o possível ganho da estrutura polifásica quanto à velocidade de convergência local e quanto às características da superfície de erro reduzida e à velocidade de convergência global. Demonstra-se, para a estrutura polifásica, que, com entrada branca e modelamento suficiente, todos os pontos estacionários da superfície de erro são mínimos globais da mesma. Este resultado não decorre diretamente de propriedades análogas relativas à estrutura direta, já conhecidas. Tudo para a estrutura direta quanto para a estrutura polifásica, são apresentados os resultados de várias simulações dos algoritmos de adaptação considerados. / A study on IRR adaptive filters and polyphase structure for IIR adaptive filtering are presented. In exchange for an increase in computational complexity, which is small if compared to Newton algorithms, the polyphaser structure may exhibit a better performance than direct structures. An analysis of the effects of the proximity to the unit circle of the modelled system\'s poles is presented. One of the considered points is the limiting behavior of the condition of the state matrix related to the adaptive algorithm. Commonly used constant gain algorithms are considered. The method of analysis is specially usefull for verifying the effects of the position of the system\'s poles and also for introducing certain restrictions to the system, as fixed L2 norm and all-pass frequency response. An interesting result is that, among the situations that were tested, the only one in which the condition of the aforementioned matrix does not tend to infinity as the poles of the modelled system H(z) tend to the unit circle is when H)z) is all-pass and the PLR algorithm is employed. The error surface and the reduced error surface for IIR adaptive filters are also analyzed. It is shown that the modelled system has poles close to the unit circle the reduced error surface presents flat regions with high mean square error. The presence of these flat regions results in low global convergence speed for constant gain adaptive algorithms. Based on the singular value decomposition (SVD) of the modelled system\'s Hankel form, a decomposition of the reduced error surface is also presented. In it there exists a partial separation of the effects of the system and the adaptive filter\'s structure. A polyphaser structure for IIR adaptive filtering is presented and its performance is compared to the performance of the direct structure. The gain in local convergence and global convergencespeed, as well as the better behavior of the reduced error surface which may be attained , are shown. It is demonstrated, for the polyphaser structure, that, with while input and sufficient modelling, all the stationary points of the error surface are global minima. This result does not follow directly from similar well known results for the direct structure. Simulation results for the considered algorithms are also presented.

A resposta impulsiva do canal de um sistema de banda ultralarga típico é caracterizada pelo elevado número de percursos discerníveis. Dessa forma, para uma recepção eficiente, a energia espalhada nessas componentes multipercurso deve ser de alguma forma combinada. Considerando o enlace direto (downlink) de uma rede pessoal de curto alcance, assume-se que o ponto de acesso possui uma capacidade de processamento maior do que os dispositivos portáteis a ele conectados, tais como câmeras fotográficas, celulares e aparelhos de MP3. Este trabalho se concentra no estudo de esquemas de pré-processamento em ambientes mono e multiusuário, com vistas a combinar eficientemente a energia espalhada nas componentes multipercurso do canal e, consequentemente, combater a autointerferência e a interferência entre usuários, sem agregar muito custo computacional ao receptor (dispositivos portáteis da rede). Com isso, boa parte da complexidade é transferida para o transmissor (ponto de acesso), de forma que o receptor necessite apenas de um detector convencional, ou então de um detector convencional seguido de processamento adicional de complexidade moderada para mitigar a interferência residual. / The channel impulse response of a typical ultra wideband system is characterized by a large number of resolvable paths. For a efficient reception, the energy spread over the multipath components has to be somehow combined. Considering the downlink of a wireless personal area network, the access point is assumed to have a good hardware capacity when compared to the portable devices of the network, such as digital cameras, cell phones and MP3 players. This work focuses on preprocessing schemes that are able to combine efficiently the multipath components, and to combat self and multiuser interference without increasing the computational cost at the receiver (portable devices) substantially. Hence, most of the complexity is transferred to the transmitter (access point) in such a way that the receiver needs only a conventional detector or a conventional detector followed by a moderated complexity processing in order to mitigate the residual interference.

Este trabalho discute um novo método para a melhoria da qualidade de sinais de fala degradados por ruído aditivo branco de elevada intensidade (SNR segmentada variando de 10 a 3 dB). A técnica apresentada baseia-se na soma ponderada entre um sinal obtido por subtração espectral e um sinal sintetizado, produzido de acordo com o modelo digital de produção de fala (análise e síntese LPC). Para a estimação dos coeficientes LPC e período de pitch, foi implementado um pré-processador baseado na técnica de subtração espectral (modificada especialmente para este propósito), o que melhora significativamente a qualidade geral do sinal de fala sintetizado. A soma ponderada entre o sinal obtido por subtração espectral e o sinal sintetizado permite a reconstrução de regiões espectrais perdidas devido aos efeitos da aplicação da subtração espectral, bem como a eliminação do ruído musical. Os testes realizados com frases foneticamente balanceadas lidas por diversos locutores permitem observar que o método proposto oferece melhores resultados do que a subtração espectral. O sinal de fala obtido apresenta também maior clareza e naturalidade, sem o inconveniente do ruído musical. / The present work discusses a new method to enhance speech signals degraded by white additive noise in high-noise environments (segmented SNR varying from 10 to 3 dB). The approach presented here is based upon a weighted sum involving a speech signal obtained from spectral subtraction and a synthetized speech signal, which is produced according to the concepts of the digital model of speech production (LPC analysis and synthesis). A spectral subtraction-based pre-processor was specifically implemented for LP coeficients and pitch period estimation, which significantly improves the overall quality of the synthetized speech signal. The weighted combination of these two speech signals allows the reconstruction of spectral regions lost due to the effects of spectral subtraction, as well as the elimination of musical noise. Tests conducted with phonetic-ballanced sentences from several speakers show that the proposed method offers better results than spectral subtraction, producing a more natural and clear enhanced speech signal, without the common artifact of musical noise.

Redes inteligentes de antenas vêm ganhando uma importância cada vez maior na expansão e no aperfeiçoamento de sistemas de telefonia celular, principalmente para sistemas de 3a geração, que necessitarão de uma banda de transmissão ainda maior. Neste sentido, são muitas as contribuições da comunidade científica para este tema, com o objetivo de determinar a direção de chegada dos sinais incidentes na rede, de diminuir a interferência de um sinal sobre o outro e de sintetizar diagramas de radiação desejados. Na maior parte dos casos, porém, as antenas utilizadas nas simulações são consideradas ideais, desprezando-se os efeitos de acoplamento mútuo entre os seus elementos. Neste trabalho, através de simulações numéricas, é analisado o impacto da utilização de antenas reais no desempenho de sistemas de antenas inteligentes, levando-se em conta todas as características intrínsecas como acoplamento mútuo e diagramas de radiação reais dos seus elementos. Além disso, são propostas soluções para a utilização de redes de antenas reais através de métodos e procedimentos que possam contribuir para melhor precisão e confiabilidade dos resultados correspondentes. Dessa forma, é apresentado um método de processamento adaptativo em rede ideal equivalente, que leva a uma solução para formação de feixe em enlace de descida de sistemas de telefonia celular, utilizando-se uma transformação de rede real em rede ideal. É também investigada a dependência de velocidade de convergência e dos erros resultantes no processo acima citado em função da escolha da geometria da rede ideal. Apresenta-se, ainda, uma nova configuração de rede com redução de acoplamento mútuo, investigando-se a melhoria de características como nível de lóbulos secundários e precisão na determinação de direção de chegada de sinais em redes de antenas inteligentes. / Smart antenna arrays are becoming more important in the expansion and in the enhancement of cellular telephony systems, specially in the third-generation that will need an even larger bandwidth. In this subject, many contributions from the scientific community have been provided with the goal of determining direction-of-arrival for incident signals, eliminating interference between different signals and of synthesizing desired radiation patterns. On most cases, however, the antennas employed in the simulations are ideal antennas, where one disregards the mutual coupling effects between each pair of elements. In this work, the impact of using real antennas in the behavior of smart antenna systems is analyzed through numerical simulations, taking into account intrinsic features such as mutual coupling and real radiation patterns of its elements. On top of that, solutions are proposed for the utilization of real antenna arrays through methods and procedures that may contribute to a better precision and reliability of the related results. In this sense, it is initially presented an adaptive process method that leads to a solution for downlink beamforming in cellular systems, using a transformation of the real array into an ideal array. The dependence of convergence speed and errors on the choice of the ideal array geometry is also investigated. Next, a new array configuration with reduced mutual coupling is presented, and improvements in characteristics such as secondary lobe level and direction-of-arrival determination precision on smart antenna arrays are investigated.