UNIVERSIDAD AUTNOMA DEL CARMENDES: DEPENDENCIA REA CIENCIAS DE LA INFORMACIN FACULTAD: CENTRO DE TECNOLOGIAS DE LA INFORMACIN TEORA DE SEALES HERNESTO FRANCISCO BAUTISTA THOMPSON. ALUMNO: EDDY ENRIQUE CASTILLO EGUAN TEMA: APLICACIONES DE PROCESADO DE SEALES

CD. DEL CARMEN CAMPECHE A 24 DE FEBRERO DE 2011

APLICACIONES DE LAS SEALES MIOELECTRICAS PARA EL CONTROL DE INTERFACES HOMBRE-MAQUINAEn el cuerpo humano se generan diferentes seales bioelctricas debido al funcionamiento de rganos tales como el cerebro, el corazn, los ojos, los msculos. Estas seales reciben nombres caractersticos dependiendo del rgano en el que se originan. Para los rganos mencionados, las seales reciben el nombre de electroencefalogrficas, electrocardiogrficas, electrooculogrficas y electromiogrficas, respectivamente. Las seales bioelctricas son utilizadas principalmente en diagnstico mdico para detectar patologas en los rganos que las producen, pero tambin pueden ser utilizadas, particularmente aquellas que son generadas de manera voluntaria, para controlar interfaces hombre mquina. Las seales electromiogrficas (EMG) o tambin conocidas como mioelctricas son seales elctricas que se producen en los msculos cuando estos se contraen o distensionan. Estas seales, a pesar de presentar niveles de voltaje pequeos, pueden medirse con un equipo adecuado, y esta informacin ser empleada para diagnosticar patologas del sistema muscular. Otra aplicacin que se le ha dado a estas seales esta en el control de interfaces hombre mquina, donde las seales EMG medidas en msculos activados voluntariamente por un usuario, se procesan y se utilizan como comandos para controlar dispositivos electromecnicos o interfaces de tipo software. Este campo en el que se conjugan la electrnica y la medicina tiene muchas reas de aplicacin en la industria, en la medicina, en el hogar, en el entretenimiento. El control de interfaces hombre mquina tales como ratones y teclados mioelctricos, de dispositivos como prtesis mioelctricas, robots mviles, brazos robticos o de brazos simulados mediante software, son algunas de las aplicaciones en las que tiene cabida el control utilizando seales mioelctricas. En nuestra regin se cuenta con programas de Medicina, Enfermera y Biomedicina con laboratorios unos buenos y otros no muy bien instrumentados. El presente trabajo se concibe con el fin de proporcionar un conjunto de aplicaciones software - hardware de bajo costo, que permitan experimentar, tanto a estudiantes de medicina, con una herramienta que se puede configurar como un electromiografo simple o un entrenador de prtesis mioelctricas o simplemente como una herramienta, para estudiantes de Sistemas y Automtica por ejemplo, que les permite experimentar con nuevas interfaces hombre maquina. El sistema implementado que permite realizar la adquisicin y el procesamiento de seales EMG para el control de interfaces hombre mquina y aplicaciones en Medicina y Rehabilitacin est constituido por un bloque hardware y un bloque software. El bloque hardware lo conforman los mdulos de sensores, acondicionamiento de seales y

adquisicin de seales; el bloque software est constituido por el mdulo de procesamiento de seales. El diagrama en bloques del sistema se muestra en Figura 1.

El mdulo de sensores se encarga de detectar las seales EMG generadas a partir de las contracciones musculares del brazo de un usuario y convertirlas en seales elctricas, las cuales pasan al mdulo de acondicionamiento de seales donde son amplificadas ya que presentan niveles de voltaje muy pequeos y filtradas para eliminar componentes de ruido que las distorsionen; en el mdulo de adquisicin de seales se realiza un proceso de digitalizacin empleando la tarjeta de sonido de un computador personal y finalmente en el mdulo de procesamiento de seales se realiza el tratamiento de la seal digital mediante algoritmos computacionales. El mdulo de procesamiento de seales incluye dos fases: extraccin de caractersticas, para conocer aspectos representativos de las seales EMG y clasificacin a partir de las caractersticas extradas, con el fin de categorizarlas dentro de una de las posibles clases que hayan sido definidas, esto ultimo con la finalidad de emplearlas como ordenes de control.Finalmente se llega a un sistema que consta de tres electrodos superficiales del tipo empleado en electrocardiografa que son ubicados en el brazo como se muestra en figura 2, un amplificador de instrumentacin con una ganancia de 130 y de respuesta lineal en el rango desde 0,05 Hz hasta 1000 Hz, un filtro notch que bloquee la seal de 50/60 Hz de la red elctrica, una tarjeta de sonido que permite obtener una ganancia adicional de 20 dB para la entrada de micrfono y un componente software para el tratamiento de las seales EMG adquiridas desarrollado en LabVIEW 6i, el cual debe realizar la adquisicin de la seal durante 250 ms a una frecuencia de muestreo de 1024

muestras por segundo y posteriormente procesar la seal, tiempo despus del cual el sistema nuevamente realizar la adquisicin de la seal y el ciclo se repetir.

CLASIFICACION DE LA SEAL EMG La clasificacin de seales, su compresin y la eliminacin de ruido en ellas son ejemplos de problemas clsicos en la teora de la seal. El problema de la clasificacin de seales mioelctricas, cae dentro del dominio de la teora de la seal. La clasificacin de seales involucra las siguientes fases: 1. Formulacin del problema: permite fijar los objetivos de la investigacin y planear las fases siguientes. 2. Recoleccin de datos: se realizan medidas de variables apropiadas y se almacenan sistemticamente. 3. Procesamiento inicial de los datos: se normalizan los datos para que queden ubicados dentro de un rango que facilite el trabajo computacional. 4. Extraccin de caractersticas: se seleccionan las variables de las medidas realizadas que sean apropiadas para el trabajo. Se pueden obtener nuevas variables a travs de transformaciones lineales o no lineales de los datos originales. 5. Clasificacin de patrones: se aplica un procedimiento de discriminacin en el que se compara el parmetro seleccionado del patrn de entrada con los parmetros de referencia establecidos con anterioridad (proceso de entrenamiento) para determinar la correspondencia del patrn con uno de los estados posibles. 6. Evaluacin de los resultados: El clasificador entrenado es probado con un conjunto de patrones de entrada.

7. Interpretacin de los resultados: con base en la clasificacin del patrn de entrada se toman decisiones y se ejecutan acciones. APLICACIONES DEL SISTEMA Los algoritmos de control se implementaron utilizando LabVIEW 6i de National Instruments debido a la facilidad que ofrece para desarrollar programas (instrumentos virtuales o VIs) al ser un lenguaje basado en programacin grfica. Para lograr una mayor facilidad de mantenimiento y comprensin, mayor modularidad y permitir la reutilizacin de cdigo; el software del sistema se dividi en bloques funcionales que reciben unos parmetros de entrada, realizan una tarea especfica o procesamiento sobre dichas entradas y entregan un resultado o salida. Estos bloques funcionales subVIs permiten representar un programa en forma de diagrama en bloques de modo que se puede realizar el seguimiento de su funcionamiento de una manera fcil e identificar rpidamente fallas que se estn presentando y solucionarlas sin mucha prdida de tiempo. Al integrar todos los subVIs se obtiene el software de adquisicin y procesamiento de seales bioelctricas para controlar una interfaz hombre mquina. El sistema en su aplicacin de interfaces hombre mquina permite realizar el control de un brazo robtico, un brazo robtico simulado mediante software y un robot mvil. El usuario dispone de una interfaz grfica a travs de la cual puede realizar el entrenamiento del sistema y acceder a las diferentes opciones de control. En la figura 3 se muestra la interfaz de usuario.

Cuando el usuario selecciona una de las opciones disponibles para realizar el control, se despliega una interfaz, ver figura 4, en la que se muestra la seal EMG adquirida, la seal EMG rectificada, la seal EMG normalizada, el tipo de contraccin realizada y un botn que permite retornar a la interfaz principal de usuario.

Las seales empleadas para el control se obtienen a partir de tres estados diferentes y excluyentes que son la manifestacin de la actividad muscular del brazo del usuario y que pueden ser reposo (ninguna contraccin muscular voluntaria y considerable), contraccin media o contraccin fuerte. Para todos los movimientos ejecutados por los sistemas controlados, una primera contraccin producir un determinado movimiento (por ejemplo giro hacia la derecha en el caso del robot mvil) y una segunda contraccin del mismo tipo que la anterior, producir el movimiento opuesto (giro hacia la izquierda para el ejemplo mencionado).

ANLISIS DE LOS ECOS EN SEALES DE EMISIN ACSTICALas seales de EA, respuesta del sistema de deteccin a las seales mecnicas incidentes, se originan en la superposicin de mltiples ondas elsticas de distinto tipo: de volumen (longitudinales y transversales), de superficie (ondas de Rayleigh), y si el material es una placa delgada, como ocurre en nuestro caso, ondas de Lamb, como figura en Ruzzante et al. (1998). Las probetas, un esquema de las cuales se muestra en la Figura 1, fueron de un dimetro exterior de 138-140 mm, un ancho de 20 mm y un espesor de 14.5-16 mm. Se les elimin un segmento de cuerda de 70 mm para insertarlas en el dispositivo de deformacin. En la parte superior interna se les hizo un adelgazamiento para concentrar la deformacin en esa determinada zona. Se emplearon seis probetas, tres de ellas con su capa natural de xido, y las otras tres fueron torneadas para eliminar dicha capa. Los tres primeros ensayos (MAN2, MAN3, MAN4) corresponden a probetas con capa de xido, los otros tres (MAN5, MAN6, MAN7), corresponden a probetas sin capa de xido. Las seales fueron captadas con un sensor de banda ancha PAC WD, considerado aproximadamente lineal en el rango de frecuencia de 100-800 KHz, y procesadas con el sistema AEDOS CISE de EA. Fueron digitalizadas con un osciloscopio digital LeCroy con una frecuencia de muestreo de 2.5 MHz y 8 bits correspondiendo cada seal a un archivo de 2502 puntos.

Una de las tcnicas comunes del anlisis espectral de seales es la Transformada Rpida de Fourier (FFT), que permite determinar el rango de frecuencias predominantes en una seal continua. Cuando se aplica la FFT a seales discontinuas como los eventos de EA, se realiza un anlisis local, pero, una vez seleccionada la ventana temporal, queda simultneamente definida una ventana de frecuencia arbitraria y no siempre conveniente. Esa es la razn que impuls el desarrollo de otras transformadas como la Transformada de Fourier de Tiempo Corto (STFT), la Transformada de Wigner-Ville (WGT), y la Transformada Wavelet (WT) (Serrano, 2001). En los casos donde coexisten fenmenos de corta y larga duracin como el de este trabajo, la eleccin de las ventanas y los clculos para STFT y WGT, son complicados , por lo que se eligi la WT, como en otros trabajos del Grupo, por ejemplo Maradei, (2002). Dado que la EA es tpicamente un proceso no estacionario, la WT es una herramienta muy til para el procesamiento de las seales. En este trabajo se us el software de onditas, especial para seales de EA: AGU-Vallen Wavelet, (2002) de libre disponibilidad. La ondita madre que usa este software es una ondita de Gabor, con una funcin gaussiana. El algoritmo est basado en el trabajo de Suzuki et al. (1996). La presentacin de los resultados corresponde a dos grficos, uno que muestra la seal original en el dominio del tiempo (Tiempo-Amplitud), y otro que muestra el espectrograma wavelet, que presenta variadas formas en distintos colores sobre el plano Tiempo-Frecuencia, donde el color est asignado de acuerdo al valor de cada coeficiente ondita. El cuadrado de estos coeficientes se corresponde con la potencia transportada por la correspondiente componente en cada instante. Las ondas de Lamb, modo fundamental de propagacin en placas delgadas, tienen la particularidad de ser dispersivas, es decir, cada uno de los distintos modos de Lamb tiene una velocidad de grupo que es funcin del producto de la frecuencia de la onda que se propaga y el espesor de la placa donde se est propagando. Los grficos que representan esta variacin generalmente son llamados curvas de dispersin. Los modos S representan los modos de oscilacin simtricos y los A los antisimtricos. Generalmente slo los primeros modos transportan la mayor parte de la energa. As, los modos usualmente detectados son los A0, A1, S0 y S1. Existen en la literatura varios trabajos (Prosser, 1999 (1), Prosser, 1999 (2)) relativos a la EA y al anlisis en el dominio Tiempo-Frecuencia de las ondas de Lamb, para diferentes materiales y para seales simuladas por mtodos de elementos finitos, o bien artificiales como la rotura de la mina de lpiz . En estos casos se conoce de antemano la distancia entre la fuente y el sensor. Para obtener las curvas de dispersin para el material empleado en estos ensayos, se us el software de EA: Vallen Dispersin (Vallen, 2002), que permite calcular y graficar las curvas de dispersin para las propiedades particulares del material tales como la velocidad de propagacin de los modos longitudinales y transversales de las ondas de volumen y el espesor de la placa.

Las velocidades de propagacin de las ondas elsticas de volumen en acero, longitudinal y transversal corresponden a los valores de 5864 m/s y 3142 m/s, respectivamente; y considerando un rango de frecuencias de las ondas elsticas entre 100 KHz y 1000 KHz, se deduce que las longitudes de onda involucradas varan entre 3,1 y 58 mm. Teniendo en cuenta que estos valores se corresponden con el rango de los espesores de las probetas ensayadas, se deduce que las mismas se comportan esencialmente como placas delgadas, de modo que las ondas elsticas que recibe el sensor de EA son fundamentalmente las de Lamb. Los coeficientes ondita se corresponden con la energa transportada por la correspondiente componente. En nuestros grficos de la representacin ondita (espectrogramas), el color magenta representa valores mnimos y el color rojo los valores ms altos, entre ellos existe una amplia graduacin cromtica. Todas las seales digitalizadas fueron procesadas con onditas, pero para hacer el anlisis final se estudiaron slo las representaciones tpicas de cada ensayo que figuran en la Tabla 1 como seales estudiadas. En muchas de las seales se vieron dos zonas de altos coeficientes onditas en la franja de 120-350 KHz, estando ubicadas aproximadamente en 200 s y 320 s respectivamente. En algunas se vieron ms zonas. En la gran mayora de las seales, se observan dos zonas temporales de altos coeficientes ondita, donde la segunda zona no es tan rica en frecuencias como la primera. En el caso de las probetas con xido el mximo de los coeficientes ondita, aparece para una frecuencia promedio de 213 KHz, y para las probetas sin xido, en 258 KHz aproximadamente, ambos en los 200 s. En algunas seales para esa posicin temporal, pero en otro rango de frecuencias, aparecen otros mximos relativos en los coeficientes ondita. En la Figura 2 se puede apreciar claramente, comparando la parte superior e inferior de la figura, la muy buena correspondencia entre las mximas excursiones de la seal y las manchas de colores correspondientes a los mayores valores de los coeficientes onditas. En esta figura se pueden observar fundamentalmente dos zonas de altos valores de coeficientes ondita, como ya fue dicho, una centrada en aproximadamente 200 s y la otra de menor intensidad en 320 s, ambas fundamentalmente en una franja de frecuencias en el rango 120-350 KHz. A la primera parte de esta seal la seal se la llam Evento Primario (EP), con un ancho aproximado de 20 s y a la segunda Evento Reflejado (ER), de ancho parecido, pero de menor intensidad. Para obtener mayor claridad, se expandi y traslad en el tiempo la seal, quedndonos slo con la parte ms representativa (principio de la seal), como se puede ver en la Figura 3. Muy prximo al EP, aproximadamente a 20 s, hay una mancha azul que corresponde a valores significativos de los coeficientes ondita. Esta zona no ha podido ser identificada an. Se calcul tambin la Respuesta en Frecuencia (cociente entre las correspondientes Transformadas de Fourier) entre ER y el EP. En la Figura 4, se observa, en la parte a) la

misma seal temporal de la probeta MAN2; en la parte b) las Transformadas de Fourier del EP y el ER, donde se ve que los mayores valores de amplitud corresponden al mismo rango de frecuencias; y en la parte c) la Respuesta en Frecuencia, donde se us una escala en dB ponderada por la diferencia de amplitudes para resaltar las valores significativos. Esta respuesta en dB muestra valores casi nulos para todas las frecuencias, excepto en el rango 120-350 kHz. Por lo tanto se corrobora que fuera de dicho intervalo de frecuencias, las seales transportan informacin no relevante para el presente estudio.

Estos resultados indicaran que si se quiere estudiar a partir de las seales, aspectos relativos a las fuentes de EA, es indispensable considerar slo los eventos primarios, ya que el resto de la seal conlleva informacin superpuesta relacionada con la geometra de las probetas y la propagacin en el material. Por otra parte, estudiar el EP y el ER para muchas seales de la misma probeta, facilitara el estudio de los dos ltimos aspectos: reflexiones y propagacin.

PROCESAMIENTO DE SEALES PARA APLICACIONES DE RADARInvestigar tecnologa para el sensado remoto por ondas de radio permite desarrollar o introducir mejoras a sistemas de radares de uso civil, militar y en aplicaciones geofsicas. Bsicamente un radar es un transmisor-receptor sincrnico que mide el tiempo transcurrido entre la emisin y la recepcin de una seal de radio que se refleja (el eco) en el objetivo. Esta informacin temporal permite calcular una distancia. En esta disciplina concurren diferentes tareas para extraer informacin til del eco de la seal transmitida que ser utilizada para la medicin. La simulacin permitir analizar el comportamiento de las seales involucradas a lo largo de las etapas con el objetivo de establecer pautas cualitativas y cuantitativas que permitan el diseo del sistema (Cabrera et al, 2007), tales como: la generacin de cdigos, la modulacin de la portadora para mejorar la resolucin del objetivo y la relacin seal-ruido de la seal recepcionada, filtrados en el proceso, la deteccin de la seal recepcionada, la que combina el muestreo y el proceso de correlacin que permite obtener la informacin temporal y de amplitud del eco. El sistema de radar La Figura 1 muestra un diagrama simplificado en bloques de un moderno radar del tipo monoesttico (Skolnik, 1990), se pueden identificar las partes que lo componen: transmisor, sintetizador de frecuencias, unidad de control, receptor, unidad de procesamiento de seales y la representacin de la informacin, la que se puede visualizar o grabar. Durante largo tiempo los radares utilizaron la tcnica de repeticin de pulso y deteccin de envolvente.

Esto significa emitir altas potencias que permitan la recepcin del dbil eco enmascarado por el ruido, como es el caso de los radares para aplicaciones geofsicas (Jursa, 1985; entre otros). Los sistemas modernos utilizan tcnicas de spread-spectrum para mejorar la resolucin del objetivo con bajas potencias transmitidas (Poole, 1985, Bianchi, 2003 et al; entre otros). Para esto se utiliza un sistema de codificacin intrapulso que permite obtener anchos de banda similares a los del sistema de deteccin por envolvente. Esta tcnica se conoce como compresin del impulso (Rastogi, 1990). Para lograr esto es necesario emitir ondas codificadas de larga duracin y procesar la seal recepcionada mediante correlacin de la misma con una muestra local del cdigo modulador (Mohamed, 1991). As para extraer informacin de la seal recepcionada es necesario utilizar mtodos de procesamiento de seales (Nozaki, 1993; Bianchi et al, 2003; entre otros). Se puede demostrar que a mayor densidad espectral en un determinado ancho de banda, mayor ser la energa emitida y en consecuencia mayor la potencia del eco, lo que incrementar la relacin seal ruido (S/N) en la entrada de la etapa de recepcin del sistema. Es posible determinar mediante mediciones espectrales, como se ilustra en las figuras 2 y 3, que un pulso corto de mucha potencia no modulado es equivalente, desde el punto de vista de la energa a una rfaga de portadora modulada de baja potencia.

El desarrollo de un sistema de estas caractersticas implica considerar aspectos tericos y prcticos en lo referente al manejo de seales de radio para la deteccin de un objetivo, procesamiento de estas seales en presencia de ruido y otros factores inherentes al diseo de radares (Skolnik, 1980; Curry, 2005). LOS CODIGOS Y LA CORRELACION El principio de Spread-Spectrum (espectro expandido) aplicado a radares consiste en modular una larga rfaga de portadora mediante algn cdigo pseudoaleatorio. As se pueden lograr adecuadas resoluciones del rango emitiendo bajas potencias de radio (Rastogi and Sobolewki, 1990; entre otros). Se puede demostrar que la resolucin del rango vara linealmente con la longitud temporal de la correlacin, que en este caso es equivalente al ancho del pulso simple transmitido. (Cook and Bernfeld, 1967; Vakman, 1968). En el caso de sistemas con modulacin binaria de portadora, la resolucin del rango est vinculada al ancho de banda equivalente de la seal emitida, que se evala en base al mnimo salto binario en el cdigo (Patro et al, 1990; entre otros). Dentro del proceso de deteccin del objetivo, la correlacin es la herramienta matemtica que permitir extraer la informacin del eco. La seal recepcionada, luego de ser filtrada, amplificada y trasladada a valores de frecuencia intermedia, es muestreada en cuadratura de manera de obtener una secuencia de muestras digitales (Bianchi et al, 2003). Esta operacin permite recuperar el cdigo de la seal recepcionada y en una operacin posterior correlacionarlo con una secuencia del cdigo local. Si bien existen diversas secuencias de cdigos que se utilizan en radares (Ioannidis and Farley, 1972), en esta modelacin se utilizar una secuencia de cdigo complementario, debido a que su funcin de autocorrelacin tiene la propiedad de que la suma de las correlaciones de sus lbulos laterales se cancela completamente (Golay, 1961; Hall, 2003). En general en el diseo de radares donde las seales recepcionadas estn afectadas por ruido intenso, se utilizan secuencias de cdigos con funciones de autocorrelacin con alto lbulo principal y lbulos laterales despreciables; algunos criterios fijan que la potencia total en los lbulos laterales no exceda un 20% de la potencia total del lbulo principal (Sultzer and Woodman, 1984). De esta manera el proceso de correlacin, necesario para la deteccin del eco, est vinculado a la codificacin, puesto que la funcin de correlacin adems de extraer informacin del pico principal, evala los lbulos laterales de una determinada secuencia y define la secuencia de cdigo ms apropiada para el sistema de radar que se est diseando (Huang and MacDougall, 2005).

EL MODELADO DEL PROCESAMIENTO DE LAS SEALES La simulacin es una herramienta de utilidad a la hora de validar hiptesis de trabajo antes de su desarrollo e implementacin. La modelacin permite, adems, profundizar la comprensin de un sistema real, a partir de la interpretacin de las relaciones entre los distintos elementos contenidos en l, y del reconocimiento de las variables de mayor impacto. Dentro del proceso de modelacin, las herramientas informticas juegan un rol importante, simplificando y reduciendo el tiempo requerido para el mismo. De este modo se puede destinar mayor tiempo y esfuerzo al proceso de anlisis de los resultados de la simulacin. Este anlisis permite crear resultados que a su vez sirven para retroalimentar el modelo, validndolo o permitiendo el ajuste del mismo. En un paso posterior a la simulacin se encuentra la reproduccin real del modelo (Etter, 1997). Se modelaron algunas etapas para un sistema de sensado remoto de caractersticas avanzadas, tales como etapas de generacin de cdigos, modulacin binaria, generacin de ruido en la banda de inters, muestreo en cuadratura y correlacin cruzada. Esto permiti obtener informacin del eco considerando el ruido que enmascara a la seal recepcionada. Se utiliz el software Matlab para simular las distintas etapas del procesamiento de seales. Este lenguaje de programacin tcnico-cientfico trabaja con variables vectoriales y matriciales. Una de sus ventajas es que incluye cajas de herramientas con funciones incorporadas. En particular en este trabajo se utilizaron funciones predefinidas dentro del conjunto de herramientas de procesamiento de seales (Mahafza, 2000). Para el clculo de la correlacin se redefini el algoritmo de la correlacin a fin de ganar velocidad en el proceso. La Figura 4 muestra un diagrama del modelado del sistema. Es conocido que mediante procesos de conversin de frecuencias es posible trasladar las seales portadoras y sus bandas laterales desde valores de radio frecuencia (RF) a valores de frecuencia intermedia (FI) conservando el ancho de banda y la informacin original contenida en la portadora de RF (Terman, 1977; Tomasi, 1996; entre otros). Este trabajo consiste en modelar las seales desde la etapa de FI hasta la recuperacin del eco. Se modul una seal de FI, de 100 kHz (Ariokiasamy et al, 2002), con el cdigo generado localmente.

Las seales: Consideremos de forma general una seal portadora, a(t) , en el dominio de tiempo continuo, de la siguiente forma:

Donde A es la amplitud y j = (-1)-1/2 es la notacin del nmero complejo y la frecuencia angular 0 = 2f0 , con f0 la frecuencia, en Hz, de la seal. Si a(t) se modula mediante un cdigo C(t), se tiene que la seal transmitida, S(t), puede escribirse como:

Donde C(t) = 1 o -1 lo que hace que la portadora cambie su fase en radianes. La seal recepcionada r(t) por el receptor ser el resultado de la suma de los mltiples ecos atenuados y desplazados en fase. As tenemos que:

Donde bi y i son la amplitud y retardo temporal de orden i debido al camino mltiple. Ahora para simplificar el modelado en vista a mostrar el resultado, consideremos slo un eco:

Donde 1 representa la fase de la portadora correspondiente al eco 1. El proceso de muestreo permite separar la portadora del cdigo. El trmino de la fase de la portadora ser representado por un coeficiente de amplitud compleja. Se puede entonces denotar a r(t) (en tiempo continuo) y como r(n), en tiempo discreto, as se tiene que:

Para obtener 1 se correlacionan las muestras de la seal recepcionada con una muestra local del cdigo modulador C(t) que en tiempo discreto se escribe C(n). Esta operacin (Oppenheim, 2005; entre otros) se escribe como:

Explicitando esta operacin se tiene que:

Donde N es el nmero de muestras adquiridas en la ventana de tiempo de escucha, M la longitud del cdigo. As n vara desde 1 hasta N y k desde 1 hasta M.

La ecuacin 8 muestra el resultado de la aplicacin de la ecuacin 7, donde luego de efectuado el proceso de correlacin, es posible obtener una funcin impulso desplazada en 1. Donde en el caso ideal la amplitud de la funcin impulso, en el momento del retardo cero de la correlacin, tendr el valor M. Este valor de M representa una ganancia para la seal recuperada aunque tambin en este proceso aumenta el ruido no correlacionado, pero lo hace en una razn de M1/2 lo que significa que el proceso de correlacin mejora el valor de la S/N (Ghebrebrhan and Luce, 2004). Con el objeto de dar claridad al proceso de extraccin del cdigo de la seal, el ruido no fue considerado en estas relaciones matemticas.

PROCESAMIENTO DE SEALES EN SISTEMAS INTEGRADOSLos algoritmos bsicos y avanzados de procesamiento de seales se ejecutan en numerosos productos ABB equipados con electrnica integrada, desde los pequeos detectores de movimiento domsticos hasta las avanzadas unidades de control de media y alta tensin. En los dispositivos de campo, especialmente, el proceso de seales proporciona una oportunidad para mejorar la calidad de las mediciones y la funcionalidad global de los instrumentos. El algoritmo PILD (Plugged Impulse Line Diagnostics) es un ejemplo de esta mejora. Ha sido desarrollado para alertar a los operadores de la existencia de obstrucciones en las lneas de impulsin de los transmisores de presin. Tal sistema de alerta permite a los usuarios pasar de los programas de mantenimiento preventivo a prcticas de tipo predictivo, gobernadas por sucesos, que son ms econmicas. El proceso de seales suele traernos a la memoria aplicaciones de audio, de procesado de imgenes o de tecnologas de comunicacin, pero una mirada cuidadosa a la cartera de productos de ABB nos da una imagen mucho ms amplia. Las aplicaciones del procesado de seales se encuentran en muchos productos ABB, tanto de tecnologa de automatizacin como de energa elctrica. Muchas de las aplicaciones estn integradas en dispositivos como las unidades de control y los instrumentos industriales, y se ejecutan en plataformas integradas.

Los mdems de comunicaciones de lneas elctricas, por ejemplo, utilizan una gran diversidad de algoritmos de proceso digital de seales (DSP). Algunos aspectos bsicos son la modulacin y desmodulacin digitales, el filtrado digital, las transformadas de Fourier, la conversin de frecuencias de muestreo, la adquisicin de tramas, la sincronizacin de fase de portadora y temporizacin de smbolos, la estimacin y ecualizacin de canales y la deteccin y correccin de errores. Los principios bsicos del proceso de seales, bien conocidos, se aplican en todos los sistemas de comunicaciones actuales. Sin embargo, hacen falta importantes inversiones en I+D para satisfacer los requisitos, cada da ms estrictos, de los sistemas de comunicacin de lneas elctricas. La potencia de tratamiento, cada vez mayor, soportar mayores velocidades de transferencia de datos por canal. Los anchos de banda de los canales aumentarn desde el valor tradicional de 4 kHz hasta ~32 kHz. A largo plazo, es posible que los sistemas individuales ofrezcan soporte flexible (configurable) de anchos de banda mucho mayores, de hasta 1 MHz. Tales mdems de lneas elctricas, realmente de banda ancha, tendrn que contar con algoritmos ms eficientes para el procesado de seales. Las unidades actuales de proteccin y control de aparatos de conexin e interruptores proporcionan numerosas funciones de proteccin electrnica para los sistemas elctricos que supervisan. Estos dispositivos funcionan midiendo la intensidad y la tensin para, a continuacin, digitalizar y procesar las seales adquiridas. Esto se consigue generalmente por medio del anlisis de Fourier: se calculan los armnicos de las seales elctricas, que pasan a ser las entradas principales para la mayora de las funciones de proteccin, como son las protecciones contra sobreintensidades, contra sobretensiones, de tipo diferencial y de distancia. Los dispositivos de campo y los instrumentos analticos de ABB estn equipados normalmente con una seccin electrnica que adquiere seales de la seccin detectora del dispositivo: los transmisores de presin, por ejemplo, adquieren una seal de un chip sensor piezorresistivo, los caudalmetros magnticos leen la tensin inducida por el campo magntico generado y los transmisores de temperatura leen la seal en un termopar. Procesado de seales, una oportunidad para mejorar los dispositivos de campo Los dispositivos de campo son cada vez ms inteligentes, gracias sobre todo a los rpidos avances del sector de semiconductores en cuanto a costes y consumo de energa de los componentes. En este contexto, el proceso de seales es una oportunidad de mejorar las propiedades de los sensores a pesar de los numerosos efectos de los que depende: la variabilidad de la fabricacin, la histresis, la deriva, el envejecimiento y las interferencias, entre otros, factores inevitables que son una fuente sistemtica de incertidumbre. Adems, los clientes exigen instrumentos industriales con funciones que van ms all del objetivo principal del dispositivo. Las funciones de diagnstico de dispositivos y procesos son particularmente apreciadas, debido a que persiguen reducir los costes de mantenimiento y

mejorar la fiabilidad general de los instrumentos. Las compaas de la competencia estn confirmando, sin duda, esta tendencia y el trmino diagnstico es hoy una palabra clave de uso comn en las especificaciones comerciales de los instrumentos de nueva generacin. Hasta ahora, esta funcionalidad de supervisin de procesos se proporcionaba generalmente en el nivel de sistema de control de una planta, donde se dispone de la mxima potencia de clculo. Sin embargo, la mejora de las plataformas integradas permite ahora la integracin de algoritmos complejos en el nivel de dispositivo, en lugar de en PC y sistemas de control. En otras palabras, hoy se tiende a desplazar la inteligencia desde el sistema hasta los instrumentos y dispositivos de campo.

PILD, aplicacin integrada de proceso de seales La funcin PILD (Plugged Impulse Line Diagnostics) es un algoritmo de proceso de seales que recientemente ha sido integrado en los transmisores de presin diferencial de ABB, uno de los dispositivos de campo de uso ms comn. Este proyecto de I+D mostr el potencial del proceso de seales para mejorar los dispositivos de campo y tambin las restricciones impuestas por las limitaciones de sus arquitecturas integradas. Los transmisores de presin diferencial son instrumentos que detectan la diferencia de presin entre dos puntos de un proceso. Se pueden instalar en entornos severos, con dificultades de acceso para el mantenimiento La principal aplicacin de este dispositivo es calcular el caudal dentro de una tubera midiendo la cada de presin causada por un elemento primario, generalmente un tubo de Venturi o una placa con un orificio. A partir de esta medida, y conociendo la forma geomtrica del elemento primario, se puede calcular el caudal. Los transmisores de presin diferencial se conectan al proceso por medio de dos tuberas llamadas lneas de impulsin. stas suelen tener un dimetro pequeo, inferior a 1 cm, y pueden ser de gran longitud. Durante la vida til de un dispositivo, las lneas de impulsin pueden quedar parcial o totalmente bloqueadas por material slido del proceso (por ejemplo, arena), sedimentos o depsitos que se acumulan dentro de las lneas, o por agua congelada. A diferencia de los fallos de funcionamiento de casi todos los dems dispositivos de campo, una lnea de impulsin obstruida no tiene efecto alguno sobre el hardware del dispositivo, de modo que, si pasa desapercibida, el valor del proceso permanecer en condiciones consideradas vlidas. Al obstruirse la lnea de impulsin, el estado actual de la presin queda bloqueado y desacoplado respecto del estado real del proceso. El algoritmo PILD El principio de la deteccin de lneas de impulsin obstruidas se basa en las caractersticas observadas de las seales de presin a lo largo del tiempo. Los procesos de flujo resultan afectados por fluctuaciones del valor de la presin, causadas por otros dispositivos y mquinas que interaccionan con el proceso, como pueden ser las bombas. Estas fluctuaciones se pueden observar como ruido en la seal de presin diferencial. En condiciones normales de operacin, con lneas de impulsin despejadas 2a, este ruido del proceso es prcticamente nulo, debido a que el dispositivo mide la presin desde dos puntos relativamente prximos entre s, separados normalmente por unos pocos centmetros. Si se bloquea una de las lneas de impulsin 2c 2d, las fluctuaciones de presin ya no se anulan y el ruido del proceso se hace evidente en la seal de presin diferencial.

Si se bloquean las dos lneas de impulsin 2b, el ruido del proceso se reduce casi a cero, y que se pierde por completo la conexin de presin entre el sensor y el proceso. As pues, la funcin PILD mide en primer lugar el nivel de ruido en la seal de presin diferencial cuando las lneas de impulsin estn despejadas (fase de aprendizaje). Despus, durante el funcionamiento normal del dispositivo, compara estadsticamente el nivel de ruido con los valores almacenados durante la fase de aprendizaje. Si el anlisis estadstico muestra un diferencia significativa entre los valores actuales de operacin y los adquiridos durante la fase de aprendizaje, una alarma indica que estn obstruidas una o ambas lneas de impulsin. La fase de aprendizaje es un perodo de tiempo configurable, durante el cual el algoritmo aprende las condiciones nominales del proceso para ms tard identificar las lecturas que indican obstruccin de las lneas de impulsin. Un aprendizaje fiable y eficiente es fundamental para el buen resultado de la funcin PILD. Los transmisores de presin diferencial se usan en condiciones de proceso muy diferentes en lo que se refiere a medios (lquidos de alta viscosidad, agua, vapor, gases, etc.) y condiciones ambientales (temperatura de 40 a +85 C y presin absoluta de hasta 600 bares). Sin un procedimiento automtico que adapte el algoritmo a esta gran variedad de condiciones, la funcin PILD sera intil. La funcin PILD, desarrollada entre 2003 y 2005, se ha integrado recientemente en la nueva versin de Transmisores de Presin Diferencial ABB 264 con interfaz Foundation Fieldbus.

SISTEMA INALMBRICO DE TRANSMISIN BIOMDICAS. (TELEMEDICINA INALMBRICA)

DE

SEALES

Como es sabido, el cuerpo humano es una fuente de potenciales bioelctricos que son susceptibles a ser medidos en la superficie de la piel (mediante la ayuda de un electrodo superficial) o en el medio interno del cuerpo (utilizando sensores biomdicos invasivos). La importancia de estos potenciales bioelctricos radica en que si es posible visualizarlos en una grfica amplitud vs tiempo es posible determinar algn tipo de patologa dependiendo del tipo de seal que se est visualizando (EKG, EEG, por ejemplo). De esta manera, si se conectan tres electrodos superficiales en la posicin que se indica en la figura 1 y se utiliza una configuracin de OpAmps adecuada es posible obtener la seal de salida Vo que aparece en la figura 2.

La Figura 1 representa la captura del canal II de una seal EKG. Existen bsicamente dos integrados (el INA y el OPA) que se encargan de amplificar la seal biomdica y eliminar el ruido de interferencia. Adicionalmente, tambin se coloca un integrado (como el UAF741) que se encarga de filtrar la seal de salida con el fin de minimizar el efecto del ruido. La seal de la Figura 2 representa ya la seal del EKG, la cual permite mediante el anlisis de su forma y frecuencia determinar ciertos problemas relacionados con el bombeo de sangre a travs del corazn, como son las arritmias cardiacas, lo cual es una informacin de alta importancia. As, el gran detalle se encuentra en que si es posible determinar alguna anomala en esta seal entonces, sera posible predecir y prevenir algn posible ataque cardiaco del paciente. Bajo este hecho, es que se pens en disear un sistema que permitiera a un paciente transmitir una seal de este tipo en cualquier momento del da y desde cualquier zona geogrfica del pas (siempre y cuando exista cobertura de alguna empresa de

telecomunicaciones) de forma tal que el mdico pudiera reproducir en su PC la seal recibida y desde ah determinar el diagnstico del paciente. As, con el registro diario de seales, el mdico podra determinar el grado de riesgo de su paciente e indicarle las medidas que debe tomar. Dada las razones anteriores, entonces, para desarrollar un sistema con las condiciones explicadas, es que se pens en un sistema de transmisin celular. Se trat de hacer este sistema lo ms simple posible, de tal forma que solamente se utilizara un celular para la transmisin y este no tenga que ser uno de los modelos ms modernos con transmisin de datos, de forma tal que una persona que posee un telfono celular antiguo pueda utilizarlo en este sistema. Por tal motivo, fue que al tratar de buscar una manera de transmitir la informacin a travs de un telfono celular hacia otro telfono celular, el canal de informacin a elegir tuvo que ser el canal de voz, ya que no se dispona de otro medio de transmisin. La idea de utilizar el terminal de Manos Libres para introducir la seal en el celular transmisor y capturar la seal en el celular receptor parte debido a que esta sera la nica forma de introducir una seal elctrica que representa la informacin de la seal EKG al terminal celular. De otro modo, se tendra que haber utilizado un parlante que module en sonido la seal elctrica, lo cual hubiera introducido mucho ruido al sistema. Esto hizo que lo novedoso de este trabajo se encuentre en la transmisin por el terminal de Manos Libres, ya que se est utilizando un canal diseado exclusivamente para la transmisin de sonido como un medio para transmitir otro tipo de informacin.

REFERENCIAShttp://taee.euitt.upm.es/congresos_taee/libros_de_actas/taee06/papers/S6/p137.pdf http://ccc.inaoep.mx/fpgacentral/reconfig/2003/pdf/Aochoa.pdf http://www.ai.unicauca.edu.co/publicaciones/ASB_CIHM.pdf http://www.aaende.org.ar/sitio/biblioteca/material/T-027.pdf http://www.upc.edu.pe/html/0/0/carreras/ingelectronica/proyectos/TelemedicinaInalambrica.pdf