The role of lossless systems in modern digital signal processing: a tutorial

A self-contained discussion of discrete-time lossless systems and their properties and relevance in digital signal processing is presented. The basic concept of losslessness is introduced, and several algebraic properties of lossless systems are studied. An understanding of these properties is crucial in order to exploit the rich usefulness of lossless systems in digital signal processing. Since lossless systems typically have many input and output terminals, a brief review of multiinput multioutput systems is included. The most general form of a rational lossless transfer matrix is presented along with synthesis procedures for the FIR (finite impulse response) case. Some applications of lossless systems in signal processing are presented

Arbitrary Ratio Sample Rate Conversion Using B-Spline Interpolation for Software Defined Radio

Arbitrary ratio sampling rate conversion (SRC) structure using B-spline interpolation is proposed for software defined radio (SDR) in this paper. By combining SRC with SDR's transmitter/receiver filter, the constraint on SRC reconstruction filter can be relaxed, and an overall computational reduction can be achieved. The mixed-width B-spline is introduced so that both anti-imaging and anti-aliasing requirements for SRC are satisfied. The passband droop introduced by the B-spline interpolation is compensated by a linear phase digital filter incorporated in the SRC structure so that the overall frequency response approaches the desired frequency response of the SDR's transmitter/receiver filter. To make the proposed SRC structure applicable in practice, the mixed-width B-spline is further converted into uni-width B-spline, and the simplified implementation of the uniwidth B-spline interpolation is also derived. A design example of the linear phase digital filter for the proposed SRC structure is given for an IEEE 802.11g wireless local area network (WLAN) SDR receiver, and the overall SRC complexity is analyzed

A New Design Algorithm for Two-Band Orthonormal Rational Filter Banks and Orthonormal Rational Wavelets

In this paper, we present a new algorithm for the design of orthonormal two-band rational filter banks. Owing to the connection between iterated rational filter banks and rational wavelets, this is also a design algorithm for orthonormal rational wavelets. It is basically a simple iterative procedure, which explains its exponential convergence and adaptability under various linear constraints (e.g., regularity). Although the filters obtained from this algorithm are suboptimally designed, they show excellent frequency selectivity. After an in-depth account of the algorithm, we discuss the properties of the rational wavelets generated by some designed filters. In particular, we stress the possibility to design "almost" shift error-free wavelets, which allows the implementation of a rational wavelet transform

Audio Coding Based on Integer Transforms

Die Audiocodierung hat sich in den letzten Jahren zu einem sehr populären Forschungs- und Anwendungsgebiet entwickelt. Insbesondere gehörangepasste Verfahren zur Audiocodierung, wie etwa MPEG-1 Layer-3 (MP3) oder MPEG-2 Advanced Audio Coding (AAC), werden häufig zur effizienten Speicherung und Übertragung von Audiosignalen verwendet. Für professionelle Anwendungen, wie etwa die Archivierung und Übertragung im Studiobereich, ist hingegen eher eine verlustlose Audiocodierung angebracht. Die bisherigen Ansätze für gehörangepasste und verlustlose Audiocodierung sind technisch völlig verschieden. Moderne gehörangepasste Audiocoder basieren meist auf Filterbänken, wie etwa der überlappenden orthogonalen Transformation "Modifizierte Diskrete Cosinus-Transformation" (MDCT). Verlustlose Audiocoder hingegen verwenden meist prädiktive Codierung zur Redundanzreduktion. Nur wenige Ansätze zur transformationsbasierten verlustlosen Audiocodierung wurden bisher versucht. Diese Arbeit präsentiert einen neuen Ansatz hierzu, der das Lifting-Schema auf die in der gehörangepassten Audiocodierung verwendeten überlappenden Transformationen anwendet. Dies ermöglicht eine invertierbare Integer-Approximation der ursprünglichen Transformation, z.B. die IntMDCT als Integer-Approximation der MDCT. Die selbe Technik kann auch für Filterbänke mit niedriger Systemverzögerung angewandt werden. Weiterhin ermöglichen ein neuer, mehrdimensionaler Lifting-Ansatz und eine Technik zur Spektralformung von Quantisierungsfehlern eine Verbesserung der Approximation der ursprünglichen Transformation. Basierend auf diesen neuen Integer-Transformationen werden in dieser Arbeit neue Verfahren zur Audiocodierung vorgestellt. Die Verfahren umfassen verlustlose Audiocodierung, eine skalierbare verlustlose Erweiterung eines gehörangepassten Audiocoders und einen integrierten Ansatz zur fein skalierbaren gehörangepassten und verlustlosen Audiocodierung. Schließlich wird mit Hilfe der Integer-Transformationen ein neuer Ansatz zur unhörbaren Einbettung von Daten mit hohen Datenraten in unkomprimierte Audiosignale vorgestellt.In recent years audio coding has become a very popular field for research and applications. Especially perceptual audio coding schemes, such as MPEG-1 Layer-3 (MP3) and MPEG-2 Advanced Audio Coding (AAC), are widely used for efficient storage and transmission of music signals. Nevertheless, for professional applications, such as archiving and transmission in studio environments, lossless audio coding schemes are considered more appropriate. Traditionally, the technical approaches used in perceptual and lossless audio coding have been separate worlds. In perceptual audio coding, the use of filter banks, such as the lapped orthogonal transform "Modified Discrete Cosine Transform" (MDCT), has been the approach of choice being used by many state of the art coding schemes. On the other hand, lossless audio coding schemes mostly employ predictive coding of waveforms to remove redundancy. Only few attempts have been made so far to use transform coding for the purpose of lossless audio coding. This work presents a new approach of applying the lifting scheme to lapped transforms used in perceptual audio coding. This allows for an invertible integer-to-integer approximation of the original transform, e.g. the IntMDCT as an integer approximation of the MDCT. The same technique can also be applied to low-delay filter banks. A generalized, multi-dimensional lifting approach and a noise-shaping technique are introduced, allowing to further optimize the accuracy of the approximation to the original transform. Based on these new integer transforms, this work presents new audio coding schemes and applications. The audio coding applications cover lossless audio coding, scalable lossless enhancement of a perceptual audio coder and fine-grain scalable perceptual and lossless audio coding. Finally an approach to data hiding with high data rates in uncompressed audio signals based on integer transforms is described

Audio Coding Based on Integer Transforms

Die Audiocodierung hat sich in den letzten Jahren zu einem sehr populären Forschungs- und Anwendungsgebiet entwickelt. Insbesondere gehörangepasste Verfahren zur Audiocodierung, wie etwa MPEG-1 Layer-3 (MP3) oder MPEG-2 Advanced Audio Coding (AAC), werden häufig zur effizienten Speicherung und Übertragung von Audiosignalen verwendet. Für professionelle Anwendungen, wie etwa die Archivierung und Übertragung im Studiobereich, ist hingegen eher eine verlustlose Audiocodierung angebracht. Die bisherigen Ansätze für gehörangepasste und verlustlose Audiocodierung sind technisch völlig verschieden. Moderne gehörangepasste Audiocoder basieren meist auf Filterbänken, wie etwa der überlappenden orthogonalen Transformation "Modifizierte Diskrete Cosinus-Transformation" (MDCT). Verlustlose Audiocoder hingegen verwenden meist prädiktive Codierung zur Redundanzreduktion. Nur wenige Ansätze zur transformationsbasierten verlustlosen Audiocodierung wurden bisher versucht. Diese Arbeit präsentiert einen neuen Ansatz hierzu, der das Lifting-Schema auf die in der gehörangepassten Audiocodierung verwendeten überlappenden Transformationen anwendet. Dies ermöglicht eine invertierbare Integer-Approximation der ursprünglichen Transformation, z.B. die IntMDCT als Integer-Approximation der MDCT. Die selbe Technik kann auch für Filterbänke mit niedriger Systemverzögerung angewandt werden. Weiterhin ermöglichen ein neuer, mehrdimensionaler Lifting-Ansatz und eine Technik zur Spektralformung von Quantisierungsfehlern eine Verbesserung der Approximation der ursprünglichen Transformation. Basierend auf diesen neuen Integer-Transformationen werden in dieser Arbeit neue Verfahren zur Audiocodierung vorgestellt. Die Verfahren umfassen verlustlose Audiocodierung, eine skalierbare verlustlose Erweiterung eines gehörangepassten Audiocoders und einen integrierten Ansatz zur fein skalierbaren gehörangepassten und verlustlosen Audiocodierung. Schließlich wird mit Hilfe der Integer-Transformationen ein neuer Ansatz zur unhörbaren Einbettung von Daten mit hohen Datenraten in unkomprimierte Audiosignale vorgestellt.In recent years audio coding has become a very popular field for research and applications. Especially perceptual audio coding schemes, such as MPEG-1 Layer-3 (MP3) and MPEG-2 Advanced Audio Coding (AAC), are widely used for efficient storage and transmission of music signals. Nevertheless, for professional applications, such as archiving and transmission in studio environments, lossless audio coding schemes are considered more appropriate. Traditionally, the technical approaches used in perceptual and lossless audio coding have been separate worlds. In perceptual audio coding, the use of filter banks, such as the lapped orthogonal transform "Modified Discrete Cosine Transform" (MDCT), has been the approach of choice being used by many state of the art coding schemes. On the other hand, lossless audio coding schemes mostly employ predictive coding of waveforms to remove redundancy. Only few attempts have been made so far to use transform coding for the purpose of lossless audio coding. This work presents a new approach of applying the lifting scheme to lapped transforms used in perceptual audio coding. This allows for an invertible integer-to-integer approximation of the original transform, e.g. the IntMDCT as an integer approximation of the MDCT. The same technique can also be applied to low-delay filter banks. A generalized, multi-dimensional lifting approach and a noise-shaping technique are introduced, allowing to further optimize the accuracy of the approximation to the original transform. Based on these new integer transforms, this work presents new audio coding schemes and applications. The audio coding applications cover lossless audio coding, scalable lossless enhancement of a perceptual audio coder and fine-grain scalable perceptual and lossless audio coding. Finally an approach to data hiding with high data rates in uncompressed audio signals based on integer transforms is described

Channelization for Multi-Standard Software-Defined Radio Base Stations

As the number of radio standards increase and spectrum resources come under more pressure, it becomes ever less efficient to reserve bands of spectrum for exclusive use by a single radio standard. Therefore, this work focuses on channelization structures compatible with spectrum sharing among multiple wireless standards and dynamic spectrum allocation in particular. A channelizer extracts independent communication channels from a wideband signal, and is one of the most computationally expensive components in a communications receiver. This work specifically focuses on non-uniform channelizers suitable for multi-standard Software-Defined Radio (SDR) base stations in general and public mobile radio base stations in particular. A comprehensive evaluation of non-uniform channelizers (existing and developed during the course of this work) shows that parallel and recombined variants of the Generalised Discrete Fourier Transform Modulated Filter Bank (GDFT-FB) represent the best trade-off between computational load and flexibility for dynamic spectrum allocation. Nevertheless, for base station applications (with many channels) very high filter orders may be required, making the channelizers difficult to physically implement. To mitigate this problem, multi-stage filtering techniques are applied to the GDFT-FB. It is shown that these multi-stage designs can significantly reduce the filter orders and number of operations required by the GDFT-FB. An alternative approach, applying frequency response masking techniques to the GDFT-FB prototype filter design, leads to even bigger reductions in the number of coefficients, but computational load is only reduced for oversampled configurations and then not as much as for the multi-stage designs. Both techniques render the implementation of GDFT-FB based non-uniform channelizers more practical. Finally, channelization solutions for some real-world spectrum sharing use cases are developed before some final physical implementation issues are considered

Discrete Wavelet Transforms

The discrete wavelet transform (DWT) algorithms have a firm position in processing of signals in several areas of research and industry. As DWT provides both octave-scale frequency and spatial timing of the analyzed signal, it is constantly used to solve and treat more and more advanced problems. The present book: Discrete Wavelet Transforms: Algorithms and Applications reviews the recent progress in discrete wavelet transform algorithms and applications. The book covers a wide range of methods (e.g. lifting, shift invariance, multi-scale analysis) for constructing DWTs. The book chapters are organized into four major parts. Part I describes the progress in hardware implementations of the DWT algorithms. Applications include multitone modulation for ADSL and equalization techniques, a scalable architecture for FPGA-implementation, lifting based algorithm for VLSI implementation, comparison between DWT and FFT based OFDM and modified SPIHT codec. Part II addresses image processing algorithms such as multiresolution approach for edge detection, low bit rate image compression, low complexity implementation of CQF wavelets and compression of multi-component images. Part III focuses watermaking DWT algorithms. Finally, Part IV describes shift invariant DWTs, DC lossless property, DWT based analysis and estimation of colored noise and an application of the wavelet Galerkin method. The chapters of the present book consist of both tutorial and highly advanced material. Therefore, the book is intended to be a reference text for graduate students and researchers to obtain state-of-the-art knowledge on specific applications

Multidimensional Wave Digital Filters and Wavelets (Mehrdimensionale Wellendigitalfilter und Wavelets)

Das Kernziel dieser Dissertation ist der Entwurf von orthogonalen, mehrdimensionalen Wellendigitalfiltern für nichtseparierbare Abtastmatritzen (z.B. Quincunx-, Hexagonal-, BCCS-Matrix). Damit der Leser einen einfacheren Einstieg in den Filterentwurf hat, sind einige Grundlagen elektrischer Netzwerke und Filter vom analogen als auch vom digitalen Typ in Kapitel 2 angegeben. Wichtiges Beiwerk, welches digitale Filter mit der Wavelettransformation verknüpft, ist zusammengefaßt. Es wird weiterführende Literatur angegeben, die diesen Stoff ausführlicher behandelt. Weiterhin werden wichtige Abtastsätze präsentiert und ein angegebener Vergleich über die minimale Abtastrate zeigt einen interessanten Aspekt. Kapitel 3 zeigt Verbindungen von Wellendigitalfiltern zu ihren analogen Referenzfiltern. Desweiteren wird gezeigt, wie man eine perfekte Rekonstruktion mit Filterbänken erreicht ohne eine spektrale Faktorisierung durchführen zu müssen. Bekannte Wavelets, wie z.B. Meyer Wavelets, Sinc-Wavelet (Littlewood-Paley Wavelet), Haar Wavelet, Daubechies Wavelets und Butterworth Wavelets, sind in Kapitel 4 präsentiert. Weiterhin werden bekannte Filter gezeigt, die (sofern einige Einschränkungen eingehalten werden) benutzt werden können um neue orthonormale Wavelets, nämlich Cosinus-Rolloff Wavelets und Chebyshev Wavelets zu generieren. Es wird auch ein Filter präsentiert mit welchem eine Verschiebung der Abtastwerte um einen beliebigen reellen Wert effizient erfolgen kann. In den Kapiteln 5, 6 und 7 werden Entwurfsmethoden für mehrdimensionale Filter angegeben mit denen nichtseparierbare, orthogonale Wavelets (zwei- und dreidimensional) erzeugt werden können