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

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{{Header
|Untermenü=Periodische Signale
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|Untermenü=Periodic Signals
|Vorherige Seite=Allgemeine Beschreibung
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|Vorherige Seite=General Description
|Nächste Seite=Harmonische Schwingung
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|Nächste Seite=Harmonic Oscillation
 
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==Zeitsignaldarstellung==
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==Time signal representation==
 
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$\text{Definition:}$&nbsp;
 
$\text{Definition:}$&nbsp;
Ein&nbsp; '''Gleichsignal'''&nbsp; ist ein deterministisches Signal, dessen Augenblickswerte für alle Zeiten&nbsp; $t$&nbsp; von&nbsp; $-\infty$&nbsp; bis&nbsp; $+\infty$&nbsp; konstant sind. Ein solches Signal ist der Grenzfall einer&nbsp; [[Signaldarstellung/Harmonische_Schwingung|harmonischen Schwingung]], wobei die Periodendauer&nbsp; $T_{0}$&nbsp; einen unendlich großen Wert besitzt.}}
+
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.}}
  
  
[[File:Sig_T_2_2_S1a_Version2.png|right|frame|Gleichsignal im Zeitbereich]]
+
[[File:Sig_T_2_2_S1a_Version2.png|right|frame|DC signal in time domain]]
Entsprechend dieser Definition reicht ein Gleichsignal immer von&nbsp; $t = -\infty$&nbsp; bis&nbsp; $t = +\infty$.  
+
According to this definition a DC signal always ranges from&nbsp; $t = -\infty$&nbsp; to&nbsp; $t = +\infty$.&nbsp;
Wird das Signal erst zum Zeitpunkt&nbsp; $t = 0$&nbsp; eingeschaltet, so liegt kein Gleichsignal vor.
+
If the constant signal is only switched on at the time&nbsp; $t = 0$&nbsp; there is no DC signal.
  
*Ein Gleichsignal kann niemals Träger von Information im nachrichtentechnischen Sinne sein, doch können Nachrichtensignale durchaus einen&nbsp; ''Gleichsignalanteil''&nbsp; besitzen.
+
*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;
*Alle im Folgenden für das Gleichsignal getroffenen Aussagen gelten in gleicher Weise auch für einen solchen Gleichsignalanteil.
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*All statements made in the following for the direct current signal apply in the same way also to such a direct signal component.
 
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<br clear=all>
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
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$\text{Definition:}$&nbsp;
 
$\text{Definition:}$&nbsp;
Für den&nbsp; '''Gleichsignalanteil'''&nbsp; $A_{0}$ eines beliebigen Signals&nbsp; $x(t)$&nbsp; gilt:
+
For the&nbsp; &raquo;'''DC signal component'''&laquo;&nbsp; $A_{0}$&nbsp; of any signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; applies:
 
   
 
   
 
:$$A_0  =  \lim_{T_{\rm M}\to\infty}\,\frac{1}{T_{\rm M} }\cdot\int^{T_{\rm M}/2}_{-T_{\rm M}/2}x(t)\,{\rm d} t. $$
 
:$$A_0  =  \lim_{T_{\rm M}\to\infty}\,\frac{1}{T_{\rm M} }\cdot\int^{T_{\rm M}/2}_{-T_{\rm M}/2}x(t)\,{\rm d} t. $$
  
*Die Messdauer&nbsp; $T_{\rm M}$&nbsp; sollte stets möglichst groß  gewählt werden (im Grenzfall unendlich).
+
*The measurement duration&nbsp; $T_{\rm M}$&nbsp; should always be selected as large as possible&nbsp; $($infinite in borderline cases$)$.
*Die angegebene Gleichung gilt allerdings nur dann, wenn&nbsp; $T_{\rm M}$&nbsp; symmetrisch um den Zeitpunkt&nbsp; $t=0$&nbsp; liegt.}}
+
 
 +
*The given equation is only valid if&nbsp; $T_{\rm M}$&nbsp; lies symmetrical about the time&nbsp; $t=0$.}}
  
  
[[File:P_ID298__Sig_T_2_2_S1_b_neu.png|right|frame|Zufallssignal mit Gleichanteil]]
+
{{GraueBox|TEXT=
{{GraueBox|TEXT=  
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[[File:P_ID298__Sig_T_2_2_S1_b_neu.png|right|frame|Random signal with DC componentl]]   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp;
+
$\text{Example 1:}$&nbsp;
Die Grafik zeigt ein stochastisches Signal&nbsp; $x(t)$.
+
The graph shows a random signal&nbsp; $x(t)$.
*Der Gleichsignalanteil&nbsp; $A_{0}$&nbsp; ist hierbei&nbsp; $2\ \rm V$.
+
*The DC component is here&nbsp; $A_{0} = 2\ \rm V$.
*Im Sinne der Statistik entspricht&nbsp; $A_{0}$&nbsp; dem linearen Mittelwert.}}
 
  
 +
*In the sense of statistics,&nbsp; $A_{0}$&nbsp; corresponds to the linear mean.}}
  
==Spektraldarstellung==
+
 
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==Spectral representation==
 
<br>
 
<br>
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&nbsp; $f=0$.  
+
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; $f=0$.  
  
Dieses Ergebnis soll nun mathematisch hergeleitet werden.
+
&rArr; &nbsp; This result shall now be derived mathematically.&nbsp;
Im Vorgriff auf das Kapitel&nbsp; [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_erste_Fourierintegral|Fouriertransformation]]&nbsp;  wird bereits hier der Zusammenhang zwischen dem Zeitsignal&nbsp; $x(t)$&nbsp; und dem korrespondierenden Spektrum&nbsp; $X(f)$&nbsp; angegeben:
+
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:
  
 
:$$X(f)= \hspace{0.05cm}\int_{-\infty} ^{{+}\infty} x(t) \, \cdot \, { \rm e}^{-\rm j 2\pi \it ft} \,{\rm d}t.$$
 
:$$X(f)= \hspace{0.05cm}\int_{-\infty} ^{{+}\infty} x(t) \, \cdot \, { \rm e}^{-\rm j 2\pi \it ft} \,{\rm d}t.$$
  
Man bezeichnet die so berechnete Spektralfunktion&nbsp; $X(f)$&nbsp; nach dem französischen Mathematiker&nbsp; [https://de.wikipedia.org/wiki/Joseph_Fourier Jean Baptiste Joseph Fourier]&nbsp; als die Fouriertransformierte von&nbsp; $x(t)$&nbsp; und verwendet als Kurzbezeichnung für diesen Funktionalzusammenhang
+
The spectral function&nbsp; $X(f)$&nbsp; is called after the French mathematician&nbsp;  
+
[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
 +
 
 
:$$X(f)\ \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,\ x(t).$$
 
:$$X(f)\ \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\,\ x(t).$$
  
Beschreibt&nbsp; $x(t)$&nbsp; beispielsweise einen Spannungsverlauf, so hat&nbsp; $X(f)$&nbsp; die Einheit „V/Hz“.
+
For example,&nbsp; if&nbsp; $x(t)$&nbsp; describes a voltage curve,&nbsp; so&nbsp; $X(f)$&nbsp; has the unit&nbsp; "V/Hz".
  
Wendet man diese Transformationsgleichung auf das Gleichsignal&nbsp; $x(t)=A_{0}$&nbsp; an, so erhält man die Spektralfunktion
+
&rArr; &nbsp;Applying the Fourier transform to the DC signal&nbsp; $x(t)=A_{0}$&nbsp; yields the spectral function
 
   
 
   
:$$X(f)= A_0 \cdot \int_{-\infty} ^{+\hspace{0.01cm}\infty}\rm e \it ^{-\rm {j 2\pi} \it ft} \,{\rm d}t.$$
+
:$$X(f)= A_0 \cdot \int_{-\infty} ^{+\hspace{0.01cm}\infty}\rm e \it ^{-\rm {j 2\pi} \it ft} \,{\rm d}t$$
 +
 
 +
with the following properties:
 +
*The integral diverges for&nbsp; $f=0$,&nbsp; i.e. it returns an infinitely large value&nbsp; $($integration over the constant value&nbsp; $1)$.
  
mit folgenden Eigenschaften:
+
*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$)$.
*Das Integral divergiert für&nbsp; $f=0$, das heißt, es liefert einen unendlich großen Wert (Integration über den konstanten Wert 1).
 
*Für eine Frequenz&nbsp; $f\ne 0$&nbsp; ist das Integral dagegen Null; der dazugehörige Beweis ist allerdings nicht trivial (siehe nächste Seite).
 
  
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
$\text{Definition:}$&nbsp;
 
$\text{Definition:}$&nbsp;
Die gesuchte Spektralfunktion&nbsp; $X(f)$&nbsp; wird kompakt durch folgende Gleichung ausgedrückt:
+
The searched spectral function&nbsp; $X(f)$&nbsp; is compactly expressed by the following equation:
 
   
 
   
 
:$$X(f) = A_0 \, \cdot \, \rm \delta(\it f).$$
 
:$$X(f) = A_0 \, \cdot \, \rm \delta(\it f).$$
  
*Man bezeichnet&nbsp; $\delta(f)$&nbsp; als&nbsp; '''Diracfunktion''', auch bekannt unter dem Namen „Distribution”.  
+
#&nbsp;$\delta(f)$&nbsp; is denoted as the&nbsp; &raquo;'''Dirac delta function'''&laquo;,&nbsp; also known as&nbsp; &raquo;'''distribution'''&laquo;.  
*$\delta(f)$&nbsp; ist eine mathematisch komplizierte Funktion; die Herleitung finden Sie auf der nächsten Seite.}}
+
#&nbsp;$\delta(f)$&nbsp; is a mathematically complicated function; the derivation can be found in the next section.}}
  
  
[[File:Sig_T_2_2_S2_Version2.png|right|frame|Gleichsignal und dessen Spektralfunktion]]
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{{GraueBox|TEXT=
{{GraueBox|TEXT= 
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[[File:Sig_T_2_2_S2_Version2.png|right|frame|DC signal and its spectral function]]  
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp;
+
$\text{Example 2:}$&nbsp;
Die Grafik zeigt den Funktionalzusammenhang
+
The graphic shows the functional connection
*zwischen einem Gleichsignal&nbsp; $x(t)=A_{0}$&nbsp; und
+
*between an DC signal&nbsp; $x(t)=A_{0}$&nbsp; and
*der dazugehörigen Spektralfunktion&nbsp; $X(f)=A_{0} \cdot \delta(f)$.  
+
 +
*its corresponding spectral function&nbsp; $X(f)=A_{0} \cdot \delta(f)$.  
  
  
Die Diracfunktion bei der Frequenz&nbsp; $f=0$&nbsp; ist durch einen Pfeil dargestellt, der mit dem Gewicht&nbsp; $A_{0}$&nbsp; versehen ist.}}
+
The Dirac delta function at frequency&nbsp; $f=0$&nbsp; is represented by an arrow with weight&nbsp; $A_{0}$. }}
  
  
==Diracfunktion im Frequenzbereich==
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==Dirac (delta) function in frequency domain==
 
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{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
$\text{Definition:}$&nbsp;
 
$\text{Definition:}$&nbsp;
Die für die funktionale Beschreibung von nachrichtentechnischen Systemen äußerst wichtige&nbsp; '''Diracfunktion'''&nbsp; weist folgende Eigenschaften auf:
+
The&nbsp; &raquo;'''Dirac delta function'''&laquo; &nbsp; &rArr; &nbsp; short:&nbsp;  &raquo;'''Dirac function'''&laquo;&nbsp; has the following properties:
*Die Diracfunktion ist unendlich schmal, das heißt, es ist&nbsp; $\delta(f)=0$&nbsp; für&nbsp; $f \neq 0$.
+
*The Dirac delta function is infinitely narrow,&nbsp; i.e. it is&nbsp; $\delta(f)=0$&nbsp; for&nbsp; $f \neq 0$.
*Die Diracfunktion&nbsp; $\delta(f)$&nbsp; ist bei der Frequenz&nbsp; $f = 0$&nbsp; unendlich hoch.
+
 
*Die Impulsfläche der Diracfunktion ergibt einen endlichen Wert, nämlich&nbsp; $1$:  
+
*The Dirac delta function&nbsp; $\delta(f)$&nbsp; is infinitely high at the frequency&nbsp; $f = 0$&nbsp;.
 +
 
 +
*The Dirac delta weight&nbsp; $($area of the Dirac function$)$&nbsp; yields a finite value, namely&nbsp; $1$:  
 
:$$\int_\limits{-\infty} ^{+\infty} \delta( f)\,{\rm d}f  =1.$$
 
:$$\int_\limits{-\infty} ^{+\infty} \delta( f)\,{\rm d}f  =1.$$
*Aus dieser letzten Eigenschaft folgt, dass&nbsp; $\delta(f)$&nbsp; die Einheit&nbsp; ${\rm Hz}^{-1} = {\rm s}$&nbsp; besitzt.}}
+
*It follows from this last property that&nbsp; $\delta(f)$&nbsp; has the unit&nbsp; ${\rm Hz}^{-1} = {\rm s}$&nbsp;.}}
  
  
[[File:P_ID519__Sig_T_2_2_S3_rah.png|right|frame|Zur Herleitung der Diracfunktion]]
+
{{BlaueBox|TEXT=
{{BlaueBox|TEXT= 
+
[[File:P_ID519__Sig_T_2_2_S3_rah.png|right|frame|The derivation of the Dirac delta function]]  
$\text{Beweis:}$&nbsp;
+
$\text{Proof:}$&nbsp;
Zur mathematischen Herleitung obiger Eigenschaften gehen wir von einem dimensionslosen Gleichsignal aus.  
+
For the mathematical derivation of these properties we assume a dimensionless DC signal&nbsp; $x(t)$.
 +
 
 +
*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.  
  
Um die Konvergenz des Fourierintegrals zu erzwingen, wird das nicht energiebegrenzte Signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; mit einer beidseitig abfallenden Exponentialfunktion multipliziert. Die Grafik zeigt das Signal&nbsp; $x(t)=1$&nbsp; und das energiebegrenzte Signal
+
*The graph shows the signal&nbsp; $x(t)=1$&nbsp; and the energy-limited signal
  
 
:$$x_{\varepsilon} (t) = \rm e^{\it -\varepsilon \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.01cm} t \hspace{0.01cm}\vert}{.}$$
 
:$$x_{\varepsilon} (t) = \rm e^{\it -\varepsilon \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \vert \hspace{0.01cm} t \hspace{0.01cm}\vert}{.}$$
  
Hierbei gelte&nbsp; $\varepsilon > 0$. Im Grenzübergang&nbsp; $\varepsilon \to 0$&nbsp; geht&nbsp; $x_{\varepsilon}(t)$&nbsp; in&nbsp; $x(t)=1$&nbsp; über.
+
:It applies&nbsp; $\varepsilon > 0$.&nbsp; At the limit &nbsp; $\varepsilon \to 0$&nbsp;, &nbsp; $x_{\varepsilon}(t)$&nbsp; passes to&nbsp; $x(t)=1$.
  
Zur Spektraldarstellung kommt man durch Anwendung des vorne angegebenen Fourierintegrals:
+
*The spectral representation is obtained by applying the Fourier integral given above:
 
   
 
   
 
:$$X_\varepsilon (f)=\int_{-\infty}^{0} {\rm e}^{\varepsilon{t} }\, {\cdot}\, {\rm e}^{-\rm j 2\pi \it ft} \,{\rm d}t \hspace{0.2cm}+ \hspace{0.2cm} \int_{0}^{+\infty} {\rm e}^{-\varepsilon t} \,{\cdot}\, { \rm e}^{-\rm j 2\pi \it ft} \,{\rm d}t.$$
 
:$$X_\varepsilon (f)=\int_{-\infty}^{0} {\rm e}^{\varepsilon{t} }\, {\cdot}\, {\rm e}^{-\rm j 2\pi \it ft} \,{\rm d}t \hspace{0.2cm}+ \hspace{0.2cm} \int_{0}^{+\infty} {\rm e}^{-\varepsilon t} \,{\cdot}\, { \rm e}^{-\rm j 2\pi \it ft} \,{\rm d}t.$$
  
Nach Integration und Zusammenfassen beider Anteile erhalten wir die rein reelle Spektralfunktion des energiebegrenzten Signals&nbsp; $x_{\varepsilon}(t)$:
+
*After integration and combination of both parts we obtain the purely real spectral function of the energy-limited signal&nbsp; $x_{\varepsilon}(t)$:
 
   
 
   
 
:$$X_\varepsilon (f)=\frac{1}{\varepsilon -\rm  j \cdot 2\pi \it f} + \frac{1}{\varepsilon+\rm j \cdot 2\pi \it  f} = \frac{2\varepsilon}{\varepsilon^2 + (\rm 2\pi {\it f}\hspace{0.05cm} ) \rm ^2} \, .$$
 
:$$X_\varepsilon (f)=\frac{1}{\varepsilon -\rm  j \cdot 2\pi \it f} + \frac{1}{\varepsilon+\rm j \cdot 2\pi \it  f} = \frac{2\varepsilon}{\varepsilon^2 + (\rm 2\pi {\it f}\hspace{0.05cm} ) \rm ^2} \, .$$
  
Die Fläche unter der&nbsp; $X_\varepsilon (f)$&ndash;Kurve ist unabhängig vom Parameter&nbsp; $\varepsilon$&nbsp; gleich&nbsp; $1$. Je kleiner&nbsp; $ε$&nbsp; gewählt wird, um so schmaler und höher wird die Funktion, wie das Lernvideo&nbsp; [[Herleitung_und_Visualisierung_der_Diracfunktion_(Lernvideo)|Herleitung und Visualisierung der Diracfunktion]]&nbsp; zeigt.
+
*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.  
  
Der Grenzübergang für&nbsp; $\varepsilon \to 0$&nbsp; liefert die Diracfunktion mit dem Gewicht&nbsp; $1$:
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*The limit for&nbsp; $\varepsilon \to 0$&nbsp; returns the Dirac delta function with weight&nbsp; $1$:
  
 
:$$\lim_{\varepsilon \hspace{0.05cm} \to \hspace{0.05cm} 0}X_\varepsilon (f)= \delta(f).$$}}
 
:$$\lim_{\varepsilon \hspace{0.05cm} \to \hspace{0.05cm} 0}X_\varepsilon (f)= \delta(f).$$}}
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==Aufgaben zum Kapitel==
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==Exercises for the chapter==
 
<br>
 
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[[Aufgaben: 2.2 Gleichsignalanteile|Aufgabe 2.2: Gleichsignalanteile]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.2:_Direct_Current_Component_of_Signals|Exercise 2.2: Direct Current Component of Signals]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.2Z:_Nichtlinearitäten|Aufgabe 2.2Z: Nichtlinearitäten]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.2Z:_Nonlinearities|Exercise 2.2Z: Non&ndash;Linearities]]
  
  
  
 
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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