Digital Signal Processing
The Breadth and Depth of DSP
Moslem Amiri, Václav Přenosil
Masaryk University
Resource: “The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing”
(www.dspguide.com)
B St W S ithBy Steven W. Smith
The Roots of DSP
 DSP DSP
 Mathematics, algorithms, and techniques used to 
manipulate digital signalsp g g
 Origin of signals
 Mostly sensory data from real world in analog formy y g
 Roots of DSP
 1960s and 1970s
 DSP was limited to a few critical applications
 Radar and sonar
 Oil exploration
 Space exploration
 Medical Imaging
2
The Roots of DSP
 New New 
applications
of DSPof DSP
3
The Roots of DSP
 Overlapping boarders of DSP with many other areas Overlapping boarders of DSP with many other areas
4
DSP’s Effect on Telecommunications
 Multiplexing Multiplexing
 Until 1960s, one connection required one pair of wires
 DSP’s functionDSP s function
 converts audio signals into a stream of serial digital data
 Bits can be easily intertwined and later separated → many y p → y
telephone conversations can be transmitted on a single 
channel  
5
DSP’s Effect on Telecommunications
 Compression Compression
 Information carried by any one sample largely duplicated 
by neighboring samples → Redundancyy g g p → y
 DSP’s function
 Data compression algorithms
 Convert digitized voiced signals into data streams that require fewer 
bits/sec
 Vary in amount of compression achieved and resulting sound quality
 Uncompression algorithms
 R t i l t it i i l f Restore signal to its original form
6
DSP’s Effect on Telecommunications
 Echo control Echo control
 Echoes
 A serious problem in long distance telephone connectionsA serious problem in long distance telephone connections
 A portion of voice returns as an echo after traveling to 
connecting receiver
 DSP’s function
 Measures returned signal – generates an appropriate antisignal
to cancel the echo
 Can also be used to reduce environmental noise by canceling it 
with digitally generated antinoisewith digitally generated antinoise
7
DSP’s Effect on Audio Processing
 Music Music
 Analog storage and manipulation → degradation
 Solution → digital data representationSolution → digital data representation
 Mix down
 Process of combining individual tracks into a final productg p
 DSP’s function
 Filtering, signal addition and subtraction, signal editing, etc.
 Artificial reverberation
 Simple addition of individual channels → resulting piece 
sounds frail
 DSP allows artificial echoes to be added during mix down 
8
DSP’s Effect on Audio Processing
 Speech generation Speech generation
 Used to communicate between humans and machines
 1st approach: digital recording1 approach: digital recording
 Voice of a human speaker digitized, compressed and stored
 During playback: uncompressed, converted back into analogg p y p , g
 2nd approach: vocal tract simulators
 Try to mimic physical mechanisms by which humans create 
speech
 Operate by generating digital signals that resemble physical 
h imechanisms
9
DSP’s Effect on Audio Processing
 Speech recognition Speech recognition
 Two steps
 Feature extraction → each word isolated and then analyzed toFeature extraction → each word isolated and then analyzed to 
identify the type of excitation and resonate frequencies
 Feature matching → word parameters compared with previous 
examples of spoken words to identify closest match
10
DSP’s Effect on Echo Location
 Radar (RAdio Detection And Ranging) Radar (RAdio Detection And Ranging)  
 A radio transmitter produces a pulse of radio frequency 
energy a few microseconds longgy g
 This pulse is fed into a highly directional antenna
 Resulting radio wave propagates away at the speed of g p p g y p
light
 Aircraft in the path of this wave will reflect a small 
ti f b k t d i i tportion of energy back toward a receiving antenna
 Distance to object calculated from the elapsed time
 Direction to object is pointing location of directional Direction to object is pointing location of directional 
antenna when echo was received 
11
DSP’s Effect on Echo Location
 Radar Radar
 Two parameters determining operating range
 How much energy is in initial pulseHow much energy is in initial pulse
 Noise level of radio receiver
 Increasing energy in pulsec eas g e e gy pu se
 Requires making pulse longer → reduces accuracy and 
precision of elapsed time measurement → problems with 
detecting objects at long range and objects’ distance
 DSP’s function
C l idi b tt di t d t i ti Can compress pulse providing better distance determination
 Can filter received signal to decrease noise
 Enables rapid selection and generation of different pulse Enables rapid selection and generation of different pulse 
shapes and lengths
12
DSP’s Effect on Echo Location
 Sonar (SOund NAvigation and Ranging) Sonar (SOund NAvigation and Ranging)
 Two categories
 Active → sound pulses transmitted into water – resultingActive → sound pulses transmitted into water  resulting 
echoes detected and analyzed
 Passive → listens to underwater sounds
 DSP’s function (same as radar)
 Pulse generation
 Pulse compression
 Filtering of detected signals
13
DSP’s Effect on Echo Location
 Reflection seismology Reflection seismology
 In 1920s, geophysicists discovered structure of earth’s 
crust could be probed with soundp
 A sound pulse sent into ground produces a single echo 
for each boundary layer
 Problem
 Echoes of echoes → echo bouncing between layers
 DSP’s function
 Isolates primary from secondary echoes
14
DSP’s Effect on Image Processing
 Images Images
 Are a measure of a parameter over space
 Contain a great deal of informationContain a great deal of information
 Final judge of quality is a subjective human evaluation
 MedicalMedical
 In 1895, Rontgen discovered x‐rays could pass through 
matter → medicine was revolutionized
 Four problems
 Overlapping structures in body can hide behind each other
 Not possible to distinguish between similar tissues
 X‐ray images show anatomy and not physiology
 X‐ray exposure can cause cancer
15
DSP’s Effect on Image Processing
 Medical Medical
 DSP’s function
 First problem solved by Computed Tomography (CT) scanner:First problem solved by Computed Tomography (CT) scanner: 
signals digitized and used to calculate slices through body
 Last three problems solved by using energy other than x‐rays
 Magnetic Resonance Imaging (MRI) uses magnetic fields with radio 
waves – relies on DSP techniques
16
DSP’s Effect on Image Processing
 Space Space
 Low quality of images taken from unmanned satellites 
and space exploration vehiclesp p
 DSP’s function: improves quality
17
DSP’s Effect on Image Processing
 Commercial imaging products Commercial imaging products
 Large information content in images sold in mass 
quantityq y
 DSP’s function: image compression
18