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Difference between revisions of "Signal Representation/Fourier Series"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Periodische Signale
+
|Untermenü=Periodic Signals
|Vorherige Seite=Harmonische Schwingung
+
|Vorherige Seite=Harmonic Oscillation
|Nächste Seite=Fouriertransformation und -rücktransformation
+
|Nächste Seite=The Fourier Transform and its Inverse
 
}}
 
}}
  
  
==Allgemeine Beschreibung==
+
==General description==
 
<br>
 
<br>
Jede periodische Funktion&nbsp; x(t)&nbsp; kann in allen Bereichen, in denen sie stetig ist oder nur endlich viele Sprungstellen aufweist, in eine trigonometrische Reihe entwickelt werden, die man als Fourierreihe bezeichnet.
+
Every periodic function&nbsp; x(t)&nbsp; can be developed into a trigonometric series&nbsp; called&nbsp; &raquo;Fourier series&laquo;&nbsp; in all areas,&nbsp; where it is continuous or has only finite discontinuities.
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
Definition:&nbsp;
 
Definition:&nbsp;
Die&nbsp; '''Fourierreihe'''&nbsp; eines periodischen Signals&nbsp; x(t)&nbsp; lautet wie folgt:
+
The&nbsp; &raquo;'''Fourier series'''&laquo;&nbsp; of a periodic signal&nbsp; x(t)&nbsp; is defined as follows:
 
   
 
   
 
:x(t)=A0+n=1Ancos(nω0t)+n=1Bnsin(nω0t).
 
:x(t)=A0+n=1Ancos(nω0t)+n=1Bnsin(nω0t).
  
Hierbei bezeichnen:
+
Here the symbols denote the following definitions:
*A0&nbsp; den&nbsp; '''Gleichanteil'''&nbsp; von&nbsp; x(t),
+
*A0&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''constant component'''&laquo;&nbsp;&nbsp; of&nbsp; $x(t)$,
*An&nbsp; die&nbsp; '''Cosinuskoeffizienten'''&nbsp; mit&nbsp; n1,
 
*Bn&nbsp; die&nbsp; '''Sinuskoeffizienten'''&nbsp;  mit&nbsp; n1,
 
*ω0=2π/T0&nbsp; die&nbsp; '''Grundkreisfrequenz'''&nbsp; des periodischen Signals&nbsp; $(T_0istdiePeriodendauer)$.}}
 
  
 +
*An&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''cosine coefficients'''&laquo;&nbsp;&nbsp; with&nbsp; n1,
  
Soll die Fourierreihe mit dem tatsächlichen periodischen Signal&nbsp; x(t)&nbsp; exakt übereinstimmen, so müssen im Allgemeinen unendlich viele Cosinus– und Sinuskoeffizienten zur Berechnung herangezogen werden.
+
*Bn&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''sine coefficients'''&laquo;&nbsp; with&nbsp; n1,
  
*Bricht man die Fourierreihe ab und verwendet jeweils nur&nbsp; N&nbsp; dieser Koeffizienten&nbsp; An&nbsp; und&nbsp; Bn, so ergibt sich bis auf einige Sonderfälle ein etwas anderer Funktionsverlauf:
+
*ω0=2π/T0&nbsp;the&nbsp; &raquo;'''basic circular frequency'''&laquo;&nbsp; of the periodic signal&nbsp; (T0 is the period duration).}}
 +
 
 +
 
 +
If the Fourier series should exactly match the actual periodic signal&nbsp; x(t),&nbsp; an infinite number of cosine and sine coefficients must generally be used for calculation.
 +
 
 +
*If the Fourier series is interrupted and only&nbsp; N&nbsp; of&nbsp; An&nbsp; and&nbsp; Bn coefficients are used,&nbsp; then a slightly different plot of the function results except for some special cases:
 
   
 
   
 
:xN(t)=A0+Nn=1Ancos(nω0t)+Nn=1Bnsin(nω0t).
 
:xN(t)=A0+Nn=1Ancos(nω0t)+Nn=1Bnsin(nω0t).
  
*Zwischen dem periodischen Signal&nbsp; x(t)&nbsp; und der Fourierreihenapproximation&nbsp; xN(t)&nbsp; gilt der Zusammenhang:
+
*The relation between the periodic signal&nbsp; x(t)&nbsp; and the Fourier series approximation&nbsp; xN(t)&nbsp; holds:
 
   
 
   
 
:x(t)=limNxN(t).
 
:x(t)=limNxN(t).
  
*Ist&nbsp; Nf0&nbsp; die höchste im Signal&nbsp; x(t)&nbsp; vorkommende Frequenz, so gilt natürlich&nbsp; xN(t)=x(t).
+
*If &nbsp; Nf0&nbsp; is the highest frequency occurring in the signal&nbsp; x(t)&nbsp; then of course&nbsp; xN(t)=x(t).
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp;
+
$\text{Example 1:}$&nbsp;
Wir betrachten zwei periodische Rechtecksignale, jeweils mit der Periodendauer&nbsp; T0&nbsp; und der Grundkreisfrequenz&nbsp; ω0=2π/T0.  
+
We consider two periodic  rectangular signals&nbsp; ("square waves"),&nbsp; each with period duration&nbsp; T0&nbsp; and basic circular frequency&nbsp; ω0=2π/T0.  
[[File:P_ID525__Sig_T_2_4_S1_neu.png|right|frame|Gerades und ungerades Rechtecksignal]]
+
[[File:P_ID525__Sig_T_2_4_S1_neu.png|right|frame|Even and odd rectangular signal]]
*Für das oben skizzierte gerade Zeitsignal gilt: &nbsp; xg(t)=xg(t).
+
*For the even&nbsp; (German:&nbsp; "gerade" &nbsp; &rArr; &nbsp; g)&nbsp; time signal sketched above: &nbsp;  
*Dagegen ist die unten dargestellte Funktion ungerade: &nbsp;xu(t)=xu(t).
+
:$$x_{\rm g}(-t) = x_{\rm g}(t).$$  
 +
*The function shown below is odd&nbsp; (German:&nbsp; "ungerade" &nbsp; &rArr; &nbsp; u): &nbsp;
 +
:$$x_{\rm u}(-t) = -x_{\rm u}(t).$$
  
 
+
One finds the&nbsp; Fourier series representations&nbsp; of both signals in formularies:
In Formelsammlungen findet man die&nbsp; ''Fourierreihendarstellungen''&nbsp; beider Signale:
 
 
   
 
   
 
:xg(t)=4π[cos(ω0t)13cos(3ω0t)+15cos(5ω0t)...+...],
 
:xg(t)=4π[cos(ω0t)13cos(3ω0t)+15cos(5ω0t)...+...],
Line 51: Line 55:
 
:xu(t)=4π[sin(ω0t)+13sin(3ω0t)+15sin(5ω0t)+...+...].  
 
:xu(t)=4π[sin(ω0t)+13sin(3ω0t)+15sin(5ω0t)+...+...].  
  
*Wegen der allgemeingültigen Beziehung
+
*Because of the generally valid relationship
 
   
 
   
:113+1517+19...+...=π4
+
:$$1-\frac{1}{3}+\frac{1}{5}-\frac{1}{7}+\frac{1}{9}\, {-}\, \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm} \, {+} \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm}=\frac{\pi}{4},$$
 +
 
 +
:the amplitudes&nbsp; (maximum values)&nbsp; of the rectangular basic pulse result to&nbsp; 1.
  
ergeben sich die Amplituden (Maximalwerte) der beiden Rechtecksignale jeweils zu&nbsp; 1.
+
*This can also be verified using the signal curves in the  graphic:
*Dies lässt sich auch anhand der Signalverläufe in der obigen Grafik verifizieren:
 
  
 
:xg(t=0)=xu(t=T0/4)=1.}}
 
:xg(t=0)=xu(t=T0/4)=1.}}
  
  
==Berechnung der Fourierkoeffizienten==
+
==Calculation of the Fourier coefficients==
 
<br>
 
<br>
Der Fourierkoeffizient&nbsp; A0&nbsp; gibt den&nbsp; '''Gleichanteil'''&nbsp; an, der durch Mittelung über den Signalverlauf&nbsp; x(t)&nbsp; bestimmt werden kann. Aufgrund der Periodizität genügt die Mittelung über eine Periode:
+
The Fourier coefficient&nbsp; A0&nbsp; specifies the&nbsp; &raquo;direct current&nbsp; (DC)&nbsp; signal component&laquo;&nbsp; which can be determined by averaging over the signal course&nbsp; x(t).&nbsp; Due to the periodicity,&nbsp; averaging over one period is sufficient:
 
   
 
   
 
:A0=1T0+T0/2T0/2x(t)dt.
 
:A0=1T0+T0/2T0/2x(t)dt.
  
Der Integrationsbereich kann aber auch von&nbsp; t=0&nbsp; bis&nbsp; t=T0&nbsp; (oder über eine anders festgelegte gleich lange Periode) gewählt werden.
+
*The integration limits can also be selected from&nbsp; t=0&nbsp; to&nbsp; t=T0&nbsp; $(oroveradifferentlydefinedperiodofequallength)$.
 +
 
 +
*The determination of the Fourier coefficients&nbsp; An&nbsp; and&nbsp; Bn&nbsp; (n1)&nbsp; is based on the property that cosine and sine functions are so-called&nbsp;[https://en.wikipedia.org/wiki/Orthogonal_functions&nbsp; &raquo;orthogonal functions&laquo;].&nbsp;
  
Die Bestimmung der Fourierkoeffizienten&nbsp; An&nbsp; und&nbsp; Bn&nbsp; (n1)&nbsp; beruht auf der Eigenschaft, dass die harmonischen Cosinusfunktionen und Sinusfunktionen so genannte&nbsp; [https://de.wikipedia.org/wiki/Orthogonalit%C3%A4t Orthogonalfunktionen]&nbsp; sind. Für diese gilt:
+
*For them the following applies:
 
   
 
   
:$$\int^{+T_0/2}_{-T_0/2}\cos(n \omega_0 t)\cdot\cos(m \omega_0 t)\,{\rm d}t=\left \{{T_0/2\atop 0}{\rm\quad  falls \it \quad m=n,\atop \rm sonst}  \right.$$
+
:$$\int^{+T_0/2}_{-T_0/2}\cos(n \omega_0 t)\cdot\cos(m \omega_0 t)\,{\rm d}t=\left \{{T_0/2\atop 0}{\rm\quad  if  \it \hspace{0.2cm} m=n,\atop \rm otherwise}  \right.$$
  
:$$\int ^{+T_0/2}_{-T_0/2}\sin(n\omega_0 t)\cdot\sin(m \omega_0 t)\,{\rm d}t=\left \{{T_0/2\atop 0}{\rm\quad  falls \it \quad m=n,\atop \rm sonst}  \right.$$
+
:$$\int ^{+T_0/2}_{-T_0/2}\sin(n\omega_0 t)\cdot\sin(m \omega_0 t)\,{\rm d}t=\left \{{T_0/2\atop 0}{\rm\quad  if \it \hspace{0.2cm} m=n,\atop \rm otherwise}  \right.$$
  
:$$\int ^{+T_0/2}_{-T_0/2}\cos(n \omega_0 t)\cdot\sin(m \omega_0 t)\,{\rm d}t=0 \quad \rm f\ddot{u}r\quad alle \ \it m, \ n.$$
+
:$$\int ^{+T_0/2}_{-T_0/2}\cos(n \omega_0 t)\cdot\sin(m \omega_0 t)\,{\rm d}t=0 \hspace{1.2cm} \rm for\ all \hspace{0.2cm} \it m, \ n.$$
 
   
 
   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Fazit:}$&nbsp;Berücksichtigt man diese Gleichungen, so ergeben sich die Cosinuskoeffizienten&nbsp; An&nbsp; und die Sinuskoeffizienten&nbsp; Bn&nbsp; wie folgt:
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp; Considering these equations,&nbsp; the cosine coefficients&nbsp; An&nbsp; and the sine coefficients&nbsp; Bn&nbsp; result as follows
  
 
:An=2T0+T0/2T0/2x(t)cos(nω0t)dt,
 
:An=2T0+T0/2T0/2x(t)cos(nω0t)dt,
Line 85: Line 92:
 
   
 
   
  
Das Lernvideo&nbsp; [[Zur_Berechnung_der_Fourierkoeffizienten_(Lernvideo)|Zur Berechnung der Fourierkoeffizienten]]&nbsp; verdeutlicht diese Gleichungen.
+
The following&nbsp; (German-language)&nbsp; learning video illustrates these equations:<br> &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;[[Zur_Berechnung_der_Fourierkoeffizienten_(Lernvideo)|&raquo;Zur Berechnung der Fourierkoeffizienten&laquo;]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Calculating the Fourier coefficients".
 +
 
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 +
[[File:P_ID526__Sig_T_2_4_S2_neu.png|right|frame|On calculating the Fourier coefficients]]
  
[[File:P_ID526__Sig_T_2_4_S2_neu.png|right|frame|Zur Berechnung der Fourierkoeffizienten]]
 
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp;  
+
$\text{Example 2:}$&nbsp;  
Wir betrachten die gezeichnete periodische Zeitfunktion
+
We consider the drawn periodic time function
  
 
:x(t)=0.4+0.6cos(ω0t)0.3sin(3ω0t).  
 
:x(t)=0.4+0.6cos(ω0t)0.3sin(3ω0t).  
  
Da das Integral der Cosinus– und der Sinusfunktion über jeweils eine Periode identisch Null ist, erhält man für den Gleichsignalkoeffizienten&nbsp; A0=0.4.
+
*Since the integral of the cosine and sine functions over one period are identical to zero, the DC signal coefficient is&nbsp;  
 +
:$$A_0 = 0.4.$$
  
Die Bestimmungsgleichung für den Cosinuskoeffizienten&nbsp; A1&nbsp; lautet (Integrationsbereich von&nbsp; t=0&nbsp; bis t=T0):
+
*One determines the cosine coefficient&nbsp; A1&nbsp; with following equation&nbsp; (Integration limits from&nbsp; t=0&nbsp; to&nbsp; t=T0):
 
   
 
   
 
:A1=2T0T000.4cos(ω0t)dt+2T0T000.6cos2(ω0t)dt2T0T000.3sin(3ω0t)cos(ω0t)dt.
 
:A1=2T0T000.4cos(ω0t)dt+2T0T000.6cos2(ω0t)dt2T0T000.3sin(3ω0t)cos(ω0t)dt.
  
Das letzte Integral ist aufgrund der Orthogonalität gleich Null; das erste ist ebenfalls Null (Integral über eine Periode).  
+
#The last integral is equal to zero due to orthogonality;&nbsp; the first one is zero too&nbsp; $(integraloveroneperiod)$.  
*Nur der mittlere Term liefert hier einen Beitrag zu&nbsp; A1, nämlich&nbsp; $2 · 0.6 · 0.5 = 0.6. $
+
#Only the middle term contributes here to&nbsp; A1,&nbsp; namely&nbsp; $2 - 0.6 - 0.5 = 0.6. $
*Bei allen weiteren&nbsp; (n2)&nbsp; Cosinuskoeffizienten liefern alle drei Integrale den Wert Null, und es gilt somit stets&nbsp; An1=0.
 
  
 +
*For all further&nbsp; (n2)&nbsp; cosine coefficients all three integrals return the value zero,&nbsp; and thus&nbsp; An1=0.
  
Die Bestimmungsgleichungen für die Sinuskoeffizienten&nbsp; Bn&nbsp; lauten entsprechend:
+
*To determine the sine coefficients &nbsp; Bn&nbsp; using following equation:
 
   
 
   
 
:Bn=2T0T000.4sin(n ω0t)dt+2T0T000.6cos(ω0t)sin(nω0t)dt2T0T000.3sin(3ω0t)sin(nω0t)dt.
 
:Bn=2T0T000.4sin(n ω0t)dt+2T0T000.6cos(ω0t)sin(nω0t)dt2T0T000.3sin(3ω0t)sin(nω0t)dt.
  
*Für&nbsp; n3&nbsp; sind alle drei Integralwerte gleich Null und damit gilt auch&nbsp; Bn3=0.  
+
#For&nbsp; n3&nbsp; all three integral values are zero and therefore&nbsp; Bn3=0.  
*Dagegen liefert für&nbsp; n=3&nbsp; das letzte Integral einen Beitrag, und man erhält für den Sinuskoeffizienten&nbsp; B3=0.3.}}
+
#On the other hand,&nbsp; for&nbsp; n=3&nbsp; the last integral provides a contribution,&nbsp; and one gets for the sine coefficient&nbsp;
 +
::$$B_3 = -0.3.$$}}
  
  
==Ausnutzung von Symmetrieeigenschaften==
+
==Exploitation of symmetries==
 
<br>
 
<br>
Einige Erkenntnisse über die Fourierkoeffizienten&nbsp; An&nbsp; und&nbsp; Bn&nbsp; lassen sich bereits aus den&nbsp; ''Symmetrieeigenschaften''&nbsp; der Zeitfunktion&nbsp; x(t)&nbsp; ablesen.
+
Some insights into the Fourier coefficients&nbsp; An&nbsp; and&nbsp; Bn&nbsp; can already be read from the&nbsp; &raquo;symmetry properties&laquo;&nbsp; of the time function&nbsp; x(t).&nbsp;
  
*Ist das Zeitsignal&nbsp; x(t)&nbsp; eine gerade Funktion  &nbsp; ⇒ &nbsp; achsensymmetrisch um die Ordinate&nbsp; (t=0), so verschwinden alle Sinuskoeffizienten&nbsp; Bn, da die Sinusfunktion selbst eine ungerade Funktion ist  &nbsp; ⇒ &nbsp;   sin(α)=sin(α):
+
*If the time signal&nbsp; x(t)&nbsp; is an even function &nbsp; ⇒ &nbsp; axis-symmetrical around the ordinate&nbsp; (t=0),&nbsp; all sine coefficients&nbsp; Bn disappear,&nbsp; since the sine function itself is an odd function &nbsp; ⇒ &nbsp; sin(α)=sin(α):
  
 
:Bn=0(n=1, 2, 3,...).  
 
:Bn=0(n=1, 2, 3,...).  
  
*Eine ungerade Funktion&nbsp; x(t)&nbsp; ist punktsymmetrisch um den Koordinatenursprung&nbsp; (t=0; x=0). Deshalb verschwinden hier alle Cosinuskoeffizienten&nbsp; (An=0), da die Cosinusfunktion selbst gerade ist. In diesem Fall ist auch der Gleichanteil&nbsp; A0&nbsp; stets Null.
+
*An odd function&nbsp; x(t)&nbsp; is point-symmetric around the coordinate origin&nbsp; (t=0; x=0).&nbsp; Therefore,&nbsp; all cosine coefficients disappear here&nbsp; (An=0),&nbsp; since the cosine function itself is even.&nbsp; In this case,&nbsp; the DC coefficient is always&nbsp; $A_0=0$.
 
   
 
   
 
:An=0(n=0, 1, 2, 3,...).
 
:An=0(n=0, 1, 2, 3,...).
  
*Liegt eine Funktion ohne Gleichanteil vor&nbsp; (A0=0)&nbsp; und ist diese innerhalb einer Periode ungerade  &nbsp; ⇒ &nbsp; es gilt&nbsp; x(t)=x(tT0/2), so sind in der Fourierreihendarstellung nur ungerade Vielfache der Grundfrequenz vorhanden. Für die Koeffizienten mit geradzahligem Index gilt dagegen stets:
+
*If a function without a DC signal component is present&nbsp; (A0=0)&nbsp; and if this function is odd within a period &nbsp; ⇒ &nbsp; x(t)=x(tT0/2),&nbsp; then only odd multiples of the basic frequency are present in the Fourier series representation.&nbsp; For the coefficients with an even index,&nbsp; however,&nbsp; the following always applies:
 
   
 
   
 
:An=Bn=0(n=2, 4, 6,...).
 
:An=Bn=0(n=2, 4, 6,...).
  
*Sind alle Koeffizienten&nbsp; An&nbsp; und&nbsp; Bn&nbsp; mit geradzahligem Index&nbsp; (n=2, 4, 6,...)&nbsp; gleich Null und der Koeffizient&nbsp; A00, so bezieht sich die im letzten Punkt genannte Symmetrieeigenschaft auf den Gleichsignalanteil, und es gilt:
+
*If all coefficients&nbsp; An&nbsp; and&nbsp; Bn&nbsp; with even-numbered index&nbsp; (n=2, 4, 6,...)&nbsp; equals zero and the coefficient&nbsp; A00,&nbsp; then the symmetry property mentioned in the last point refers to the DC component and applies:
 
   
 
   
 
:x(t)=2A0x(tT0/2).
 
:x(t)=2A0x(tT0/2).
  
''Anmerkung'': &nbsp; Es können auch mehrere der enannten Symmetrieeigenschaften gleichzeitig erfüllt sein.
+
<u>Remark:</u> &nbsp; Several of the named symmetry properties can be fulfilled at the same time.
 +
 
 +
 
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:EN_Sig_T_2_4_S3.png|right|frame|Symmetry properties of the Fourier coefficients]]
 +
 
 +
Example 3:&nbsp;
 +
The mentioned properties are now illustrated by three signal waveforms:
 +
*x1(t)&nbsp; is an averaging function &nbsp; &rArr; &nbsp; A00&nbsp; and it is also even,&nbsp; which is accordingly exclusively determined by cosine coefficients&nbsp; An&nbsp; &rArr; &nbsp; Bn=0.
 +
 
 +
 
 +
*In contrast,&nbsp; with the odd function&nbsp; x2(t)&nbsp; all&nbsp; An (n0)&nbsp; are identical to zero.
 +
 
 +
 
 +
*Also the odd function&nbsp; x3(t)&nbsp; contains only sine coefficients,&nbsp; but because of&nbsp; x3(t)=x3(tT0/2)&nbsp; exclusively for odd&nbsp; n&ndash;values.
 +
 
 +
 
 +
 
  
Die Symmetrieeigenschaften der Fourierkoeffizienten werden im ersten Teil des Lernvideos&nbsp;
 
[[Eigenschaften_der_Fourierreihendarstellung_(Lernvideo)|Eigenschaften und Genauigkeit der Fourierreihe]]&nbsp; zusammenfassend dargestellt.
 
  
[[File:P_ID653__Sig_T_2_4_S3_neu.png|right|frame|Symmetrieeigenschaften der Fourierkoeffizienten]]
 
{{GraueBox|TEXT= 
 
Beispiel 3:&nbsp;
 
Die oben genannten Eigenschaften werden nun an drei Signalverläufen verdeutlicht.
 
*x1(t)&nbsp; ist eine mittelwertbehaftete Funktion &nbsp; &rArr; &nbsp; A00 und zudem gerade, die dementsprechend ausschließlich durch Cosinuskoeffizienten&nbsp; An&nbsp; bestimmt ist&nbsp; (Bn=0).
 
  
  
*Dagegen sind bei der ungeraden Funktion&nbsp; x2(t)&nbsp; alle&nbsp; An, (n0)&nbsp; identisch Null.
 
  
  
*Auch die ungerade Funktion&nbsp; $x_3(t)$&nbsp; beinhaltet nur Sinuskoeffizienten, aber wegen&nbsp; $x_3(t) = -x_3(t - T_0/2)&nbsp; ausschließlich für ungeradzahlige Werte von&nbsp;n$.}}
+
The first part of the following&nbsp; (German-language) learning video explained the symmetry properties of the Fourier coefficients:
  
 +
:[[Eigenschaften_der_Fourierreihendarstellung_(Lernvideo)|&raquo;Eigenschaften der Fourierreihe&laquo;]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Properties and accuracy of Fourier series".}}
  
==Komplexe Fourierreihe==
+
==Complex Fourier series==
 
<br>
 
<br>
Wie auf der Seite&nbsp; [[Signal_Representation/Harmonische_Schwingung#Darstellung_mit_Cosinus-_und_Sinusanteil|Darstellung mit Cosinus- und Sinusanteil]]&nbsp; für den Fall einer harmonischen Schwingung bereits gezeigt wurde, kann man jedes beliebige periodische Signal
+
As shown in the section&nbsp; [[Signal_Representation/Harmonic_Oscillation#Representation_with_cosine_and_sine_components|&raquo;Representation with cosine and sine components&laquo;]]&nbsp; in case of a harmonic oscillation any periodic signal
  
 
:x(t)=A0+n=1Ancos(nω0t)+n=1Bnsin(nω0t)
 
:x(t)=A0+n=1Ancos(nω0t)+n=1Bnsin(nω0t)
  
auch mit Hilfe der Betrags- und Phasenkoeffizienten darstellen:
+
can also be displayed using the magnitude and phase coefficients:
 
   
 
   
 
:x(t)=C0+n=1Cncos(nω0tφn).
 
:x(t)=C0+n=1Cncos(nω0tφn).
  
Diese modifizierten Fourierkoeffizienten weisen folgende Eigenschaften auf:
+
These modified Fourier coefficients have the following properties:
*Der&nbsp; '''Gleichsignalkoeffizient'''&nbsp; C0&nbsp; ist identisch mit&nbsp; A0.
+
*The&nbsp; &raquo;'''DC coefficient'''&laquo;&nbsp;&nbsp; C0&nbsp; is identical with&nbsp; A0.
*Die&nbsp; '''Betragskoeffizienten'''&nbsp; lauten mit&nbsp; n1: &nbsp; Cn=A2n+B2n.
+
 
*Für die&nbsp; '''Phasenkoeffizienten'''&nbsp; gilt: &nbsp; φn=arctan(Bn/An).
+
*The&nbsp; &raquo;'''magnitude coefficient'''&laquo;&nbsp;&nbsp; read with &nbsp; n1: &nbsp; Cn=A2n+B2n.
 +
 
 +
*For the&nbsp; &raquo;'''phase coefficient'''&laquo;&nbsp;&nbsp; applies: &nbsp; φn=arctan(Bn/An).
  
  
Mit der &bdquo;Eulerschen Beziehung&rdquo;&nbsp; cos(x)+jsin(x)=ejx&nbsp; erhält man eine zweite Darstellungsvariante der Fourierreihenentwicklung, die von der komplexen Exponentialfunktion ausgeht.
+
With the&nbsp;  &raquo;Eulerian relationship&laquo;&nbsp; cos(x)+jsin(x)=ejx&nbsp; we get a second representation variant of Fourier series, which starts from the complex exponential function.
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
Definition:&nbsp;  
 
Definition:&nbsp;  
Die&nbsp; '''komplexe Fourierreihe'''&nbsp; eines periodischen Signals&nbsp; x(t)&nbsp; lautet wie folgt:
+
The&nbsp; &raquo;'''complex Fourier series'''&laquo;&nbsp; of a periodic signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is as follows:
 
   
 
   
 
:x(t)=+n=Dnejnω0t.
 
:x(t)=+n=Dnejnω0t.
  
Hier bezeichnen&nbsp; Dn&nbsp; die&nbsp; '''komplexen Fourierkoeffizienten''', die
+
Here&nbsp; Dn&nbsp; denote the&nbsp; &raquo;'''complex Fourier coefficients'''&laquo;,&nbsp; which can be calculated as follows&nbsp; (valid for&nbsp; n0):
*aus den Cosinuskoeffizienten&nbsp; An&nbsp; und den Sinuskoeffizienten&nbsp; Bn, oder auch
+
*from the cosine coefficients&nbsp; An&nbsp; and the sine coefficients&nbsp; Bn:
*aus den Betragskoeffizienten&nbsp; Cn&nbsp; sowie den Phasenkoeffizienten&nbsp; φn  
+
:$$D_n = 1/2\cdot (A_n - {\rm j}\cdot B_n),$$
 
+
*from the magnitude coefficients&nbsp; Cn&nbsp; and the phase coefficients&nbsp; φn:
 +
:Dn=1/2Cnejφn}}
  
wie folgt berechnet werden können (gültig für&nbsp; n0):
 
 
:Dn=1/2(AnjBn)=1/2Cnejφn}}
 
  
 
+
The complex Fourier coefficients can also be calculated directly using the following equation
Die komplexen Fourierkoeffizienten kann man nach folgender Gleichung auch direkt berechnen:
 
  
 
:Dn=1T0+T0/2T0/2x(t)ejnω0tdt.
 
:Dn=1T0+T0/2T0/2x(t)ejnω0tdt.
 
   
 
   
Solange das Integrationsintervall&nbsp; T0&nbsp; erhalten bleibt, kann man es ebenso wie bei den Koeffizienten&nbsp; An&nbsp; und&nbsp; Bn&nbsp; beliebig verschieben, zum Beispiel von&nbsp; t=0&nbsp; bis&nbsp; t=T0.
+
As long as the integration interval&nbsp; T0&nbsp; is preserved,&nbsp; it can be shifted randomly as with the coefficients&nbsp; An&nbsp; and&nbsp; Bn,&nbsp; e.g. from&nbsp; t=0&nbsp; to&nbsp; t=T0.
 
   
 
   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Fazit:}$&nbsp; Der Koeffizient&nbsp; D0=A0&nbsp; ist stets reell. Für die komplexen Koeffizienten mit negativem Laufindex&nbsp; (n<0)&nbsp; gilt:
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp; The coefficient&nbsp; D0=A0&nbsp; is always real.&nbsp; For the complex coefficients with negative  index&nbsp; (n<0)&nbsp; applies:
 
   
 
   
 
:Dn=Dn=1/2(An+jBn).}}
 
:Dn=Dn=1/2(An+jBn).}}
  
  
==Spektrum eines periodischen Signals==
+
==Periodic signal spectrum==
 
<br>
 
<br>
Ausgehend von der gerade hergeleiteten komplexen Fourierreihe
+
Starting from the complex Fourier series
 
   
 
   
 
:x(t)=+n=Dnejnω0t
 
:x(t)=+n=Dnejnω0t
  
und dem&nbsp; [[Signal_Representation/Gesetzm%C3%A4%C3%9Figkeiten_der_Fouriertransformation#Verschiebungssatz|Verschiebungssatz]]&nbsp;  (für den Frequenzbereich) erhält man für das Spektrum eines periodischen Signals&nbsp; x(t):
+
and the &nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems#Shifting_Theorem|&raquo;shifting theorem&laquo;]]&nbsp;  $(forthefrequencydomain)$&nbsp; one gets the following spectrum for the periodic signal&nbsp; x(t):
 
   
 
   
 
:X(f)=+n=Dnδ(fnf0).
 
:X(f)=+n=Dnδ(fnf0).
  
Dies bedeutet:
+
This means:
*Das Spektrum eines mit&nbsp; T0&nbsp; periodischen Signals ist ein&nbsp; '''Linienspektrum'''&nbsp; bei ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz&nbsp; f0=1/T0.
+
*The&nbsp; (amplitude)&nbsp; spectrum of a periodic signal with period duration&nbsp; T0&nbsp; is a&nbsp; &raquo;'''line spectrum'''&laquo;&nbsp; for integer multiples of the basic frequency&nbsp; f0=1/T0.
*Der&nbsp; '''Gleichanteil'''&nbsp; liefert eine Diracfunktion bei&nbsp; f=0&nbsp; mit dem Impulsgewicht&nbsp; A0.
+
 
*Daneben gibt es&nbsp; '''Diracfunktionen'''&nbsp; δ(f±nf0)&nbsp; bei Vielfachen von&nbsp;  f0, wobei&nbsp; δ(fnf0)&nbsp; eine Diracfunktion bei&nbsp; f=nf0&nbsp; (also im positiven Frequenzbereich) und&nbsp; δ(f+nf0)&nbsp; eine solche bei der Frequenz&nbsp;  f=nf0&nbsp; (im negativen Frequenzbereich) kennzeichnet.
+
*The&nbsp; &raquo;'''DC signal component'''&laquo;&nbsp; returns a&nbsp; &raquo;Dirac delta function&laquo;&nbsp; at&nbsp; f=0&nbsp; with the impulse weight&nbsp; A0.
*Die&nbsp; '''Impulsgewichte'''&nbsp; sind im allgemeinen komplex.
+
 
 +
*There are also Dirac delta functions&nbsp; δ(f±nf0)&nbsp; at the multiples of&nbsp;  f0,
 +
 +
:*where&nbsp; δ(fnf0)&nbsp; denotes a Dirac delta function at &nbsp; f=nf0&nbsp; $($namely in the positive frequency domain)  
 +
:*and&nbsp; δ(f+nf0)&nbsp; denotes a Dirac at the frequency&nbsp;  f=nf0&nbsp; $(inthenegativefrequencydomain)$.
 +
 
 +
*The&nbsp; impulse weights&nbsp; for&nbsp; n0&nbsp; are generally complex.
  
  
Diese Aussagen werden nun anhand zweier Beispiele verdeutlicht.
+
These statements will now be illustrated by two examples.
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 4:}$&nbsp;  
+
$\text{Example 4:}$&nbsp;  
Wir betrachten – wie im&nbsp; [[Signal_Representation/Fourierreihe#Allgemeine_Beschreibung|$\text{Beispiel 1}$]]&nbsp; zu Beginn dieses Abschnitts - zwei periodische Rechtecksignale, jeweils mit Periodendauer&nbsp; T0&nbsp; und Grundfrequenz&nbsp; f0=1/T0.  
+
We consider as in&nbsp; [[Signal_Representation/Harmonic_Oscillation#Time_domain_representation|$\text{Example 1}$]]&nbsp; two periodic  rectangular signals,&nbsp; each with period duration&nbsp; T0&nbsp; and basic frequency&nbsp; f0=1/T0.&nbsp;
Das obere Signal
+
The upper signal
+
 
 
:xg(t)=4/π[cos(ω0t)1/3cos(3ω0t)+1/5cos(5ω0t)...+...]
 
:xg(t)=4/π[cos(ω0t)1/3cos(3ω0t)+1/5cos(5ω0t)...+...]
 +
[[File:P_ID528__Sig_T_2_4_S6_neu.png|right|frame|Spectrum of a periodic rectangular signal]]
  
ist eine gerade, aus verschiedenen Cosinusanteilen zusammengesetzte Funktion. Die zugehörige Spektralfunktion&nbsp; $X_{\rm g}(f)$&nbsp; ist damit rein reell.
+
is an even&nbsp; (German:&nbsp; "gerade" &nbsp; &rArr; &nbsp; "$\rm g")$&nbsp; function,&nbsp; composed of different cosine parts.&nbsp;
  
''Begründung:''&nbsp; Wie auf der Seite&nbsp; [[Signal_Representation/Harmonische_Schwingung#Spektraldarstellung_eines_Cosinussignals|Spektraldarstellung eines Cosinussignals]]&nbsp; bereits beschrieben wurde, liefert die Grundwelle zwei Diracfunktionen bei&nbsp; ±f0, jeweils gewichtet mit&nbsp; $2/\pi$.
+
Therefore:  
*Dieses Gewicht entspricht den (im Allgemeinen komplexen) Fourierkoeffizienten&nbsp; D1=D1, die nur im Sonderfall einer geraden Funktion reell sind.
+
*The corresponding spectral function&nbsp; Xg(f)&nbsp; is thus purely real.
*Weitere Diracfunktionen gibt es bei&nbsp; ±3f0 (negativ),&nbsp; ±5f0 (positiv),&nbsp; ±7f0 (negativ) usw.
+
::<u>Reason:</u>&nbsp; As described in the section&nbsp; [[Signal_Representation/Harmonic_Oscillation#Representation_with_cosine_and_sine_components|&raquo;Spectral Representation of a cosine signal&laquo;]]&nbsp; the basic wave returns two Dirac  delta functions at&nbsp; ±f0, each weighted with&nbsp; 2/π.  
*Alle Phasenwerte&nbsp; φn&nbsp; sind aufgrund der alternierenden Vorzeichen entweder Null oder&nbsp; $\pi$.
 
  
 +
*This weighting corresponds to the&nbsp; (generally complex)&nbsp; Fourier coefficients&nbsp; D1=D1,&nbsp; which are only real in the special case of an even function.
  
[[File:P_ID528__Sig_T_2_4_S6_neu.png|center|frame|Spektrum eines periodischen Rechtecksignals]]
+
*Other Dirac delta functions are available in&nbsp;
 +
:*±3f0&nbsp; (negative),&nbsp;
 +
 +
:*±5f0&nbsp; (positive),&nbsp;
 +
 +
:*±7f0&nbsp; (negative), etc.
 +
 +
*All phase values&nbsp; φn&nbsp; are either zero or&nbsp; π&nbsp; due to the alternating signs.
 +
<br clear=all>
 +
&rArr; &nbsp; The function&nbsp; xu(t)&nbsp; shown below is odd&nbsp; (German:&nbsp; "ungerade" &nbsp; &rArr; &nbsp; "u"):
 +
 +
:$$x_{\rm u}(t)={4}/{\pi} \cdot  \big[\sin(\omega_0 t)+{1}/{3} \cdot \sin(3\omega_0 t)+{1}/{5} \cdot \sin(5\omega_0 t)+ \, \text{...}\big].$$
  
Die unten dargestellte Funktion&nbsp; $x_{\rm u}(t)$&nbsp; ist ungerade:
+
*As described in the section&nbsp; [[Signal_Representation/Harmonic_Oscillation#General_spectral_representation|&raquo;General Spectral Representation&laquo;]]&nbsp;  the basic wave provides two Dirac  delta functions
 +
:*at&nbsp; +f0&nbsp; (weighted with&nbsp; $-\text{j}\cdot 2/\pi)$&nbsp; resp.
 
   
 
   
:$$x_{\rm u}(t)={4}/{\pi} \cdot \big[\sin(\omega_0 t)+{1}/{3} \cdot \sin(3\omega_0 t)+{1}/{5} \cdot \sin(5\omega_0 t)+ \, \text{...}\big].$$
+
:*at&nbsp; $-f_0$&nbsp; $(weighted with &nbsp;+\text{j}\cdot 2/\pi)$.
  
''Begründung:''&nbsp; Wie im&nbsp; Beispiel 4&nbsp; auf der Seite&nbsp; [[Signal_Representation/Harmonische_Schwingung#Allgemeine_Spektraldarstellung|Allgemeine Spektraldarstellung]]&nbsp; bereits beschrieben wurde, liefert hier die Grundwelle zwei Diracfunktionen bei&nbsp; +f0&nbsp; (gewichtet mit&nbsp; j2/π)&nbsp; bzw. bei&nbsp; f0&nbsp; (gewichtet mit&nbsp; +j2/π).
+
*All other Dirac delta functions at&nbsp; ±3f0,&nbsp; ±5f0, ...&nbsp; are also purely imaginary and located in the same direction as the Dirac delta functions at&nbsp; ±f0.
*Auch alle weiteren Diracfunktionen bei&nbsp; ±3f0,&nbsp; ±5f0, usw. sind rein imaginär und liegen in gleicher Richtung  wie die Diracs bei&nbsp; ±f0.  
 
*Die beiden Betragsspektren sind gleich: &nbsp; |Xu(f)|=|Xg(f)|.}}
 
  
 +
*The two magnitude spectra are equal: &nbsp; |Xu(f)|=|Xg(f)|.}}
  
  
  
==Das Gibbsche Phänomen==
+
==The Gibbs phenomenon==
 
<br>
 
<br>
Nicht jedes Signal eignet sich für die Fourierreihendarstellung. Hier einige Einschränkungen:
+
Not every periodic signal is suitable for the Fourier series.&nbsp; Some restrictions below:
*Eine wichtige Voraussetzung für die Konvergenz der Fourierreihe ist, dass das Signal nur endlich viele Unstetigkeitsstellen je Periode besitzen darf.
+
*An important condition for the convergence of the Fourier series is that the signal may only have a finite number of discontinuities per period.
*An denjenigen Stellen&nbsp; t=ti, an denen&nbsp; x(t)&nbsp; Sprünge aufweist, konvergiert die Reihe gegen den aus dem jeweiligen links– und rechtsseitigen Grenzwert gebildeten arithmetischen Mittelwert.
+
 
*In der Umgebung solcher Sprungstellen kommt es in der Reihendarstellung meist zu hochfrequenten Oszillationen. Dieser Fehler ist von prinzipieller Art, das heißt, er ließe sich auch nicht vermeiden, wenn man unendlich viele Summanden berücksichtigen würde. Man spricht vom&nbsp; ''Gibbschen Phänomen'', benannt nach dem Physiker&nbsp; [https://de.wikipedia.org/wiki/Josiah_Willard_Gibbs Josiah Willard Gibbs].
+
*At those places&nbsp; t=ti,&nbsp; where&nbsp; x(t)&nbsp; has jumps,&nbsp; the series converges to the arithmetic mean value formed by the respective left and right boundary value.
*Durch eine Erhöhung von&nbsp; N&nbsp; wird zwar der fehlerhafte Bereich kleiner, nicht jedoch die maximale Abweichung zwischen&nbsp; x(t)&nbsp; und der Fourierreihendarstellung&nbsp; xN(t). Der maximale Fehler beträgt ca.&nbsp; $9\%$&nbsp; der Sprungamplitude – und zwar unabhängig von&nbsp; $N$.
+
 
 +
*In the surrounding area of such discontinuities,&nbsp; high-frequency oscillations usually occur in the series representation.&nbsp; This error is of principle kind, i.e. it could not be avoided too, if infinite summands would be considered.&nbsp; One speaks of the&nbsp; "Gibbs phenomenon", named after the physicist&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Josiah_Willard_Gibbs $\text{Josiah Willard Gibbs}$].
 +
 
 +
*An increase of&nbsp; N&nbsp; reduces the erroneous range but not the maximum deviation between&nbsp; x(t)&nbsp; and the Fourier series representation&nbsp; xN(t).&nbsp; The maximum error is independent of&nbsp; $N$&nbsp; about&nbsp; $9\%$&nbsp; of the jumping amplitude.
  
  
Das Gibbsche Phänomen und weitere interessante Aspekte zu vergleichbaren Effekten werden im Lernvideo&nbsp;  
+
The Gibbs phenomenon and other interesting aspects of comparable effects are presented in the&nbsp; (German-language)&nbsp; learning video<br> &nbsp; &nbsp; &nbsp;&raquo;[[Eigenschaften_der_Fourierreihendarstellung_(Lernvideo)|Eigenschaften der Fourierreihendarstellung]]&laquo; &nbsp; &rArr; &nbsp; "Properties and accuracy of the Fourier series".
[[Eigenschaften_der_Fourierreihendarstellung_(Lernvideo)|Eigenschaften der Fourierreihendarstellung]]&nbsp; behandelt.
 
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 5:}$&nbsp;  
+
$\text{Example 5:}$&nbsp;  
In der linken Grafik sehen Sie gepunktet einen Ausschnitt eines periodischen&nbsp; ±1–Rechtecksignals und die dazugehörige Fourierreihendarstellung mit&nbsp; N=1&nbsp; (blau),&nbsp; N=3&nbsp; (rot) und&nbsp; $N = 5$&nbsp; (grün) Summanden.
+
The left graphic shows a dotted section of a periodic&nbsp; ±1 rectangular signal and the corresponding Fourier series representation with&nbsp; N=1&nbsp; $(blue)$,&nbsp; N=3&nbsp; $($red$)$&nbsp; and&nbsp; N=5&nbsp; $($green$)$&nbsp; summands.
*Die Grundwelle hat hier den Amplitudenwert&nbsp; 4/π1.27.
 
*Auch mit&nbsp; N=5&nbsp; (das bedeutet wegen&nbsp; $A_2 = A_4 = 0$&nbsp; drei &bdquo;relevante&rdquo; Summanden) unterscheidet sich die Fourierreihe vom anzunähernden Rechtecksignal noch deutlich, vor allem im Bereich der Flanke.
 
  
 +
[[File:P_ID2720__Sig_T_2_4_S7_neu.png|right|frame|On the Gibbs phenomenon]]
 +
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*The basic wave here has the amplitude value&nbsp; 4/π1.27.
 +
 +
*Even with&nbsp; N=5&nbsp; (this means because of&nbsp; A2=A4=0&nbsp; three "relevant" summands) the Fourier series still differs significantly from the approximated rectangular signal,&nbsp; especially in the area of the edge.
  
[[File:P_ID2720__Sig_T_2_4_S7_neu.png|center|frame|Zum Gibbschen Phänomen]]
 
  
Aus der rechten Grafik ist zu erkennen, dass die Flanke und der innere Bereich mit&nbsp;
+
 
N=100&nbsp; relativ gut nachgebildet werden, es aber an der Sprungstelle aufgrund des Gibbschen Phänomens noch immer zu Überschwingern um&nbsp; 9%&nbsp; kommt.  
+
&rArr; &nbsp; From the right graphic you can see that the flank and the inner area are well reproduced with&nbsp;
*Da hier die Sprungamplituden jeweils gleich&nbsp; 2&nbsp; sind, ergeben sich die Maximalwerte näherungsweise zu&nbsp; $1.18$.  
+
N=100&nbsp; but due to the Gibbs phenomenon there are still oscillations around&nbsp; 9%&nbsp; at the jumping point.  
*Mit&nbsp; N=1000&nbsp; wären die Überschwinger genau so groß, aber auf einen engeren Raum begrenzt und bei zeitdiskreter Darstellung eventuell nicht mehr zu erkennen.}}
+
*Since the jump amplitudes here are equal to&nbsp; 2&nbsp; the maximum values are approximately&nbsp; $\pm1.18$.
 +
 +
*With&nbsp; N=1000&nbsp; the oscillations would be exactly the same size, but limited to a narrower space and possibly not recognizable with discrete-time representation.}}
  
  
==Aufgaben zum Kapitel==
+
==Exercises for the chapter==
 
<br>
 
<br>
[[Aufgaben:Aufgabe_2.4:_Gleichgerichteter_Cosinus|Aufgabe 2.4: Gleichgerichteter Cosinus]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.4:_Rectified_Cosine|Exercise 2.4: Rectified Cosine]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.4Z:_Dreiecksignal|Aufgabe 2.4Z: Dreiecksignal]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.4Z:_Triangular_Function|Exercise 2.4Z: Triangular Function]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.5:_Einweggleichrichtung|Aufgabe 2.5: Einweggleichrichtung]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.5:_Half-Wave_Rectification|Exercise 2.5: Half-Wave Rectification]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.5Z:_Rechtecksignale|Aufgabe 2.5Z: Rechtecksignale]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.5Z:_Square_Wave|Exercise 2.5Z: Square Wave]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.6:_Komplexe Fourierreihe|Aufgabe 2.6: Komplexe Fourierreihe]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.6:_Complex_Fourier_Series|Exercise 2.6: Complex Fourier Series]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.6Z:_Betrag_und_Phase|Aufgabe 2.6Z: &nbsp; Betrag und Phase]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.6Z:_Magnitude_and_Phase|Exercise 2.6Z: &nbsp; Magnitude and Phase]]
  
  

Latest revision as of 18:21, 15 November 2023


General description


Every periodic function  x(t)  can be developed into a trigonometric series  called  »Fourier series«  in all areas,  where it is continuous or has only finite discontinuities.

Definition:  The  »Fourier series«  of a periodic signal  x(t)  is defined as follows:

x(t)=A0+n=1Ancos(nω0t)+n=1Bnsin(nω0t).

Here the symbols denote the following definitions:

  • A0  the  »constant component«   of  x(t),
  • An  the  »cosine coefficients«   with  n1,
  • Bn  the  »sine coefficients«  with  n1,
  • ω0=2π/T0 the  »basic circular frequency«  of the periodic signal  (T0 is the period duration).


If the Fourier series should exactly match the actual periodic signal  x(t),  an infinite number of cosine and sine coefficients must generally be used for calculation.

  • If the Fourier series is interrupted and only  N  of  An  and  Bn coefficients are used,  then a slightly different plot of the function results except for some special cases:
xN(t)=A0+Nn=1Ancos(nω0t)+Nn=1Bnsin(nω0t).
  • The relation between the periodic signal  x(t)  and the Fourier series approximation  xN(t)  holds:
x(t)=limNxN(t).
  • If   Nf0  is the highest frequency occurring in the signal  x(t)  then of course  xN(t)=x(t).


Example 1:  We consider two periodic rectangular signals  ("square waves"),  each with period duration  T0  and basic circular frequency  ω0=2π/T0.

Even and odd rectangular signal
  • For the even  (German:  "gerade"   ⇒   g)  time signal sketched above:  
xg(t)=xg(t).
  • The function shown below is odd  (German:  "ungerade"   ⇒   u):  
xu(t)=xu(t).

One finds the  Fourier series representations  of both signals in formularies:

xg(t)=4π[cos(ω0t)13cos(3ω0t)+15cos(5ω0t)...+...],
xu(t)=4π[sin(ω0t)+13sin(3ω0t)+15sin(5ω0t)+...+...].
  • Because of the generally valid relationship
113+1517+19...+...=π4,
the amplitudes  (maximum values)  of the rectangular basic pulse result to  1.
  • This can also be verified using the signal curves in the graphic:
xg(t=0)=xu(t=T0/4)=1.


Calculation of the Fourier coefficients


The Fourier coefficient  A0  specifies the  »direct current  (DC)  signal component«  which can be determined by averaging over the signal course  x(t).  Due to the periodicity,  averaging over one period is sufficient:

A0=1T0+T0/2T0/2x(t)dt.
  • The integration limits can also be selected from  t=0  to  t=T0  (or over a differently defined period of equal length).
  • The determination of the Fourier coefficients  An  and  Bn  (n1)  is based on the property that cosine and sine functions are so-called »orthogonal functions«
  • For them the following applies:
+T0/2T0/2cos(nω0t)cos(mω0t)dt={T0/20ifm=n,otherwise
+T0/2T0/2sin(nω0t)sin(mω0t)dt={T0/20ifm=n,otherwise
+T0/2T0/2cos(nω0t)sin(mω0t)dt=0for allm, n.

Conclusion:  Considering these equations,  the cosine coefficients  An  and the sine coefficients  Bn  result as follows

An=2T0+T0/2T0/2x(t)cos(nω0t)dt,
Bn=2T0+T0/2T0/2x(t)sin(nω0t)dt.


The following  (German-language)  learning video illustrates these equations:
       »Zur Berechnung der Fourierkoeffizienten«   ⇒   "Calculating the Fourier coefficients".


On calculating the Fourier coefficients

Example 2:  We consider the drawn periodic time function

x(t)=0.4+0.6cos(ω0t)0.3sin(3ω0t).
  • Since the integral of the cosine and sine functions over one period are identical to zero, the DC signal coefficient is 
A0=0.4.
  • One determines the cosine coefficient  A1  with following equation  (Integration limits from  t=0  to  t=T0):
A1=2T0T000.4cos(ω0t)dt+2T0T000.6cos2(ω0t)dt2T0T000.3sin(3ω0t)cos(ω0t)dt.
  1. The last integral is equal to zero due to orthogonality;  the first one is zero too  (integral over one period).
  2. Only the middle term contributes here to  A1,  namely  20.60.5=0.6.
  • For all further  (n2)  cosine coefficients all three integrals return the value zero,  and thus  An1=0.
  • To determine the sine coefficients   Bn  using following equation:
Bn=2T0T000.4sin(n ω0t)dt+2T0T000.6cos(ω0t)sin(nω0t)dt2T0T000.3sin(3ω0t)sin(nω0t)dt.
  1. For  n3  all three integral values are zero and therefore  Bn3=0.
  2. On the other hand,  for  n=3  the last integral provides a contribution,  and one gets for the sine coefficient 
B3=0.3.


Exploitation of symmetries


Some insights into the Fourier coefficients  An  and  Bn  can already be read from the  »symmetry properties«  of the time function  x(t)

  • If the time signal  x(t)  is an even function   ⇒   axis-symmetrical around the ordinate  (t=0),  all sine coefficients  Bn disappear,  since the sine function itself is an odd function   ⇒   sin(α)=sin(α):
Bn=0(n=1, 2, 3,...).
  • An odd function  x(t)  is point-symmetric around the coordinate origin  (t=0; x=0).  Therefore,  all cosine coefficients disappear here  (An=0),  since the cosine function itself is even.  In this case,  the DC coefficient is always  A0=0.
An=0(n=0, 1, 2, 3,...).
  • If a function without a DC signal component is present  (A0=0)  and if this function is odd within a period   ⇒   x(t)=x(tT0/2),  then only odd multiples of the basic frequency are present in the Fourier series representation.  For the coefficients with an even index,  however,  the following always applies:
An=Bn=0(n=2, 4, 6,...).
  • If all coefficients  An  and  Bn  with even-numbered index  (n=2, 4, 6,...)  equals zero and the coefficient  A00,  then the symmetry property mentioned in the last point refers to the DC component and applies:
x(t)=2A0x(tT0/2).

Remark:   Several of the named symmetry properties can be fulfilled at the same time.


Symmetry properties of the Fourier coefficients

Example 3:  The mentioned properties are now illustrated by three signal waveforms:

  • x1(t)  is an averaging function   ⇒   A00  and it is also even,  which is accordingly exclusively determined by cosine coefficients  An  ⇒   Bn=0.


  • In contrast,  with the odd function  x2(t)  all  An (n0)  are identical to zero.


  • Also the odd function  x3(t)  contains only sine coefficients,  but because of  x3(t)=x3(tT0/2)  exclusively for odd  n–values.





The first part of the following  (German-language) learning video explained the symmetry properties of the Fourier coefficients:

»Eigenschaften der Fourierreihe«   ⇒   "Properties and accuracy of Fourier series".

Complex Fourier series


As shown in the section  »Representation with cosine and sine components«  in case of a harmonic oscillation any periodic signal

x(t)=A0+n=1Ancos(nω0t)+n=1Bnsin(nω0t)

can also be displayed using the magnitude and phase coefficients:

x(t)=C0+n=1Cncos(nω0tφn).

These modified Fourier coefficients have the following properties:

  • The  »DC coefficient«   C0  is identical with  A0.
  • The  »magnitude coefficient«   read with   n1:   Cn=A2n+B2n.
  • For the  »phase coefficient«   applies:   φn=arctan(Bn/An).


With the  »Eulerian relationship«  cos(x)+jsin(x)=ejx  we get a second representation variant of Fourier series, which starts from the complex exponential function.

Definition:  The  »complex Fourier series«  of a periodic signal  x(t)  is as follows:

x(t)=+n=Dnejnω0t.

Here  Dn  denote the  »complex Fourier coefficients«,  which can be calculated as follows  (valid for  n0):

  • from the cosine coefficients  An  and the sine coefficients  Bn:
Dn=1/2(AnjBn),
  • from the magnitude coefficients  Cn  and the phase coefficients  φn:
Dn=1/2Cnejφn


The complex Fourier coefficients can also be calculated directly using the following equation

Dn=1T0+T0/2T0/2x(t)ejnω0tdt.

As long as the integration interval  T0  is preserved,  it can be shifted randomly as with the coefficients  An  and  Bn,  e.g. from  t=0  to  t=T0.

Conclusion:  The coefficient  D0=A0  is always real.  For the complex coefficients with negative index  (n<0)  applies:

Dn=Dn=1/2(An+jBn).


Periodic signal spectrum


Starting from the complex Fourier series

x(t)=+n=Dnejnω0t

and the   »shifting theorem«  (for the frequency domain)  one gets the following spectrum for the periodic signal  x(t):

X(f)=+n=Dnδ(fnf0).

This means:

  • The  (amplitude)  spectrum of a periodic signal with period duration  T0  is a  »line spectrum«  for integer multiples of the basic frequency  f0=1/T0.
  • The  »DC signal component«  returns a  »Dirac delta function«  at  f=0  with the impulse weight  A0.
  • There are also Dirac delta functions  δ(f±nf0)  at the multiples of  f0,
  • where  δ(fnf0)  denotes a Dirac delta function at   f=nf0  (namely in the positive frequency domain)
  • and  δ(f+nf0)  denotes a Dirac at the frequency  f=nf0  (in the negative frequency domain).
  • The  impulse weights  for  n0  are generally complex.


These statements will now be illustrated by two examples.

Example 4:  We consider as in  Example 1  two periodic rectangular signals,  each with period duration  T0  and basic frequency  f0=1/T0.  The upper signal

xg(t)=4/π[cos(ω0t)1/3cos(3ω0t)+1/5cos(5ω0t)...+...]
Spectrum of a periodic rectangular signal

is an even  (German:  "gerade"   ⇒   "g")  function,  composed of different cosine parts. 

Therefore:

  • The corresponding spectral function  Xg(f)  is thus purely real.
Reason:  As described in the section  »Spectral Representation of a cosine signal«  the basic wave returns two Dirac delta functions at  ±f0, each weighted with  2/π.
  • This weighting corresponds to the  (generally complex)  Fourier coefficients  D1=D1,  which are only real in the special case of an even function.
  • Other Dirac delta functions are available in 
  • ±3f0  (negative)
  • ±5f0  (positive)
  • ±7f0  (negative), etc.
  • All phase values  φn  are either zero or  π  due to the alternating signs.


⇒   The function  xu(t)  shown below is odd  (German:  "ungerade"   ⇒   "u"):

xu(t)=4/π[sin(ω0t)+1/3sin(3ω0t)+1/5sin(5ω0t)+...].
  • at  +f0  (weighted with  j2/π)  resp.
  • at  f0  (weighted with   +j2/π).
  • All other Dirac delta functions at  ±3f0±5f0, ...  are also purely imaginary and located in the same direction as the Dirac delta functions at  ±f0.
  • The two magnitude spectra are equal:   |Xu(f)|=|Xg(f)|.


The Gibbs phenomenon


Not every periodic signal is suitable for the Fourier series.  Some restrictions below:

  • An important condition for the convergence of the Fourier series is that the signal may only have a finite number of discontinuities per period.
  • At those places  t=ti,  where  x(t)  has jumps,  the series converges to the arithmetic mean value formed by the respective left and right boundary value.
  • In the surrounding area of such discontinuities,  high-frequency oscillations usually occur in the series representation.  This error is of principle kind, i.e. it could not be avoided too, if infinite summands would be considered.  One speaks of the  "Gibbs phenomenon", named after the physicist  Josiah Willard Gibbs.
  • An increase of  N  reduces the erroneous range but not the maximum deviation between  x(t)  and the Fourier series representation  xN(t).  The maximum error is independent of  N  about  9%  of the jumping amplitude.


The Gibbs phenomenon and other interesting aspects of comparable effects are presented in the  (German-language)  learning video
     »Eigenschaften der Fourierreihendarstellung«   ⇒   "Properties and accuracy of the Fourier series".


Example 5:  The left graphic shows a dotted section of a periodic  ±1 rectangular signal and the corresponding Fourier series representation with  N=1  (blue)N=3  (red)  and  N=5  (green)  summands.

On the Gibbs phenomenon
  • The basic wave here has the amplitude value  4/π1.27.
  • Even with  N=5  (this means because of  A2=A4=0  three "relevant" summands) the Fourier series still differs significantly from the approximated rectangular signal,  especially in the area of the edge.


⇒   From the right graphic you can see that the flank and the inner area are well reproduced with  N=100  but due to the Gibbs phenomenon there are still oscillations around  9%  at the jumping point.

  • Since the jump amplitudes here are equal to  2  the maximum values are approximately  ±1.18.
  • With  N=1000  the oscillations would be exactly the same size, but limited to a narrower space and possibly not recognizable with discrete-time representation.


Exercises for the chapter


Exercise 2.4: Rectified Cosine

Exercise 2.4Z: Triangular Function

Exercise 2.5: Half-Wave Rectification

Exercise 2.5Z: Square Wave

Exercise 2.6: Complex Fourier Series

Exercise 2.6Z:   Magnitude and Phase