Difference between revisions of "Signal Representation/Harmonic Oscillation"

From LNTwww
 
(83 intermediate revisions by 8 users not shown)
Line 1: Line 1:
 
   
 
   
 
{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Periodische Signale
+
|Untermenü=Periodic Signals
|Vorherige Seite=Gleichsignal - Grenzfall eines periodischen Signals
+
|Vorherige Seite=Direct Current Signal - Limit Case of a Periodic Signal
|Nächste Seite=Fourierreihe
+
|Nächste Seite=Fourier Series
 
}}
 
}}
  
==Definition und Eigenschaften==
+
==Definition and properties==
Besondere Bedeutung für die Nachrichtentechnik – aber auch in vielen Naturwissenschaften – haben harmonische Schwingungen. Das folgende Bild zeigt einen beispielhaften Signalverlauf.
+
<br>
 +
[[File:Sig_T_2_3_S1_Version3.png|right|frame|Example of a harmonic oscillation]]
  
[[File:P_ID127__Sig_T_2_3_S1_rah.png|250px|right|Harmonische Schwingung]]
+
Harmonic oscillations are of particular importance for Communications Engineering as well as in many natural sciences.&nbsp; The diagram shows an exemplary signal waveform.
  
Ihre Bedeutung hängt auch damit zusammen, dass die harmonische Schwingung die Lösung einer in vielen Disziplinen vorkommenden Differentialgleichung darstellt, die wie folgt lautet:
+
Its importance is also related to the fact that the harmonic oscillation represents the solution of a&nbsp; differential equation&nbsp; which is found in many disciplines and reads as follows:
 
   
 
   
$$ x(t) + k \cdot\ddot{x} (t) =0.$$
+
:$$ x(t) + k \cdot\ddot{x} (t) = 0.$$
  
Hierbei kennzeichnen die beiden Punkte die zweite Ableitung der Funktion $x(t)$ nach der Zeit.
+
Here the two dots mark the second derivative of the function&nbsp; $x(t)$&nbsp; after time.
 +
<br clear=all>
  
{{Definition}}
+
{{BlaueBox|TEXT= 
Eine jede '''harmonische Schwingung''' kann man in allgemeinster Form wie folgt darstellen:
+
$\text{Definition:}$&nbsp;
 +
Any&nbsp; &raquo;'''harmonic oscillation'''&laquo;&nbsp; can be represented in most general form as follows:
  
$$x(t)= C \cdot \cos(2\pi f_0 t - \varphi).$$
+
:$$x(t)= C \cdot \cos(2\pi f_0 t - \varphi).$$
  
{{end}}
+
The following signal parameters are used:
 +
*the&nbsp; &raquo;'''amplitude'''&laquo;&nbsp; $C$&nbsp; &ndash; simultaneously the maximum value of the signal,
  
 +
*the&nbsp; &raquo;'''signal frequency'''&laquo;&nbsp; $f_{0}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; the reciprocal of the period duration&nbsp; $T_{0}$, and
  
Hierbei sind folgende Signalparameter verwendet:
+
*the&nbsp; &raquo;'''zero phase angle'''&laquo;&nbsp; $($or briefly the&nbsp; &raquo;phase&laquo;$)$ &nbsp; $\varphi$&nbsp; of the oscillation.}}
*die '''Amplitude''' $C$, gleichzeitig der Maximalwert des Signals,
 
*die '''Signalfrequenz''' $f_{0}$, und
 
*der '''Nullphasenwinkel''' (oder kurz die Phase) $\phi$ der Schwingung.
 
  
''Anmerkung'': In diesem Tutorial geht – wie auch in anderer Literatur üblich – bei der Beschreibung von harmonischen Schwingungen, Fourierreihe und Fourierintegral die Phase mit negativem Vorzeichen in die Gleichungen ein, während in Zusammenhang mit allen Modulationsverfahren die Phase stets mit einem Pluszeichen angesetzt wird.
+
 
Zur Unterscheidung der beiden Varianten benutzen wir in ''LNTwww'' $\phi$ und $\Phi$. Beide Symbole kennzeichnen das kleine griechische „phi”, wobei die Schreibweise $\phi$ vorwiegend im deutschen und $\Phi$ im anglo-amerikanischen Sprachraum angewandt wird.
+
The following&nbsp; $($German-language$)$&nbsp; learning video illustrates the properties of harmonic oscillations using scales: <br>
Die Angaben $\phi = 90^circ$ und $\Phi = 90^circ$ sind somit äquivalent und stehen beide für die Sinusfunktion:
+
&nbsp; &nbsp; &nbsp; [[Harmonische_Schwingungen_(Lernvideo)|&raquo;Harmonische Schwingungen&laquo;]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Harmonic Oscillations".
 +
 
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Comments on nomenclature:}$&nbsp;
 +
 
 +
In this tutorial &ndash; as usual in other literature when describing harmonic oscillations,&nbsp; Fourier series and Fourier integral &ndash;  the phase is entered into the equations with negative sign,&nbsp; whereas in connection with all modulation methods the phase is entered with a plus sign.
 +
*To distinguish between the two variants we use in our tutorial &nbsp; $\varphi$&nbsp; and&nbsp; $\phi$.&nbsp; Both symbols denote the small Greek "phi".&nbsp; The spelling&nbsp; $\varphi$&nbsp; is mainly used in the German and&nbsp; $\phi$&nbsp; in the anglo&ndash;american language area.
 +
 
 +
*The indications&nbsp; $\varphi = 90^{\circ}$&nbsp; and&nbsp; $\phi = -90^{\circ}$&nbsp; are thus equivalent and both stand for the sine function:
 
   
 
   
$$\cos(2 \pi f_0 t - 90^{\circ}) = \cos(2 \pi f_0 t - \varphi)  = \cos(2 \pi f_0 t + \phi) = \sin(2 \pi f_0 t ).$$
+
:$$\cos(2 \pi f_0 t - 90^{\circ}) = \cos(2 \pi f_0 t - \varphi)  = \cos(2 \pi f_0 t + \phi) = \sin(2 \pi f_0 t ).$$}}
  
Das folgende Lernvideo verdeutlicht die Eigenschaften harmonischer Schwingungen anhand von Tonleitern:
 
Harmonische Schwingungen (Dauer Teil 1: 4:33 – Teil 2: 6:15)
 
  
 +
==Time domain representation==
 +
<br>
 +
The amplitude&nbsp; $C$&nbsp; can be read directly from the adjacent graph.&nbsp; The signal frequency $f_0$&nbsp; is the reciprocal of the period duration&nbsp; $T_0$.&nbsp;
 +
[[File:P_ID129__Sig_T_2_3_S2a.png|right|frame|Signal parameters of a harmonic oscillation]]
  
==Zeitsignaldarstellung==
+
If the above equation is written in the form
  
[[File:P_ID129__Sig_T_2_3_S2a.png|250px|right|Signalparameter einer harmonischen Schwingung]]
+
:$$x(t)  =  C \cdot \cos(2\pi f_0 t - \varphi) =  C \cdot \cos \big(2\pi f_0  (t - \tau) \big), $$
Die Amplitude $C$ kann aus der folgenden Grafik direkt abgelesen werden. Die Signalfrequenz $f_0$ ist gleich dem Kehrwert der Periodendauer $T_0$. Schreibt man die obige Gleichung in der Form
+
 +
it becomes clear that the zero phase angle&nbsp; $\varphi$&nbsp; and the shift&nbsp; $\tau$&nbsp; relative to a cosine signal are related as follows
  
$$x(t) \hspace{-0.15 cm} =  \hspace{-0.15 cm}C \cdot \cos(2\pi f_0 t - \varphi) =  \hspace{-0.15 cm} C \cdot \cos(2\pi f_0  (t - \tau)) $$,
+
:$$\varphi =  \frac{\tau}{T_0} \cdot 2{\pi}. $$
 +
 
 +
*For a cosine signal both the parameters&nbsp; $\tau$&nbsp; and&nbsp; $\varphi$&nbsp; are zero.
 
   
 
   
so wird klar, dass der Nullphasenwinkel $\phi$ und die Verschiebung $\tau$ gegenüber einem cosinusförmigen Signal wie folgt zusammenhängen:
+
*In contrast,&nbsp; a sinusoidal signal&nbsp; is shifted by&nbsp; $\tau = T_0/4$&nbsp; and accordingly applies to the zero phase angle&nbsp; $\varphi = \pi/2$&nbsp; $($in radians$)$&nbsp; or &nbsp; $90^{\circ}$.
 +
 
 +
*So it can be stated that &ndash; as assumed for the above sketch &ndash; at a positive value of&nbsp; $\tau$&nbsp; resp. &nbsp; $\varphi$&nbsp; the $($referring&nbsp; $t = 0)$&nbsp; nearest signal maximum comes later than at the cosine signal and at negative values earlier.
  
$$\varphi  =  \frac{\tau}{T_0} \cdot 2{\pi}. $$
+
*If a cosine signal is present at the system input and the output signal is delayed by a value&nbsp; $\tau$&nbsp; then&nbsp; $\tau$&nbsp; is also called the&nbsp; &raquo;runtime&laquo;&nbsp; of the system.
  
Bei einem Cosinussignal sind die Kenngrößen $\tau$ und $\phi$ jeweils 0. Demgegenüber ist ein ''Sinussignal'' um $\tau = T_0/4$ verschoben und entsprechend gilt für den Nullphasenwinkel $\phi = \pi/2$ (im Bogenmaß) bzw. $90^circ$.
+
*Since a harmonic oscillation is clearly defined by three parameters,&nbsp; the entire time course from&nbsp; $-\infty$&nbsp; to&nbsp; $+\infty$&nbsp; can be calculated  analytically from only three signal values&nbsp; $x_1=x(t_1)$,&nbsp; $x_2=x(t_2)$,&nbsp; $x_3=x(t_3)$&nbsp; if the times&nbsp; $t_1$,&nbsp; $t_2$&nbsp; and&nbsp; $t_3$&nbsp; have been determined appropriately.
Es ist also festzustellen, dass – wie für das obige Beispiel vorausgesetzt – bei einem positiven Wert von $\tau$ bzw. $\phi$ das (bezüglich $t = 0$) nächstgelegene Signalmaximum später kommt als beim Cosinussignal und bei negativen Werten früher. Liegt am Systemeingang ein Cosinussignal an und ist das Ausgangssignal demgegenüber um einen Wert $\tau$ verzögert, so bezeichnet man $\tau$ auch als die Laufzeit des Systems.
 
Da eine harmonische Schwingung durch lediglich drei Signalparameter eindeutig festliegt, kann der gesamte Zeitverlauf von $-\infty$ bis $+\infty$ aus nur drei Signalwerten $x_1=x(t_1)$, $x_2=x(t_2)$, $x_3=x(t_3)$ analytisch beschrieben werden, wenn die Zeiten t1, t2 und t3 geeignet ausgewählt wurden.
 
  
  
{{Beispiel}}
+
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:P_ID2717__Sig_T_2_3_S2b_neu.png|right|frame|Harmonic oscillation, defined by only&nbsp; $3$&nbsp; samples]]
 +
$\text{Example 1:}$&nbsp;
 +
From the three sample values,
 +
:$$x_1 = x(t_1 = 3.808 \;{\rm ms}) = +1.609,$$
 +
:$$x_2 = x(t_2 = 16.696 \;{\rm ms})=\hspace{0.05 cm} -0.469,$$
 +
:$$x_3 = x(t_3 = 33.84 \;{\rm ms}) = +1.227,$$
  
Aus den drei Abtastwerten,
+
you get the following system of equations:
[[File:P_ID2717__Sig_T_2_3_S2b_neu.png|350px|right|Harmonische Schwingung, festgelegt durch drei Abtastwerte]]
 
* $x_1 = x(t_1 = 3.808 \text{ms}) = +1.609$,
 
* $x_2 = x(t_2 = 16.696\text{ms})= –0.469$,
 
* $x_3 = x(t_3 = 33.84 \text{ms}) = +1.227$.
 
erhält man folgendes Gleichungssystem:
 
 
   
 
   
$C \cdot \cos(2\pi  \hspace{0.05 cm} f_0  \hspace{0.05 cm} t_1 - \varphi) \hspace{-0.15 cm} = \hspace{-0.15 cm}+1.609\hspace{0.05 cm},\\
+
:$$C \cdot \cos(2\pi  \hspace{0.05 cm} f_0  \hspace{0.05 cm} t_1 - \varphi) = +1.609\hspace{0.05 cm},$$
C \cdot \cos(2\pi  \hspace{0.05 cm} f_0  \hspace{0.05 cm} t_2 - \varphi) \hspace{-0.15 cm} =  \hspace{-0.15 cm}-0.469\hspace{0.05 cm},\\
+
:$$C \cdot \cos(2\pi  \hspace{0.05 cm} f_0  \hspace{0.05 cm} t_2 - \varphi) =  \hspace{0.05 cm} -0.469\hspace{0.05 cm},$$
C \cdot \cos(2\pi  \hspace{0.05 cm} f_0  \hspace{0.05 cm} t_3 - \varphi) \hspace{-0.15 cm} = \hspace{-0.15 cm}+1.227\hspace{0.05 cm}.$
+
:$$C \cdot \cos(2\pi  \hspace{0.05 cm} f_0  \hspace{0.05 cm} t_3 - \varphi) = +1.227\hspace{0.05 cm}.$$
 +
 
 +
After solving this nonlinear system of equations the following signal parameters are obtained:
 +
*Signal amplitude:&nbsp; $C = 2$,
 +
 
 +
*period duration:&nbsp; $T_0 = 8 \;{\rm ms}$ &nbsp; ⇒ &nbsp; signal frequency $f_0 = 125 \;{\rm Hz}$,
 +
 
 +
*shift with respect to a cosine:&nbsp; $\tau = 3 \;{\rm ms}$ &nbsp; ⇒ &nbsp; zero phase angle&nbsp; $\varphi = 3\pi /4 = 135^\circ$.
  
Nach Lösen dieses nichtlinearen Gleichungssystem ergeben sich folgende Signalparameter:
 
*Signalamplitude $C$ = 2,
 
*Periodendauer $T_0$ = 8 ms  ⇒  Signalfrequenz $f_0$ = 125 Hz,
 
*Verschiebung gegenüber einem Cosinus $\tau$ = 3 ms  ⇒  Nullphasenwinkel $\phi = 3\pi /4 = 135^circ$.
 
''Hinweis'': Legt man alle Abtastzeitpunkte $t_1$,$t_2$, $t_3$ in Maxima, Minima und/oder Nullstellen, so gibt es für das nichtlineare Gleichungssystem keine eindeutige Lösung.
 
{{end}}
 
  
 +
If you set all sampling times&nbsp; $t_1$,&nbsp; $t_2$,&nbsp; $t_3$&nbsp; in maxima, minima and/or zeros, there is no unique solution for the nonlinear equation system.}}
  
==Darstellung mit Cosinus- und Sinusanteil==
+
 
Eine weitere Darstellungsform der harmonischen Schwingung lautet wie folgt:
+
==Representation with cosine and sine components==
 +
<br>
 +
Another representation of the harmonic oscillation is as follows:
 
   
 
   
$$x(t)=A\cdot\cos(2\pi  f_0 t)+ B\cdot\sin(2\pi f_0 t).$$
+
:$$x(t)=A\cdot\cos(2\pi  f_0 t)+ B\cdot\sin(2\pi f_0 t).$$
  
Die Bezeichnungen $A$ und $B$ für die Amplituden von Cosinus– und Sinusanteil sind so gewählt, dass sie mit der Nomenklatur des nachfolgenden Kapitels Fourierreihe übereinstimmen.
+
*The terms&nbsp; $A$&nbsp; and&nbsp; $B$&nbsp; for the amplitudes of the cosine and sine components are chosen to match the nomenclature of the following chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Series|&raquo;Fourier Series&laquo;]].
Durch Anwendung trigonometrischer Umformungen erhalten wir aus der Darstellung auf der letzten Seite:
+
 
 +
*By applying trigonometric transformations we obtain from the illustration in the last section:
 
   
 
   
$$x(t)=C\cdot \cos(2\pi f_0 t-\varphi)=C\cdot\cos(\varphi)\cdot\cos(2\pi f_0  t)+C\cdot\sin(\varphi)\cdot\sin(2\pi f_0  t).$$
+
:$$x(t)=C\cdot \cos(2\pi f_0 t-\varphi)=C\cdot\cos(\varphi)\cdot\cos(2\pi f_0  t)+C\cdot\sin(\varphi)\cdot\sin(2\pi f_0  t).$$
  
Daraus folgt durch Koeffizientenvergleich direkt:
+
*From this follows directly by equating the coefficients:
 
   
 
   
$$A=C\cdot\cos(\varphi),$$
+
:$$A=C\cdot\cos(\varphi),$$
 +
:$$B=C\cdot\sin(\varphi).$$
  
$$B=C\cdot\sin(\varphi).$$
+
*The magnitude and the zero phase angle of the harmonic oscillation can be calculated from the parameters&nbsp; $A$&nbsp; and&nbsp; $B$&nbsp; also according to simple trigonometric considerations:
 
   
 
   
Der Betrag und der Nullphasenwinkel der harmonischen Schwingung können aus den Parametern A und B ebenfalls nach einfachen trigonometrischen Überlegungen berechnet werden:
+
:$$C=\sqrt{A^2+B^2},$$
+
:$$\varphi = \arctan\left({-B}/{A}\right).$$
$$C=\sqrt{A^2+B^2}, \hspace{0.4 cm}\varphi = \arctan\left({-B}/{A}\right).$$
+
 
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Please note:}$&nbsp;
 +
The minus&ndash;sign at the calculation of the zero phase angle&nbsp; $\varphi$&nbsp; is related to the fact&nbsp; that&nbsp; $\varphi$&nbsp; enters the argument of the cosine function with negative sign.&nbsp; If one would use the notation&nbsp; $\cos(2\pi f_0 t  +\phi)$&nbsp; instead of&nbsp; $\cos(2\pi f_0 t - \varphi)$,&nbsp; then&nbsp; $\phi= \arctan(B/A)$.&nbsp; Note the following here:
  
Das Minuszeichen bei der Berechnung des Nullphasenwinkels $\phi$ hängt damit zusammen, dass $\phi$ in das Argument der Cosinusfunktion mit negativem Vorzeichen eingeht. Würde man statt „$cos(2\pi f_0 t - \phi)$” die Schreibweise „$cos(2\pi f_0 t + \phi)$” verwenden, so gilt $\Phi$ = arctan($B/A$).
+
#For Fourier series and Fourier integral, the&nbsp; $\varphi$&nbsp; representation is common in literature.
 +
#For description of the modulation methods, however, the&nbsp; $\phi$&nbsp; representation is almost always used.}}
  
*Bei Fourierreihe und Fourierintegral ist in der Literatur die $\phi$–Darstellung üblich.
 
*Zur Beschreibung der Modulationsverfahren verwendet man fast immer die $\Phi$–Darstellung.
 
  
 +
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp; The oscillation shown in the left graphic as time course is characterized by the parameters[[File:Sig_T_2_3_S3_version2.png|right|frame|Harmonic oscillation. On the right: Represented in the complex plane]]
 +
*$C=2,$
 +
*$f_0 = 125 \;{\rm Hz}$, 
 +
*$\varphi = +135^{\circ}$  &nbsp; ⇒  &nbsp; $\phi = -135^{\circ}$.
  
{{Beispiel}}
 
  
[[File:P_ID2718__Sig_T_3_4_S3.png|400px|Harmonische Schwingung, dargestellt in der komplexen Ebene]]
+
The oscillation is completely described by each of the two equations:  
 +
 +
:$$x(t)  \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm}  2\cdot \cos(2\pi f_0 t-135^{\circ})\hspace{0.05cm},$$
 +
:$$x(t) \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} -\sqrt{2}\cdot \cos(2\pi f_0 t) \hspace{-0.05cm}+\hspace{-0.05cm}\sqrt{2}\cdot \sin(2\pi f_0 t)\hspace{0.05cm}.$$
  
 +
The sketch on the right illustrates the trigonometrical calculation:
  
Die in der Grafik dargestellte Schwingung wird durch jede der folgenden Gleichungen vollständig beschrieben. Es gilt $f_0$ = 125 Hz und $\phi = +135^{\circ}$  ⇒  $\Phi = -135^{\circ}$:
+
:$$A = 2\cdot \cos(-135^{\circ}) = -\sqrt{2}\hspace{0.05cm},$$
+
:$$B = 2\cdot \sin(-135^{\circ}) = +\sqrt{2}\hspace{0.05cm}.$$}}
$$x(t)\hspace{-0.15cm} \hspace{-0.15cm}2\cdot \cos(2\pi f_0 t-135^{\circ})\hspace{0.05cm},\\
 
x(t)\hspace{-0.15cm}  = \hspace{-0.15cm}-\sqrt{2}\cdot \cos(2\pi f_0 t) +\sqrt{2}\cdot \sin(2\pi f_0 t)\hspace{0.05cm}.$$
 
  
Die rechte Skizze verdeutlicht die trigonometrische Umformung:
 
  
$$A\hspace{-0.15cm}  =  \hspace{-0.15cm}2\cdot \cos(-135^{\circ}) = -\sqrt{2}\hspace{0.05cm},\\
+
==Spectral representation of a cosine signal==
B\hspace{-0.15cm} \hspace{-0.15cm}2\cdot \sin(-135^{\circ}) = +\sqrt{2}\hspace{0.05cm}.$$
+
<br>
 +
In order to derive the spectral function,&nbsp; we first restrict ourselves to a cosine signal,&nbsp; which also can be written with the&nbsp; complex exponential function&nbsp; and the&nbsp; [[Signal_Representation/Calculating_with_Complex_Numbers#Representation_by_magnitude_and_phase|&raquo;Euler theorem&laquo;]] &nbsp; in the following manner:
 +
 +
:$$x(t)=A \cdot \cos(2\pi f_0 t)={A}/{2}\cdot \big [{\rm e}^{\rm -j2 \pi \it f_{\rm 0} t} + {\rm e}^{\rm j2\pi \it f_{\rm 0} t} \big ].$$
  
{{end}}
+
From this time domain representation it can be seen that the cosine signal contains  &ndash; spectrally seen &ndash; only one single&nbsp; $($physical$)$&nbsp; frequency,&nbsp; namely the frequency&nbsp; $f_0$.
  
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Proof:}$&nbsp; For the mathematical derivation of the spectral function we use the following relations:
 +
*The equation from the section&nbsp; [[Signal_Representation/Direct_Current_Signal_-_Limit_Case_of_a_Periodic_Signal#Dirac_.28delta.29_function_in_frequency_domain|&raquo;Dirac delta function in frequency domain&laquo;]]:&nbsp;
 +
:$$x(t)=A \ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X(f)=A \cdot \rm \delta (\it f),$$
  
==Spektraldarstellung eines Cosinussignals==
+
*the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems#Shifting_Theorem|&raquo;shifting theorem&laquo;]]&nbsp; $($for the frequency range$)$&nbsp; in anticipation of a later chapter:
 +
:$$x(t) \cdot {\rm e}^{\rm j2\pi\it f_{\rm 0} t}\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X(f-f_0). $$
  
Zur Herleitung der Spektralfunktion beschränken wir uns zunächst auf ein Cosinussignal, das mit der '''komplexen Exponentialfunktion''' und dem Satz von Leonhard Euler auch in folgender Weise geschrieben werden kann:
+
This results in the following Fourier correspondence:
 
   
 
   
$$x(t)=A \cdot \cos(2\pi f_0 t)=\frac{A}{2}\cdot({\rm e}^{\rm -j2 \pi \it f_{\rm 0} t} + {\rm e}^{\rm j2\pi \it f_{\rm 0} t}).$$
+
:$$x(t)=A\cdot \cos(2\pi f_0t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X(f)={A}/{\rm 2}\cdot {\rm \delta} (f+f_{\rm 0})+{A}/{\rm 2}\cdot {\rm \delta}(\ f-f_{\rm 0}).$$
  
Bereits aus dieser Zeitbereichsdarstellung ist ersichtlich, dass das Cosinussignal – spektral gesehen – nur eine einzige (physikalische) Frequenz beinhaltet, nämlich die Frequenz $f_0$.
+
This means:  
Zur mathematischen Herleitung der Spektralfunktion benutzen wir folgende Beziehungen:
+
*The spectral function&nbsp; $X(f)$&nbsp; of a cosine signal with frequency $f_0$&nbsp; is composed of two Dirac delta functions at&nbsp; $\pm f_0$.
*den auf der Seite Diracfunktion (im Kapitel 2.2) hergeleiteten Funktionalzusammenhang:
 
: $x(t)=A \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, X(f)=A \cdot \rm \delta (\it f).$
 
  
*den Verschiebungssatz (für den Frequenzbereich) im Vorgriff auf das Kapitel 3.3:
+
* The impulse weights are each equal to half the signal amplitude.}}
: $x(t) \cdot {\rm e}^{\rm j2\pi\it f_{\rm 0} t}\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X(f-f_0). $
 
  
Daraus ergibt sich die folgende Fourierkorrespondenz:
+
 
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:P_ID1365__Sig_T_2_3_S4_neu.png|right|frame|Spectrum of a cosine signal]] 
 +
$\text{Example 3:}$&nbsp;
 +
The diagram shows the spectrum of a cosine oscillation with
 +
*amplitude&nbsp; $A = 4 \;{\rm V}$&nbsp; and
 
   
 
   
$$x(t)=A\cdot \cos(2\pi f_0t)\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X(f)=\frac{A}{\rm 2}\cdot \rm \delta (\it f+f_{\rm 0})+\frac{A}{\rm 2}\cdot \rm \delta(\it f-f_{\rm 0}).$$
+
*frequency&nbsp; $f_0 = 5 \;{\rm kHz}$  &nbsp; ⇒ &nbsp;  $T_0 = 200 \;{\rm &micro; s}$.  
  
Das bedeutet: Die Spektralfunktion $X(f)$ eines Cosinussignals mit der Frequenz $f_0$ setzt sich aus zwei Diracfunktionen bei $\pm f_0$ zusammen. Die Impulsgewichte sind jeweils gleich der halben Signalamplitude.
 
  
 +
Then the following relation to the above equation applies:
 +
#The Dirac delta function at&nbsp; $-f_0$&nbsp; belongs to the first term <br>$($derivable from the condition&nbsp; $f + f_0 = 0)$.
 +
#The Dirac delta function for&nbsp; $+f_0$&nbsp; belongs to the second term <br>$($derivable from the condition $f - f_0 = 0)$.
 +
#Both impulse weights are&nbsp; $A/2 = 2 \;{\rm V}$.}}
  
{{Beispiel}}
+
 
[[File:P_ID1365__Sig_T_2_3_S4_neu.png|250px|right|Spektrum eines Cosinussignals]]
+
{{BlaueBox|TEXT= 
Das Bild zeigt das Spektrum einer Cosinusschwingung mit Amplitude $A$ = 4 V und Frequenz $f_0$ = 5 kHz $T_0$ = 200 μs. Die Diracfunktion bei $-f_0$ gehört zum ersten Term obiger Gleichung (ableitbar aus der Bedingung $f + f_0 = 0$), die bei $+f_0$ zum Term $\delta (f_0)$. Die Impulsgewichte sind jeweils 2 V.
+
$\text{Note:}$&nbsp;
{{end}}
+
The spectral function of any real time function except the DC signal has components at both positive and negative frequencies.
 +
*This fact,&nbsp; which often causes problems for first-year students,&nbsp; is formally derived from the&nbsp; [[Signal_Representation/Calculating_with_Complex_Numbers#Representation_by_magnitude_and_phase|&raquo;Euler theorem&laquo;]].
 +
 +
*By extending the frequency range from&nbsp; $f \ge 0$&nbsp; to the set of real numbers you get from the physical to the&nbsp; &raquo;mathematical frequency&laquo;.
 +
 +
*However,&nbsp; for a negative frequency the&nbsp; [[Signal_Representation/Harmonic_Oscillation#Definition_and_properties|$\text{definition}$]]&nbsp; is not applicable anymore: &nbsp; You cannot interpret&nbsp; $\rm -5\ kHz$&nbsp; as&nbsp; "minus 5000 oscillations per second".
  
  
Es wird darauf hingewiesen, dass die Spektralfunktion einer jeden reellen Zeitfunktion mit Ausnahme des Gleichsignals sowohl Anteile bei positiven als auch bei negativen Frequenzen aufweist. Diese Tatsache, die Studienanfängern oft Probleme bereitet, ergibt sich ganz formal aus dem Satz von Euler (siehe oben). Durch die Erweiterung des Frequenzwertebereichs von $f \ge 0$ auf die Menge der reellen Zahlen kommt man von der physikalischen zur '''mathematischen Frequenz'''. Allerdings ist für eine negative Frequenz die vorne angegebene Definition nicht mehr anwendbar: Man kann –5 kHz nicht als „minus 5000 Schwingungen pro Sekunde” interpretieren.
+
In the process of this course you will find that&nbsp; '''by complicating a simple subject,&nbsp; more complex matters can later be described very elegantly and simply'''.}}
Im Verlauf dieses Kurses werden Sie feststellen, dass durch die Verkomplizierung des einfachen Sachverhaltes später kompliziertere Sachverhalte sehr elegant und einfach beschrieben werden können.
 
 
   
 
   
 
 
 
 
==Allgemeine Spektraldarstellung==
+
==General spectral representation==
 +
<br>
 +
For a sinusoidal signal the&nbsp; &raquo;[https://en.wikipedia.org/wiki/Leonhard_Euler $\text{Euler}$]  '''theorem'''&laquo;&nbsp;  applies in a similar way:
  
Für ein sinusförmiges Signal gilt mit dem Satz von Euler in ähnlicher Weise:
+
:$$x(t)=B\cdot \sin(2 \pi f_0 t)= \frac{\it B}{2  \rm j} \cdot \big [{\rm e}^{+{\rm j} 2 \pi \it f_{\rm 0} t}-{\rm e}^{-\rm j2 \pi \it f_{\rm 0} t}\big ]=\rm j\cdot  {\it B}/{2} \cdot \big  [{\rm e}^{-j2 \pi \it f_{\rm 0} t}-{\rm e}^{+\rm j2 \pi \it f_{\rm 0} t} \big ] .$$
  
$$x(t)=B\cdot \sin(2 \pi f_0 t)= \frac{\it B}{2 \cdot \rm j}({\rm e}^{{\rm j} 2 \pi \it f_{\rm 0} t}-{\rm e}^{-\rm j2 \pi \it f_{\rm 0} t})=\rm j\cdot  {\it B}/{2}({\rm e}^{-j2 \pi \it f_{\rm 0} t}-{\rm e}^{\rm j2 \pi \it f_{\rm 0} t}) .$$  
+
From this follows for the spectral function, which is now purely imaginary:
 +
:$$x(t)=B\cdot \sin(2\pi f_0 t)\;\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\; \ X(f)={\rm j} \cdot \big [ {B}/{2} \cdot \delta (f+f_0)- {B}/{2} \cdot \delta (f-f_0) \big  ].$$  
  
Daraus folgt für die Spektralfunktion, die jetzt rein imaginär ist:
 
  
$$x(t)=B\cdot \sin(2\pi f_0 t)\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X(f)={\rm j} \cdot \left [ {B}/{2} \cdot \delta (f+f_0)- {B}/{2} \cdot \delta (f-f_0) \right ].$$  
+
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File: P_ID2719__Sig_T_2_3_S5.png |right|frame|Spectrum of a sinusoidal signal]]
 +
$\text{Example 4:}$&nbsp;
 +
The figure shows the imaginary spectrum of a sine wave&nbsp; $x(t)$&nbsp; with
 +
*amplitude&nbsp; $B = 3 \;{\rm V},$
  
 +
*frequency&nbsp; $f_0 = 5\;{\rm kHz},$
 +
 +
*zero phase angle&nbsp;  $\varphi=90^{\circ}$  &nbsp; ⇒  &nbsp; $\phi = -90^{\circ}$.
 +
<br>$\text{Please note}$:
  
{{Beispiel}}
+
#For the positive frequency&nbsp; $(f = +f_0)$&nbsp; the imaginary part is negative.<br>
[[File: P_ID2719__Sig_T_2_3_S5.png |250px|right|Spektrum eines Sinussignals]]
+
#The negative frequency&nbsp; $(f = -f_0)$&nbsp; results in a positive imaginary part.}}
Das Bild zeigt die rein imaginäre Spektralfunktion einer Sinusschwingung $x(t)$ mit Amplitude $B$ = 3 V und Frequenz $f_0$ = 5 kHz. Die Phase ist $\phi=90^circ$  ⇒  $\phi = 90^circ$.
 
Beachten Sie: Bei der positiven Frequenz (+f_0) ist der Imaginärteil negativ und bei der negativen Frequenz (-f_0) positiv.
 
{{end}}
 
  
  
Bei Überlagerung von Cosinus– und Sinusanteil entsprechend der Beziehung
+
When the cosine and sine components are superimposed according to the relationship
  
$$x(t)=A \cdot \cos(2\pi  f_0  t) +B \cdot \sin(2 \pi  f_0  t)$$
+
:$$x(t)=A \cdot \cos(2\pi  f_0  t) +B \cdot \sin(2 \pi  f_0  t)$$
 
   
 
   
überlagern sich auch die einzelnen Spektralfunktionen und man erhält:
+
the individual spectral functions also overlap and you get
 
   
 
   
$$X(f)=\frac{A+{\rm j} \cdot B}{2}\, {\rm \delta} (f+f_0)+\frac{A-{\rm j} \cdot B}{2}\, \delta (f-f_0).$$
+
:$$X(f)=\frac{A+{\rm j} \cdot B}{2}\cdot {\rm \delta} (f+f_0)+\frac{A-{\rm j} \cdot B}{2} \cdot \delta (f-f_0).$$
  
Mit dem Betrag $C$ und der Phase $\phi$ lautet diese Fourierkorrespondenz:
+
This Fourier correlation is with amplitude&nbsp; $C$&nbsp; and phase&nbsp; $\varphi$:&nbsp;
 
   
 
   
$$x(t)=C\cdot \cos(2\pi f_0 t-\varphi) \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, X(f)=\frac{C}{2}\cdot {\rm e}^{{\rm j} \varphi} \cdot \delta(f+f_0) + \frac{C}{2} \cdot {\rm e}^{\rm{-j} \varphi} \cdot \delta (f-f_0).$$
+
:$$x(t)=C\cdot \cos(2\pi f_0 t-\varphi)\ \, \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ X(f)={C}/{2}\cdot {\rm e}^{{\rm j} \varphi} \cdot \delta(f+f_0) + {C}/{2} \cdot {\rm e}^{\rm{-j} \varphi} \cdot \delta (f-f_0).$$
 +
 
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{One recognizes:}$&nbsp; The spectral function&nbsp; $X(f)$
 +
*is not only defined for positive and negative frequencies,
 +
 
 +
*but it is also complex-valued.}}
 +
 
 +
 
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:Sig_T_2_3_S6_version2.png|right|frame|Spectrum of the&nbsp; $\varphi=30^{\circ}$&nbsp; oscillation]] 
 +
$\text{Example 5:}$&nbsp;
 +
With the parameters&nbsp; $C = 5 \;{\rm V}$,&nbsp; $f_0 = 5\;{\rm kHz}$&nbsp; and&nbsp; $\varphi=30^{\circ}$&nbsp; $($in radian measure $\pi/6)$&nbsp; results
 +
the real and/or imaginary part of $X(f)$ according to the graph:
 +
 
 +
:$${\rm Re}\big[X(f)\big]=2.165\,{\rm V} \cdot \delta(f+f_0) + 2.165\,{\rm V}  \cdot \delta (f-f_0).$$
 +
 
 +
:$${\rm Im}\big[X(f)\big]=1.25\,{\rm V} \cdot \delta(f+f_0) -1.25\,{\rm V}  \cdot \delta (f-f_0).$$
  
Man erkennt, dass die Spektralfunktion $X(f)$ nicht nur für positive und negative Frequenzen definiert ist, sondern im Allgemeinen auch noch komplexwertig ist.
+
Because of:  
Beispiel: Mit den Parametern $C$ = 5 V, $f_0$ = 5 kHz und $\phi$ = 30 Grad (im Bogenmaß $\pi$/6) ergibt sich wegen 2.5 · cos(30°) = 2.165 und 2.5 · sin(30°) = 1.25 für der Real- bzw. der Imaginärteil von $X(f)$ gemäß folgender Grafik:
 
  
[[File:P_ID299__Sig_T_2_3_S6.png|400px|Allgemeine Spektralfunktion einer harmonischen Schwingung]]
+
:$$2.5 · \cos(30^{\circ}) = 2.165,$$
 +
:$$2.5 · \sin(30^{\circ}) = 1.25.$$}}
  
Die Eigenschaften harmonischer Schwingungen anhand von Tonleitern zeigt das Lernvideo
 
Harmonische Schwingungen (Dauer Teil 1: 4:33 – Teil 2: 6:15)
 
  
===Aufgaben===
+
The following&nbsp; (German-language)&nbsp; learning video illustrates the properties of harmonic oscillations using scales: <br>
 +
&nbsp; &nbsp; &nbsp; [[Harmonische_Schwingungen_(Lernvideo)|&raquo;Harmonische Schwingungen&raquo;]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Harmonic Oscillations".
  
[[Aufgaben:2.3 cos- und sin-Anteil]]
 
  
 +
==Exercises for the chapter==
 +
<br>
 +
[[Aufgaben:Exercises_2.3:_Cosine_and_Sine_Components|Exercise 2.3: Cosine and Sine Components]]
  
 +
[[Aufgaben:Exercise_2.3Z:_Oscillation_Parameters|Exercise 2.3Z: Oscillation Parameters]]
  
  
 
{{Display}}
 
{{Display}}

Latest revision as of 16:39, 9 June 2023

Definition and properties


Example of a harmonic oscillation

Harmonic oscillations are of particular importance for Communications Engineering as well as in many natural sciences.  The diagram shows an exemplary signal waveform.

Its importance is also related to the fact that the harmonic oscillation represents the solution of a  differential equation  which is found in many disciplines and reads as follows:

$$ x(t) + k \cdot\ddot{x} (t) = 0.$$

Here the two dots mark the second derivative of the function  $x(t)$  after time.

$\text{Definition:}$  Any  »harmonic oscillation«  can be represented in most general form as follows:

$$x(t)= C \cdot \cos(2\pi f_0 t - \varphi).$$

The following signal parameters are used:

  • the  »amplitude«  $C$  – simultaneously the maximum value of the signal,
  • the  »signal frequency«  $f_{0}$   ⇒   the reciprocal of the period duration  $T_{0}$, and
  • the  »zero phase angle«  $($or briefly the  »phase«$)$   $\varphi$  of the oscillation.


The following  $($German-language$)$  learning video illustrates the properties of harmonic oscillations using scales:
      »Harmonische Schwingungen«   ⇒   "Harmonic Oscillations".

$\text{Comments on nomenclature:}$ 

In this tutorial – as usual in other literature when describing harmonic oscillations,  Fourier series and Fourier integral – the phase is entered into the equations with negative sign,  whereas in connection with all modulation methods the phase is entered with a plus sign.

  • To distinguish between the two variants we use in our tutorial   $\varphi$  and  $\phi$.  Both symbols denote the small Greek "phi".  The spelling  $\varphi$  is mainly used in the German and  $\phi$  in the anglo–american language area.
  • The indications  $\varphi = 90^{\circ}$  and  $\phi = -90^{\circ}$  are thus equivalent and both stand for the sine function:
$$\cos(2 \pi f_0 t - 90^{\circ}) = \cos(2 \pi f_0 t - \varphi) = \cos(2 \pi f_0 t + \phi) = \sin(2 \pi f_0 t ).$$


Time domain representation


The amplitude  $C$  can be read directly from the adjacent graph.  The signal frequency $f_0$  is the reciprocal of the period duration  $T_0$. 

Signal parameters of a harmonic oscillation

If the above equation is written in the form

$$x(t) = C \cdot \cos(2\pi f_0 t - \varphi) = C \cdot \cos \big(2\pi f_0 (t - \tau) \big), $$

it becomes clear that the zero phase angle  $\varphi$  and the shift  $\tau$  relative to a cosine signal are related as follows

$$\varphi = \frac{\tau}{T_0} \cdot 2{\pi}. $$
  • For a cosine signal both the parameters  $\tau$  and  $\varphi$  are zero.
  • In contrast,  a sinusoidal signal  is shifted by  $\tau = T_0/4$  and accordingly applies to the zero phase angle  $\varphi = \pi/2$  $($in radians$)$  or   $90^{\circ}$.
  • So it can be stated that – as assumed for the above sketch – at a positive value of  $\tau$  resp.   $\varphi$  the $($referring  $t = 0)$  nearest signal maximum comes later than at the cosine signal and at negative values earlier.
  • If a cosine signal is present at the system input and the output signal is delayed by a value  $\tau$  then  $\tau$  is also called the  »runtime«  of the system.
  • Since a harmonic oscillation is clearly defined by three parameters,  the entire time course from  $-\infty$  to  $+\infty$  can be calculated analytically from only three signal values  $x_1=x(t_1)$,  $x_2=x(t_2)$,  $x_3=x(t_3)$  if the times  $t_1$,  $t_2$  and  $t_3$  have been determined appropriately.


Harmonic oscillation, defined by only  $3$  samples

$\text{Example 1:}$  From the three sample values,

$$x_1 = x(t_1 = 3.808 \;{\rm ms}) = +1.609,$$
$$x_2 = x(t_2 = 16.696 \;{\rm ms})=\hspace{0.05 cm} -0.469,$$
$$x_3 = x(t_3 = 33.84 \;{\rm ms}) = +1.227,$$

you get the following system of equations:

$$C \cdot \cos(2\pi \hspace{0.05 cm} f_0 \hspace{0.05 cm} t_1 - \varphi) = +1.609\hspace{0.05 cm},$$
$$C \cdot \cos(2\pi \hspace{0.05 cm} f_0 \hspace{0.05 cm} t_2 - \varphi) = \hspace{0.05 cm} -0.469\hspace{0.05 cm},$$
$$C \cdot \cos(2\pi \hspace{0.05 cm} f_0 \hspace{0.05 cm} t_3 - \varphi) = +1.227\hspace{0.05 cm}.$$

After solving this nonlinear system of equations the following signal parameters are obtained:

  • Signal amplitude:  $C = 2$,
  • period duration:  $T_0 = 8 \;{\rm ms}$   ⇒   signal frequency $f_0 = 125 \;{\rm Hz}$,
  • shift with respect to a cosine:  $\tau = 3 \;{\rm ms}$   ⇒   zero phase angle  $\varphi = 3\pi /4 = 135^\circ$.


If you set all sampling times  $t_1$,  $t_2$,  $t_3$  in maxima, minima and/or zeros, there is no unique solution for the nonlinear equation system.


Representation with cosine and sine components


Another representation of the harmonic oscillation is as follows:

$$x(t)=A\cdot\cos(2\pi f_0 t)+ B\cdot\sin(2\pi f_0 t).$$
  • The terms  $A$  and  $B$  for the amplitudes of the cosine and sine components are chosen to match the nomenclature of the following chapter  »Fourier Series«.
  • By applying trigonometric transformations we obtain from the illustration in the last section:
$$x(t)=C\cdot \cos(2\pi f_0 t-\varphi)=C\cdot\cos(\varphi)\cdot\cos(2\pi f_0 t)+C\cdot\sin(\varphi)\cdot\sin(2\pi f_0 t).$$
  • From this follows directly by equating the coefficients:
$$A=C\cdot\cos(\varphi),$$
$$B=C\cdot\sin(\varphi).$$
  • The magnitude and the zero phase angle of the harmonic oscillation can be calculated from the parameters  $A$  and  $B$  also according to simple trigonometric considerations:
$$C=\sqrt{A^2+B^2},$$
$$\varphi = \arctan\left({-B}/{A}\right).$$

$\text{Please note:}$  The minus–sign at the calculation of the zero phase angle  $\varphi$  is related to the fact  that  $\varphi$  enters the argument of the cosine function with negative sign.  If one would use the notation  $\cos(2\pi f_0 t +\phi)$  instead of  $\cos(2\pi f_0 t - \varphi)$,  then  $\phi= \arctan(B/A)$.  Note the following here:

  1. For Fourier series and Fourier integral, the  $\varphi$  representation is common in literature.
  2. For description of the modulation methods, however, the  $\phi$  representation is almost always used.


$\text{Example 2:}$  The oscillation shown in the left graphic as time course is characterized by the parameters
Harmonic oscillation. On the right: Represented in the complex plane
  • $C=2,$
  • $f_0 = 125 \;{\rm Hz}$,
  • $\varphi = +135^{\circ}$   ⇒   $\phi = -135^{\circ}$.


The oscillation is completely described by each of the two equations:

$$x(t) \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} 2\cdot \cos(2\pi f_0 t-135^{\circ})\hspace{0.05cm},$$
$$x(t) \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} -\sqrt{2}\cdot \cos(2\pi f_0 t) \hspace{-0.05cm}+\hspace{-0.05cm}\sqrt{2}\cdot \sin(2\pi f_0 t)\hspace{0.05cm}.$$

The sketch on the right illustrates the trigonometrical calculation:

$$A = 2\cdot \cos(-135^{\circ}) = -\sqrt{2}\hspace{0.05cm},$$
$$B = 2\cdot \sin(-135^{\circ}) = +\sqrt{2}\hspace{0.05cm}.$$


Spectral representation of a cosine signal


In order to derive the spectral function,  we first restrict ourselves to a cosine signal,  which also can be written with the  complex exponential function  and the  »Euler theorem«   in the following manner:

$$x(t)=A \cdot \cos(2\pi f_0 t)={A}/{2}\cdot \big [{\rm e}^{\rm -j2 \pi \it f_{\rm 0} t} + {\rm e}^{\rm j2\pi \it f_{\rm 0} t} \big ].$$

From this time domain representation it can be seen that the cosine signal contains – spectrally seen – only one single  $($physical$)$  frequency,  namely the frequency  $f_0$.

$\text{Proof:}$  For the mathematical derivation of the spectral function we use the following relations:

$$x(t)=A \ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X(f)=A \cdot \rm \delta (\it f),$$
$$x(t) \cdot {\rm e}^{\rm j2\pi\it f_{\rm 0} t}\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X(f-f_0). $$

This results in the following Fourier correspondence:

$$x(t)=A\cdot \cos(2\pi f_0t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\, \ X(f)={A}/{\rm 2}\cdot {\rm \delta} (f+f_{\rm 0})+{A}/{\rm 2}\cdot {\rm \delta}(\ f-f_{\rm 0}).$$

This means:

  • The spectral function  $X(f)$  of a cosine signal with frequency $f_0$  is composed of two Dirac delta functions at  $\pm f_0$.
  • The impulse weights are each equal to half the signal amplitude.


Spectrum of a cosine signal

$\text{Example 3:}$  The diagram shows the spectrum of a cosine oscillation with

  • amplitude  $A = 4 \;{\rm V}$  and
  • frequency  $f_0 = 5 \;{\rm kHz}$   ⇒   $T_0 = 200 \;{\rm µ s}$.


Then the following relation to the above equation applies:

  1. The Dirac delta function at  $-f_0$  belongs to the first term
    $($derivable from the condition  $f + f_0 = 0)$.
  2. The Dirac delta function for  $+f_0$  belongs to the second term
    $($derivable from the condition $f - f_0 = 0)$.
  3. Both impulse weights are  $A/2 = 2 \;{\rm V}$.


$\text{Note:}$  The spectral function of any real time function except the DC signal has components at both positive and negative frequencies.

  • This fact,  which often causes problems for first-year students,  is formally derived from the  »Euler theorem«.
  • By extending the frequency range from  $f \ge 0$  to the set of real numbers you get from the physical to the  »mathematical frequency«.
  • However,  for a negative frequency the  $\text{definition}$  is not applicable anymore:   You cannot interpret  $\rm -5\ kHz$  as  "minus 5000 oscillations per second".


In the process of this course you will find that  by complicating a simple subject,  more complex matters can later be described very elegantly and simply.


General spectral representation


For a sinusoidal signal the  »$\text{Euler}$ theorem«  applies in a similar way:

$$x(t)=B\cdot \sin(2 \pi f_0 t)= \frac{\it B}{2 \rm j} \cdot \big [{\rm e}^{+{\rm j} 2 \pi \it f_{\rm 0} t}-{\rm e}^{-\rm j2 \pi \it f_{\rm 0} t}\big ]=\rm j\cdot {\it B}/{2} \cdot \big [{\rm e}^{-j2 \pi \it f_{\rm 0} t}-{\rm e}^{+\rm j2 \pi \it f_{\rm 0} t} \big ] .$$

From this follows for the spectral function, which is now purely imaginary:

$$x(t)=B\cdot \sin(2\pi f_0 t)\;\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\; \ X(f)={\rm j} \cdot \big [ {B}/{2} \cdot \delta (f+f_0)- {B}/{2} \cdot \delta (f-f_0) \big ].$$


Spectrum of a sinusoidal signal

$\text{Example 4:}$  The figure shows the imaginary spectrum of a sine wave  $x(t)$  with

  • amplitude  $B = 3 \;{\rm V},$
  • frequency  $f_0 = 5\;{\rm kHz},$
  • zero phase angle  $\varphi=90^{\circ}$   ⇒   $\phi = -90^{\circ}$.


$\text{Please note}$:

  1. For the positive frequency  $(f = +f_0)$  the imaginary part is negative.
  2. The negative frequency  $(f = -f_0)$  results in a positive imaginary part.


When the cosine and sine components are superimposed according to the relationship

$$x(t)=A \cdot \cos(2\pi f_0 t) +B \cdot \sin(2 \pi f_0 t)$$

the individual spectral functions also overlap and you get

$$X(f)=\frac{A+{\rm j} \cdot B}{2}\cdot {\rm \delta} (f+f_0)+\frac{A-{\rm j} \cdot B}{2} \cdot \delta (f-f_0).$$

This Fourier correlation is with amplitude  $C$  and phase  $\varphi$: 

$$x(t)=C\cdot \cos(2\pi f_0 t-\varphi)\ \, \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ X(f)={C}/{2}\cdot {\rm e}^{{\rm j} \varphi} \cdot \delta(f+f_0) + {C}/{2} \cdot {\rm e}^{\rm{-j} \varphi} \cdot \delta (f-f_0).$$

$\text{One recognizes:}$  The spectral function  $X(f)$

  • is not only defined for positive and negative frequencies,
  • but it is also complex-valued.


Spectrum of the  $\varphi=30^{\circ}$  oscillation

$\text{Example 5:}$  With the parameters  $C = 5 \;{\rm V}$,  $f_0 = 5\;{\rm kHz}$  and  $\varphi=30^{\circ}$  $($in radian measure $\pi/6)$  results the real and/or imaginary part of $X(f)$ according to the graph:

$${\rm Re}\big[X(f)\big]=2.165\,{\rm V} \cdot \delta(f+f_0) + 2.165\,{\rm V} \cdot \delta (f-f_0).$$
$${\rm Im}\big[X(f)\big]=1.25\,{\rm V} \cdot \delta(f+f_0) -1.25\,{\rm V} \cdot \delta (f-f_0).$$

Because of:

$$2.5 · \cos(30^{\circ}) = 2.165,$$
$$2.5 · \sin(30^{\circ}) = 1.25.$$


The following  (German-language)  learning video illustrates the properties of harmonic oscillations using scales:
      »Harmonische Schwingungen»   ⇒   "Harmonic Oscillations".


Exercises for the chapter


Exercise 2.3: Cosine and Sine Components

Exercise 2.3Z: Oscillation Parameters