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Difference between revisions of "Signal Representation/The Convolution Theorem and Operation"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Aperiodische Signale - Impulse
+
|Untermenü=Aperiodic Signals - Impulses
|Vorherige Seite=Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation
+
|Vorherige Seite=Fourier Transform Theorems
|Nächste Seite=Unterschiede und Gemeinsamkeiten von TP- und BP-Signalen
+
|Nächste Seite=Differences and Similarities of LP and BP Signals
 
}}
 
}}
  
==Faltung im Zeitbereich==
+
==Convolution in the time domain==
 +
<br>
 +
The&nbsp; &raquo;Convolution Theorem&laquo;&nbsp; is one of the most important laws of the Fourier transform,&nbsp; to which an own subchapter is dedicated in this tutorial.&nbsp; We will first consider the convolution theorem in the time domain and assume that the spectra of two time functions&nbsp; x1(t)&nbsp; and&nbsp; x2(t)&nbsp; are known:
 +
 +
:X1(f)x1(t),X2(f)x2(t).
  
Der '''Faltungssatz''' ist mit das wichtigste Gesetz der Fouriertransformation. Deshalb wird in vorliegendem Tutorial diesem auch ein eigenes Unterkapitel gewidmet.
+
Then for the time function of the product&nbsp; X1(f)X2(f)&nbsp; applies:
Betrachten wir zunächst den Faltungssatz im Zeitbereich und setzen voraus, dass die Spektren zweier Zeitfunktionen $x_1(t)undx_2(t)$ bekannt sind:
+
 
 +
:$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
 
   
 
   
$$X_1 ( f )\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,x_1( t ),\quad X_2 ( f )\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,x_2 ( t ).$$
+
$\tau$&nbsp; is a formal integration variable with the dimension of a time.
  
Dann gilt für die Zeitfunktion des Produktes $X_1(f) \cdot X_2(f)$:
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition:}$&nbsp;
  
$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
+
The above connection of the time function&nbsp; $x_1(t)&nbsp; and&nbsp;x_2(t)$&nbsp; is called&nbsp; &raquo;'''convolution'''&laquo;.&nbsp; One represents this functional connection with a star:
 
   
 
   
Hierbei ist τ eine formale Integrationsvariable mit der Dimension einer Zeit.
+
:$$x_{\rm{1} } (t) * x_{\rm{2} } (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau ) }  \cdot x_2 ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau =  x_{\rm{2} } (t) * x_{\rm{1} } (t) .$$
  
{{Definition}}
+
*Thus the above Fourier correspondence can be written as follows:
Die obige Verknüpfung der Zeitfunktion x1(t) und x2(t) bezeichnet man als '''Faltung''' und stellt diesen Funktionalzusammenhang mit einem Stern dar:
+
 
 +
:$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}{ {x} }_{\rm{1} } ( t ) * { {x} }_{\rm{2} } (t ).$$
 +
 
 +
*The convolution is&nbsp; &raquo;commutative&laquo;  &nbsp; ⇒  &nbsp;The order of the operands can be changed:
 
   
 
   
$$x_{\rm{1}} (t) * x_{\rm{2}} (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau =  x_{\rm{2}} (t) * x_{\rm{1}} (t) .$$
+
:$$x_1(t) * x_2(t) =x_2(t) * x_1(t).$$
 
 
Damit lässt sich obige Fourierkorrespondenz auch wie folgt schreiben:
 
  
$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,{ {x}}_{\rm{1}} ( t ) * { {x}}_{\rm{2}} (t ).$$
+
*The&nbsp; [[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation#Proof_of_the_Convolution_Theorem|&raquo;Proof&laquo;]]&nbsp; will be shown at the end of this chapter.}}
⇒          Beweis (am Kapitelende)
 
  
{{end}}
 
  
  
''Anmerkung'': Die Faltung ist '''kommutativ''' Die Reihenfolge der Operanden ist vertauschbar.
+
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:EN_Sig_T_3_4_S1.png|right|frame|On calculation of signal and spectrum of the LTI output]]  
 +
Example 1:&nbsp; Every linear time-invariant&nbsp; (LTI)&nbsp; system can be described both,
 +
#by the frequency response&nbsp; H(f),
 +
#by the impulse response&nbsp; h(t).  
  
{{Beispiel}}
 
  
[[File:P_ID579__Sig_T_3_4_S1_neu.png|250px|right|Faltung im Zeitbereich]]
+
The relation between these two system quantities is also given by the Fourier transform.
Ein jedes lineare zeitinvariante (LZI-) System kann sowohl durch den Frequenzgang H(f) als auch durch die Impulsantwort h(t) beschrieben werden, wobei der Zusammenhang zwischen diesen beiden Systemgrößen durch die Fouriertransformation gegeben ist.
 
  
Legt man an den Eingang ein Signal x(t) mit dem Spektrum X(f) an, so gilt für das Spektrum des Ausgangssignals:
+
*If the signal&nbsp; x(t)&nbsp; with spectrum&nbsp; X(f)&nbsp; is applied to the input,&nbsp; then the spectrum of the output signal is:
 
   
 
   
Y(f)=X(f)H(f).
+
:Y(f)=X(f)H(f).
  
Mit dem Faltungssatz ist es nun möglich, das Ausgangssignal auch direkt im Zeitbereich zu berechnen:
+
*It is possible to calculate the output signal in the time domain with the convolution theorem:
 
   
 
   
$$y( t ){\rm{ = }}x(t) * h( t ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm}{x( \tau  )}  \cdot h( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau =  \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm} {h( \tau  )}  \cdot x( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = h(t) * x( t ).$$
+
:y(t)=x(t)h(t)=+x(τ)h(tτ)dτ=+h(τ)x(tτ)dτ=h(t)x(t).
 
 
Aus dieser Gleichung geht nochmals hervor, dass die Faltungsoperation ''kommutativ'' ist.
 
  
{{end}}
+
*This equation shows again the&nbsp; &raquo;commutativity&laquo;&nbsp; of the&nbsp; &raquo;convolution operation&laquo;.  }}
  
  
==Faltung im Frequenzbereich==
+
==Convolution in the frequency domain==
 
+
<br>
Die Dualität zwischen dem Zeit– und dem Frequenzbereich erlaubt auch Aussagen hinsichtlich des Spektrums des Produktsignals:
+
The duality between time and frequency domain also allows statements regarding the spectrum of the product signal:
 
   
 
   
x1(t)x2(t)X1(f)X2(f)=+X1(ν)X2(fν)dν.
+
:x1(t)x2(t)X1(f)X2(f)=+X1(ν)X2(fν)dν.
  
Dieses Resultat lässt sich ähnlich wie der Faltungssatz im Zeitbereich beweisen. Allerdings hat nun die Integrationsvariable $v$ die Dimension einer Frequenz.
+
This result can be proved similarly to the&nbsp; [[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation#Proof_of_the_Convolution_Theorem|&raquo;convolution in the time domain&laquo;]].&nbsp; However,&nbsp; the integration variable&nbsp; $\nu$&nbsp; now has the dimension of a frequency.
  
{{Beispiel}}
+
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:EN_Sig_T_3_4_S2.png|right|frame|Convolution in the frequency domain&nbsp; (e.g.&nbsp;  DSB&ndash;AM)]]
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp; The &nbsp; [[Modulation_Methods/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation#Beschreibung_im_Zeitbereich|
 +
&raquo;Double-Sideband Amplitude Modulation&raquo;]]&nbsp; $\text{(DSB-AM)}$&nbsp; with carrier suppression is described by the drawn model.
  
[[File:P_ID580__Sig_T_3_4_S2_neu.png|250px|right|Faltung im Frequenzbereich]]
+
*The time domain representation&nbsp; $\rm (blue)$&nbsp; shows the modulated signal&nbsp; s(t)&nbsp; as the product of the source signal&nbsp; q(t)&nbsp; and the&nbsp; $(normalized)$&nbsp; carrier signal&nbsp; z(t).
Die Zweiseitenband-Amplitudenmodulation (ZSB-AM) ohne Träger wird durch das unten skizzierte Modell beschrieben. Bei der Zeitbereichsdarstellung (blau) ergibt sich das modulierte Signal s(t) als das Produkt aus dem Nachrichtensignal q(t) und dem (normierten) Trägersignal z(t).
 
  
Nach dem Faltungssatz folgt daraus für den Frequenzbereich (rot), dass das Ausgangsspektrum S(f) gleich dem Faltungsprodukt aus Q(f) und Z(f) ist.
 
  
{{end}}
+
*According to the convolution theorem it follows for the frequency domain&nbsp; (red)&nbsp; that the output spectrum&nbsp; S(f)&nbsp; is equal to the convolution product of&nbsp;  Q(f)  q(t)&nbsp; and&nbsp; Z(f)  z(t).}}
  
  
==Faltung einer Funktion mit einer Diracfunktion==
+
==Convolution of a function with a Dirac delta function==  
 +
<br>
 +
The convolution operation becomes very simple,&nbsp; if one of the operands is a&nbsp; [[Signal_Representation/Direct_Current_Signal_-_Limit_Case_of_a_Periodic_Signal#Dirac_.28delta.29_function_in_frequency_domain|&raquo;Dirac delta function&laquo;]].&nbsp; This applies both to the convolution in  time and frequency domain.
  
Sehr einfach wird die Faltungsoperation, wenn einer der beiden Operanden eine '''Diracfunktion''' ist. Dies gilt für die Faltung im Zeit– und im Frequenzbereich gleichermaßen.
+
*We will consider the convolution of a function&nbsp; x1(t)&nbsp; with the function
Wir betrachten beispielhaft die Faltung einer Funktion x1(t) mit der Funktion
 
 
   
 
   
$$x_2 ( t ) = \alpha  \cdot \delta ( {t - T} ) \quad \circ\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet \quad X_2 ( f )= \alpha \cdot  {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}2{\rm{\pi }}fT}.$$
+
:$$x_2 ( t ) = \alpha  \cdot \delta ( {t - T} ) \quad \circ\,\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet \quad X_2 ( f )= \alpha \cdot  {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}2\hspace{0.03cm}{\rm{\pi }}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}T}.$$
  
Für die Spektralfunktion des Signals y(t)=x1(t)x2(t) gilt dann:
+
*For the spectral function of the signal&nbsp; y(t)=x1(t)x2(t)&nbsp; it follows:
 
   
 
   
$$Y( f ) = X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) = X_1 ( f ) \cdot  \alpha  \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}2{\rm{\pi }}fT} .$$
+
:$$Y( f ) = X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) = X_1 ( f ) \cdot  \alpha  \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}2\hspace{0.03cm}{\rm{\pi }}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}T}.$$
  
Die komplexe Exponentialfunktion führt zu einer Verschiebung um T (Verschiebungssatz), der Faktor α zu einer Dämpfung ($\alpha$ < 1) bzw. Verstärkung ($\alpha$ > 1). Daraus folgt:
+
*The complex exponential function leads to a shift by&nbsp; T &nbsp; &rArr; &nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems#Shifting_Theorem|&raquo;Shifting Theorem&laquo;]],&nbsp; the factor&nbsp; α&nbsp; to an attenuation&nbsp; $(\alpha < 1)&nbsp; or amplification&nbsp;(\alpha > 1)$.&nbsp; From this follows:
 
   
 
   
x1(t)x2(t)=αx1(tT).
+
:x1(t)x2(t)=αx1(tT).
  
In Worten: Die Faltung einer beliebigen Funktion mit einer Diracfunktion bei  t=T ergibt die um T nach rechts verschobene Funktion, wobei noch die Gewichtung der Diracfunktion durch den Faktor α zu berücksichtigen ist.
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{In Words: }$&nbsp;
 +
*The convolution of any function with a Dirac delta function at&nbsp; t=T&nbsp; results in the function shifted to the right by&nbsp; T,&nbsp;
 +
 +
*while the weighting of the Dirac delta function by the factor&nbsp; α&nbsp; has to be taken into account.}}
  
{{Beispiel}}
 
Ein Rechtecksignal x(t) wird durch ein LZI-System beispielsweise um eine Laufzeit τ = 3 ms verzögert und um den Faktor α = 0.5 gedämpft.
 
  
[[File:P_ID522__Sig_T_3_4_S3_neu.png|350px|Faltung mit Diracfunktion]]
+
{{GraueBox|TEXT=
 +
Example 3:&nbsp; A rectangle pulse&nbsp; x(t)&nbsp; is delayed by an LTI system by the delay time&nbsp; τ=3 ms&nbsp; and attenuated by the factor&nbsp; α=0.5.
 +
[[File:P_ID522__Sig_T_3_4_S3_neu.png|right|frame|Convolution of a rectangle pulse with a Dirac  delta  function]]
  
Dies erkennt man sowohl am Ausgangssignal y(t) als auch an der Impulsantwort h(t).
 
  
{{end}}
 
  
 +
Shift and attenuation can be recognised both
 +
*by the output signal&nbsp; y(t),&nbsp;
 +
 +
*by the impulse response&nbsp; h(t).
 +
}}
  
==Grafische Faltung==
 
  
Für die Beschreibungen auf dieser Seite wird von folgender Faltungsoperation ausgegangen:
+
==Graphical convolution==
+
<br>
$$y(t) = x_1 (t) * x_2 (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
+
[[File:P_ID2723__Sig_T_3_4_programm.png|right|frame|Screenshot of an older&nbsp; (German$)$ version &nbsp;LNTwww applet&nbsp; &raquo;Convolution&laquo;:<br>&nbsp; &nbsp; $x_1(t)&nbsp; is denoted as&nbsp;x(t)&nbsp; and&nbsp;x_2(t)&nbsp; as&nbsp;h(t)$]]
 +
For the descriptions in this section the following convolution operation is assumed:
  
Die Lösung des Faltungsintegrals soll auf grafischem Wege erfolgen. Hierbei wird vorausgesetzt, dass $x_1(t)$ und $x_2(t)$ zeitkontinuierliche Signale sind. Dann sind folgende Schritte erforderlich:
+
:$$y(t) = x_1 (t) * x_2 (t) $$
#Die Zeitvariablen der beiden Funktionen ändern: $x_1(t) \to x_1(\tau),x_2(t) \to x_2(\tau)$.
+
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}y(t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
#Zweite Funktion spiegeln: $x_2(\tau) \to x_2(-\tau)$.
 
#Gespiegelte Funktion um t verschieben: $x_2(-\tau) \to x_2(t-\tau)$.
 
#Multiplikation der beiden Funktionen $x_1(\tau)undx_2(t-\tau)$.
 
#Integration über das Produkt bezüglich $\tau$ in den Grenzen von bis $+\infty$.
 
  
 +
The solution of the convolution integral shall be done graphically.&nbsp; It is assumed that&nbsp; x1(t)&nbsp; and&nbsp; x2(t)&nbsp; are continuous time signals.
  
 +
Then the following steps are required:
 +
#&nbsp; &raquo;'''Change time variables'''&laquo;  of the functions:&nbsp;  x1(t)x1(τ), &nbsp; x2(t)x2(τ).
 +
#&nbsp; &raquo;'''Mirroring the second function'''&laquo;: &nbsp; x2(τ)x2(τ).
 +
#&nbsp; &raquo;'''Shifting the mirrorred function'''&laquo; by&nbsp; t:&nbsp;  x2(τ)x2(tτ).
 +
#&nbsp; &raquo;'''Multiplication'''&laquo;&nbsp; of both functions&nbsp; x1(τ)&nbsp; and&nbsp; x2(tτ).
 +
#&nbsp; &raquo;'''Integration'''&laquo;&nbsp; over the product resp.&nbsp; τ&nbsp; between the limits&nbsp; &nbsp; to&nbsp; +.
  
[[File:P_ID2723__Sig_T_3_4_programm.png|250px|right|Bildschirmabzug des Programms „Grafische Faltung”]]
 
Da die Faltung kommutativ ist, kann anstelle von x2(τ) auch x1(τ) gespiegelt werden.
 
Auf der nächsten Seite wird die Vorgehensweise anhand eines ausführlichen Beispiels erklärt. Die Thematik dieses Abschnitts wird auch durch das folgende Interaktionsmodul veranschaulicht:
 
Zur Verdeutlichung der grafischen Faltung (die folgende Grafik zeigt einen Bildschirmabzug)
 
  
  
 +
<u>Note:</u>
 +
*Since convolution is commutative,&nbsp; x1(τ)&nbsp; can also be mirrored instead of&nbsp; x2(τ).
  
 +
*The topic is also illustrated by the HTML5 applet&nbsp; [[Applets:Graphical_Convolution|&raquo;Graphical Convolution&laquo;]].
 +
<br clear=all>
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:P_ID582__Sig_T_3_4_S4_neu.png|right|frame|Jump function convoluted with the exponential function]]
 +
Example 4:&nbsp;
  
{{Beispiel}}
+
The procedure for the graphical convolution is now explained with a detailed example:  
[[File:P_ID582__Sig_T_3_4_S4_neu.png|250px|right|Beispiel einer Faltungsoperation]]
+
#At the input of a filter there is a jump function&nbsp; $x(t) = \gamma(t)$.  
Am Eingang eines RC-Tiefpassfilters liege eine Sprungfunktion $x(t) = y(t)$ an. Die Filter–Impulsantwort sei
+
#The impulse response of the first order low-pass filter is&nbsp; h(t)=1/Tet/T.
+
#The time axis is already renamed to&nbsp; $\tau$.
$h(t)=1/Tet/T.$
 
  
Zur Erklärung der Grafik:
 
Zeitachse ist in τ umbenannt.
 
  
x(τ):  Eingangssignal (rot),
+
The graphic shows
h(τ):  Impulsantwort (blau),
+
#the&nbsp; (red colored)&nbsp;  input signal&nbsp; x(τ),
y(τ):  Ausgangssignal (grau).
+
#the&nbsp; $(bluecolored)$&nbsp; impulse response&nbsp; h(τ),&nbsp;
 +
#the&nbsp; $(greycolored)$&nbsp; output signal&nbsp; y(τ).  
  
  
Das Ausgangssignal errechnet sich zum Beispiel nach folgender Gleichung:
+
The output signal can be calculated for example using the following equation:
 
   
 
   
y(t)=h(t)x(t)=+h(τ)x(tτ)dτ.
+
:y(t)=h(t)x(t)=+h(τ)x(tτ)dτ.
  
Noch einige Anmerkungen zur grafischen Faltung:
+
Some more remarks:
*Der Ausgangswert bei $t$ = 0 ergibt sich, indem man das Eingangssignal spiegelt, dieses gespiegelte Signal x(τ) mit der Impulsantwort $h(\tau)$ multipliziert und darüber integriert.
+
*The output value at&nbsp; t=0&nbsp; is obtained by mirroring the input signal&nbsp; x(τ).&nbsp; This mirrored signal&nbsp; x(τ)&nbsp; is multiplied by the impulse response&nbsp; $h(\tau)$&nbsp; and integrated over it.
*Da es hier kein Zeitintervall gibt, bei dem sowohl die blaue Kurve h(τ) und gleichzeitig auch die rot gestrichelte Spiegelung $x(-\tau)ungleich0ist,folgtdarausy(t=0)=0$.
 
*Für jeden anderen Zeitpunkt t muss das Eingangssignal verschoben werden  ⇒  $x(t-\tau)$, beispielsweise entsprechend der grün gestrichelten Kurve für $t=T$.
 
*Da auch $x(t-\tau)$ nur die Werte 0 oder 1 annehmen kann, wird die Integration (allgemein von τ1 bis τ2) sehr einfach und man erhält hier mit τ1 = 0 und τ1 = t:
 
$$y( t) = \int_0^{\hspace{0.05cm} t} {h( \tau)}\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = \frac{1}{T}\cdot\int_0^{\hspace{0.05cm} t} {{\rm{e}}^{ - \tau /T } }\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = 1 - {{\rm{e}}^{ - t /T } }.$$
 
  
Obige Skizze gilt für $t=T$ und führt zum Ausgangswert $y(t=T) = 1 – 1/\text{e} \approx 0.632$.
+
*As there is no time interval,&nbsp; where both the blue curve&nbsp; $h(\tau)&nbsp; and at the same time also the red dashed mirrored curve&nbsp;x(-\tau)$&nbsp; is not equal to zero,&nbsp; the result is&nbsp; $y(t=0)=0$.
  
{{end}}
+
*For any other time&nbsp; t&nbsp; the input signal must be shifted &nbsp; ⇒ &nbsp; x(tτ),&nbsp; for example according to the green dotted curve for&nbsp; t=T.
  
 +
*As in this example&nbsp; x(tτ)&nbsp; is only&nbsp; 0&nbsp; or&nbsp; 1&nbsp; the integration&nbsp; (general from&nbsp; τ1&nbsp; to&nbsp; τ2)&nbsp; is very simple and you get here with&nbsp; τ1=0&nbsp;  and&nbsp; τ2=t&nbsp;:
 +
:y(t)=t0h(τ)dτ=1Tt0eτ/Tdτ=1et/T.
 +
*This sketch is valid for &nbsp; t=T&nbsp; and results in the output value&nbsp; y(t=T)=11/e0.632.}}
  
==Anschauliche Deutung der Faltung==
 
  
Wir betrachten ein Tiefpassfilter mit der Impulsantwort h(t), die zunächst eine Millisekunde lang konstant ist und dann bis zur Zeit $t$ = 3 ms linear abfällt. Legt man an den Eingang dieses Filters einen Diracimpuls K0δ(t) an, so ist das Ausgangssignal y(t) formgleich mit der Impulsantwort h(t). Der Sachverhalt ist im Bild rot dargestellt.
+
==Descriptive interpretation of convolution==
Ein um T = 1 ms späterer Diracimpuls mit Gewicht K1>K0 hat das blau eingezeichnete Ausgangssignal y1(t) zur Folge, das gegenüber dem roten Signal verzögert und in der Amplitude vergrößert ist.
+
<br>
 +
We assume an impulse response&nbsp; h(t)&nbsp; which is first constant for one millisecond and then decreases linearly to zero until &nbsp; $t = 3 \,\text{ms}$.
 +
[[File:P_ID524__Sig_T_3_4_S5_rah.png|right|frame|An interpretation of&nbsp; "Convolution"]]
 +
*If&nbsp; K0δ(t)&nbsp; is applied to the input of this low-pass filter,&nbsp; the output signal&nbsp; y(t)&nbsp; has the same shape as the impulse response&nbsp; h(t).&nbsp; The situation is shown in red in the figure.
  
[[File:P_ID524__Sig_T_3_4_S5_rah.png|250px|right|Anschauliche Deutung der Faltung]]
+
*The&nbsp; (blue)&nbsp; T=1ms&nbsp; shifted  Dirac delta with weight&nbsp; K1>K0&nbsp; results in the output signal&nbsp; y1(t)&nbsp; which is delayed with respect to the red signal and increased in amplitude.
  
Wir betrachten nun das aus sieben verschieden gewichteten und verschobenen Diracimpulsen bestehende Eingangssignal
+
 
 +
Now we consider the input signal consisting of seven differently weighted Dirac deltas:
 
   
 
   
x(t)=6n=0Knδ(tnT),
+
:x(t)=6n=0Knδ(tnT),
  
das als zeitdiskrete Näherung eines zeitkontinuierlichen Signals aufgefasst werden kann. Das Signal am Ausgang des linearen Systems ist die Summe der sieben im Bild verschiedenfarbig markierten Teilsignale:
+
which can be understood as a time&ndash;discrete approximation of a time&ndash;continuous signal.  
 +
 
 +
*The output signal of the linear system is the sum of the seven partial signals marked with different colors in the figure:
 
   
 
   
y(t)=6n=0Knh(tnT).
+
:y(t)=6n=0Knh(tnT).
  
Betrachten wir nun beispielhaft den Signalwert zum Zeitpunkt t=4.5T (siehe Strichpunktierung):
+
*We now look at the signal value at time&nbsp; $t = 4.5T$&nbsp; $(seedottedline)$:
 
   
 
   
y(t=4.5T)=K2h(2.5T)+K3h(1.5T)+K4h(0.5T).
+
:y(t=4.5T)=K2h(2.5T)+K3h(1.5T)+K4h(0.5T).
  
Der Signalwert y(4.5T wird somit nur durch die Eingangssignalwerte K2, K3 und K4 bestimmt, und zwar ist der Einfluss
+
*$y( {t = 4.5T} )$&nbsp; is thus only determined by the input signal values&nbsp; K2,&nbsp; K3&nbsp; and&nbsp; K4.&nbsp; <u>Note:</u>
*von K4 wegen h(0.5T)=1 am stärksten,
 
*von K3 wegen h(1.5T)=0.75 weniger stark,
 
*von K2 wegen h(2.5T)=0.25 am geringsten.
 
  
 +
#The influence of&nbsp; K4&nbsp; is  the greatest due to&nbsp; h(0.5T)=1.&nbsp;
 +
#The influence of&nbsp; K3&nbsp; is  less  strong due to&nbsp; h(1.5T)=0.75.&nbsp;
 +
#The influence of&nbsp; K2&nbsp; is the lowest due to&nbsp; h(2.5T)=0.25.&nbsp;
  
  
==Beweis des Faltungssatzes==
 
  
{{Definition}}
+
==Proof of the Convolution Theorem==
Man bezeichnet die folgende Verknüpfung der Zeitfunktionen x1(t) und x2(t) als '''Faltung''' und stellt diesen Funktionalzusammenhang mit einem Stern dar:
+
<br>
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition: }$&nbsp;
 +
The following relation of time functions&nbsp; x1(t)&nbsp; and&nbsp; x2(t)&nbsp; is called the&nbsp; &raquo;'''convolution'''&laquo;&nbsp; and represents this functional relation with a star:
 
   
 
   
x1(t)x2(t)=+x1(τ)x2(tτ)dτ.
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:x1(t)x2(t)=+x1(τ)x2(tτ)dτ.
  
Daraus ergibt sich die folgende Fourierkorrespondenz:
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*This results in the following&nbsp; &raquo;'''Fourier correspondence'''&laquo;:
 
   
 
   
$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,{ {x}}_{\rm{1}} ( t ) * { {x}}_{\rm{2}} (t ).$$
+
:$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}{ {x} }_{\rm{1} } ( t ) * { {x} }_{\rm{2} } (t ).$$}}
  
{{end}}
 
  
 
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{{BlaueBox|TEXT= 
Die Fourierintegrale der Funktionen x1(t) und x2(t) lauten mit veränderten Integrationsvariablen:
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Proof: &nbsp;
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The Fourier integrals of functions&nbsp; x1(t)&nbsp; and&nbsp; x2(t)&nbsp; are with modified integration variables:
 
   
 
   
X1(f)=+x1(τ)ej2πfτdτ,
+
:X1(f)=+x1(τ)ej2πfτdτ,
  
X2(f)=+x2(t)ej2πftdt.
+
:$$X_2 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_2 ( {t\hspace{0.05cm}'} ) }  \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }ft\hspace{0.05cm}'}\hspace{0.1cm} {\rm{d} }t\hspace{0.05cm}'{\rm{.} }$$
 
   
 
   
Bildet man das Produkt der Spektralfunktionen, so erhält man:
+
*If you form the product of the spectral functions, you get
 
   
 
   
X1(f)X2(f)=++x1(τ)x2(t)ej2πf(τ+t)dτdt.
+
:$$X_1 (f) \cdot X_2 (f) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )  \hspace{0.05 cm}\cdot } }\hspace{0.05 cm} x_2 ( {t\hspace{0.05cm}'} ) \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }f\left( {\tau  + t\hspace{0.05cm}'} \right) }\hspace{0.1cm} {\rm d} \tau \hspace{0.1cm}{\rm d}t\hspace{0.05cm}'{\rm{.} }$$
  
Mit der Substitution t=τ+t ergibt sich:
+
*With the substitution&nbsp; $t = \tau + t\hspace{0.05cm}'$&nbsp; results:
 
   
 
   
X1(f)X2(f)=+[+x1(τ)x2(tτ)dτ]ej2πftdt.
+
:X1(f)X2(f)=+[+x1(τ)x2(tτ)dτ]ej2πftdt.
  
In dieser Gleichung ist bereits berücksichtigt, dass die Exponentialfunktion unabhängig von der inneren Integrationsvariablen τ ist und deshalb nur als Faktor des inneren Integrals fungiert.
+
:This equation already takes into account that the exponential function is independent of the inner integration variable &nbsp;  &rArr; &nbsp; $τ$&nbsp; acts only as factor of the inner integral.
Bezeichnen wir nun das Produkt der beiden Spektren mit P(f) und die dazugehörige Zeitfunktion mit p(t), so lautet das entsprechende Fourierintegral:
+
 
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*If we now denote the product of the two spectra with&nbsp; P(f)&nbsp; and the corresponding time function with&nbsp; p(t), the corresponding Fourier integral is
 
   
 
   
P(f)=+p(t)ej2πftdt.
+
:$$P(f) = X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) =\int_{ - \infty }^{ + \infty } {p( t )}  \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }ft} \hspace{0.1cm}{\rm{d} }t{\rm{.} }$$
  
Ein Koeffizientenvergleich der beiden Integrale zeigt, dass folgender Zusammenhang gilt:
+
*A coefficient comparison of the last two integrals shows that the following relationship apply:
 
   
 
   
p(t)=+x1(τ)x2(tτ)dτ.
+
:p(t)=+x1(τ)x2(tτ)dτ.
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<div align="right">q.e.d.</div>}}
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==Exercises for the chapter==
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[[Aufgaben:Exercise_3.7:_Synchronous_Demodulator|Exercise 3.7: Synchronous Demodulator]]
  
<div align="right">q.e.d.</div>
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[[Aufgaben:Exercise_3.7Z:_Rectangular_Signal_with_Echo|Exercise 3.7Z: Rectangular Signal with Echo]]
  
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[[Aufgaben:Exercise_3.8:_Triple_Convolution|Exercise 3.8: Triple Convolution?]]
  
==Aufgaben zu Kapitel 3.4==
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[[Aufgaben:Exercise_3.8Z:Convolution_of_Two_Rectangles|Exercise 3.8Z: Convolution of Two Rectangles]]
  
[[Aufgaben:3.7 Synchrondemodulator]]
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[[Aufgaben:Exercise_3.9:_Convolution_of_Rectangle_and_Gaussian_Pulse|Exercise 3.9: Convolution of Rectangle and Gaussian Pulse]]
[[Aufgaben:3.8 Dreimal Faltung]]
 
[[Aufgaben:3.9 Faltung von Rechteck und Gauß]]
 
  
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[[Aufgaben:Exercise_3.9Z:_Convolution_of_Gaussian_Pulses|Exercise 3.9Z: Convolution of Gaussian Pulses]]
  
  
  
 
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Latest revision as of 17:50, 15 June 2023

Convolution in the time domain


The  »Convolution Theorem«  is one of the most important laws of the Fourier transform,  to which an own subchapter is dedicated in this tutorial.  We will first consider the convolution theorem in the time domain and assume that the spectra of two time functions  x1(t)  and  x2(t)  are known:

X1(f)x1(t),X2(f)x2(t).

Then for the time function of the product  X1(f)X2(f)  applies:

X1(f)X2(f)+x1(τ)x2(tτ)dτ.

τ  is a formal integration variable with the dimension of a time.

Definition: 

The above connection of the time function  x1(t)  and  x2(t)  is called  »convolution«.  One represents this functional connection with a star:

x1(t)x2(t)=+x1(τ)x2(tτ)dτ=x2(t)x1(t).
  • Thus the above Fourier correspondence can be written as follows:
X1(f)X2(f)x1(t)x2(t).
  • The convolution is  »commutative«   ⇒  The order of the operands can be changed:
x1(t)x2(t)=x2(t)x1(t).
  • The  »Proof«  will be shown at the end of this chapter.


On calculation of signal and spectrum of the LTI output

Example 1:  Every linear time-invariant  (LTI)  system can be described both,

  1. by the frequency response  H(f),
  2. by the impulse response  h(t).


The relation between these two system quantities is also given by the Fourier transform.

  • If the signal  x(t)  with spectrum  X(f)  is applied to the input,  then the spectrum of the output signal is:
Y(f)=X(f)H(f).
  • It is possible to calculate the output signal in the time domain with the convolution theorem:
y(t)=x(t)h(t)=+x(τ)h(tτ)dτ=+h(τ)x(tτ)dτ=h(t)x(t).
  • This equation shows again the  »commutativity«  of the  »convolution operation«.


Convolution in the frequency domain


The duality between time and frequency domain also allows statements regarding the spectrum of the product signal:

x1(t)x2(t)X1(f)X2(f)=+X1(ν)X2(fν)dν.

This result can be proved similarly to the  »convolution in the time domain«.  However,  the integration variable  ν  now has the dimension of a frequency.

Convolution in the frequency domain  (e.g.  DSB–AM)

Example 2:  The   »Double-Sideband Amplitude Modulation»  (DSB-AM)  with carrier suppression is described by the drawn model.

  • The time domain representation  (blue)  shows the modulated signal  s(t)  as the product of the source signal  q(t)  and the  (normalized)  carrier signal  z(t).


  • According to the convolution theorem it follows for the frequency domain  (red)  that the output spectrum  S(f)  is equal to the convolution product of  Q(f)  q(t)  and  Z(f)  z(t).


Convolution of a function with a Dirac delta function


The convolution operation becomes very simple,  if one of the operands is a  »Dirac delta function«.  This applies both to the convolution in time and frequency domain.

  • We will consider the convolution of a function  x1(t)  with the function
x2(t)=αδ(tT)X2(f)=αej2πfT.
  • For the spectral function of the signal  y(t)=x1(t)x2(t)  it follows:
Y(f)=X1(f)X2(f)=X1(f)αej2πfT.
  • The complex exponential function leads to a shift by  T   ⇒   »Shifting Theorem«,  the factor  α  to an attenuation  (α<1)  or amplification  (α>1).  From this follows:
x1(t)x2(t)=αx1(tT).

In Words:  

  • The convolution of any function with a Dirac delta function at  t=T  results in the function shifted to the right by  T
  • while the weighting of the Dirac delta function by the factor  α  has to be taken into account.


Example 3:  A rectangle pulse  x(t)  is delayed by an LTI system by the delay time  τ=3 ms  and attenuated by the factor  α=0.5.

Convolution of a rectangle pulse with a Dirac delta function


Shift and attenuation can be recognised both

  • by the output signal  y(t)
  • by the impulse response  h(t).


Graphical convolution


Screenshot of an older  (German) version  LNTwww applet  »Convolution«:
    x1(t)  is denoted as  x(t)  and  x2(t)  as  h(t)

For the descriptions in this section the following convolution operation is assumed:

y(t)=x1(t)x2(t)
y(t)=+x1(τ)x2(tτ)dτ.

The solution of the convolution integral shall be done graphically.  It is assumed that  x1(t)  and  x2(t)  are continuous time signals.

Then the following steps are required:

  1.   »Change time variables« of the functions:  x1(t)x1(τ),   x2(t)x2(τ).
  2.   »Mirroring the second function«:   x2(τ)x2(τ).
  3.   »Shifting the mirrorred function« by  tx2(τ)x2(tτ).
  4.   »Multiplication«  of both functions  x1(τ)  and  x2(tτ).
  5.   »Integration«  over the product resp.  τ  between the limits    to  +.


Note:

  • Since convolution is commutative,  x1(τ)  can also be mirrored instead of  x2(τ).


Jump function convoluted with the exponential function

Example 4: 

The procedure for the graphical convolution is now explained with a detailed example:

  1. At the input of a filter there is a jump function  x(t)=γ(t).
  2. The impulse response of the first order low-pass filter is  h(t)=1/Tet/T.
  3. The time axis is already renamed to  τ.


The graphic shows

  1. the  (red colored)  input signal  x(τ),
  2. the  (blue colored)  impulse response  h(τ)
  3. the  (grey colored)  output signal  y(τ).


The output signal can be calculated for example using the following equation:

y(t)=h(t)x(t)=+h(τ)x(tτ)dτ.

Some more remarks:

  • The output value at  t=0  is obtained by mirroring the input signal  x(τ).  This mirrored signal  x(τ)  is multiplied by the impulse response  h(τ)  and integrated over it.
  • As there is no time interval,  where both the blue curve  h(τ)  and at the same time also the red dashed mirrored curve  x(τ)  is not equal to zero,  the result is  y(t=0)=0.
  • For any other time  t  the input signal must be shifted   ⇒   x(tτ),  for example according to the green dotted curve for  t=T.
  • As in this example  x(tτ)  is only  0  or  1  the integration  (general from  τ1  to  τ2)  is very simple and you get here with  τ1=0  and  τ2=t :
y(t)=t0h(τ)dτ=1Tt0eτ/Tdτ=1et/T.
  • This sketch is valid for   t=T  and results in the output value  y(t=T)=11/e0.632.


Descriptive interpretation of convolution


We assume an impulse response  h(t)  which is first constant for one millisecond and then decreases linearly to zero until   t=3ms.

An interpretation of  "Convolution"
  • If  K0δ(t)  is applied to the input of this low-pass filter,  the output signal  y(t)  has the same shape as the impulse response  h(t).  The situation is shown in red in the figure.
  • The  (blue)  T=1ms  shifted Dirac delta with weight  K1>K0  results in the output signal  y1(t)  which is delayed with respect to the red signal and increased in amplitude.


Now we consider the input signal consisting of seven differently weighted Dirac deltas:

x(t)=6n=0Knδ(tnT),

which can be understood as a time–discrete approximation of a time–continuous signal.

  • The output signal of the linear system is the sum of the seven partial signals marked with different colors in the figure:
y(t)=6n=0Knh(tnT).
  • We now look at the signal value at time  t=4.5T  (see dotted line):
y(t=4.5T)=K2h(2.5T)+K3h(1.5T)+K4h(0.5T).
  • y(t=4.5T)  is thus only determined by the input signal values  K2K3  and  K4Note:
  1. The influence of  K4  is the greatest due to  h(0.5T)=1
  2. The influence of  K3  is less strong due to  h(1.5T)=0.75
  3. The influence of  K2  is the lowest due to  h(2.5T)=0.25


Proof of the Convolution Theorem


Definition:   The following relation of time functions  x1(t)  and  x2(t)  is called the  »convolution«  and represents this functional relation with a star:

x1(t)x2(t)=+x1(τ)x2(tτ)dτ.
  • This results in the following  »Fourier correspondence«:
X1(f)X2(f)x1(t)x2(t).


Proof:   The Fourier integrals of functions  x1(t)  and  x2(t)  are with modified integration variables:

X1(f)=+x1(τ)ej2πfτdτ,
X2(f)=+x2(t)ej2πftdt.
  • If you form the product of the spectral functions, you get
X1(f)X2(f)=++x1(τ)x2(t)ej2πf(τ+t)dτdt.
  • With the substitution  t=τ+t  results:
X1(f)X2(f)=+[+x1(τ)x2(tτ)dτ]ej2πftdt.
This equation already takes into account that the exponential function is independent of the inner integration variable   ⇒   τ  acts only as factor of the inner integral.
  • If we now denote the product of the two spectra with  P(f)  and the corresponding time function with  p(t), the corresponding Fourier integral is
P(f) = X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) =\int_{ - \infty }^{ + \infty } {p( t )} \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }ft} \hspace{0.1cm}{\rm{d} }t{\rm{.} }
  • A coefficient comparison of the last two integrals shows that the following relationship apply:
p( t ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau )} \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm{d } }\tau{\rm{.} }
q.e.d.


Exercises for the chapter


Exercise 3.7: Synchronous Demodulator

Exercise 3.7Z: Rectangular Signal with Echo

Exercise 3.8: Triple Convolution?

Exercise 3.8Z: Convolution of Two Rectangles

Exercise 3.9: Convolution of Rectangle and Gaussian Pulse

Exercise 3.9Z: Convolution of Gaussian Pulses