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Mathematics of Signal Processing: A First Course

Mathematics of Signal Processing: A First Course Charles L Byrne Department of Mathematical Sciences University of Massachusetts Lowell Lowell, MA 01854



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Mathematics of Signal Processing:

A First Course

Charles L. Byrne

Department of Mathematical Sciences

University of Massachusetts Lowell

Lowell, MA 01854

March 31, 2013

(Text for 92.548 Mathematics of Signal Processing) (The most recent version is available as a pdf le at 2

Contents

I Introduction xiii

1 Preface 1

1.1 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Course Aims and Topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2.1 Some Examples of Remote Sensing . . . . . . . . . . 2

1.2.2 A Role for Mathematics . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.3 Limited Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.4 Course Emphasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.5 Course Topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 Applications of Interest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.4 Sensing Modalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.4.1 Active and Passive Sensing . . . . . . . . . . . . . . 5

1.4.2 A Variety of Modalities . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.5 Inverse Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.6 Using Prior Knowledge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2 Urn Models in Remote Sensing 13

2.1 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2 The Urn Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3 Some Mathematical Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4 An Application to SPECT Imaging . . . . . . . . . . . . . . 15

2.5 Hidden Markov Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

II Fundamental Examples 19

3 Transmission and Remote Sensing- I 21

3.1 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.2 Fourier Series and Fourier Coecients . . . . . . . . . . . . 21

3.3 The Unknown Strength Problem . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.3.1 Measurement in the Far-Field . . . . . . . . . . . . . 23

3.3.2 Limited Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

i iiCONTENTS

3.3.3 Can We Get More Data? . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.3.4 The Fourier Cosine and Sine Transforms . . . . . . . 25

3.3.5 Over-Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.3.6 Other Forms of Prior Knowledge . . . . . . . . . . . 27

3.4 Estimating the Size of Distant Objects . . . . . . . . . . . . 28

3.5 The Transmission Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.5.1 Directionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.5.2 The Case of Uniform Strength . . . . . . . . . . . . 30

3.6 Remote Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.7 One-Dimensional Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.7.1 Measuring Fourier Coecients . . . . . . . . . . . . 32

3.7.2 Over-sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.7.3 Under-sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

III Signal Models 41

4 Undetermined-Parameter Models 43

4.1 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.2 Fundamental Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.2.1 Evaluating a Trigonometric Polynomial . . . . . . . 44

4.2.2 Determining the Coecients . . . . . . . . . . . . . 44

4.3 Two Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.3.1 The Unknown Strength Problem . . . . . . . . . . . 45

4.3.2 Sampling in Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.3.3 The Issue of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.4 Estimation and Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.5 A Polynomial Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.6 Linear Trigonometric Models . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.6.1 Equi-Spaced Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.6.2 Equi-Spaced Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.7 Recalling Fourier Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.7.1 Fourier Coecients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.7.2 Riemann Sums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.8 Simplifying the Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.8.1 The Main Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.8.2 The Proofs as Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.8.3 More Computational Issues . . . . . . . . . . . . . . 55

4.9 Approximation, Models, or Truth? . . . . . . . . . . . . . . 55

4.9.1 Approximating the Truth . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.9.2 Modeling the Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.10 From Real to Complex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

CONTENTSiii

5 Complex Numbers 59

5.1 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.2 Denition and Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.3 Complex Numbers as Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . 61

6 Complex Exponential Functions 63

6.1 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

6.2 The Complex Exponential Function . . . . . . . . . . . . . 63

6.2.1 Real Exponential Functions . . . . . . . . . . . . . . 64

6.2.2 Why ish(x) an Exponential Function? . . . . . . . . 64

6.2.3 What isez, forzcomplex? . . . . . . . . . . . . . . 65

6.3 Complex Exponential Signal Models . . . . . . . . . . . . . 66

6.4 Coherent and Incoherent Summation . . . . . . . . . . . . . 67

6.5 Uses in Quantum Electrodynamics . . . . . . . . . . . . . . 67

6.6 Using Coherence and Incoherence . . . . . . . . . . . . . . . 68

6.6.1 The Discrete Fourier Transform . . . . . . . . . . . . 68

6.7 Some Exercises on Coherent Summation . . . . . . . . . . . 69

6.8 Complications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.8.1 Multiple Signal Components . . . . . . . . . . . . . 71

6.8.2 Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6.8.3 Unequal Amplitudes and Complex Amplitudes . . . 72

6.8.4 Phase Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6.9 Undetermined Exponential Models . . . . . . . . . . . . . . 72

6.9.1 Prony's Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6.9.2 Prony's Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

7 Transmission and Remote Sensing- II 77

7.1 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

7.2 Directional Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

7.3 Multiple-Antenna Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

7.3.1 The Array of Equi-Spaced Antennas . . . . . . . . . 78

7.3.2 The Far-Field Strength Pattern . . . . . . . . . . . . 78

7.3.3 Can the Strength be Zero? . . . . . . . . . . . . . . 79

7.3.4 Diraction Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

7.4 Phase and Amplitude Modulation . . . . . . . . . . . . . . 81

7.5 Steering the Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

7.6 Maximal Concentration in a Sector . . . . . . . . . . . . . . 82

7.7 Higher Dimensional Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

7.7.1 The Wave Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

7.7.2 Planewave Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

7.7.3 Superposition and the Fourier Transform . . . . . . 85

7.7.4 The Spherical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

7.7.5 The Two-Dimensional Array . . . . . . . . . . . . . 85

7.7.6 The One-Dimensional Array . . . . . . . . . . . . . . 86

ivCONTENTS

7.7.7 Limited Aperture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

7.7.8 Other Limitations on Resolution . . . . . . . . . . . 87

7.8 An Example: The Solar-Emission Problem . . . . . . . . . . 88

7.9 Another Example: Scattering in Crystallography . . . . . . 88

IV Fourier Methods 95

8 Fourier Analysis 97

8.1 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

8.2 The Fourier Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

8.3 The Unknown Strength Problem Again . . . . . . . . . . . 98

8.4 Two-Dimensional Fourier Transforms . . . . . . . . . . . . . 100

8.4.1 Two-Dimensional Fourier Inversion . . . . . . . . . . 101

8.5 Fourier Series and Fourier Transforms . . . . . . . . . . . . 101

8.5.1 Support-LimitedF(!) . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

8.5.2 Shannon's Sampling Theorem . . . . . . . . . . . . . 102

8.5.3 Sampling Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

8.5.4 What Shannon Does Not Say . . . . . . . . . . . . . 103

8.5.5 Sampling from a Limited Interval . . . . . . . . . . . 103

8.6 The Problem of Finite Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

8.7 Best Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

8.7.1 The Orthogonality Principle . . . . . . . . . . . . . . 104

8.7.2 An Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

8.7.3 The DFT as Best Approximation . . . . . . . . . . . 106

8.7.4 The Modied DFT (MDFT) . . . . . . . . . . . . . 106

8.7.5 The PDFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

8.8 The Vector DFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

8.9 Using the Vector DFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

8.10 A Special Case of the Vector DFT . . . . . . . . . . . . . . 110

8.11 Plotting the DFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

8.12 The Vector DFT in Two Dimensions . . . . . . . . . . . . . 112

9 Properties of the Fourier Transform 115

9.1 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

9.2 Fourier-Transform Pairs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

9.2.1 Decomposingf(x) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

9.3 Basic Properties of the Fourier Transform . . . . . . . . . . 116

9.4 Some Fourier-Transform Pairs . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

9.5 Dirac Deltas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

9.6 More Properties of the Fourier Transform . . . . . . . . . . 120

9.7 Convolution Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

9.7.1 Blurring and Convolution Filtering . . . . . . . . . . 121

9.7.2 Low-Pass Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

CONTENTSv

9.8 Functions in the Schwartz Class . . . . . . . . . . . . . . . . 123

9.8.1 The Schwartz Class . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

9.8.2 A Discontinuous Function . . . . . . . . . . . . . . . 125

10 The Fourier Transform and Convolution Filtering 127

10.1 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

10.2 Linear Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

10.3 Shift-Invariant Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

10.4 Some Properties of a SILO . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

10.5 The Dirac Delta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

10.6 The Impulse Response Function . . . . . . . . . . . . . . . . 129

10.7 Using the Impulse-Response Function . . . . . . . . . . . . 130

10.8 The Filter Transfer Function . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

10.9 The Multiplication Theorem for Convolution . . . . . . . . 130

10.10Summing Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

10.11A Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

10.12Band-Limiting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

11 Innite Sequences and Discrete Filters 133

11.1 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

11.2 Shifting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

11.3 Shift-Invariant Discrete Linear Systems . . . . . . . . . . . 133

11.4 The Delta Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

11.5 The Discrete Impulse Response . . . . . . . . . . . . . . . . 134

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