Difference between revisions of "Signal Representation/Direct Current Signal - Limit Case of a Periodic Signal"

From LNTwww
 
(26 intermediate revisions by 5 users not shown)
Line 1: Line 1:
 
{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Periodische Signale
+
|Untermenü=Periodic Signals
|Vorherige Seite=Allgemeine Beschreibung
+
|Vorherige Seite=General Description
|Nächste Seite=Harmonische Schwingung
+
|Nächste Seite=Harmonic Oscillation
 
}}
 
}}
  
==Test von Lernvideos==
 
  
{{Definition}}
+
==Time signal representation==
Ein '''Gleichsignal''' ist ein deterministisches Signal, dessen Augenblickswerte für alle Zeiten $t$ von $-\infty$ bis $+\infty$ konstant sind. Ein solches Signal ist der Grenzfall einer [[Signaldarstellung/Harmonische_Schwingung|harmonischen Schwingung]], wobei die Periodendauer $T_{0}$ einen unendlich großen Wert besitzt.
+
<br>
{{end}}
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition:}$&nbsp;
 +
A&nbsp; &raquo;'''direct current (DC) signal&laquo;''' &nbsp; is a deterministic signal whose instantaneous values are constant for all times&nbsp; $t$&nbsp; from&nbsp; $-\infty$&nbsp; to&nbsp; $+\infty$.&nbsp; Such a signal is the borderline case of a&nbsp; [[ Signal_Representation/Harmonic_Oscillation|&raquo;harmonic oscillation&laquo;]],&nbsp;  where the period duration&nbsp; $T_{0}$&nbsp; has an infinitely large value.}}
  
  
==Zeitsignaldarstellung==
+
[[File:Sig_T_2_2_S1a_Version2.png|right|frame|DC signal in time domain]]
 +
According to this definition a DC signal always ranges from&nbsp; $t = -\infty$&nbsp; to&nbsp; $t = +\infty$.&nbsp;
 +
If the constant signal is only switched on at the time&nbsp; $t = 0$&nbsp; there is no DC signal.
  
{{Definition}}
+
*A direct signal can never be a carrier of information in a communication system,&nbsp but transmitted signals can possess a&nbsp; &raquo;direct signal  component&laquo;.&nbsp;
Ein '''Gleichsignal''' ist ein deterministisches Signal, dessen Augenblickswerte für alle Zeiten $t$ von $-\infty$ bis $+\infty$ konstant sind. Ein solches Signal ist der Grenzfall einer [[Signaldarstellung/Harmonische_Schwingung|harmonischen Schwingung]], wobei die Periodendauer $T_{0}$ einen unendlich großen Wert besitzt.
+
{{end}}
+
*All statements made in the following for the direct current signal apply in the same way also to such a direct signal component.
 +
<br clear=all>
  
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition:}$&nbsp;
 +
For the&nbsp; &raquo;'''DC signal component'''&laquo;&nbsp; $A_{0}$&nbsp; of any signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; applies:
 +
 +
:$$A_0  =  \lim_{T_{\rm M}\to\infty}\,\frac{1}{T_{\rm M} }\cdot\int^{T_{\rm M}/2}_{-T_{\rm M}/2}x(t)\,{\rm d} t. $$
  
[[File:Sig_T_2_2_S1a_Version2.png|right|Gleichsignal]]
+
*The measurement duration&nbsp; $T_{\rm M}$&nbsp; should always be selected as large as possible&nbsp; $($infinite in borderline cases$)$.
Entsprechend dieser Definition reicht ein Gleichsignal immer von $t = -\infty$ bis $t = +\infty$.  
+
 
Wird das Signal erst zum Zeitpunkt $t = 0$ eingeschaltet, so liegt kein Gleichsignal vor.
+
*The given equation is only valid if&nbsp; $T_{\rm M}$&nbsp; lies symmetrical about the time&nbsp; $t=0$.}}
  
  
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:P_ID298__Sig_T_2_2_S1_b_neu.png|right|frame|Random signal with DC componentl]] 
 +
$\text{Example 1:}$&nbsp;
 +
The graph shows a random signal&nbsp; $x(t)$.
 +
*The DC component is here&nbsp; $A_{0} = 2\ \rm V$.
  
 +
*In the sense of statistics,&nbsp; $A_{0}$&nbsp; corresponds to the linear mean.}}
  
  
 +
==Spectral representation==
 +
<br>
 +
We now look at the situation in the frequency domain.&nbsp; From the time function it is already obvious,&nbsp; that it contains &ndash; spectrally speaking &ndash; only one single&nbsp; $($physical$)$&nbsp; frequency,&nbsp; namely the frequency&nbsp; $f=0$.
  
Ein Gleichsignal kann niemals Träger von Information im nachrichtentechnischen Sinne sein, doch können Nachrichtensignale durchaus einen ''Gleichsignalanteil'' besitzen. Alle im Folgenden für das Gleichsignal getroffenen Aussagen gelten in gleicher Weise auch für einen solchen Gleichsignalanteil.
+
&rArr; &nbsp; This result shall now be derived mathematically.&nbsp;
 +
In anticipation of the chapter&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_its_Inverse#The_first_Fourier_integral|&raquo;Fourier Transform&laquo;]]&nbsp;  the connection between the time signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; and the corresponding spectrum&nbsp; $X(f)$&nbsp; is already given here:
  
{{Definition}}
+
:$$X(f)= \hspace{0.05cm}\int_{-\infty} ^{{+}\infty} x(t) \, \cdot \, { \rm e}^{-\rm j 2\pi \it ft} \,{\rm d}t.$$
Für den '''Gleichsignalanteil''' $A_{0}$ eines beliebigen Signals $x(t)$ gilt:
 
 
$$A_0  = \lim_{T_{\rm M}\to\infty}\,\frac{1}{T_{\rm M}}\cdot\int^{T_{\rm M}/2}_{-T_{\rm M}/2}x(t)\,{\rm d} t. $$
 
  
Die Messdauer  $T_{\rm M}$ sollte stets möglichst groß  gewählt werden (im Grenzfall unendlich). Die angegebene Gleichung gilt nur dann, wenn $T_{\rm M}$ symmetrisch um den Zeitpunkt $t=0$ liegt.
+
The spectral function&nbsp; $X(f)$&nbsp; is called after the French mathematician&nbsp;
{{end}}
+
[https://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Fourier $\text{Jean Baptiste Joseph Fourier}$]&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''Fourier transform'''&laquo;&nbsp; of the signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; and the short labeling for this functional relation is
  
 +
:$$X(f)\ \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,\ x(t).$$
  
{{Beispiel}}
+
For example,&nbsp; if&nbsp; $x(t)$&nbsp;  describes a voltage curve,&nbsp; so&nbsp; $X(f)$&nbsp; has the unit&nbsp; "V/Hz".
  
[[File:P_ID298__Sig_T_2_2_S1_b_neu.png|right|Zufallssignal mit Gleichanteil]]
+
&rArr; &nbsp;Applying the Fourier transform to the DC signal&nbsp; $x(t)=A_{0}$&nbsp; yields the spectral function
Die Grafik zeigt ein stochastisches Signal $x(t)$.
+
*Der Gleichsignalanteil $A_{0}$ ist hierbei 2 V.
+
:$$X(f)= A_0 \cdot \int_{-\infty} ^{+\hspace{0.01cm}\infty}\rm e \it ^{-\rm {j 2\pi} \it ft} \,{\rm d}t$$
*Im Sinne der Statistik entspricht $A_{0}$ dem linearen Mittelwert.
 
{{end}}
 
  
 +
with the following properties:
 +
*The integral diverges for&nbsp; $f=0$,&nbsp; i.e. it returns an infinitely large value&nbsp; $($integration over the constant value&nbsp; $1)$.
  
==Spektraldarstellung==
+
*For a frequency&nbsp; $f\ne 0$,&nbsp; on the other hand,&nbsp; the integral is zero;&nbsp; the corresponding proof,&nbsp; however,&nbsp; is not trivial&nbsp; $($see next section$)$.
Wir betrachten nun den Sachverhalt im Frequenzbereich. Aus der Zeitfunktion ist bereits ersichtlich, dass diese – spektral gesehen – nur eine einzige (physikalische) Frequenz beinhaltet, nämlich die Frequenz $f=0$.  
 
  
Dieses Ergebnis soll nun mathematisch hergeleitet werden.
 
Im Vorgriff auf das Kapitel [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_erste_Fourierintegral|Fouriertransformation]]  wird bereits hier der Zusammenhang zwischen dem Zeitsignal $x(t)$ und dem korrespondierenden Spektrum $X(f)$ angegeben:
 
  
$$X(f)= \hspace{0.05cm}\int_{-\infty} ^{{+}\infty} x(t) \, \cdot \, { \rm e}^{-\rm j 2\pi \it ft} \,{\rm d}t.$$
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 
+
$\text{Definition:}$&nbsp;
Man bezeichnet die so berechnete Spektralfunktion $X(f)$ nach dem französischen Mathematiker [https://de.wikipedia.org/wiki/Joseph_Fourier Jean Baptiste Joseph Fourier] als die Fouriertransformierte von $x(t)$ und verwendet als Kurzbezeichnung für diesen Funktionalzusammenhang
+
The searched spectral function&nbsp; $X(f)$&nbsp; is compactly expressed by the following equation:
 
   
 
   
$$X(f)\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,x(t).$$
+
:$$X(f) = A_0 \, \cdot \, \rm \delta(\it f).$$
  
Beschreibt $x(t)$ beispielsweise einen Spannungsverlauf, so hat $X(f)$ die Einheit „V/Hz“.
+
#&nbsp;$\delta(f)$&nbsp; is denoted as the&nbsp; &raquo;'''Dirac delta function'''&laquo;,&nbsp; also known as&nbsp; &raquo;'''distribution'''&laquo;.
 +
#&nbsp;$\delta(f)$&nbsp; is a mathematically complicated function; the derivation can be found in the next section.}}
  
Wendet man diese Transformationsgleichung auf das Gleichsignal $x(t)=A_{0}$ an, so erhält man die Spektralfunktion
 
 
$$X(f)= A_0 \cdot \int_{-\infty} ^{+\hspace{0.01cm}\infty}\rm e \it ^{-\rm {j 2\pi} \it ft} \,{\rm d}t.$$
 
  
mit folgenden Eigenschaften:
+
{{GraueBox|TEXT=
*Das Integral divergiert für $f=0$, das heißt, es liefert einen unendlich großen Wert (Integration über den konstanten Wert 1).
+
[[File:Sig_T_2_2_S2_Version2.png|right|frame|DC signal and its spectral function]]
*Für jede andere Frequenz $f$ nimmt das Integral dagegen den Wert 0 an; der dazugehörige Beweis ist allerdings nicht ganz trivial (Herleitung siehe nächste Seite).
+
$\text{Example 2:}$&nbsp;
*Die gesuchte Spektralfunktion $X(f)$ wird kompakt durch folgende Gleichung ausgedrückt:
+
The graphic shows the functional connection
 +
*between an DC signal&nbsp; $x(t)=A_{0}$&nbsp; and
 
   
 
   
:$$X(f) = A_0 \, \cdot \, \rm \delta(\it f).$$
+
*its corresponding spectral function&nbsp; $X(f)=A_{0} \cdot \delta(f)$.  
  
Man bezeichnet $\delta(f)$ als Diracfunktion, auch bekannt unter dem Namen „Distribution”. $\delta(f)$ ist eine mathematisch komplizierte Funktion; die Herleitung finden Sie auf der nächsten Seite.
 
[[File:Sig_T_2_2_S2_Version2.png|right|Gleichsignal und Spektralfunktion]]
 
  
Die Grafik zeigt nochmals den Funktionalzusammenhang
+
The Dirac delta function at frequency&nbsp; $f=0$&nbsp; is represented by an arrow with weight&nbsp; $A_{0}$. }}
*zwischen einem Gleichsignal $x(t)=A_{0}$ und
 
*der dazugehörigen Spektralfunktion $X(f)=A_{0} \cdot \delta(f)$.  
 
  
  
Die Diracfunktion bei der Frequenz $f=0$ ist durch einen Pfeil dargestellt, der mit dem Gewicht $A_{0}$ versehen ist.
+
==Dirac (delta) function in frequency domain==
 +
<br>
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition:}$&nbsp;
 +
The&nbsp; &raquo;'''Dirac delta function'''&laquo; &nbsp; &rArr; &nbsp; short:&nbsp;  &raquo;'''Dirac function'''&laquo;&nbsp; has the following properties:
 +
*The Dirac delta function is infinitely narrow,&nbsp; i.e. it is&nbsp; $\delta(f)=0$&nbsp; for&nbsp; $f \neq 0$.
  
 +
*The Dirac delta function&nbsp; $\delta(f)$&nbsp; is infinitely high at the frequency&nbsp; $f = 0$&nbsp;.
  
==Diracfunktion im Frequenzbereich==
+
*The Dirac delta weight&nbsp; $($area of the Dirac function$)$&nbsp; yields a finite value, namely&nbsp; $1$:
 +
:$$\int_\limits{-\infty} ^{+\infty} \delta( f)\,{\rm d}f  =1.$$
 +
*It follows from this last property that&nbsp; $\delta(f)$&nbsp; has the unit&nbsp; ${\rm Hz}^{-1} = {\rm s}$&nbsp;.}}
  
  
{{Definition}}
+
{{BlaueBox|TEXT=
 +
[[File:P_ID519__Sig_T_2_2_S3_rah.png|right|frame|The derivation of the Dirac delta function]]
 +
$\text{Proof:}$&nbsp;
 +
For the mathematical derivation of these properties we assume a dimensionless DC signal&nbsp; $x(t)$.
  
Die für die funktionale Beschreibung von nachrichtentechnischen Systemen äußerst wichtige '''Diracfunktion''' weist folgende Eigenschaften auf:
+
*To force the convergence of the Fourier integral,&nbsp; the non-energy-limited signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is multiplied by a bilateral declining exponential function.  
*Die Diracfunktion ist unendlich schmal, das heißt, es ist $\delta(f)=0$ für $f \neq 0$.
 
*Die Diracfunktion $\delta(f)$ ist bei der Frequenz $f = 0$ unendlich hoch.
 
*Die Impulsfläche der Diracfunktion ergibt einen endlichen Wert, nämlich 1:
 
: $\int_\limits{-\infty} ^{+\infty} \delta( f)\,{\rm d}f  =1.$
 
  
:Aus dieser letzten Eigenschaft folgt, dass $\delta(f)$ die Einheit ${\rm Hz}^{-1} = {\rm s}$ besitzt.
+
*The graph shows the signal&nbsp; $x(t)=1$&nbsp; and the energy-limited signal
{{end}}
 
  
 +
:$$x_{\varepsilon} (t) = \rm e^{\it -\varepsilon \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.01cm} t \hspace{0.01cm}\vert}{.}$$
  
Zur mathematischen Herleitung obiger Eigenschaften gehen wir von einem dimensionslosen Gleichsignal aus. Um die Konvergenz des Fourierintegrals zu erzwingen, wird das nicht energiebegrenzte Signal $x(t)$ mit einer beidseitig abfallenden Exponentialfunktion multipliziert. Die Grafik zeigt das Signal $x(t)=1$ und das energiebegrenzte Signal
+
:It applies&nbsp; $\varepsilon > 0$.&nbsp; At the limit &nbsp; $\varepsilon \to 0$&nbsp;, &nbsp; $x_{\varepsilon}(t)$&nbsp; passes to&nbsp; $x(t)=1$.
  
$$x_{\varepsilon} (t) = \rm e^{\it -\varepsilon \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} | \hspace{0.01cm} t \hspace{0.01cm} |}{.}$$
+
*The spectral representation is obtained by applying the Fourier integral given above:
 
+
Hierbei gelte $\varepsilon > 0$. Im Grenzübergang $\varepsilon \to 0$ geht $x_{\varepsilon}(t)$ in $(t)=1$ über.
+
:$$X_\varepsilon (f)=\int_{-\infty}^{0} {\rm e}^{\varepsilon{t} }\, {\cdot}\, {\rm e}^{-\rm j 2\pi \it ft} \,{\rm d}t \hspace{0.2cm}+ \hspace{0.2cm} \int_{0}^{+\infty} {\rm e}^{-\varepsilon t} \,{\cdot}\, { \rm e}^{-\rm j 2\pi \it ft} \,{\rm d}t.$$
  
[[File:P_ID519__Sig_T_2_2_S3_rah.png|Zur Herleitung der Diracfunktion]]
+
*After integration and combination of both parts we obtain the purely real spectral function of the energy-limited signal&nbsp; $x_{\varepsilon}(t)$:
 
 
Zur Spektraldarstellung kommt man durch Anwendung des vorne angegebenen Fourierintegrals:
 
 
   
 
   
$$X_\varepsilon (f)=\int_{-\infty}^{0} {\rm e}^{\varepsilon{t}}\, {\cdot}\, {\rm e}^{-\rm j 2\pi \it ft} \,{\rm d}t \hspace{0.2cm}+ \hspace{0.2cm} \int_{0}^{+\infty} {\rm e}^{-\varepsilon t} \,{\cdot}\, { \rm e}^{-\rm j 2\pi \it ft} \,{\rm d}t.$$
+
:$$X_\varepsilon (f)=\frac{1}{\varepsilon -\rm j \cdot 2\pi \it f} + \frac{1}{\varepsilon+\rm j \cdot 2\pi \it f} = \frac{2\varepsilon}{\varepsilon^2 + (\rm 2\pi {\it f}\hspace{0.05cm} ) \rm ^2} \, .$$
  
Nach Integration und Zusammenfassen beider Anteile erhalten wir die rein reelle Spektralfunktion des energiebegrenzten Signals $x_{\varepsilon(t)}$ :
+
*The area under the&nbsp; $X_\varepsilon (f)$&nbsp; curve is independent of the parameter&nbsp; $\varepsilon$&nbsp; equals&nbsp; $1$. The smaller&nbsp; $ε$&nbsp; is selected,&nbsp; the narrower and higher the function becomes,&nbsp; as the&nbsp; $($German language$)$&nbsp; learning video&nbsp; [[Herleitung und Visualisierung der Diracfunktion (Lernvideo)|&raquo;Herleitung und Visualisierung der Diracfunktion&laquo;]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Derivation and visualization of the Dirac delta function"&nbsp; shows.  
 
$$X_\varepsilon (f)=\frac{1}{\varepsilon -\rm  j \cdot 2\pi \it f} + \frac{1}{\varepsilon+\rm j \cdot 2\pi \it  f} = \frac{2\varepsilon}{\varepsilon^2 + (\rm 2\pi {\it f}\hspace{0.05cm} ) \rm ^2} \, .$$
 
  
Der Grenzübergang für $\epsilon \to 0$ liefert die Diracfunktion mit Gewicht 1:
+
*The limit for&nbsp; $\varepsilon \to 0$&nbsp; returns the Dirac delta function with weight&nbsp; $1$:
  
$$\lim_{\varepsilon \hspace{0.05cm} \to \hspace{0.05cm} 0}X_\varepsilon (f)= \delta(f).$$
+
:$$\lim_{\varepsilon \hspace{0.05cm} \to \hspace{0.05cm} 0}X_\varepsilon (f)= \delta(f).$$}}
 
   
 
   
Die Fläche unter der Kurve ist unabhängig vom Parameter $\varepsilon$ gleich $\varepsilon$. Je kleiner ε gewählt wird, um so schmaler und höher wird die Funktion, wie das Lernvideo [[Herleitung und Visualisierung der Diracfunktion (Dauer 2:50)]] zeigt.
 
 
 
  
==Aufgaben zum Kapitel==
 
  
[[Aufgaben: 2.2 Gleichsignalanteile|Aufgabe 2.2: &nbsp;  Gleichsignalanteile]]
+
==Exercises for the chapter==
 +
<br>
 +
[[Aufgaben:Exercise_2.2:_Direct_Current_Component_of_Signals|Exercise 2.2: Direct Current Component of Signals]]
  
[[Aufgaben: 2.2Z Nichtlinearitäten|Zusatzaufgabe 2.2Z: &nbsp; Nichtlinearitäten]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.2Z:_Nonlinearities|Exercise 2.2Z: Non&ndash;Linearities]]
  
  
  
 
  {{Display}}
 
  {{Display}}

Latest revision as of 16:55, 8 June 2023


Time signal representation


$\text{Definition:}$  A  »direct current (DC) signal«   is a deterministic signal whose instantaneous values are constant for all times  $t$  from  $-\infty$  to  $+\infty$.  Such a signal is the borderline case of a  »harmonic oscillation«,  where the period duration  $T_{0}$  has an infinitely large value.


DC signal in time domain

According to this definition a DC signal always ranges from  $t = -\infty$  to  $t = +\infty$.  If the constant signal is only switched on at the time  $t = 0$  there is no DC signal.

  • A direct signal can never be a carrier of information in a communication system,&nbsp but transmitted signals can possess a  »direct signal component«. 
  • All statements made in the following for the direct current signal apply in the same way also to such a direct signal component.


$\text{Definition:}$  For the  »DC signal component«  $A_{0}$  of any signal  $x(t)$  applies:

$$A_0 = \lim_{T_{\rm M}\to\infty}\,\frac{1}{T_{\rm M} }\cdot\int^{T_{\rm M}/2}_{-T_{\rm M}/2}x(t)\,{\rm d} t. $$
  • The measurement duration  $T_{\rm M}$  should always be selected as large as possible  $($infinite in borderline cases$)$.
  • The given equation is only valid if  $T_{\rm M}$  lies symmetrical about the time  $t=0$.


Random signal with DC componentl

$\text{Example 1:}$  The graph shows a random signal  $x(t)$.

  • The DC component is here  $A_{0} = 2\ \rm V$.
  • In the sense of statistics,  $A_{0}$  corresponds to the linear mean.


Spectral representation


We now look at the situation in the frequency domain.  From the time function it is already obvious,  that it contains – spectrally speaking – only one single  $($physical$)$  frequency,  namely the frequency  $f=0$.

⇒   This result shall now be derived mathematically.  In anticipation of the chapter  »Fourier Transform«  the connection between the time signal  $x(t)$  and the corresponding spectrum  $X(f)$  is already given here:

$$X(f)= \hspace{0.05cm}\int_{-\infty} ^{{+}\infty} x(t) \, \cdot \, { \rm e}^{-\rm j 2\pi \it ft} \,{\rm d}t.$$

The spectral function  $X(f)$  is called after the French mathematician  $\text{Jean Baptiste Joseph Fourier}$  the  »Fourier transform«  of the signal  $x(t)$  and the short labeling for this functional relation is

$$X(f)\ \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,\ x(t).$$

For example,  if  $x(t)$  describes a voltage curve,  so  $X(f)$  has the unit  "V/Hz".

⇒  Applying the Fourier transform to the DC signal  $x(t)=A_{0}$  yields the spectral function

$$X(f)= A_0 \cdot \int_{-\infty} ^{+\hspace{0.01cm}\infty}\rm e \it ^{-\rm {j 2\pi} \it ft} \,{\rm d}t$$

with the following properties:

  • The integral diverges for  $f=0$,  i.e. it returns an infinitely large value  $($integration over the constant value  $1)$.
  • For a frequency  $f\ne 0$,  on the other hand,  the integral is zero;  the corresponding proof,  however,  is not trivial  $($see next section$)$.


$\text{Definition:}$  The searched spectral function  $X(f)$  is compactly expressed by the following equation:

$$X(f) = A_0 \, \cdot \, \rm \delta(\it f).$$
  1.  $\delta(f)$  is denoted as the  »Dirac delta function«,  also known as  »distribution«.
  2.  $\delta(f)$  is a mathematically complicated function; the derivation can be found in the next section.


DC signal and its spectral function

$\text{Example 2:}$  The graphic shows the functional connection

  • between an DC signal  $x(t)=A_{0}$  and
  • its corresponding spectral function  $X(f)=A_{0} \cdot \delta(f)$.


The Dirac delta function at frequency  $f=0$  is represented by an arrow with weight  $A_{0}$.


Dirac (delta) function in frequency domain


$\text{Definition:}$  The  »Dirac delta function«   ⇒   short:  »Dirac function«  has the following properties:

  • The Dirac delta function is infinitely narrow,  i.e. it is  $\delta(f)=0$  for  $f \neq 0$.
  • The Dirac delta function  $\delta(f)$  is infinitely high at the frequency  $f = 0$ .
  • The Dirac delta weight  $($area of the Dirac function$)$  yields a finite value, namely  $1$:
$$\int_\limits{-\infty} ^{+\infty} \delta( f)\,{\rm d}f =1.$$
  • It follows from this last property that  $\delta(f)$  has the unit  ${\rm Hz}^{-1} = {\rm s}$ .


The derivation of the Dirac delta function

$\text{Proof:}$  For the mathematical derivation of these properties we assume a dimensionless DC signal  $x(t)$.

  • To force the convergence of the Fourier integral,  the non-energy-limited signal  $x(t)$  is multiplied by a bilateral declining exponential function.
  • The graph shows the signal  $x(t)=1$  and the energy-limited signal
$$x_{\varepsilon} (t) = \rm e^{\it -\varepsilon \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.01cm} t \hspace{0.01cm}\vert}{.}$$
It applies  $\varepsilon > 0$.  At the limit   $\varepsilon \to 0$ ,   $x_{\varepsilon}(t)$  passes to  $x(t)=1$.
  • The spectral representation is obtained by applying the Fourier integral given above:
$$X_\varepsilon (f)=\int_{-\infty}^{0} {\rm e}^{\varepsilon{t} }\, {\cdot}\, {\rm e}^{-\rm j 2\pi \it ft} \,{\rm d}t \hspace{0.2cm}+ \hspace{0.2cm} \int_{0}^{+\infty} {\rm e}^{-\varepsilon t} \,{\cdot}\, { \rm e}^{-\rm j 2\pi \it ft} \,{\rm d}t.$$
  • After integration and combination of both parts we obtain the purely real spectral function of the energy-limited signal  $x_{\varepsilon}(t)$:
$$X_\varepsilon (f)=\frac{1}{\varepsilon -\rm j \cdot 2\pi \it f} + \frac{1}{\varepsilon+\rm j \cdot 2\pi \it f} = \frac{2\varepsilon}{\varepsilon^2 + (\rm 2\pi {\it f}\hspace{0.05cm} ) \rm ^2} \, .$$
  • The area under the  $X_\varepsilon (f)$  curve is independent of the parameter  $\varepsilon$  equals  $1$. The smaller  $ε$  is selected,  the narrower and higher the function becomes,  as the  $($German language$)$  learning video  »Herleitung und Visualisierung der Diracfunktion«   ⇒   "Derivation and visualization of the Dirac delta function"  shows.
  • The limit for  $\varepsilon \to 0$  returns the Dirac delta function with weight  $1$:
$$\lim_{\varepsilon \hspace{0.05cm} \to \hspace{0.05cm} 0}X_\varepsilon (f)= \delta(f).$$


Exercises for the chapter


Exercise 2.2: Direct Current Component of Signals

Exercise 2.2Z: Non–Linearities