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

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Aperiodische Signale - Impulse
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|Untermenü=Aperiodic Signals - Impulses
|Vorherige Seite=Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation
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|Vorherige Seite=Fourier Transform Theorems
|Nächste Seite=Unterschiede und Gemeinsamkeiten von TP- und BP-Signalen
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|Nächste Seite=Differences and Similarities of LP and BP Signals
 
}}
 
}}
  
==Faltung im Zeitbereich==
+
==Convolution in the time domain==
 
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<br>
Der &bdquo;Faltungssatz&rdquo; ist mit das wichtigste Gesetz der Fouriertransformation, dem in vorliegendem Tutorial  ein eigenes Unterkapitel gewidmet wird.
+
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; $x_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; are known:
 
 
Wir betrachten zunächst den Faltungssatz im Zeitbereich und setzen voraus, dass die Spektren zweier Zeitfunktionen&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; und&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; bekannt sind:
 
 
   
 
   
 
:$$X_1 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}x_1( t ),\quad X_2 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}x_2 ( t ).$$
 
:$$X_1 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}x_1( t ),\quad X_2 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}x_2 ( t ).$$
  
Dann gilt für die Zeitfunktion des Produktes&nbsp; $X_1(f) \cdot X_2(f)$:
+
Then for the time function of the product&nbsp; $X_1(f) \cdot X_2(f)$&nbsp; applies:
  
 
:$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
 
:$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
 
   
 
   
Hierbei ist&nbsp; $\tau$&nbsp; eine formale Integrationsvariable mit der Dimension einer Zeit.
+
$\tau$&nbsp; is a formal integration variable with the dimension of a time.
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Definition:}$&nbsp; Die obige Verknüpfung der Zeitfunktion&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; und&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; bezeichnet man als&nbsp; '''Faltung'''&nbsp; und stellt diesen Funktionalzusammenhang mit einem Stern dar:
+
$\text{Definition:}$&nbsp;  
 +
 
 +
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:
 
   
 
   
 
:$$x_{\rm{1} } (t) * x_{\rm{2} } (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  ) }  \cdot x_2 ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau =  x_{\rm{2} } (t) * x_{\rm{1} } (t) .$$
 
:$$x_{\rm{1} } (t) * x_{\rm{2} } (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  ) }  \cdot x_2 ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau =  x_{\rm{2} } (t) * x_{\rm{1} } (t) .$$
  
Damit lässt sich obige Fourierkorrespondenz auch wie folgt schreiben:
+
*Thus the above Fourier correspondence can be written as follows:
  
 
:$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}{ {x} }_{\rm{1} } ( t ) * { {x} }_{\rm{2} } (t ).$$
 
:$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}{ {x} }_{\rm{1} } ( t ) * { {x} }_{\rm{2} } (t ).$$
  
Der&nbsp; [[Signal_Representation/Faltungssatz_und_Faltungsoperation#Beweis_des_Faltungssatzes|Beweis]]&nbsp; folgt am Kapitelende.}}
+
*The convolution is&nbsp; &raquo;commutative&laquo;  &nbsp; ⇒  &nbsp;The order of the operands can be changed:
 +
 +
:$$x_1(t) * x_2(t) =x_2(t) * x_1(t).$$
 +
 
 +
*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.}}
  
  
''Anmerkung'': &nbsp; Die Faltung ist&nbsp; '''kommutativ'''  &nbsp; ⇒  &nbsp; Die Reihenfolge der Operanden ist vertauschbar: &nbsp;  ${ {x}}_{\rm{1}} ( t ) * { {x}}_{\rm{2}} (t ) ={ {x}}_{\rm{2}} ( t ) * { {x}}_{\rm{1}} (t ) $.
 
  
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:EN_Sig_T_3_4_S1.png|right|frame|On calculation of signal and spectrum of  the LTI output]] 
 +
$\text{Example 1:}$&nbsp; Every linear time-invariant&nbsp; $\rm (LTI)$&nbsp; system can be described both,
 +
#by the frequency response&nbsp; $H(f)$,
 +
#by the impulse response&nbsp; $h(t)$.
  
[[File:EN_Sig_T_3_4_S1.png|right|frame|Zur Berechnung von Signal und Spektrum am LZI&ndash;Ausgang]]
 
{{GraueBox|TEXT= 
 
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Ein jedes lineare zeitinvariante (LZI-) System kann sowohl durch den Frequenzgang&nbsp; $H(f)$&nbsp; als auch durch die Impulsantwort&nbsp; $h(t)$&nbsp; beschrieben werden, wobei der Zusammenhang zwischen diesen beiden Systemgrößen ebenfalls durch die Fouriertransformation gegeben ist.
 
  
Legt man an den Eingang ein Signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; mit dem Spektrum&nbsp; $X(f)$&nbsp; an, so gilt für das Spektrum des Ausgangssignals:
+
The relation between these two system quantities is also given by the Fourier transform.
 +
 
 +
*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:
 
   
 
   
 
:$$Y(f) = X(f) \cdot H(f)\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$Y(f) = X(f) \cdot H(f)\hspace{0.05cm}.$$
  
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:
 
   
 
   
 
:$$y( t ) = x(t) * h( t ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm}{x( \tau  )}  \cdot h( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau =  \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm} {h( \tau  )}  \cdot x( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = h(t) * x( t ).$$
 
:$$y( t ) = x(t) * h( t ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm}{x( \tau  )}  \cdot h( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau =  \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm} {h( \tau  )}  \cdot x( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = h(t) * x( t ).$$
  
Aus dieser Gleichung geht nochmals hervor, dass die Faltungsoperation&nbsp; ''kommutativ''&nbsp; ist.}}
+
*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>
 
<br>
Die Dualität zwischen Zeit– und 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:
 
   
 
   
 
:$$x_1 ( t ) \cdot x_2 ( t )\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X_1 (f) * X_2 (f) =  \int_{ - \infty }^{ + \infty } {X_1 ( \nu  )}  \cdot X_2 ( {f - \nu })\hspace{0.1cm}{\rm d}\nu.$$
 
:$$x_1 ( t ) \cdot x_2 ( t )\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X_1 (f) * X_2 (f) =  \int_{ - \infty }^{ + \infty } {X_1 ( \nu  )}  \cdot X_2 ( {f - \nu })\hspace{0.1cm}{\rm d}\nu.$$
  
Dieses Resultat lässt sich ähnlich wie der&nbsp; [[Signal_Representation/Faltungssatz_und_Faltungsoperation#Beweis_des_Faltungssatzes|Faltungssatz im Zeitbereich]]&nbsp; beweisen. Die Integrationsvariable&nbsp; $\nu$&nbsp; hat aber nun 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.
 +
 
 +
{{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.
 +
 
 +
*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; $z(t)$.
  
[[File:EN_Sig_T_3_4_S2.png|right|frame|Faltung im Frequenzbereich am Beispiel der ZSB&ndash;AM]]
 
{{GraueBox|TEXT= 
 
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp; Die&nbsp; [[Modulation_Methods/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation#Beschreibung_im_Zeitbereich|Zweiseitenband-Amplitudenmodulation]]&nbsp; (ZSB-AM) ohne Träger wird durch das skizzierte Modell beschrieben.
 
*Bei der Zeitbereichsdarstellung (blau) ergibt sich das modulierte Signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; als das Produkt aus dem Nachrichtensignal&nbsp; $q(t)$&nbsp; und dem (normierten) Trägersignal&nbsp; $z(t)$.
 
*Nach dem Faltungssatz folgt daraus für den Frequenzbereich (rot), dass das Ausgangsspektrum&nbsp; $S(f)$&nbsp; gleich dem Faltungsprodukt aus&nbsp; $Q(f)$&nbsp; und&nbsp; $Z(f)$&nbsp; ist.}}
 
  
 +
*According to the convolution theorem it follows for the frequency domain&nbsp; $\rm (red)$&nbsp; that the output spectrum&nbsp; $S(f)$&nbsp; is equal to the convolution product of&nbsp;  $Q(f)\ \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ \ q(t)$&nbsp; and&nbsp; $Z(f)\ \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ \ z(t)$.}}
  
==Faltung einer Funktion mit einer Diracfunktion==
+
 
 +
==Convolution of a function with a Dirac delta function==  
 
<br>
 
<br>
Sehr einfach wird die Faltungsoperation, wenn einer der beiden Operanden eine&nbsp; [[Signal_Representation/Direct_Current_Signal_-_Limit_Case_of_a_Periodic_Signal#Diracfunktion_im_Frequenzbereich|Diracfunktion]]&nbsp; ist. Dies gilt für die Faltung im Zeit– und im Frequenzbereich gleichermaßen.
+
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.
  
Wir betrachten beispielhaft die Faltung einer Funktion&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; mit der Funktion
+
*We will consider the convolution of a function&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; with the function
 
   
 
   
 
:$$x_2 ( t ) = \alpha  \cdot \delta ( {t - T} ) \quad \circ\,\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet \quad X_2 ( f )= \alpha \cdot  {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}2\hspace{0.03cm}{\rm{\pi }}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}T}.$$
 
:$$x_2 ( t ) = \alpha  \cdot \delta ( {t - T} ) \quad \circ\,\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet \quad X_2 ( f )= \alpha \cdot  {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}2\hspace{0.03cm}{\rm{\pi }}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}T}.$$
  
Für die Spektralfunktion des Signals&nbsp; $y(t) = x_1(t) \ast x_2(t)$&nbsp; gilt dann:
+
*For the spectral function of the signal&nbsp; $y(t) = x_1(t) \ast x_2(t)$&nbsp; it follows:
 
   
 
   
 
:$$Y( f ) = X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) = X_1 ( f ) \cdot  \alpha  \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}2\hspace{0.03cm}{\rm{\pi }}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}T}.$$
 
:$$Y( f ) = X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) = X_1 ( f ) \cdot  \alpha  \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}2\hspace{0.03cm}{\rm{\pi }}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}T}.$$
  
Die komplexe Exponentialfunktion führt zur Verschiebung um&nbsp; $T$ &nbsp; &rArr; &nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Laws#Verschiebungssatz|Verschiebungssatz]], der Faktor&nbsp; $\alpha$&nbsp; zu einer Dämpfung&nbsp; $(\alpha < 1)$&nbsp; bzw. Verstärkung&nbsp; $(\alpha > 1)$.  
+
*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; $\alpha$&nbsp; to an attenuation&nbsp; $(\alpha < 1)$&nbsp; or amplification&nbsp; $(\alpha > 1)$.&nbsp; From this follows:
 
 
Daraus folgt:
 
 
   
 
   
 
:$$x_1 (t) * x_2 (t) = \alpha  \cdot x_1 ( {t - T} ).$$
 
:$$x_1 (t) * x_2 (t) = \alpha  \cdot x_1 ( {t - T} ).$$
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{In Worten: }$&nbsp; Die Faltung einer beliebigen Funktion mit einer Diracfunktion bei&nbsp; $t = T$&nbsp; ergibt die um&nbsp; $T$&nbsp; nach rechts verschobene Funktion, wobei noch die Gewichtung der Diracfunktion durch den Faktor&nbsp; $\alpha$&nbsp; zu berücksichtigen ist.}}
+
$\text{In Words: }$&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; $\alpha$&nbsp; has to be taken into account.}}
  
  
{{GraueBox|TEXT=
+
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 3:}$&nbsp; Ein Rechtecksignal $x(t)$ wird durch ein LZI-System um die Laufzeit&nbsp; $\tau = 3\,\text{ ms}$&nbsp; verzögert und um den Faktor&nbsp; $\alpha = 0.5$&nbsp; gedämpft.
+
$\text{Example 3:}$&nbsp; A rectangle pulse&nbsp; $x(t)$&nbsp; is delayed by an LTI system by the delay time&nbsp; $\tau = 3\,\text{ ms}$&nbsp; and attenuated by the factor&nbsp; $\alpha = 0.5$.
 +
[[File:P_ID522__Sig_T_3_4_S3_neu.png|right|frame|Convolution of a rectangle pulse with a Dirac  delta  function]] 
  
[[File:P_ID522__Sig_T_3_4_S3_neu.png|center|frame|Faltung eines Rechtecks mit einer Diracfunktion]]
 
  
Verschiebung und Dämpfung erkennt man sowohl am Ausgangssignal&nbsp; $y(t)$&nbsp; als auch an der Impulsantwort&nbsp; $h(t)$.}}
 
  
 +
Shift and attenuation can be recognised both
 +
*by the output signal&nbsp; $y(t)$,&nbsp;
 +
 +
*by the impulse response&nbsp; $h(t)$.
 +
}}
  
==Grafische Faltung==
+
 
 +
==Graphical convolution==
 
<br>
 
<br>
Für die Beschreibungen auf dieser Seite wird von folgender Faltungsoperation ausgegangen:
+
[[File:P_ID2723__Sig_T_3_4_programm.png|right|frame|Screenshot of an older&nbsp; $($German$)$ version &nbsp;$\rm LNTwww$ 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; $h(t)$]]
[[File:P_ID2723__Sig_T_3_4_programm.png|right|frame|Bildschirmabzug einer älteren Version des &nbsp;$\rm LNTwww$&ndash;Applets „Faltung”:<br>&nbsp; &nbsp; $x_1(t)$&nbsp; ist hier mit&nbsp; $x(t)$&nbsp; bezeichnet und&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; mit&nbsp; $h(t)$ ]]
+
For the descriptions in this section the following convolution operation is assumed:
 +
 
 
:$$y(t) = x_1 (t) * x_2 (t) $$
 
:$$y(t) = x_1 (t) * x_2 (t) $$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}y(t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}y(t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
  
Die Lösung des Faltungsintegrals soll auf grafischem Wege erfolgen. Es wird vorausgesetzt, dass&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; und&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; zeitkontinuierliche Signale sind.  
+
The solution of the convolution integral shall be done graphically.&nbsp; It is assumed that&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; are continuous time signals.
 +
 
 +
Then the following steps are required:
 +
#&nbsp; &raquo;'''Change time variables'''&laquo;  of the functions:&nbsp;  $x_1(t) \to x_1(\tau)$, &nbsp; $x_2(t) \to x_2(\tau)$.
 +
#&nbsp; &raquo;'''Mirroring the second function'''&laquo;: &nbsp; $x_2(\tau) \to x_2(-\tau)$.
 +
#&nbsp; &raquo;'''Shifting the mirrorred function'''&laquo; by&nbsp; $t$:&nbsp;  $x_2(-\tau) \to x_2(t-\tau)$.
 +
#&nbsp; &raquo;'''Multiplication'''&laquo;&nbsp; of both functions&nbsp; $x_1(\tau)$&nbsp; and&nbsp; $x_2(t-\tau)$.
 +
#&nbsp; &raquo;'''Integration'''&laquo;&nbsp; over the product resp.&nbsp; $\tau$&nbsp; between the limits&nbsp; $-\infty$&nbsp; to&nbsp; $+\infty$.
 +
 
  
Dann sind die folgenden Schritte erforderlich:
 
#&nbsp; Die&nbsp; '''Zeitvariablen'''&nbsp; der beiden Funktionen&nbsp; '''ändern''': &nbsp; <br>&nbsp; &nbsp; $x_1(t) \to x_1(\tau)$, &nbsp; $x_2(t) \to x_2(\tau)$.
 
#&nbsp; Zweite&nbsp; '''Funktion spiegeln''': &nbsp; $x_2(\tau) \to x_2(-\tau)$.
 
#&nbsp; Gespiegelte&nbsp; '''Funktion''' um $t$&nbsp; '''verschieben''': &nbsp; $x_2(-\tau) \to x_2(t-\tau)$.
 
#&nbsp; '''Multiplikation'''&nbsp; der beiden Funktionen&nbsp; $x_1(\tau)$&nbsp; und&nbsp; $x_2(t-\tau)$.
 
#&nbsp; '''Integration'''&nbsp; über das Produkt bezüglich&nbsp; $\tau$&nbsp; in den Grenzen von&nbsp; $-\infty$&nbsp; bis&nbsp; $+\infty$.
 
  
 +
<u>Note:</u>
 +
*Since convolution is commutative,&nbsp; $x_1(\tau)$&nbsp; can also be mirrored instead of&nbsp; $x_2(\tau)$.
  
Da die Faltung kommutativ ist, kann statt&nbsp; $x_2(\tau)$&nbsp; auch&nbsp; $x_1(\tau)$&nbsp; gespiegelt werden.
+
*The topic is also illustrated by the HTML5 applet&nbsp; [[Applets:Graphical_Convolution|&raquo;Graphical Convolution&laquo;]].  
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
Die Thematik wird auch durch das (neuere) HTML 5&ndash;Applet&nbsp; [[Applets:Zur_Verdeutlichung_der_grafischen_Faltung|Zur Verdeutlichung der grafischen Faltung]]&nbsp; veranschaulicht.
+
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:P_ID582__Sig_T_3_4_S4_neu.png|right|frame|Jump function convoluted with the exponential function]]  
 +
$\text{Example 4:}$&nbsp;
  
[[File:P_ID582__Sig_T_3_4_S4_neu.png|right|frame|Beispiel einer Faltungsoperation: <br>Sprungfunktion gefaltet mit Exponentialfunktion]]
+
The procedure for the graphical convolution is now explained with a detailed example:  
{{GraueBox|TEXT= 
+
#At the input of a filter there is a jump function&nbsp; $x(t) = \gamma(t)$.  
$\text{Beispiel 4:}$&nbsp;
+
#The impulse response of the first order low-pass filter is&nbsp; $h( t ) = {1}/{T} \cdot {\rm{e} }^{ - t/T}.$
Die Vorgehensweise bei der grafischen Faltung wird nun anhand eines ausführlichen Beispiels erklärt:
+
#The time axis is already renamed to&nbsp; $\tau$.
*Am Eingang eines Filters liege eine Sprungfunktion&nbsp; $x(t) = \gamma(t)$&nbsp; an.  
 
*Die Impulsantwort des RC-Tiefpasses sei&nbsp; $h( t ) = {1}/{T} \cdot {\rm{e} }^{ - t/T}.$
 
  
  
Die Grafik zeigt rot das Eingangssignal&nbsp;  $x(\tau)$, blau die Impulsantwort&nbsp; $h(\tau)$&nbsp; und grau das Ausgangssignal&nbsp; $y(\tau)$.
+
The graphic shows
Die Zeitachse ist bereits in $\tau$ umbenannt.
+
#the&nbsp; $($red colored$)$&nbsp;  input signal&nbsp; $x(\tau)$,  
 +
#the&nbsp; $($blue colored$)$&nbsp; impulse response&nbsp; $h(\tau)$,&nbsp;  
 +
#the&nbsp; $($grey colored$)$&nbsp; output signal&nbsp; $y(\tau)$.  
  
Das Ausgangssignal kann zum Beispiel nach folgender Gleichung berechnet werden:
+
 
 +
The output signal can be calculated for example using the following equation:
 
   
 
   
 
:$$y(t) = h(t) * x(t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {h( \tau  )}  \cdot x( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
 
:$$y(t) = h(t) * x(t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {h( \tau  )}  \cdot x( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
  
Noch einige Anmerkungen zur grafischen Faltung:
+
Some more remarks:
*Der Ausgangswert bei&nbsp; $t = 0$&nbsp; ergibt sich, indem man das Eingangssignal&nbsp; $x(\tau)$&nbsp; spiegelt, dieses gespiegelte Signal&nbsp; $x(-\tau)$&nbsp; mit der Impulsantwort&nbsp; $h(\tau)$&nbsp; multipliziert und darüber integriert.
+
*The output value at&nbsp; $t = 0$&nbsp; is obtained by mirroring the input signal&nbsp; $x(\tau)$.&nbsp; This mirrored signal&nbsp; $x(-\tau)$&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&nbsp; $h(\tau)$&nbsp; und gleichzeitig auch die rot gestrichelte Spiegelung&nbsp; $x(-\tau)$&nbsp; ungleich Null ist, folgt daraus&nbsp; $y(t=0)=0$.
+
 
*Für jeden anderen Zeitpunkt&nbsp; $t$ muss&nbsp; das Eingangssignal verschoben werden  &nbsp; ⇒ &nbsp; $x(t-\tau)$, beispielsweise entsprechend der grün gestrichelten Kurve für&nbsp; $t=T$.
+
*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; $y(t=0)=0$.
*Da in diesem Beispiel auch&nbsp; $x(t-\tau)$&nbsp; nur&nbsp; $0$&nbsp; und&nbsp; $1$&nbsp; sein kann, wird die Integration&nbsp; $($allgemein von&nbsp; $\tau_1$&nbsp; bis&nbsp; $\tau_2)$&nbsp; sehr einfach und man erhält hier mit&nbsp; $\tau_1 = 0$&nbsp;  und&nbsp; $\tau_2 = t$&nbsp;:
+
 
 +
*For any other time&nbsp; $t$&nbsp; the input signal must be shifted &nbsp; ⇒ &nbsp; $x(t-\tau)$,&nbsp; for example according to the green dotted curve for&nbsp; $t=T$.
 +
 
 +
*As in this example&nbsp; $x(t-\tau)$&nbsp; is only&nbsp; $0$&nbsp; or&nbsp; $1$&nbsp; the integration&nbsp; $($general from&nbsp; $\tau_1$&nbsp; to&nbsp; $\tau_2)$&nbsp; is very simple and you get here with&nbsp; $\tau_1 = 0$&nbsp;  and&nbsp; $\tau_2 = t$&nbsp;:
 
:$$y( t) = \int_0^{\hspace{0.05cm} t} {h( \tau)}\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = \frac{1}{T}\cdot\int_0^{\hspace{0.05cm} t} {{\rm{e}}^{ - \tau /T } }\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = 1 - {{\rm{e}}^{ - t /T } }.$$
 
:$$y( t) = \int_0^{\hspace{0.05cm} t} {h( \tau)}\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = \frac{1}{T}\cdot\int_0^{\hspace{0.05cm} t} {{\rm{e}}^{ - \tau /T } }\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = 1 - {{\rm{e}}^{ - t /T } }.$$
 +
*This sketch is valid for &nbsp; $t=T$&nbsp; and results in the output value&nbsp; $y(t=T) = 1 - 1/\text{e} \approx 0.632$.}}
  
Die Skizze gilt für&nbsp; $t=T$&nbsp; und führt zum Ausgangswert&nbsp; $y(t=T) = 1 – 1/\text{e} \approx 0.632$.}}
 
  
 +
==Descriptive interpretation of convolution==
 +
<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; $K_0 \cdot \delta(t)$&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.
  
==Anschauliche Deutung der Faltung==
+
*The&nbsp; $($blue$)$&nbsp; $T= 1 \,\text{ms}$&nbsp; shifted  Dirac delta with weight&nbsp; $K_1 > K_0$&nbsp; results in the output signal&nbsp; $y_1(t)$&nbsp; which is delayed with respect to the red signal and increased in amplitude.
<br>
 
Wir gehen von  einer Impulsantwort&nbsp; $h(t)$&nbsp; aus, die zunächst eine Millisekunde lang konstant ist und dann bis zur Zeit&nbsp; $t = 3 \,\text{ms}$&nbsp; linear bis auf Null abfällt.
 
*Legt man an den Eingang dieses Tiefpassfilters einen Diracimpuls&nbsp; $K_0 \cdot \delta(t)$&nbsp; an, so ist das Ausgangssignal&nbsp; $y(t)$&nbsp; formgleich mit der Impulsantwort&nbsp; $h(t)$. Der Sachverhalt ist im Bild rot dargestellt.
 
*Ein um&nbsp; $T= 1 \,\text{ms}$&nbsp; späterer Diracimpuls mit Gewicht&nbsp; $K_1 > K_0$&nbsp; hat das blau gezeichnete Ausgangssignal&nbsp; $y_1(t)$&nbsp; zur Folge, das gegenüber dem roten Signal verzögert und in der Amplitude vergrößert ist.
 
  
  
[[File:P_ID524__Sig_T_3_4_S5_rah.png|right|frame|Zur anschaulichen Deutung der Faltung]]
+
Now we consider the input signal consisting of seven differently weighted Dirac deltas:
Wir betrachten nun das aus sieben verschieden gewichteten und verschobenen Diracimpulsen bestehende Eingangssignal
 
 
   
 
   
 
:$$x( t ) = \sum\limits_{n = 0}^6 {K_n  \cdot \delta ( {t - n \cdot T} ),}$$
 
:$$x( t ) = \sum\limits_{n = 0}^6 {K_n  \cdot \delta ( {t - n \cdot T} ),}$$
  
das als zeitdiskrete Näherung eines zeitkontinuierlichen Signals aufgefasst werden kann.  
+
which can be understood as a time&ndash;discrete approximation of a time&ndash;continuous signal.  
  
*Das Signal am Ausgang des linearen Systems ist die Summe der sieben im Bild verschiedenfarbig markierten Teilsignale:
+
*The output signal of the linear system is the sum of the seven partial signals marked with different colors in the figure:
 
   
 
   
 
:$$y( t ) = \sum\limits_{n = 0}^6 {K_n  \cdot h( {t - n \cdot T} ).}$$
 
:$$y( t ) = \sum\limits_{n = 0}^6 {K_n  \cdot h( {t - n \cdot T} ).}$$
  
*Wir betrachten nun beispielhaft den Signalwert zum Zeitpunkt&nbsp; $t = 4.5T$&nbsp; (siehe Strichpunktierung):
+
*We now look at the signal value at time&nbsp; $t = 4.5T$&nbsp; $($see dotted line$)$:
 
   
 
   
 
:$$y( {t = 4.5T} ) = K_2  \cdot h( {2.5T} ) + K_3  \cdot h(1.5 T ) + K_4  \cdot h( 0.5 T ).$$
 
:$$y( {t = 4.5T} ) = K_2  \cdot h( {2.5T} ) + K_3  \cdot h(1.5 T ) + K_4  \cdot h( 0.5 T ).$$
  
Der Signalwert $y(t=4.5T)$ wird somit nur durch die Eingangssignalwerte&nbsp; $K_2$,&nbsp; $K_3$&nbsp; und&nbsp; $K_4$&nbsp; bestimmt, und zwar ist der Einfluss
+
*$y( {t = 4.5T} )$&nbsp; is thus only determined by the input signal values&nbsp; $K_2$,&nbsp; $K_3$&nbsp; and&nbsp; $K_4$.&nbsp; <u>Note:</u>
*von&nbsp; $K_4$&nbsp; wegen&nbsp; $h(0.5T) = 1$&nbsp; am stärksten,
+
 
*von&nbsp; $K_3$&nbsp; wegen&nbsp; $h(1.5T) = 0.75$&nbsp; weniger stark,
+
#The influence of&nbsp; $K_4$&nbsp; is  the greatest due to&nbsp; $h(0.5T) = 1$.&nbsp;  
*von&nbsp; $K_2$&nbsp; wegen&nbsp; $h(2.5T) = 0.25$&nbsp; am geringsten.
+
#The influence of&nbsp; $K_3$&nbsp; is  less  strong due to&nbsp; $h(1.5T) = 0.75$.&nbsp;  
 +
#The influence of&nbsp; $K_2$&nbsp; is the lowest due to&nbsp; $h(2.5T) = 0.25$.&nbsp;
  
  
  
==Beweis des Faltungssatzes==
+
==Proof of the Convolution Theorem==
 
<br>
 
<br>
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
$\text{Definition: }$&nbsp;
 
$\text{Definition: }$&nbsp;
Man nennt die  folgende Verknüpfung der Zeitfunktionen&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; und&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; die&nbsp; '''Faltung'''&nbsp; und stellt diesen Funktionalzusammenhang mit einem Stern dar:
+
The following relation of time functions&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; is called the&nbsp; &raquo;'''convolution'''&laquo;&nbsp; and represents this functional relation with a star:
 
   
 
   
 
:$$x_{\rm{1} } (t) * x_{\rm{2} } (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  ) }  \cdot x_2 ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
 
:$$x_{\rm{1} } (t) * x_{\rm{2} } (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  ) }  \cdot x_2 ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
  
Daraus ergibt sich die folgende Fourierkorrespondenz:
+
*This results in the following&nbsp; &raquo;'''Fourier correspondence'''&laquo;:
 
   
 
   
 
:$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}{ {x} }_{\rm{1} } ( t ) * { {x} }_{\rm{2} } (t ).$$}}
 
:$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}{ {x} }_{\rm{1} } ( t ) * { {x} }_{\rm{2} } (t ).$$}}
Line 184: Line 213:
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Beweis: }$&nbsp;
+
$\text{Proof: }$&nbsp;
Die Fourierintegrale der Funktionen&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; und&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; lauten mit veränderten Integrationsvariablen:
+
The Fourier integrals of functions&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; are with modified integration variables:
 
   
 
   
 
:$$X_1 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }f\tau }\hspace{0.1cm} {\rm{d } }\tau{\rm{,} }$$
 
:$$X_1 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }f\tau }\hspace{0.1cm} {\rm{d } }\tau{\rm{,} }$$
  
:$$X_2 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_2 ( {t'} ) }  \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }ft\hspace{0.05cm}'}\hspace{0.1cm} {\rm{d} }t\hspace{0.05cm}'{\rm{.} }$$
+
:$$X_2 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_2 ( {t\hspace{0.05cm}'} ) }  \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }ft\hspace{0.05cm}'}\hspace{0.1cm} {\rm{d} }t\hspace{0.05cm}'{\rm{.} }$$
 
   
 
   
*Bildet man das Produkt der Spektralfunktionen, so erhält man:
+
*If you form the product of the spectral functions, you get
 
   
 
   
 
:$$X_1 (f) \cdot X_2 (f) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )  \hspace{0.05 cm}\cdot } }\hspace{0.05 cm} x_2 ( {t\hspace{0.05cm}'} ) \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }f\left( {\tau  + t\hspace{0.05cm}'} \right) }\hspace{0.1cm} {\rm d} \tau \hspace{0.1cm}{\rm d}t\hspace{0.05cm}'{\rm{.} }$$
 
:$$X_1 (f) \cdot X_2 (f) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )  \hspace{0.05 cm}\cdot } }\hspace{0.05 cm} x_2 ( {t\hspace{0.05cm}'} ) \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }f\left( {\tau  + t\hspace{0.05cm}'} \right) }\hspace{0.1cm} {\rm d} \tau \hspace{0.1cm}{\rm d}t\hspace{0.05cm}'{\rm{.} }$$
  
*Mit der Substitution&nbsp; $t = \tau + t\hspace{0.05cm}'$&nbsp; ergibt sich:
+
*With the substitution&nbsp; $t = \tau + t\hspace{0.05cm}'$&nbsp; results:
 
   
 
   
 
:$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\left[ {\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau )}  \cdot x_2 ( {t - \tau} )\hspace{0.1cm}{\rm{d } } }\tau \right] }  \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }ft}\hspace{0.1cm} {\rm{d} }t{\rm{.} }$$
 
:$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\left[ {\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau )}  \cdot x_2 ( {t - \tau} )\hspace{0.1cm}{\rm{d } } }\tau \right] }  \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }ft}\hspace{0.1cm} {\rm{d} }t{\rm{.} }$$
  
:In dieser Gleichung ist bereits berücksichtigt, dass die Exponentialfunktion unabhängig von der inneren Integrationsvariablen&nbsp; $τ$&nbsp; 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&nbsp; $P(f)$&nbsp; und die dazugehörige Zeitfunktion mit&nbsp; $p(t)$, so lautet das entsprechende Fourierintegral:
+
*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
 
   
 
   
 
:$$P(f) = X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) =\int_{ - \infty }^{ + \infty } {p( t )}  \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }ft} \hspace{0.1cm}{\rm{d} }t{\rm{.} }$$
 
:$$P(f) = X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) =\int_{ - \infty }^{ + \infty } {p( t )}  \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }ft} \hspace{0.1cm}{\rm{d} }t{\rm{.} }$$
  
*Ein Koeffizientenvergleich der beiden Integrale zeigt, dass folgender Zusammenhang gelten muss:
+
*A coefficient comparison of the last two integrals shows that the following relationship apply:
 
   
 
   
 
:$$p( t ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm{d } }\tau{\rm{.} }$$
 
:$$p( t ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm{d } }\tau{\rm{.} }$$
Line 212: Line 241:
  
  
==Aufgaben zum Kapitel==
+
==Exercises for the chapter==
 
<br>
 
<br>
[[Aufgaben:3.7 Synchrondemodulator|A3.7 Synchrondemodulator]]
+
[[Aufgaben:Exercise_3.7:_Synchronous_Demodulator|Exercise 3.7: Synchronous Demodulator]]
  
[[Aufgaben: 3.7Z Rechtecksignal mit Echo|Z3.7 Rechtecksignal mit Echo]]
+
[[Aufgaben:Exercise_3.7Z:_Rectangular_Signal_with_Echo|Exercise 3.7Z: Rectangular Signal with Echo]]
  
[[Aufgaben:3.8 Dreimal Faltung?|A3.8 Dreimal Faltung?]]
+
[[Aufgaben:Exercise_3.8:_Triple_Convolution|Exercise 3.8: Triple Convolution?]]
  
[[Aufgaben: 3.8Z Faltung zweier Rechtecke|Z3.8 Faltung zweier Rechtecke]]
+
[[Aufgaben:Exercise_3.8Z:Convolution_of_Two_Rectangles|Exercise 3.8Z: Convolution of Two Rectangles]]
  
[[Aufgaben:3.9 Faltung von Rechteck und Gauß|A3.9 Faltung von Rechteck und Gauß]]
+
[[Aufgaben:Exercise_3.9:_Convolution_of_Rectangle_and_Gaussian_Pulse|Exercise 3.9: Convolution of Rectangle and Gaussian Pulse]]
  
[[Aufgaben:3.9Z Gauß gefaltet mit Gauß|Z3.9 Gauß gefaltet mit Gauß]]
+
[[Aufgaben:Exercise_3.9Z:_Convolution_of_Gaussian_Pulses|Exercise 3.9Z: Convolution of Gaussian Pulses]]
  
  
  
 
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Latest revision as of 16:50, 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  $x_1(t)$  and  $x_2(t)$  are known:

$$X_1 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}x_1( t ),\quad X_2 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}x_2 ( t ).$$

Then for the time function of the product  $X_1(f) \cdot X_2(f)$  applies:

$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau )} \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$

$\tau$  is a formal integration variable with the dimension of a time.

$\text{Definition:}$ 

The above connection of the time function  $x_1(t)$  and  $x_2(t)$  is called  »convolution«.  One represents this functional connection with a star:

$$x_{\rm{1} } (t) * x_{\rm{2} } (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau ) } \cdot x_2 ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = x_{\rm{2} } (t) * x_{\rm{1} } (t) .$$
  • Thus the above Fourier correspondence can be written as follows:
$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}{ {x} }_{\rm{1} } ( t ) * { {x} }_{\rm{2} } (t ).$$
  • The convolution is  »commutative«   ⇒  The order of the operands can be changed:
$$x_1(t) * x_2(t) =x_2(t) * x_1(t).$$
  • The  »Proof«  will be shown at the end of this chapter.


On calculation of signal and spectrum of the LTI output

$\text{Example 1:}$  Every linear time-invariant  $\rm (LTI)$  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:
$$Y(f) = X(f) \cdot H(f)\hspace{0.05cm}.$$
  • It is possible to calculate the output signal in the time domain with the convolution theorem:
$$y( t ) = x(t) * h( t ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm}{x( \tau )} \cdot h( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm} {h( \tau )} \cdot x( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = h(t) * x( t ).$$
  • 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:

$$x_1 ( t ) \cdot x_2 ( t )\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X_1 (f) * X_2 (f) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {X_1 ( \nu )} \cdot X_2 ( {f - \nu })\hspace{0.1cm}{\rm d}\nu.$$

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

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

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

  • The time domain representation  $\rm (blue)$  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  $\rm (red)$  that the output spectrum  $S(f)$  is equal to the convolution product of  $Q(f)\ \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ \ q(t)$  and  $Z(f)\ \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ \ z(t)$.


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  $x_1(t)$  with the function
$$x_2 ( t ) = \alpha \cdot \delta ( {t - T} ) \quad \circ\,\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet \quad X_2 ( f )= \alpha \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}2\hspace{0.03cm}{\rm{\pi }}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}T}.$$
  • For the spectral function of the signal  $y(t) = x_1(t) \ast x_2(t)$  it follows:
$$Y( f ) = X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) = X_1 ( f ) \cdot \alpha \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}2\hspace{0.03cm}{\rm{\pi }}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}T}.$$
  • The complex exponential function leads to a shift by  $T$   ⇒   »Shifting Theorem«,  the factor  $\alpha$  to an attenuation  $(\alpha < 1)$  or amplification  $(\alpha > 1)$.  From this follows:
$$x_1 (t) * x_2 (t) = \alpha \cdot x_1 ( {t - T} ).$$

$\text{In Words: }$ 

  • 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  $\alpha$  has to be taken into account.


$\text{Example 3:}$  A rectangle pulse  $x(t)$  is delayed by an LTI system by the delay time  $\tau = 3\,\text{ ms}$  and attenuated by the factor  $\alpha = 0.5$.

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  $\rm LNTwww$ applet  »Convolution«:
    $x_1(t)$  is denoted as  $x(t)$  and  $x_2(t)$  as  $h(t)$

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

$$y(t) = x_1 (t) * x_2 (t) $$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}y(t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau )} \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$

The solution of the convolution integral shall be done graphically.  It is assumed that  $x_1(t)$  and  $x_2(t)$  are continuous time signals.

Then the following steps are required:

  1.   »Change time variables« of the functions:  $x_1(t) \to x_1(\tau)$,   $x_2(t) \to x_2(\tau)$.
  2.   »Mirroring the second function«:   $x_2(\tau) \to x_2(-\tau)$.
  3.   »Shifting the mirrorred function« by  $t$:  $x_2(-\tau) \to x_2(t-\tau)$.
  4.   »Multiplication«  of both functions  $x_1(\tau)$  and  $x_2(t-\tau)$.
  5.   »Integration«  over the product resp.  $\tau$  between the limits  $-\infty$  to  $+\infty$.


Note:

  • Since convolution is commutative,  $x_1(\tau)$  can also be mirrored instead of  $x_2(\tau)$.


Jump function convoluted with the exponential function

$\text{Example 4:}$ 

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  $x(t) = \gamma(t)$.
  2. The impulse response of the first order low-pass filter is  $h( t ) = {1}/{T} \cdot {\rm{e} }^{ - t/T}.$
  3. The time axis is already renamed to  $\tau$.


The graphic shows

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


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

$$y(t) = h(t) * x(t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {h( \tau )} \cdot x( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$

Some more remarks:

  • The output value at  $t = 0$  is obtained by mirroring the input signal  $x(\tau)$.  This mirrored signal  $x(-\tau)$  is multiplied by the impulse response  $h(\tau)$  and integrated over it.
  • As there is no time interval,  where both the blue curve  $h(\tau)$  and at the same time also the red dashed mirrored curve  $x(-\tau)$  is not equal to zero,  the result is  $y(t=0)=0$.
  • For any other time  $t$  the input signal must be shifted   ⇒   $x(t-\tau)$,  for example according to the green dotted curve for  $t=T$.
  • As in this example  $x(t-\tau)$  is only  $0$  or  $1$  the integration  $($general from  $\tau_1$  to  $\tau_2)$  is very simple and you get here with  $\tau_1 = 0$  and  $\tau_2 = t$ :
$$y( t) = \int_0^{\hspace{0.05cm} t} {h( \tau)}\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = \frac{1}{T}\cdot\int_0^{\hspace{0.05cm} t} {{\rm{e}}^{ - \tau /T } }\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = 1 - {{\rm{e}}^{ - t /T } }.$$
  • This sketch is valid for   $t=T$  and results in the output value  $y(t=T) = 1 - 1/\text{e} \approx 0.632$.


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   $t = 3 \,\text{ms}$.

An interpretation of  "Convolution"
  • If  $K_0 \cdot \delta(t)$  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$)$  $T= 1 \,\text{ms}$  shifted Dirac delta with weight  $K_1 > K_0$  results in the output signal  $y_1(t)$  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:

$$x( t ) = \sum\limits_{n = 0}^6 {K_n \cdot \delta ( {t - n \cdot T} ),}$$

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:
$$y( t ) = \sum\limits_{n = 0}^6 {K_n \cdot h( {t - n \cdot T} ).}$$
  • We now look at the signal value at time  $t = 4.5T$  $($see dotted line$)$:
$$y( {t = 4.5T} ) = K_2 \cdot h( {2.5T} ) + K_3 \cdot h(1.5 T ) + K_4 \cdot h( 0.5 T ).$$
  • $y( {t = 4.5T} )$  is thus only determined by the input signal values  $K_2$,  $K_3$  and  $K_4$.  Note:
  1. The influence of  $K_4$  is the greatest due to  $h(0.5T) = 1$. 
  2. The influence of  $K_3$  is less strong due to  $h(1.5T) = 0.75$. 
  3. The influence of  $K_2$  is the lowest due to  $h(2.5T) = 0.25$. 


Proof of the Convolution Theorem


$\text{Definition: }$  The following relation of time functions  $x_1(t)$  and  $x_2(t)$  is called the  »convolution«  and represents this functional relation with a star:

$$x_{\rm{1} } (t) * x_{\rm{2} } (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau ) } \cdot x_2 ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
  • This results in the following  »Fourier correspondence«:
$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}{ {x} }_{\rm{1} } ( t ) * { {x} }_{\rm{2} } (t ).$$


$\text{Proof: }$  The Fourier integrals of functions  $x_1(t)$  and  $x_2(t)$  are with modified integration variables:

$$X_1 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau )} \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }f\tau }\hspace{0.1cm} {\rm{d } }\tau{\rm{,} }$$
$$X_2 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_2 ( {t\hspace{0.05cm}'} ) } \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }ft\hspace{0.05cm}'}\hspace{0.1cm} {\rm{d} }t\hspace{0.05cm}'{\rm{.} }$$
  • If you form the product of the spectral functions, you get
$$X_1 (f) \cdot X_2 (f) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau ) \hspace{0.05 cm}\cdot } }\hspace{0.05 cm} x_2 ( {t\hspace{0.05cm}'} ) \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }f\left( {\tau + t\hspace{0.05cm}'} \right) }\hspace{0.1cm} {\rm d} \tau \hspace{0.1cm}{\rm d}t\hspace{0.05cm}'{\rm{.} }$$
  • With the substitution  $t = \tau + t\hspace{0.05cm}'$  results:
$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\left[ {\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau )} \cdot x_2 ( {t - \tau} )\hspace{0.1cm}{\rm{d } } }\tau \right] } \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }ft}\hspace{0.1cm} {\rm{d} }t{\rm{.} }$$
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