Filtro Digital com Séries de Taylor e Cepstrum para Detecção de Assobio em RP2040

1 — Motivação, Visão Geral do Problema e Arquitetura da Solução

1.1 Motivação técnica

Assobios humanos possuem uma característica muito interessante do ponto de vista de processamento digital de sinais (DSP): eles apresentam uma frequência fundamental bem definida, normalmente entre 800 Hz e 3 kHz, acompanhada por harmônicas que decrescem em amplitude. Isso os torna excelentes candidatos para estudo de extração de pitch, separação espectral e detecção robusta de eventos acústicos em sistemas embarcados.

No contexto de microcontroladores como o RP2040, o desafio é duplo:

1. Executar algoritmos matematicamente consistentes com baixo custo computacional.
2. Evitar bibliotecas pesadas de DSP, favorecendo implementações determinísticas, explicáveis e portáveis.

Este artigo foi desenhado exatamente com esse espírito: mostrar que é possível construir um pipeline de detecção de assobio usando apenas matemática clássica, séries de Taylor e algoritmos fundamentais de DSP, sem FFTs complexas ou frameworks externos.

1.2 Problema a ser resolvido

O problema central pode ser descrito em três níveis:

1. Separação espectral
   O sinal do microfone contém:
   • Ruído ambiente
   • Voz humana
   • Sons impulsivos
   • O assobio propriamente dito
   Precisamos isolar a frequência fundamental do assobio e suas harmônicas.
2. Identificação confiável do assobio
   Apenas detectar energia em uma faixa de frequência não é suficiente, pois outros sons podem cair nessa banda.
   Precisamos identificar periodicidade — aqui entra o cepstrum, que trabalha no domínio da quefrência.
3. Ação física
   Após a detecção confiável:
   • Acender um LED quando um assobio é detectado
   • Apagar o LED quando o assobio desaparece

Tudo isso deve funcionar em tempo real, em um RP2040, usando a BitDogLab como plataforma de referência.

1.3 Arquitetura geral do sistema

O pipeline completo que iremos construir ao longo do artigo é o seguinte:

Microfone (ADC)
       ↓
Pré-processamento (remoção de DC)
       ↓
Filtro Digital por Séries de Taylor
(separação da fundamental e harmônicas)
       ↓
Cálculo do Cepstrum
(log + autocorrelação simplificada)
       ↓
Detecção de Pitch (assobio)
       ↓
Controle do LED (GPIO)

Microfone (ADC)
       ↓
Pré-processamento (remoção de DC)
       ↓
Filtro Digital por Séries de Taylor
(separação da fundamental e harmônicas)
       ↓
Cálculo do Cepstrum
(log + autocorrelação simplificada)
       ↓
Detecção de Pitch (assobio)
       ↓
Controle do LED (GPIO)

Cada bloco será implementado incrementalmente, de forma que:

• O código compile e funcione a cada etapa
• Possamos validar o comportamento do sistema progressivamente
• Ao final, teremos um firmware completo, funcional e didático

1.4 Por que Séries de Taylor em filtros digitais?

Normalmente, filtros digitais são apresentados como:

• IIR (Butterworth, Chebyshev, etc.)
• FIR por convolução
• FFT + máscara espectral

Aqui escolhemos Séries de Taylor por três razões estratégicas:

1. Controle matemático total
   Um filtro baseado em Taylor é, na prática, uma aproximação explícita de operadores diferenciais, o que permite entender exatamente o que está sendo implementado.
2. Eficiência em microcontroladores
   Séries truncadas resultam em:
   • Poucas multiplicações
   • Nenhuma função transcendental cara em tempo real
3. Valor didático elevado
   Esse método conecta:
   • Cálculo diferencial
   • Sistemas lineares
   • DSP clássico
     Em um único algoritmo executável em hardware real.

Mais adiante, mostraremos como aproximar respostas passa-faixa usando expansões de Taylor aplicadas a operadores discretos.

1.5 O papel do Cepstrum na detecção do assobio

Mesmo após filtrar o sinal, ainda temos um problema:
harmônicas também são periódicas, e ruídos podem enganar um detector simples.

O cepstrum resolve isso explorando uma ideia elegante:

A periodicidade no domínio do tempo vira um pico no domínio da quefrência.

Em termos práticos:

• Um assobio gera um pico claro no cepstrum
• Voz humana tende a gerar padrões mais espalhados
• Ruído branco praticamente não gera picos estáveis

Isso torna o cepstrum extremamente robusto para identificar assobios reais, mesmo em ambientes ruidosos.