디지털 신호처리의 기초

Tae Hong Park 지음 | 박전수 , 김종식 옮김

아진 2015년 09월 17일 출간 종이책 : 2013년 01월 25일 출간

작품소개

책소개

『디지털 신호처리의 기초』는 디지털 신호 처리 기술을 주로 음성 신호에 초점을 맞춰 서술하였다. 디지털 신호 처리의 기본 원리뿐 아니라 샘플링과 필터링, 시간 및 주파수역 해석 등의 관련 주제들을 소개한다. 각 장마다 개념 소개와 수학적 기초, 실제 예, 해당 주제와 관련한 음악 등을 제시한다. 반복되는 구성으로 이루어져 있어, 전체 내용을 이해하는 데 도움을 준다.

목차

제1장 음향학, 가청 한계, 그리고 샘플링
1. 개요 1
2. 사인 신호 1
3. 인간의 청력과 가청 한계 3
3.1 지속시간 4
3.2 소리의 높낮이 4
3.3 진폭과 소리 수준 5
3.3.1 소리의 세기 수준 5
3.3.2 음압 수준 7
3.3.3 차이식역 8
3.3.4 동음량 곡선 8
3.4 청각 마스킹 9
4. 샘플링: 이산화의 예술 11
4.1 샘플링 이론 15
4.2 엘리어싱 17
5. 양자화와 펄스코드 변조 21
5.1 SNR과 QSNR 23
6. DC 성분 24
7. 신호의 왜곡과 사각 파형 26
7.1 디더링 27
8. 음악에 적용한 몇몇 예 31
참고도서 및 더 읽을 책 32

제2장 시간역에서 신호처리 1
1. 개요 33
2. 진폭 외곽과 ADSR 33
3. 웨이브테이블 합성 36
4. 윈도우, RMS, 그리고 진폭 외곽 38
4.1 윈도우 작업 38
4.2 RMS와 진폭 외곽 42
5. 시간역의 기본 주파수 계산 44
5.1 영교차율 45
5.2 자기상관 49
5.3 상호상관 54
6. 샘플 빠르기 변환 54
6.1 올림-샘플링 54
6.2 내림-샘플링 56
7. 겹침과 첨가 58
7.1 OLA: 문제와 대처 60
8. 음악적인 몇몇 예들 61
참고도서 및 더 읽을 책 62

제3장 시간역에서 신호처리 2
1. 개요 63
2. 그래뉴얼 합성 63
2.1 그래뉴얼 합성의 기본 파라미터 64
2.2 비동기 그래뉴얼 합성 66
2.3 피치 이동 및 시간 확장/축약 68
2.4 그래뉴얼 합성과 소리의 재생산 68
3. 진폭 비틀기 및 웨이브세이핑 68
3.1 동적 압축기 69
3.2 신호 비틀기 72
3.3 동적 확장기 72
3.4 테이프 포화 73
3.5 웨이브세이핑 합성 73
3.5.1 Chebychev의 1차 다항식 73
4. 시간역 DSP의 몇몇 효과 76
4.1 좌우 같은 패닝 77
4.2 지연 78
4.2.1 에코와 코러스, 플랜징 78
5. 음악적인 몇몇 예들 80
참고도서 및 더 읽을 책 80


제4장 사인 신호의 기초
1. 개요 81
2. 정현파 신호 81
3. 허수와 복소수, 오일러 공식 82
3.1 오일러 공식 85
4. 정현파 변조 기법 Ⅰ: 진폭 86
4.1 두드림 86
4.2 진폭 변조와 링 변조 88
4.3 진폭 변조(AM) 89
4.4 링 변조 90
4.4.1 복소수 신호와 링 변조 91
5. 정현파 변조 기법 Ⅱ: 주파수 93
5.1 FM: 사이드밴드와 Bessel 함수 93
5.2 변조 지표 97
5.3 FM 제어 파라미터에서 다루는 일반적인 주제 98
6. 음악적인 몇몇 예들 99
참고도서 및 더 읽을 책 101

제5장 선형 시불변 시스템
1. 개요 103
2. 이동평균 알고리즘에 대한 차분 방정식 103
2.1 인과성 105
2.2 차분 방정식의 일반적인 형태 106
3. 선형 시불변 시스템 107
3.1 선형성: 동차성과 중첩성 108
3.2 시불변성: 시간-이동 불변 109
3.3 DSP에서 LTI의 중요성 110
4. 임펄스 응답 111
4.1 유한 임펄스 응답(FIR)과 무한 임펄스 응답(IIR) 114
4.2 안정도와 IIR 시스템 115
5. 콘볼류션 116
5.1 콘볼류션의 기본 원리 118
6. 시스템 선도 및 이의 기본 요소 119
7. 음악적인 몇몇 예들 121


제6장 주파수 응답
1. 개요 123
2. 주파수 응답 124
2.1 의 특성 126
2.1.1 주파수 영역과 Nyquist 이론 126
2.1.2 의 주기성 131
2.1.3 의 대칭성 132
2.2 주파수 응답에 대한 몇 가지 사항 133
3. 위상 응답과 위상 왜곡 136
3.1 위상 지연 139
3.2 위상의 선형성 141
3.3 위상 응답과 연속 위상 143
3.4 그룹 지연 143
4. Z-변환 147
4.1 z-변환의 응용 Ⅰ: 148
4.2 z-변환의 응용 Ⅱ: 극점과 영점 150
4.3 z-변환의 응용 Ⅲ: 단위원과 z-평면 150
4.4 복소수 근을 갖는 시스템 154
5. 수렴영역 155
5.1 인과 시스템의 ROC 159
5.2 혼합 인과 시스템 161
5.3 ROC 요약 161
6. 단위원과 안정도 162
7. 역 z-변환 163
7.1 긴나눗셈법 164
7.2 Taylor 전개법 166
7.3 나머지 정리법 167
8. 유용한 MATLAB 함수 169
9. 음악적인 몇몇 예들 169
참고도서 및 더 읽을 책 170

제7장 필터
1. 개요 171
2. 저주파/고주파/대역통과 및 대역저지 필터 171
2.1 필터의 설계사양 174
2.2 통과대역, 저지대역, 그리고 전이대역 174
2.3 차단 주파수 175
2.4 필터의 차수, 선명도 및 리플 175
2.5 유용한 MATLAB 함수 187
3. 필터 설계의 예 190
3.1 빼기 합성 190
3.2 이중2차 필터 및 Wah-Wah 필터 192
3.3 빗형 필터 199
3.3.1 빗형 필터의 해석 202
3.3.2 빗형 필터의 예 206
3.4 현의 진동 및 파의 생성 208
3.5 줄의 물리 모델링 211
3.5.1 차분 방정식의 직접 구현 218
3.6 필터 설계에서 위상의 활용 219
3.6.1 코러스 효과 219
3.6.2 멀티탭 필터 및 필터 뱅크 220
3.6.3 분수 지연 223
3.6.4 플랜지 효과 225
3.6.5 전역통과 필터 226
3.6.6 전역통과 필터의 잔향 230
4. 음악적인 몇몇 예들 235
참고도서 및 더 읽을 책 237

제8장 주파수역과 Fourier변환
1. 개요 239
2. 더하기 합성 239
3. Fourier 변환 242
4. 이산시간 Fourier 변환

책 속으로

이 책은 디지털 신호 처리 기술을 주로 음성 신호에 초점을 맞춰 서술하였다. 디지털 신호 처리(digital signal processing: DSP)의 기본 원리뿐 아니라 샘플링과 필터링, 신호의 분석 알고리즘 및 효과, 시간 및 주파수역 해석, 그 밖의 DSP와 관련한 여러 주제들을 소개한다. 접근 방법도 아주 실제적이고 직관적이다. 현장의 전문 신호인 음성(컴퓨터 음악) 신호에 초점을 맞추어 이의 개념과 수학적 기초, 관련 예들을 제시하면서 독자가 이런 내용에 좀더 친숙하고 편안하게 이미지화 할 수 있도록 그림으로 설명을 보충하였다. 모든 장에선 가능하면 L3 모델 즉, 보고(look), 듣고(listen), 그리고 배우기(learn) 방식을 따르는데 이는 저자의 형이 수년 동안 각인시켜 준 교육 방식이다. 책 속에서 소개하는 개념이나 그림엔 MATLAB 코드가 함께 나타나며 다운로드(http://music.princeton.edu/~park/dspBook) 할 수 있을 뿐만 아니라 부록에 자세한 설명까지 추가해 놓았다. 중요한 이론이나 생각 따위엔 주위를 환기시키기 위해 "왜(why)"와 관련한 질문을 할 것인데 특히, 처음으로 소개하는 내용인 경우엔 대부분 해당된다. 따라서 개념이 아주 추상적이고, 또 이의 실제적인 상황이나 응용 분야에 대한 참고 도서가 거의 없을 때는 오랜 시간 고민할 수도 있겠다. 수학적인 측면에선 전공 외의 도서에서 신호 처리를 설명할 때 깊이 없이 빠르게 훑고 지나가는 것과는 달리 부족하지 않도록 보충하려고 애썼다. 이 책의 목적은 이유와 방법에 집중하여 디지털 신호 처리의 기술을 배우고 이해하려는 독자를 도와주는 것이다. 대수학(algebra) 지식만 있으면 충분히 따라올 수 있기 때문에 독자층은 음악가와 작곡가, 공학자, 컴퓨터 과학자, 프로그래머, 여러 학문 분야의 대학 및 대학원 학생 등 아주 폭넓다.

출판사 서평

이 책 전체를 걸쳐 소개되는 DSP는 재미있고 흥미로운 소리의 종합 및 분석 예를 들어보면 아마 독자의 마음속에 어렴풋이 떠오를 것이다. 예를들어, 간단한 사인파의 소개부터 진폭 및 주파수 변조의 개념, 손뼉으로 박자 맞추기 등이 이 책의 앞부분에 나오면 어느 정도 감을 잡게 되는데 이런 내용은 신호의 임펄스 응답(impulse response)을 독자에게 설명하여 나중에 음성 신호의 콘볼루션(convolution)에 대한 이론과 응용을 쉽게 이해할 수 있도록 해준다. 그래서 책의 중반부쯤 가면 독자는 자신감으로 무장하여 신호 처리의 핵심 내용 즉, 차분 방정식, 주파수 응답, z-변환, 그리고 필터 등을 살피게 될 것이다. 각 장의 마지막에선 DSP 관련 음악 예를 다루고, 또 발현악기(plucked string instrument)의 물리 모델에 적용되는 빗살형 필터(comb filter) 및 이의 응용 필터에 대한 MATLAB 코드도 탐색할 수 있다. Fourier 변환이 핵심인 주파수 해석은 DFT(discrete Fourier transform) 및 이의 응용을 중심으로 컴퓨터 음악을 예로 하여 마지막 장에서 살펴본다. 여기선 책의 앞에서 소개한 여러 개념들 - 업샘플링(up-sampling), 다운샘플링(down-sampling), 데시메이션(decimation), 고조파 왜곡(harmonic distortion), 디더링(dithering), 그리고 신호 처리에서 가장 중요한 개념 중의 하나인 Nyquist 이론 따위를 새로운 각도에서 살펴보아 여태껏 배운 내용을 좀더 튼튼하게 한다. 사실, 앞서 배운 내용을 다시 복습하는 일은 이 책 전체에 걸쳐 골고루 나타나는데 독자의 지식 폭이 훨씬 넓어질 것으로 기대한다.

작가정보

저자(글) Tae Hong Park

번역 박전수

번역 김종식