Digital signal processing: a computer science perspective

Digital Signal Processing: Computer Science Perspective (2nd Ed.)......Page 1
Copyright......Page 3
Contents......Page 5
Preface......Page 13
Ch1 Introductions......Page 19
1.1 Prehistory of DSP......Page 20
Exercise......Page 21
1.2 Applications of Signal Processing......Page 22
Exercises......Page 24
1.3 Analog Signal Processing......Page 25
Exercises......Page 27
1.4 Digital Signal Processing......Page 28
Exercises......Page 30
Part1 Signal Analysis......Page 31
2.1 Signal Defined......Page 33
Exercises......Page 37
2.2 Simplest Signals......Page 38
Exercises......Page 46
2.3 Characteristics of Signals......Page 48
2.4 Signal Arithmetic......Page 51
Exercises......Page 56
2.5 Vector Space of All Possible Signals......Page 58
Exercises......Page 61
2.6 Time & Frequency Domains......Page 62
Exercises......Page 64
2.7 Analog & Digital Domains......Page 65
2.8 Sampling......Page 67
2.9 Digitization......Page 75
2.10 Antialiasing & Reconstruction Filters......Page 80
2.11 Practical Analog to Digital Conversion......Page 82
Exercises......Page 87
Bibliographical Notes......Page 88
Ch3 Spectrum of Periodic Signals......Page 89
3.1 Newton\'s Discovery......Page 90
Exercises......Page 91
3.2 Frequency Components......Page 92
Exercises......Page 94
3.3 Fourier\'s Discovery......Page 95
Exercises......Page 97
3.4 Representation by Fourier Series......Page 98
Exercises......Page 103
3.5 Gibbs Phenomenon......Page 104
3.6 Complex FS & Negative Frequencies......Page 108
Exercises......Page 111
3.7 Properties of Fourier Series......Page 112
Exercises......Page 113
3.8 Fourier Series of Rectangular Wave......Page 114
Bibliographical Notes......Page 119
4.1 From Fourier Series to Fourier Transform......Page 121
Exercises......Page 127
4.2 Fourier Transform Examples......Page 128
Exercises......Page 130
4.3 FT Properties......Page 131
Exercises......Page 134
4.4 Uncertainty Theorem......Page 135
4.5 Power Spectrum......Page 140
4.6 Short Time Fourier Transform (STFT)......Page 144
Exercises......Page 149
4.7 Discrete Fourier Transform (DFT)......Page 150
4.8 DFT Properties......Page 153
Exercises......Page 158
4.9 Further Insights into DFT......Page 159
4.10 z Transform......Page 161
Exercises......Page 168
4.11 More on z Transform......Page 169
4.12 Other Meaning of Frequency......Page 173
Bibliographical Notes......Page 178
Ch5 Noise......Page 179
5.1 Unpredictable Signals......Page 180
Exercises......Page 181
5.2 Naive View of Noise......Page 182
Exercises......Page 188
5.3 Noise Reduction by Averaging......Page 189
Exercises......Page 191
5.4 Pseudorandom Signals......Page 192
Exercises......Page 197
5.5 Chaotic Signals......Page 198
Exercises......Page 209
5.6 Stochastic Signals......Page 210
Exercises......Page 215
5.7 Spectrum of Random Signals......Page 216
Exercises......Page 219
Exercises......Page 220
5.9 Probabilistic Algorithms......Page 221
Bibliographical Notes......Page 222
Part2 Signal Processing Systems......Page 223
Ch6 Systems......Page 225
6.1 System Defined......Page 226
6.2 Simplest Systems......Page 227
6.3 Simplest Systems with Memory......Page 231
Exercises......Page 238
6.4 Characteristics of Systems......Page 239
Exercises......Page 243
6.5 Filters......Page 244
6.6 Moving Averages in Time Domain......Page 246
6.7 Moving Averages in Frequency Domain......Page 249
Exercises......Page 254
6.8 Why Convolve?......Page 255
Exercises......Page 258
6.9 Purely Recursive Systems......Page 259
Exercises......Page 262
6.10 Difference Equations......Page 263
Exercises......Page 265
6.11 Sinusoid\'s Equation......Page 267
Exercises......Page 269
6.12 System Identification--Easy Case......Page 270
Exercises......Page 276
6.13 System Identification--Hard Case......Page 277
Exercises......Page 282
6.14 System Identification in z Domain......Page 283
Exercises......Page 287
Bibliographical Notes......Page 288
Ch7 Filters......Page 289
7.1 Filter Specification......Page 290
Exercises......Page 292
7.2 Phase & Group Delay......Page 293
Exercises......Page 296
7.3 Special Filters......Page 297
Exercises......Page 306
7.4 Feedback......Page 307
Exercises......Page 310
7.5 ARMA Transfer Function......Page 311
Exercises......Page 315
7.6 Pole-Zero Plots......Page 316
Exercises......Page 320
7.7 Classical Filter Design......Page 321
Exercises......Page 326
7.8 Digital Filter Design......Page 327
Exercises......Page 332
7.9 Spatial Filtering......Page 333
Exercises......Page 337
Bibliographical Notes......Page 338
Ch8 Nonfilters......Page 339
8.1 Nonlinearities......Page 340
8.2 Clippers & Slicers......Page 342
8.3 Median Filters......Page 344
8.4 Multilayer Nonlinear Systems......Page 347
8.5 Mixers......Page 350
8.6 Phase-Locked Loops......Page 356
8.7 Time Warping......Page 361
Exercises......Page 365
Bibliographical Notes......Page 366
Ch9 Correlation......Page 367
9.1 Signal Comparison & Detection......Page 368
Exercises......Page 371
9.2 Crosscorrelation & Autocorrelation......Page 372
9.3 Wiener-Khintchine Theorem......Page 375
9.4 Frequency Domain Signal Detector......Page 377
9.5 Correlation & Convolution......Page 379
9.6 Application to Radar......Page 380
Exercises......Page 382
9.7 Wiener Filter......Page 383
9.8 Correlation & Prediction......Page 387
Exercises......Page 388
9.9 Linear Predictive Coding......Page 389
9.10 Levinson-Durbin Recursion......Page 394
Exercises......Page 400
9.11 Line Spectral Pairs......Page 401
Exercises......Page 403
9.12 Higher-Order Signal Processing......Page 404
Exercises......Page 409
Bibliographical Notes......Page 410
Ch10 Adaptation......Page 411
10.1 Adaptive Noise Cancellation......Page 412
Exercises......Page 417
10.2 Adaptive Echo Cancellation......Page 418
10.3 Adaptive Equalization......Page 422
Exercises......Page 425
10.4 Weight Space......Page 426
10.5 LMS Algorithm......Page 431
Exercises......Page 437
10.6 Other Adaptive Algorithms......Page 438
Bibliographical Notes......Page 443
Ch11 Biological Signal Processing......Page 445
11.1 Weber\'s Discovery......Page 446
11.2 Birth of Psychophysics......Page 448
Exercises......Page 452
11.3 Speech Production......Page 453
Exercises......Page 456
11.4 Speech Perception......Page 457
Exercises......Page 458
11.5 Brains & Neurons......Page 459
Exercises......Page 462
11.6 Essential Neural Network......Page 463
11.7 Simplest Model Neuron......Page 465
11.8 Man vs Machine......Page 469
Exercises......Page 473
Bibliographical Notes......Page 474
Part3 Architectures & Algorithms......Page 476
Ch12 Graphical Techniques......Page 478
12.1 Graph Theory......Page 479
Exercises......Page 483
12.2 DSP Flow Graphs......Page 484
12.3 DSP Graph Manipulation......Page 493
12.4 RAX Externals......Page 498
Exercises......Page 503
12.5 RAX Internals......Page 504
Exercises......Page 510
Bibliographical Notes......Page 511
Ch13 Spectral Analysis......Page 512
13.1 Zero Crossings......Page 513
Exercises......Page 514
13.2 Bank of Filters......Page 515
Exercises......Page 518
13.3 Periodogram......Page 519
13.4 Windows......Page 523
13.5 Finding a Sinusoid in Noise......Page 529
13.6 Finding Sinusoids in Noise......Page 532
Exercises......Page 536
13.7 IIR Methods......Page 537
13.8 Walsh Functions......Page 540
Exercises......Page 542
13.9 Wavelets......Page 543
Exercises......Page 546
Bibliographical Notes......Page 547
Ch14 Fast Fourier Transform......Page 548
14.1 Complexity of DFT......Page 549
Exercises......Page 552
14.2 Two Preliminary Examples......Page 553
Exercises......Page 555
14.3 Derivation of DIT FFT......Page 556
14.4 Other Common FFT Algorithms......Page 563
Exercises......Page 568
14.5 Matrix Interpretation of FFT......Page 569
Exercises......Page 570
14.6 Practical Matters......Page 571
14.7 Special Cases......Page 575
Exercises......Page 577
14.8 Goertzel\'s Algorithm......Page 578
14.9 FIFO Fourier Transform......Page 582
Exercises......Page 584
Bibliographical Notes......Page 585
Ch15 Digital Filter Implementation......Page 586
15.1 Computation of Convolutions......Page 587
Exercises......Page 589
15.2 FIR Filtering in Frequency Domain......Page 590
Exercises......Page 595
15.3 FIR Structures......Page 596
Exercises......Page 600
15.4 Polyphase Filters......Page 601
15.5 Fixed Point Computation......Page 607
Exercises......Page 611
15.6 IIR Structures......Page 612
Exercises......Page 618
15.7 FIR vs. IIR......Page 619
Bibliographical Notes......Page 621
Ch16 Function Evaluation Algorithms......Page 622
16.1 Sine & Cosine Generation......Page 623
Exercises......Page 625
Exercises......Page 626
16.3 Logarithm......Page 627
16.4 Square Root & Pythagorean Addition......Page 628
Exercises......Page 629
16.5 CORDIC Algorithms......Page 630
Exercises......Page 634
Bibliographical Notes......Page 635
Ch17 Digital Signal Processors......Page 636
17.1 Multiply-&-Accumulate (MAC)......Page 637
17.2 Memory Architecture......Page 640
Exercises......Page 643
17.3 Pipelines......Page 644
Exercises......Page 647
17.4 Interrupts, Ports......Page 648
Exercises......Page 649
17.5 Fixed & Floating Point......Page 650
17.6 Real-Time Filter......Page 652
Exercises......Page 655
17.7 DSP Programming Projects......Page 656
17.8 DSP Development Teams......Page 658
Bibliographical Notes......Page 661
Part4 Applications......Page 662
Ch18 Communications Signal Processing......Page 664
18.1 History of Communications......Page 665
Exercises......Page 668
18.2 Analog Modulation Types......Page 669
18.3 AM......Page 672
18.4 FM & PM......Page 676
18.5 Data Communications......Page 681
18.6 Information Theory......Page 683
18.7 Communications Theory......Page 687
Exercises......Page 690
18.8 Channel Capacity......Page 691
Exercises......Page 696
18.9 Error Correcting Codes......Page 697
18.10 Block Codes......Page 700
Exercises......Page 706
18.11 Convolutional Codes......Page 707
18.12 PAM & FSK......Page 715
18.13 PSK......Page 721
Exercises......Page 724
18.14 Modem Spectra......Page 725
Exercises......Page 726
18.15 Timing Recovery......Page 727
18.16 Equalization......Page 731
18.17 QAM......Page 733
Exercises......Page 735
18.18 QAM Slicers......Page 737
18.19 Trellis Coding......Page 740
Exercises......Page 745
18.20 Telephone-Grade Modems......Page 746
18.21 Beyond Shannon Limit......Page 750
Exercises......Page 753
Bibliographical Notes......Page 754
Ch19 Speech Signal Processing......Page 756
19.1 LPC Speech Synthesis......Page 757
19.2 LPC Speech Analysis......Page 759
19.3 Cepstrum......Page 761
19.4 Other Features......Page 764
19.5 Pitch Tracking & Voicing Determination......Page 767
19.6 Speech Compression......Page 770
Exercises......Page 773
19.7 PCM......Page 774
Exercises......Page 776
19.8 DPCM, DM & ADPCM......Page 777
19.9 Vector Quantization......Page 782
19.10 SBC......Page 785
Exercises......Page 786
19.11 LPC Speech Compression......Page 787
19.12 CELP Coders......Page 788
19.13 Telephone-Grade Speech Coding......Page 792
Exercises......Page 795
Bibliographical Notes......Page 796
A.1 Numbers......Page 798
A.2 Integers......Page 799
A.3 Real Numbers......Page 801
A.4 Complex Numbers......Page 802
Exercises......Page 804
A.5 Abstract Algebra......Page 805
Exercises......Page 807
A.6 Functions & Polynomials......Page 808
Exercises......Page 809
A.7 Elementary Functions......Page 810
A.8 Trigonometric (& Similar) Functions......Page 812
Exercises......Page 816
A.9 Analysis......Page 817
A.10 Differential Equations......Page 820
Exercises......Page 824
A.11 Dirac Delta......Page 825
A.12 Approximation by Polynomials......Page 826
Exercises......Page 831
A.13 Probability Theory......Page 832
Exercises......Page 835
A.14 Linear Algebra......Page 836
A.15 Matrices......Page 838
Exercises......Page 842
A.16 Solution of Linear Algebraic Equations......Page 843
Exercises......Page 845
Index......Page 866
Backcover......Page 877