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2018 | OriginalPaper | Buchkapitel

14. Convolution, Fourier Analysis, Cross-Correlation and Their Interrelationship

verfasst von : Jonas Braasch

Erschienen in: Springer Handbook of Systematic Musicology

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Abstract

The scope of this chapter is to derive and explain three fundamental concepts of acoustical signal analysis and synthesis: convolution, Fourier transformation, and cross-correlation. Convolution is an important process in acoustics to determine how a signal is transformed by an acoustical system that can be described through an impulse response, a room, for example. Fourier analysis enables us to analyze a signal's properties at different frequencies. This method is then extended to Fourier transformation to convert signals from the time domain to the frequency domain and vice versa. Further, the method of cross-correlation is introduced by extending the orthogonality relations for trigonometric functions that were used to derive Fourier analysis. The cross-correlation method is a fundamental concept to compare two signals. We will use this method to extract the impulse response of a room by comparing a signal measured with a microphone after being transformed by a room with the original, measurement signal emitted into the room using a loudspeaker. Based on this and other examples, the mathematical relationships between convolution, Fourier transformation, and correlation are explained to facilitate deeper understanding of these fundamental concepts.

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Literatur
14.1
Zurück zum Zitat J. d’Alembert: Recherches sur Differens Points Importans du Systême du Monde (Researches on Different Important Points of the System of the World), Vol. 1. (Chez David l’aîné, Paris 1754) J. d’Alembert: Recherches sur Differens Points Importans du Systême du Monde (Researches on Different Important Points of the System of the World), Vol. 1. (Chez David l’aîné, Paris 1754)
14.2
Zurück zum Zitat P.-S. Laplace: Mémoires de l’Académie Royale des Sciences de Paris in 1781 (Gautrier-Villars et Fils, Paris 1781) P.-S. Laplace: Mémoires de l’Académie Royale des Sciences de Paris in 1781 (Gautrier-Villars et Fils, Paris 1781)
14.3
Zurück zum Zitat A. Hald: History of Mathematical Statistics from 1750 to 1930 (Wiley, New York 1998)MATH A. Hald: History of Mathematical Statistics from 1750 to 1930 (Wiley, New York 1998)MATH
14.4
14.5
14.6
Zurück zum Zitat P.S. Single, D.S. McGrath: Implementation of a 32768-Tap FIR filter using real-time fast convolution. In: Proc. 87th Convent. Audio Eng. Soc. (1989), Preprint 2830 P.S. Single, D.S. McGrath: Implementation of a 32768-Tap FIR filter using real-time fast convolution. In: Proc. 87th Convent. Audio Eng. Soc. (1989), Preprint 2830
14.7
Zurück zum Zitat J. Fourier: Théorie Analytique de la Chaleur (The Analytic Theory of Heat) (Firmin-Didot père et fils, Paris 1822)MATH J. Fourier: Théorie Analytique de la Chaleur (The Analytic Theory of Heat) (Firmin-Didot père et fils, Paris 1822)MATH
14.8
Zurück zum Zitat A.V. Oppenheim, R.W. Schafer: Digital Signal Processing (Prentice Hall, Englewood Cliffs, New York 1975)MATH A.V. Oppenheim, R.W. Schafer: Digital Signal Processing (Prentice Hall, Englewood Cliffs, New York 1975)MATH
14.9
Zurück zum Zitat A. Bravais: Analyse mathématique sur les probabilités des erreurs de situation d’un point (Mathematical analysis of the probabilities of errors in a point’s location), Mém. present. divers savants Acad. Sci. Inst. Fr., Sci. Math. Phys. 9, 255–332 (1846) A. Bravais: Analyse mathématique sur les probabilités des erreurs de situation d’un point (Mathematical analysis of the probabilities of errors in a point’s location), Mém. present. divers savants Acad. Sci. Inst. Fr., Sci. Math. Phys. 9, 255–332 (1846)
14.10
Zurück zum Zitat F. Galton: Co-relations and their measurement, chiefly from anthropometric data, Proc. R. Soc. Lond. 45, 135–145 (1888)CrossRef F. Galton: Co-relations and their measurement, chiefly from anthropometric data, Proc. R. Soc. Lond. 45, 135–145 (1888)CrossRef
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Zurück zum Zitat K. Pearson: Regression, heredity, and panmixia, Philos. Trans. R. Soc. Lond. 187, 253–318 (1896)CrossRef K. Pearson: Regression, heredity, and panmixia, Philos. Trans. R. Soc. Lond. 187, 253–318 (1896)CrossRef
14.12
Zurück zum Zitat J.M. Stanton: Galton, Pearson, and the Peas: A brief history of linear regression for statistics instructors, J. Stat. Educ. 9(3) (2001), online, last accessed 02/10/2016 J.M. Stanton: Galton, Pearson, and the Peas: A brief history of linear regression for statistics instructors, J. Stat. Educ. 9(3) (2001), online, last accessed 02/10/2016
14.14
Zurück zum Zitat G.-B. Stan, J.-J. Embrechts, D. Archambeau: Comparison of different impulse response measurement techniques, J. Audio Eng. Soc. 50(4), 249–262 (2002) G.-B. Stan, J.-J. Embrechts, D. Archambeau: Comparison of different impulse response measurement techniques, J. Audio Eng. Soc. 50(4), 249–262 (2002)
Metadaten
Titel
Convolution, Fourier Analysis, Cross-Correlation and Their Interrelationship
verfasst von
Jonas Braasch
Copyright-Jahr
2018
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-55004-5_14

    Marktübersichten

    Die im Laufe eines Jahres in der „adhäsion“ veröffentlichten Marktübersichten helfen Anwendern verschiedenster Branchen, sich einen gezielten Überblick über Lieferantenangebote zu verschaffen.