Difference between revisions of "Signal Representation/Fourier Series"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Periodische Signale
+
|Untermenü=Periodic Signals
|Vorherige Seite=Harmonische Schwingung
+
|Vorherige Seite=Harmonic Oscillation
|Nächste Seite=Fouriertransformation und -rücktransformation
+
|Nächste Seite=The Fourier Transform and its Inverse
 
}}
 
}}
  
  
==Allgemeine Beschreibung==
+
==General description==
Jede periodische Funktion $x(t)$ kann in allen Bereichen, in denen sie stetig ist oder nur endlich viele Sprungstellen aufweist, in eine trigonometrische Reihe entwickelt werden, die man als Fourierreihe bezeichnet.
+
<br>
 +
Every periodic function&nbsp; $x(t)$&nbsp; can be developed into a trigonometric series&nbsp; called&nbsp; &raquo;Fourier series&laquo;&nbsp; in all areas,&nbsp; where it is continuous or has only finite discontinuities.
  
{{Definition}}
+
{{BlaueBox|TEXT= 
Die Fourierreihe eines periodischen Signals $x(t)$ lautet wie folgt:
+
$\text{Definition:}$&nbsp;
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The&nbsp; &raquo;'''Fourier series'''&laquo;&nbsp; of a periodic signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is defined as follows:
 
   
 
   
$$x(t) =A_0+\sum^{\infty}_{n=1}A_{\it n} \cdot\cos(n \omega_0 t)+\sum^{\infty}_{n=1} B_n \cdot \sin(n \omega_0 t).$$
+
:$$x(t) =A_0+\sum^{\infty}_{n=1}A_{\it n} \cdot\cos(n \omega_0 t)+\sum^{\infty}_{n=1} B_n \cdot \sin(n \omega_0 t).$$
  
Hierbei bezeichnen:
+
Here the symbols denote the following definitions:
*$A_0$ den '''Gleichanteil''' von $x(t)$,
+
*$A_0$&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''constant component'''&laquo;&nbsp;&nbsp; of&nbsp; $x(t)$,
*$A_n$ die '''Cosinuskoeffizienten''' ,
 
*$B_n$ die '''Sinuskoeffizienten''',
 
*$\omega_0 = 2\pi/T_0$ die '''Grundkreisfrequenz''' des periodischen Signals ($T_0$ ist die Periodendauer).
 
{{end}}
 
  
 +
*$A_n$&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''cosine coefficients'''&laquo;&nbsp;&nbsp; with&nbsp; $n \ge 1$,
  
Soll die Fourierreihe mit dem tatsächlichen periodischen Signal $x(t)$ exakt übereinstimmen, so müssen im Allgemeinen unendlich viele Cosinus– und Sinuskoeffizienten zur Berechnung herangezogen werden. Bricht man die Fourierreihe ab und verwendet jeweils nur $N$ dieser Koeffizienten An und Bn, so ergibt sich bis auf Sonderfälle ein etwas anderer Funktionsverlauf:
+
*$B_n$&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''sine coefficients'''&laquo;&nbsp;  with&nbsp; $n \ge 1$,
 +
 
 +
*$\omega_0 = 2\pi/T_0$&nbsp;the&nbsp; &raquo;'''basic circular frequency'''&laquo;&nbsp; of the periodic signal&nbsp; $(T_0$ is the period duration$)$.}}
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If the Fourier series should exactly match the actual periodic signal&nbsp; $x(t)$,&nbsp; an infinite number of cosine and sine coefficients must generally be used for calculation.  
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*If the Fourier series is interrupted and only&nbsp; $N$&nbsp; of&nbsp; $A_n$&nbsp; and&nbsp; $B_n$ coefficients are used,&nbsp; then a slightly different plot of the function results except for some special cases:
 
   
 
   
$$x_ N(t) =A_0+\sum^N_{n=1}A_ n \cdot \cos(n \omega_0 t)+\sum^N_{n=1} B_{n} \cdot \sin(n \omega_0 t).$$
+
:$$x_ N(t) =A_0+\sum^N_{n=1}A_ n \cdot \cos(n \omega_0 t)+\sum^N_{n=1} B_{n} \cdot \sin(n \omega_0 t).$$
  
Zwischen dem periodischen Signal und der Fourierreihenapproximation gilt der Zusammenhang:
+
*The relation between the periodic signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; and the Fourier series approximation&nbsp; $x_N(t)$&nbsp; holds:
 
   
 
   
$$x(t)=\lim_{N\to \infty} x_{N}(t).$$
+
:$$x(t)=\lim_{N\to \infty} x_{N}(t).$$
  
Ist $N \cdot f_0$ die höchste im Signal $x(t)$ vorkommende Frequenz, so gilt natürlich $x_N(t) = x(t)$.
+
*If &nbsp; $N \cdot f_0$&nbsp; is the highest frequency occurring in the signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; then of course&nbsp; $x_N(t) = x(t)$.
  
  
{{Beispiel}}
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{{GraueBox|TEXT= 
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$\text{Example 1:}$&nbsp;
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We consider two periodic  rectangular signals&nbsp; $($"square waves"$)$,&nbsp; each with period duration&nbsp; $T_0$&nbsp; and basic circular frequency&nbsp; $\omega_0 = 2\pi/T_0$.
 +
[[File:P_ID525__Sig_T_2_4_S1_neu.png|right|frame|Even and odd rectangular signal]]
 +
*For the even&nbsp; $($German:&nbsp; "gerade" &nbsp; &rArr; &nbsp; $\rm g)$&nbsp; time signal sketched above: &nbsp;
 +
:$$x_{\rm g}(-t) = x_{\rm g}(t).$$
 +
*The function shown below is odd&nbsp; $($German:&nbsp; "ungerade" &nbsp; &rArr; &nbsp; $\rm u)$: &nbsp;
 +
:$$x_{\rm u}(-t) = -x_{\rm u}(t).$$
  
[[File:P_ID525__Sig_T_2_4_S1_neu.png|250px|right|Gerades und ungerades Rechtecksignal]]
+
One finds the&nbsp; Fourier series representations&nbsp; of both signals in formularies:
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 +
:$$x_{\rm g}(t)=\frac{4}{\pi}\left [ \cos(\omega_0  t)-\frac{1}{3}\cdot \cos(3 \omega_0  t)+\frac{1}{5}\cdot\cos(5 \omega_0  t)- \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm} + \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm}\right ],$$
  
Wir betrachten zwei periodische Rechtecksignale, jeweils mit der Periodendauer $T_0$ und der Grundkreisfrequenz $\omega_0 = 2\pi/T_0$. Für das oben skizzierte gerade Zeitsignal gilt $x_g(-t) = x_g(t)$. Dagegen ist die unten dargestellte Funktion ungerade: $x_u(-t) = -x_u(t)$.
+
:$$x_{\rm u}(t)=\frac{4}{\pi}\left [ \sin(\omega_0  t)+\frac{1}{3}\cdot\sin(3 \omega_0  t)+\frac{1}{5}\cdot\sin(5 \omega_0  t)+ \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm} + \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm} \right ].$$  
  
In Formelsammlungen, z. B. [BS01], findet man die Fourierreihendarstellungen beider Signale:
+
*Because of the generally valid relationship
 
   
 
   
$$x_{\rm g}(t)=\frac{4}{\pi}\left [ \cos(\omega_0  t)-\frac{1}{3}\cdot \cos(3 \omega_0  t)+\frac{1}{5}\cdot\cos(5 \omega_0  t)- \ldots + \ldots \right ],$$
+
:$$1-\frac{1}{3}+\frac{1}{5}-\frac{1}{7}+\frac{1}{9}\, {-}\, \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm} \, {+} \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm}=\frac{\pi}{4},$$
 +
 
 +
:the amplitudes&nbsp; $($maximum values$)$&nbsp; of the rectangular basic pulse result to&nbsp; $1$.
 +
 
 +
*This can also be verified using the signal curves in the  graphic:
 +
 
 +
:$$x_{\rm g}(t = 0) = x_{\rm u}(t = T_0/4) = 1.$$}}
  
$$x_{\rm u}(t)=\frac{4}{\pi}\left [ \sin(\omega_0  t)+\frac{1}{3}\cdot\sin(3 \omega_0  t)+\frac{1}{5}\cdot\sin(5 \omega_0  t)+ \ldots + \ldots \right ].$$
 
  
Wegen der allgemeingültigen Beziehung
+
==Calculation of the Fourier coefficients==
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<br>
 +
The Fourier coefficient&nbsp; $A_0$&nbsp; specifies the&nbsp; &raquo;direct current&nbsp; $\rm (DC)$&nbsp; signal component&laquo;&nbsp; which can be determined by averaging over the signal course&nbsp; $x(t)$.&nbsp; Due to the periodicity,&nbsp; averaging over one period is sufficient:
 
   
 
   
$$1-\frac{1}{3}+\frac{1}{5}-\frac{1}{7}+\frac{1}{9}\, {-}\, {+} \ldots=\frac{\pi}{4}$$
+
:$$A_0=\frac{1}{T_0}\cdot \int^{+T_0/2}_{-T_0/2}x(t)\,{\rm d}t.$$
 +
 
 +
*The integration limits can also be selected from&nbsp; $t = 0$&nbsp; to&nbsp; $t = T_0$&nbsp; $($or over a differently defined period of equal length$)$.
  
ergeben sich die Amplituden der beiden Rechtecksignale (Maximalwerte zum Beispiel bei $t$ = 0 bzw. $T_0/4$) jeweils zu 1. Dies lässt sich auch anhand der Signalverläufe in der obigen Grafik verifizieren.
+
*The determination of the Fourier coefficients&nbsp; $A_n$&nbsp; and&nbsp; $B_n$&nbsp; $(n \ge 1)$&nbsp; is based on the property that cosine and sine functions are so-called&nbsp;[https://en.wikipedia.org/wiki/Orthogonal_functions&nbsp; &raquo;orthogonal functions&laquo;].&nbsp;
{{end}}
 
  
 +
*For them the following applies:
 +
 +
:$$\int^{+T_0/2}_{-T_0/2}\cos(n \omega_0 t)\cdot\cos(m \omega_0 t)\,{\rm d}t=\left \{{T_0/2\atop 0}{\rm\quad  if  \it \hspace{0.2cm} m=n,\atop \rm otherwise}  \right.$$
  
==Berechnung der Fourierkoeffizienten==
+
:$$\int ^{+T_0/2}_{-T_0/2}\sin(n\omega_0 t)\cdot\sin(m \omega_0 t)\,{\rm d}t=\left \{{T_0/2\atop 0}{\rm\quad  if \it \hspace{0.2cm} m=n,\atop \rm otherwise}  \right.$$
  
Der Fourierkoeffizient $A_0$ gibt den '''Gleichanteil''' an, der durch Mittelung über den Signalverlauf $x(t)$ bestimmt werden kann. Aufgrund der Periodizität genügt die Mittelung über eine Periode:
+
:$$\int ^{+T_0/2}_{-T_0/2}\cos(n \omega_0 t)\cdot\sin(m \omega_0 t)\,{\rm d}t=0 \hspace{1.2cm} \rm for\  all \hspace{0.2cm} \it m, \ n.$$
 
   
 
   
$$A_0=\frac{1}{T_0}\cdot \int^{+T_0/2}_{-T_0/2}x(t)\,{\rm d}t.$$
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Conclusion:}$&nbsp; Considering these equations,&nbsp; the cosine coefficients&nbsp; $A_n$&nbsp; and the sine coefficients&nbsp; $B_n$&nbsp; result as follows
  
Der Integrationsbereich kann auch von 0 bis $T_0$ (oder über eine anders festgelegte gleich lange Periode) gewählt werden. Die Bestimmung der Fourierkoeffizienten $A_n$ und $B_n$ $(n \ge 1)$ beruht auf der Eigenschaft, dass die harmonischen Cosinusfunktionen und Sinusfunktionen so genannte '''Orthogonalfunktionen''' sind. Für diese gilt:
+
:$$A_{\it n}=\frac{2}{T_0}\cdot \int^{+T_0/2}_{-T_0/2}x(t)\cdot\cos(n \omega_0 t)\,{\rm d}t,$$
 +
 
 +
:$$B_{\it n}=\frac{2}{T_0}\cdot \int^{+T_0/2}_{-T_0/2}x(t)\cdot\sin(n \omega_0 t)\,{\rm d}t.$$}}
 
   
 
   
<math>\int^{+T_0/2}_{-T_0/2}\cos(n \omega_0 t)\cdot\cos(m \omega_0 t)\,{\rm d}t=\left \{{T_0/2\atop 0}{\rm\quad  falls \it \quad m=n,\atop \rm sonst}  \right.</math>
 
  
$$\int ^{+T_0/2}_{-T_0/2}\sin(n\omega_0 t)\cdot\sin(m \omega_0 t)\,{\rm d}t=\left \{{T_0/2\atop 0}{\rm\quad  falls \it \quad m=n,\atop \rm sonst}  \right.$$
+
The following&nbsp; $($German-language$)$&nbsp; learning video illustrates these equations:<br> &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;[[Zur_Berechnung_der_Fourierkoeffizienten_(Lernvideo)|&raquo;Zur Berechnung der Fourierkoeffizienten&laquo;]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Calculating the Fourier coefficients".
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[[File:P_ID526__Sig_T_2_4_S2_neu.png|right|frame|On calculating the Fourier coefficients]]
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{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp;
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We consider the drawn periodic time function
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 +
:$$x(t)=0.4+0.6\cdot \cos(\omega_0 t)-0.3\cdot\sin(3 \omega_0 t).$$
 +
 
 +
*Since the integral of the cosine and sine functions over one period are identical to zero, the DC signal coefficient is&nbsp;
 +
:$$A_0 = 0.4.$$
  
$$\int ^{+T_0/2}_{-T_0/2}\cos(n \omega_0 t)\cdot\sin(m \omega_0 t)\,{\rm d}t=0 \quad \rm f\ddot{u}r\quad alle \quad \it m, n.$$
+
*One determines the cosine coefficient&nbsp; $A_1$&nbsp; with following equation&nbsp; $($Integration limits from&nbsp; $t = 0$&nbsp; to&nbsp; $t = T_0)$:
 
   
 
   
Berücksichtigt man diese Gleichungen, so ergeben sich für die Cosinus– und Sinuskoeffizienten:
+
:$$ \begin{align*} A_{1}=\frac{2}{T_0}\cdot \int^{T_0}_{0}\hspace{-0.3cm}0.4\cdot\cos(\omega_0  t)\,{\rm d}t  +  \frac{2}{T_0}\cdot \int^{T_0}_{0}\hspace{-0.3cm}0.6\cdot\cos^2(\omega_0  t)\,{\rm d}t  -  \frac{2}{T_0}\cdot \int^{T_0}_{0}\hspace{-0.3cm}0.3\cdot\sin(3  \omega_0  t)\cdot \cos(\omega_0 t)\,{\rm d}t.\end{align*} $$
 +
 
 +
#The last integral is equal to zero due to orthogonality;&nbsp; the first one is zero too&nbsp; $($integral over one period$)$.
 +
#Only the middle term contributes here to&nbsp; $A_1$,&nbsp; namely&nbsp; $2 - 0.6 - 0.5 = 0.6. $
  
$$A_{\it n}=\frac{2}{T_0}\cdot \int^{+T_0/2}_{-T_0/2}x(t)\cdot\cos(n \omega_0 t)\,{\rm d}t,$$
+
*For all further&nbsp; $(n \ge 2)$&nbsp; cosine coefficients all three integrals return the value zero,&nbsp; and thus&nbsp; $A_{n \hspace{0.05cm}\neq \hspace{0.05cm}1}=0$.
  
$$B_{\it n}=\frac{2}{T_0}\cdot \int^{+T_0/2}_{-T_0/2}x(t)\cdot\sin(n \omega_0 t)\,{\rm d}t.$$
+
*To determine the sine coefficients &nbsp; $B_n$&nbsp; using following equation:
 
   
 
   
Nachfolgend finden Sie ein Lernvideo zur weiteren Verdeutlichung dieser Gleichungen:
+
:$$ \begin{align*} B_{\it n}=\frac{2}{T_0}\cdot \int^{T_0}_{0}\hspace{-0.3cm}0.4 \cdot \sin(n \ \omega_0  t)\,{\rm d}t  + \frac{2}{T_0} \cdot \int^{T_0}_{0}\hspace{-0.3cm}0.6\cdot \cos(\omega_0  t) \sin(n \omega_0  t)\,{\rm d}t  -  \frac{2}{T_0}\cdot  \int^{T_0}_{0}\hspace{-0.3cm}0.3\cdot \sin(3 \omega_0  t) \sin(n  \omega_0 t )\,{\rm d}t. \end{align*} $$
Zur Berechnung der Fourierkoeffizienten (Dauer 3:50)
 
  
 +
#For&nbsp; $n \hspace{0.05cm}\neq \hspace{0.05cm}3$&nbsp; all three integral values are zero and therefore&nbsp; $B_{n \hspace{0.05cm}\neq \hspace{0.05cm}3} = 0.$
 +
#On the other hand,&nbsp; for&nbsp; $n=3$&nbsp; the last integral provides a contribution,&nbsp; and one gets for the sine coefficient&nbsp;
 +
::$$B_3 = -0.3.$$}}
  
{{Beispiel}}
 
  
[[File:P_ID526__Sig_T_2_4_S2_neu.png|250px|right|Zur Berechnung der Fourierkoeffizienten]]
+
==Exploitation of symmetries==
 +
<br>
 +
Some insights into the Fourier coefficients&nbsp; $A_n$&nbsp; and&nbsp; $B_n$&nbsp; can already be read from the&nbsp; &raquo;symmetry properties&laquo;&nbsp; of the time function&nbsp; $x(t)$.&nbsp;
  
Wir betrachten die nachfolgend gezeichnete periodische Zeitfunktion
+
*If the time signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is an even function &nbsp; ⇒ &nbsp; axis-symmetrical around the ordinate&nbsp; $(t = 0)$,&nbsp; all sine coefficients&nbsp; $B_n$ disappear,&nbsp; since the sine function itself is an odd function &nbsp; ⇒ &nbsp; $\sin(-\alpha) = -\sin(\alpha)$:
  
$$x(t)=0.4+0.6\cdot \cos(\omega_0  t)-0.3\cdot\sin(3 \omega_0 t).$$  
+
:$$B_n = 0 \hspace{0.4cm}(n = 1, \ 2, \ 3, \text{...}).$$  
  
Da das Integral der Cosinus– und der Sinusfunktion über jeweils eine Periode identisch 0 ist, erhält man für den Gleichsignalkoeffizienten $A_0$ = 0.4.
+
*An odd function&nbsp; $x(t)$&nbsp; is point-symmetric around the coordinate origin&nbsp; $(t= 0; \ x =0)$.&nbsp; Therefore,&nbsp; all cosine coefficients disappear here&nbsp; $(A_n = 0)$,&nbsp; since the cosine function itself is even.&nbsp; In this case,&nbsp; the DC coefficient is always&nbsp; $A_0=0$.
 +
 +
:$$A_n = 0 \hspace{0.4cm}(n = 0, \ 1, \ 2, \ 3, \text{...}).$$
  
Die Bestimmungsgleichung für den Cosinuskoeffizienten $A_1$ lautet (Integration von 0 bis $T_0$):
+
*If a function without a DC signal component is present&nbsp; $(A_0 = 0)$&nbsp; and if this function is odd within a period &nbsp; ⇒ &nbsp;  $x(t) = -x(t - T_0/2)$,&nbsp; then only odd multiples of the basic frequency are present in the Fourier series representation.&nbsp; For the coefficients with an even index,&nbsp; however,&nbsp; the following always applies:
 
   
 
   
$$ \begin{align*} A_{1}=\frac{2}{T_0}\cdot \int^{T_0}_{0}0.4\cdot\cos(\omega_0  t)\,{\rm d}t  & +  \frac{2}{T_0}\cdot \int^{T_0}_{0}0.6\cdot\cos^2(\omega_0  t)\,{\rm d}t \\  & - \frac{2}{T_0}\cdot \int^{T_0}_{0}0.3\cdot\sin(3  \omega_0  t)\cdot \cos(\omega_0 t)\,{\rm d}t.\end{align*} $$
+
:$$A_n = B_n = 0 \hspace{0.4cm}(n = 2, \ 4, \ 6,  \text{...}).$$
  
Das letzte Integral ist aufgrund der Orthogonalität gleich 0; das erste ist ebenfalls 0. Nur der mittlere Term liefert hier einen Beitrag zu $A_1$ = 2 · 0.6 · 0.5 = 0.6. Bei allen weiteren ($n \ge 2$) Cosinuskoeffizienten liefern alle drei Integrale den Wert 0, und es gilt somit stets $A_{n \neq 1}=0$.
+
*If all coefficients&nbsp; $A_n$&nbsp; and&nbsp; $B_n$&nbsp; with even-numbered index&nbsp; $(n = 2, \ 4, \ 6, \text{...})$&nbsp; equals zero and the coefficient&nbsp; $A_0 \neq 0$,&nbsp; then the symmetry property mentioned in the last point refers to the DC component and applies:
Die Bestimmungsgleichungen für die Sinuskoeffizienten $B_n$ lauten entsprechend:
 
 
   
 
   
$$ \begin{align*} B_{\it n}=\frac{2}{T_0}\cdot \int^{T_0}_{0}0.4 \cdot \sin(n \ \omega_0  t)\,{\rm d}t  & + \frac{2}{T_0} \cdot \int^{T_0}_{0}0.6\cdot \cos(\omega_0  t) \sin(n \omega_0  t)\,{\rm d}t \\ & -  \frac{2}{T_0}\cdot  \int^{T_0}_{0}0.3\cdot \sin(3 \omega_0  t) \sin(n  \omega_0 t )\,{\rm d}t. \end{align*} $$
+
:$$x(t) = 2 \cdot A_0 - x (t - T_0/2).$$
 +
 
 +
<u>Remark:</u> &nbsp; Several of the named symmetry properties can be fulfilled at the same time.
 +
 
 +
 
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:EN_Sig_T_2_4_S3.png|right|frame|Symmetry properties of the Fourier coefficients]]
 +
 
 +
$\text{Example 3:}$&nbsp;
 +
The mentioned properties are now illustrated by three signal waveforms:
 +
*$x_1(t)$&nbsp; is an averaging function &nbsp; &rArr; &nbsp; $A_0 \ne 0$&nbsp; and it is also even,&nbsp; which is accordingly exclusively determined by cosine coefficients&nbsp; $A_n$&nbsp; &rArr; &nbsp; $B_n = 0$.
  
Für $n \neq 3$ sind alle drei Integralwerte gleich 0 und damit gilt auch $B_n$ = 0. Dagegen liefert für $n=3$ das letzte Integral einen Beitrag, und man erhält für den Sinuskoeffizienten $B_3$ = –0.3.
 
  
{{end}}
+
*In contrast,&nbsp; with the odd function&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; all&nbsp; $A_n \ ( n \ge 0)$&nbsp; are identical to zero.
  
  
==Ausnutzung von Symmetrieeigenschaften==
+
*Also the odd function&nbsp; $x_3(t)$&nbsp; contains only sine coefficients,&nbsp; but because of&nbsp; $x_3(t) = -x_3(t - T_0/2)$&nbsp; exclusively for odd&nbsp; $n$&ndash;values.
  
Einige Erkenntnisse über die zu erwartenden Fourierkoeffizienten $A_n$ und $B_n$ lassen sich bereits aus den '''Symmetrieeigenschaften''' der Zeitfunktion $x(t)$ ablesen.
 
  
*Ist das Zeitsignal $x(t)$ eine gerade Funktion  ⇒  achsensymmetrisch um die Ordinate ($t$ = 0), so verschwinden alle Sinuskoeffizienten $B_n$, da die Sinusfunktion selbst eine ungerade Funktion  ⇒  $sin(-\alpha) = -sin(\alpha)$ ist:
 
  
$$B_n = 0 \hspace{0.4cm}(n = 1, 2, 3, ...).$$
 
  
*Eine ungerade Funktion $x(t)$ ist punktsymmetrisch um den Koordinatenursprung ($t$= 0; $x$ =0). Deshalb müssen hier alle Cosinuskoeffizienten verschwinden ($A_n$ = 0), da die Cosinusfunktion selbst gerade ist. In diesem Fall ist auch der Gleichanteil $A_0$ stets 0.
 
 
$$A_n = 0 \hspace{0.4cm}(n = 0, 1, 2, 3, ...).$$
 
  
*Liegt eine Funktion ohne Gleichanteil vor ($A_0$ = 0) und ist diese innerhalb einer Periode ungerade  ⇒  es gilt $x(t) = -x(t - T_0/2)$, so sind in der Fourierreihendarstellung nur ungerade Vielfache der Grundfrequenz vorhanden. Für die Koeffizienten mit geradzahligem Index gilt dagegen stets:
 
 
$$A_n = B_n = 0 \hspace{0.4cm}(n = 2, 4, 6,  ...).$$
 
  
*Sind alle Koeffizienten $A_n$ und $B_n$ mit geradzahligem Index ($n$ = 2, 4, ...) gleich 0 und der Koeffizient $A_0 \neq 0$, so bezieht sich die im letzten Punkt genannte Symmetrieeigenschaft auf den Gleichsignalanteil, und es gilt:
 
 
$$x(t) = 2 \cdot A_0 - x (t - T_0/2).$$
 
  
''Anmerkung'': Es können auch mehrere dieser Symmetrieeigenschaften gleichzeitig erfüllt sein.
 
Die Symmetrieeigenschaften der Fourierkoeffizienten werden im ersten Teil des nachfolgenden Videos zusammenfassend dargestellt:
 
Eigenschaften und Genauigkeit der Fourierreihe (Dauer Teil 1: 3:31 – Teil 2: 8:39)
 
  
{{Beispiel}}
 
  
[[File:P_ID653__Sig_T_2_4_S3_neu.png|250px|right|Symmetrieeigenschaften der Fourierkoeffizienten]]
+
The first part of the following&nbsp; $($German-language$)$ learning video explained the symmetry properties of the Fourier coefficients:
Die oben genannten Eigenschaften werden nun an drei Signalverläufen verdeutlicht. $x_1(t)$ ist eine gerade und mittelwertbehaftete Funktion, die dementsprechend ausschließlich durch Cosinuskoeffizienten $A_n$ bestimmt ist ($B_n$ = 0).
 
  
Dagegen sind bei der ungeraden Funktion $x_2(t)$ alle $A_n$ ($n \ge 0$) identisch 0. Die ungerade Funktion $x_3(t)$ beinhaltet ebenfalls nur Sinuskoeffizienten, aber wegen$x_3(t) = -x_3(t - T_0/2)$ ausschließlich für ungeradzahlige Werte von $n$.
+
:[[Eigenschaften_der_Fourierreihendarstellung_(Lernvideo)|&raquo;Eigenschaften der Fourierreihe&laquo;]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Properties and accuracy of Fourier series".}}
{{end}}
 
  
 +
==Complex Fourier series==
 +
<br>
 +
As shown in the section&nbsp; [[Signal_Representation/Harmonic_Oscillation#Representation_with_cosine_and_sine_components|&raquo;Representation with cosine and sine components&laquo;]]&nbsp; in case of a harmonic oscillation any periodic signal
  
==Komplexe Fourierreihe==
+
:$$x(t) =A_0+\sum^{\infty}_{n=1}A_{\it n} \cdot\cos(n \omega_0 t)+\sum^{\infty}_{n=1} B_n \cdot \sin(n \omega_0 t)$$
  
Wie auf der Seite Darstellung mit Cosinus- und Sinusanteil im Kapitel 2.3 für den Fall einer harmonischen Schwingung bereits gezeigt wurde, kann man jedes beliebige periodische Signal
+
can also be displayed using the magnitude and phase coefficients:
 
   
 
   
$$x(t) =A_0+\sum^{\infty}_{n=1}A_{\it n} \cdot\cos(n \omega_0 t)+\sum^{\infty}_{n=1} B_n \cdot \sin(n \omega_0 t)$$
+
:$$x(t) =C_0+\sum^{\infty}_{n=1}C_{\it n} \cdot\cos(n \omega_0 t-\varphi_n).$$
  
auch mit Hilfe der Betrags- und Phasenkoeffizienten darstellen:
+
These modified Fourier coefficients have the following properties:
 +
*The&nbsp; &raquo;'''DC coefficient'''&laquo;&nbsp;&nbsp; $C_0$&nbsp; is identical with&nbsp; $A_0$.
 +
 
 +
*The&nbsp; &raquo;'''magnitude coefficient'''&laquo;&nbsp;&nbsp; read with &nbsp; $n\ge 1$: &nbsp; $C_n = \sqrt{A_n^2 + B_n^2}$.
 +
 
 +
*For the&nbsp; &raquo;'''phase coefficient'''&laquo;&nbsp;&nbsp; applies: &nbsp; $\varphi_n = \arctan \hspace{0.05cm}(B_n/A_n$).
 +
 
 +
 
 +
With the&nbsp;  &raquo;Eulerian relationship&laquo;&nbsp; $\cos(x) + {\rm j} \cdot \sin(x) = {\rm e}^{{\rm j} \hspace{0.05cm}x}$&nbsp; we get a second representation variant of Fourier series, which starts from the complex exponential function.
 +
 
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition:}$&nbsp;
 +
The&nbsp; &raquo;'''complex Fourier series'''&laquo;&nbsp; of a periodic signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; is as follows:
 
   
 
   
$$x(t) =C_0+\sum^{\infty}_{n=1}C_{\it n} \cdot\cos(n \omega_0 t-\varphi_n).$$
+
:$$x(t)=\sum^{+\infty}_{ n=- \infty}D_n\cdot {\rm e}^{ {\rm j}  \hspace{0.05cm} n \hspace{0.05cm}\omega_0\hspace{0.05cm} t}.$$
  
Diese modifizierten Fourierkoeffizienten weisen folgende Eigenschaften auf:
+
Here&nbsp; $D_n$&nbsp; denote the&nbsp; &raquo;'''complex Fourier coefficients'''&laquo;,&nbsp; which can be calculated as follows&nbsp; $($valid for&nbsp; $n \neq 0)$:  
*Der Gleichsignalkoeffizient $C_0$ ist identisch mit $A_0$.
+
*from the cosine coefficients&nbsp; $A_n$&nbsp; and the sine coefficients&nbsp; $B_n$:
*Die Betragskoeffizienten lauten: $C_n = (A_n^2 + B_n^2)^{1/2})$.
+
:$$D_n = 1/2\cdot (A_n - {\rm j}\cdot B_n),$$  
*Für die Phasenkoeffizienten gilt: $\phi_n$ = arctan ($B_n/A_n$).
+
*from the magnitude coefficients&nbsp; $C_n$&nbsp; and the phase coefficients&nbsp; $\varphi_n$:
 +
:$$D_n = 1/2\cdot C_n\cdot {\rm e}^{- {\rm j} \hspace{0.05cm} \varphi_n }$$}}
  
  
Mit der Eulerschen Beziehung cos(x) + j \cdot sin(x) = \text{e}^{jx} erhält man eine zweite Darstellungsvariante der Fourierreihenentwicklung, die von der komplexen Exponentialfunktion ausgeht.
+
The complex Fourier coefficients can also be calculated directly using the following equation
  
{{Definition}}
+
:$$D_n=\frac{1}{T_0}\cdot \int^{+T_0/2}_{-T_0/2}x(t) \cdot{\rm e}^{-\rm j \hspace{0.05cm}\it  n \hspace{0.1cm}\omega_{\rm 0} \hspace{0.05cm}t}\, {\rm d}t.$$
Die komplexe Fourierreihe eines periodischen Signals x(t) lautet wie folgt:
+
 +
As long as the integration interval&nbsp; $T_0$&nbsp; is preserved,&nbsp; it can be shifted randomly as with the coefficients&nbsp; $A_n$&nbsp; and&nbsp; $B_n$,&nbsp; e.g. from&nbsp; $t = 0$&nbsp; to&nbsp; $t = T_0$.
 +
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Conclusion:}$&nbsp; The coefficient&nbsp; $D_0 = A_0$&nbsp; is always real.&nbsp; For the complex coefficients with negative  index&nbsp; $(n < 0)$&nbsp; applies:
 
   
 
   
$$x(t)=\sum^{+\infty}_{{\it n}=-\infty}D_{\it n}\cdot \rm e^{j \it n  \omega_{\rm 0} t}.$$
+
:$$D_{- n}=D_n^{\hspace{0.05cm}\star} =1/2 \cdot  (A_n+ {\rm j}\cdot B_n).$$}}
{{end}}
 
  
  
Hier bezeichnen $D_n$ die '''komplexen Fourierkoeffizienten''', die sich aus den Cosinuskoeffizienten $A_n$ und den Sinuskoeffizienten $B_n$ oder auch aus den Betragskoeffizienten $C_n$ sowie den Phasenkoeffizienten $\phi_n$ wie folgt berechnen lassen (gültig für $n \neq 0$):
+
==Periodic signal spectrum==
 +
<br>
 +
Starting from the complex Fourier series
 
   
 
   
$$D_{\it n} =1/2\cdot (A_{\it n}-{\rm j}\cdot B_{\it n})=1/2\cdot C_{\it n}\cdot {\rm e}^{-\rm j \it \varphi_{\it n}} .$$
+
:$$x(t)=\sum^{+\infty}_{n=-\infty}D_{\it n}\cdot \rm e^{j \it \omega_{\rm 0} t}$$
  
Die komplexen Fourierkoeffizienten kann man nach folgender Gleichung auch direkt berechnen:
+
and the &nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems#Shifting_Theorem|&raquo;shifting theorem&laquo;]]&nbsp;  $($for the frequency domain$)$&nbsp; one gets the following spectrum for the periodic signal&nbsp; $x(t)$:
 +
 +
:$$X(f)=\sum^{+\infty}_{n=-\infty}D_n\cdot\delta(f-n\cdot f_0).$$
  
$$D_n=\frac{1}{T_0}\cdot \int^{+T_0/2}_{-T_0/2}x(t) \cdot{\rm e}^{-\rm j \it n\omega_{\rm 0} t}\, {\rm d}t.$$
+
This means:
 +
*The&nbsp; $($amplitude$)$&nbsp; spectrum of a periodic signal with period duration&nbsp; $T_0$&nbsp; is a&nbsp; &raquo;'''line spectrum'''&laquo;&nbsp; for integer multiples of the basic frequency&nbsp; $f_0 = 1/T_0$.
 +
 
 +
*The&nbsp; &raquo;'''DC signal component'''&laquo;&nbsp; returns a&nbsp; &raquo;Dirac delta function&laquo;&nbsp; at&nbsp; $f=0$&nbsp; with the impulse weight&nbsp; $A_0$.
 +
 
 +
*There are also Dirac delta functions&nbsp; $\delta(f \pm n \cdot f_0)$&nbsp; at the multiples of&nbsp; $f_0$,
 
   
 
   
Solange das Integrationsintervall $T_0$ erhalten bleibt, kann dieses ebenso wie bei den Koeffizienten $A_n$ und $B_n$ beliebig verschoben werden, zum Beispiel von 0 bis $T_0$. Der Koeffizient $D_0$ = $A_0$ ist stets reell. Für die komplexen Koeffizienten mit negativem Laufindex ($n < 0$) gilt:
+
:*where&nbsp; $\delta(f - n \cdot f_0)$&nbsp; denotes a Dirac delta function at &nbsp; $f= n \cdot f_0$&nbsp; $($namely in the positive frequency domain)
   
+
:*and&nbsp; $\delta(f + n \cdot f_0)$&nbsp; denotes a Dirac at the frequency&nbsp;  $f= -n \cdot  f_0$&nbsp; $($in the negative frequency domain$)$.
$$D_{-n}=D_n^\star =1/2 \cdot (A_n+ {\rm j}\cdot B_n).$$
+
 
 +
*The&nbsp; impulse weights&nbsp; for&nbsp; $n \ne 0$&nbsp; are generally complex.
 +
 
 +
 
 +
These statements will now be illustrated by two examples.
 +
 
 +
{{GraueBox|TEXT=  
 +
$\text{Example 4:}$&nbsp;
 +
We consider as in&nbsp; [[Signal_Representation/Harmonic_Oscillation#Time_domain_representation|$\text{Example 1}$]]&nbsp; two periodic  rectangular signals,&nbsp; each with period duration&nbsp; $T_0$&nbsp; and basic frequency&nbsp; $f_0=1/T_0$.&nbsp;
 +
The upper signal
 +
 
 +
:$$x_{\rm g}(t)={4}/{\pi} \cdot \big[\cos(\omega_0 t) - {1}/{3} \cdot \cos(3\omega_0 t)+{1}/{5}\cdot \cos(5\omega_0 t) - \, \text{...} \, + \, \text{...} \big]$$
 +
[[File:P_ID528__Sig_T_2_4_S6_neu.png|right|frame|Spectrum of a periodic rectangular signal]]
 +
 
 +
is an even&nbsp; $($German:&nbsp; "gerade" &nbsp; &rArr; &nbsp; "$\rm g$"$)$&nbsp; function,&nbsp; composed of different cosine parts.&nbsp;
  
 +
Therefore:
 +
*The corresponding spectral function&nbsp; $X_{\rm g}(f)$&nbsp; is thus purely real.
 +
::<u>Reason:</u>&nbsp; As described in the section&nbsp; [[Signal_Representation/Harmonic_Oscillation#Representation_with_cosine_and_sine_components|&raquo;Spectral Representation of a cosine signal&laquo;]]&nbsp; the basic wave returns two Dirac  delta functions at&nbsp; $\pm f_0$, each weighted with&nbsp; $2/\pi$.
  
==Spektrum eines periodischen Signals==
+
*This weighting corresponds to the&nbsp; $($generally complex$)$&nbsp; Fourier coefficients&nbsp; $D_1 = D_{ - 1}^\ast$,&nbsp; which are only real in the special case of an even function.
  
Ausgehend von der gerade abgeleiteten komplexen Fourierreihe
+
*Other Dirac delta functions are available in&nbsp;
 +
:*$\pm 3f_0$&nbsp; $($negative$)$,&nbsp;
 
   
 
   
$$x(t)=\sum^{+\infty}_{n=-\infty}D_{\it n}\cdot \rm e^{j \it n  \omega_{\rm 0} t}$$
+
:*$\pm 5f_0$&nbsp; $($positive$)$,&nbsp;
 +
 +
:*$\pm 7f_0$&nbsp; $($negative$)$, etc.
 +
 +
*All phase values&nbsp; $\varphi_n$&nbsp; are either zero or&nbsp; $\pi$&nbsp; due to the alternating signs.
 +
<br clear=all>
 +
&rArr; &nbsp; The function&nbsp; $x_{\rm u}(t)$&nbsp; shown below is odd&nbsp; $($German:&nbsp; "ungerade" &nbsp; &rArr; &nbsp; "$\rm u$"$)$:
 +
 +
:$$x_{\rm u}(t)={4}/{\pi} \cdot \big[\sin(\omega_0 t)+{1}/{3} \cdot \sin(3\omega_0 t)+{1}/{5} \cdot \sin(5\omega_0 t)+ \, \text{...}\big].$$
  
und dem bereits in Kapitel 2.3 benutzten Verschiebungssatz erhält man für das Spektrum eines periodischen Signals $x(t)$:
+
*As described in the section&nbsp; [[Signal_Representation/Harmonic_Oscillation#General_spectral_representation|&raquo;General Spectral Representation&laquo;]]&nbsp;  the basic wave provides two Dirac  delta functions
 +
:*at&nbsp; $+f_0$&nbsp; $($weighted with&nbsp; $-\text{j}\cdot 2/\pi)$&nbsp; resp.
 
   
 
   
$$X(f)=\sum^{+\infty}_{n=-\infty}D_n\cdot\delta(f-n\cdot f_0).$$
+
:*at&nbsp; $-f_0$&nbsp; $($weighted with &nbsp; $+\text{j}\cdot 2/\pi)$.
 +
 
 +
*All other Dirac delta functions at&nbsp; $\pm 3f_0$,&nbsp; $\pm 5f_0$, ...&nbsp; are also purely imaginary and located in the same direction as the Dirac delta functions at&nbsp; $\pm f_0$.
  
Dies bedeutet:
+
*The two magnitude spectra are equal: &nbsp; $\vert X_{\rm u}(f)\vert = \vert X_{\rm g}(f) \vert$.}}
*Das Spektrum eines mit T0 periodischen Signals ist ein '''Linienspektrum''' bei ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz  $f_0 = 1/T_0$.
+
 
*Der '''Gleichanteil''' liefert eine Diracfunktion bei  $f=0$ mit dem Impulsgewicht $A_0$.
+
 
*Daneben gibt es '''Diracfunktionen''' $\delta(f \pm n \cdot f_0)$ bei Vielfachen von  $f_0$, wobei $\delta(f - n \cdot f_0)$ eine Diracfunktion bei $f= n \cdot f_0$ (also im positiven Frequenzbereich) und $\delta(f - n \cdot f_0)$ eine solche bei der Frequenz  $f= -n \cdot  f_0$ (im negativen Frequenzbereich) kennzeichnet.
+
 
*Die '''Impulsgewichte''' sind im allgemeinen komplex.
+
==The Gibbs phenomenon==
Diese Aussagen werden auf der nächsten Seite anhand zweier Beispiele verdeutlicht.
+
<br>
 +
Not every periodic signal is suitable for the Fourier series.&nbsp; Some restrictions below:
 +
*An important condition for the convergence of the Fourier series is that the signal may only have a finite number of discontinuities per period.
 +
 
 +
*At those places&nbsp; $t=t_i$,&nbsp; where&nbsp; $x(t)$&nbsp; has jumps,&nbsp; the series converges to the arithmetic mean value formed by the respective left and right boundary value.
 +
 
 +
*In the surrounding area of such discontinuities,&nbsp; high-frequency oscillations usually occur in the series representation.&nbsp; This error is of principle kind, i.e. it could not be avoided too, if infinite summands would be considered.&nbsp; One speaks of the&nbsp; "Gibbs phenomenon", named after the physicist&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Josiah_Willard_Gibbs $\text{Josiah Willard Gibbs}$].
 +
 
 +
*An increase of&nbsp; $N$&nbsp; reduces the erroneous range but not the maximum deviation between&nbsp; $x(t)$&nbsp; and the Fourier series representation&nbsp; $x_N(t)$.&nbsp; The maximum error is independent of&nbsp; $N$&nbsp; about&nbsp; $9\%$&nbsp; of the jumping amplitude.
  
{{Beispiel}}
 
Wir betrachten – wie im Beispiel zu Beginn dieses Abschnitts - zwei periodische Rechtecksignale, jeweils mit Periodendauer $T_0$ und Grundfrequenz  $f_0=1/T_0$. Das Signal
 
 
$$x_{\rm g}(t)=\frac{4}{\pi} \cdot \left[\cos(\omega_0 t)-\frac{1}{3} \cdot \cos(3\omega_0 t)+\frac{1}{5}\cdot \cos(5\omega_0 t)-\, \ldots + \ldots\right]$$
 
  
 +
The Gibbs phenomenon and other interesting aspects of comparable effects are presented in the&nbsp; $($German-language$)$&nbsp; learning video<br> &nbsp; &nbsp; &nbsp;&raquo;[[Eigenschaften_der_Fourierreihendarstellung_(Lernvideo)|Eigenschaften der Fourierreihendarstellung]]&laquo; &nbsp; &rArr; &nbsp; "Properties and accuracy of the Fourier series".
  
[[File:P_ID528__Sig_T_2_4_S6_neu.png|250px|right|Spektrum eines periodischen Rechtecksignals]]
 
  
ist eine gerade, aus verschiedenen Cosinusanteilen zusammengesetzte Funktion. Die zugehörige Spektralfunktion $X_g(f)$ ist damit rein reell.
+
{{GraueBox|TEXT= 
Wie auf der Seite Spektraldarstellung eines Cosinussignals bereits beschrieben wurde, liefert die Grundwelle zwei Diracfunktionen bei $\pm f_0$, jeweils gewichtet mit $2/\pi$. Dieses Gewicht entspricht den (im Allgemeinen komplexen) Fourierkoeffizienten $D_1 = D_{-1}^\ast$, die nur im Sonderfall einer geraden Funktion reell sind. Weitere Diracfunktionen gibt es bei $\pm 3f_0$ (negativ), $\pm 5f_0$ (positiv), $\pm 7f_0$ (negativ) usw. Alle Phasenwerte $\phi_n$ sind aufgrund der alternierenden Vorzeichen entweder 0 oder $\pi$.
+
$\text{Example 5:}$&nbsp;
 +
The left graphic shows a dotted section of a periodic&nbsp; $\pm 1$ rectangular signal and the corresponding Fourier series representation with&nbsp; $N = 1$&nbsp; $($blue$)$,&nbsp; $N = 3$&nbsp; $($red$)$&nbsp; and&nbsp; $N = 5$&nbsp; $($green$)$&nbsp; summands.
  
Die unten dargestellte Funktion $x_u(t)$ ist ungerade:
+
[[File:P_ID2720__Sig_T_2_4_S7_neu.png|right|frame|On the Gibbs phenomenon]]
 +
 +
*The basic wave here has the amplitude value&nbsp; $4/\pi \approx 1.27$.
 
   
 
   
$$x_{\rm u}(t)=\frac{4}{\pi} \cdot \left[\sin(\omega_0 t)+\frac{1}{3} \cdot \sin(3\omega_0 t)+\frac{1}{5} \cdot \sin(5\omega_0 t)+ \ldots\right].$$
+
*Even with&nbsp; $N = 5$&nbsp; $($this means because of&nbsp; $A_2 = A_4 = 0$&nbsp; three "relevant" summands$)$ the Fourier series still differs significantly from the approximated rectangular signal,&nbsp; especially in the area of the edge.
  
Wie auf der Seite Spektraldarstellung eines Sinussignals bereits beschrieben wurde, liefert hier die Grundwelle zwei Diracfunktionen bei $+f_0$ (gewichtet mit $-\text{j}\cdot 2/\pi$) bzw. bei $-f_0$ (gewichtet mit $+\text{j}\cdot 2/\pi$). Auch alle weiteren Diracfunktionen bei $\pm 3f_0$, $\pm 5f_0$, usw. sind rein imaginär und in gleicher Richtung gewichtet wie die Diracfunktionen bei $\pm f_0$. Die beiden Betragsspektren sind gleich: $|X_u(f)| = |X_g(f)|$.
 
{{end}}
 
  
  
==Das Gibbsche Phänomen==
+
&rArr; &nbsp; From the right graphic you can see that the flank and the inner area are well reproduced with&nbsp;
 
+
$N = 100$&nbsp; but due to the Gibbs phenomenon there are still oscillations around&nbsp; $9\%$&nbsp; at the jumping point.  
Nicht jedes Signal eignet sich für die Fourierreihendarstellung. Hier einige Einschränkungen:
+
*Since the jump amplitudes here are equal to&nbsp; $2$&nbsp; the maximum values are approximately&nbsp; $\pm1.18$.
*Eine wichtige Voraussetzung für die Konvergenz der Fourierreihe ist, dass das Signal nur endlich viele Unstetigkeitsstellen je Periode besitzen darf.
+
*An denjenigen Stellen $t=t_i$, an denen $x(t)$ Sprünge aufweist, konvergiert die Reihe gegen den aus dem jeweiligen links– und rechtsseitigen Grenzwert gebildeten arithmetischen Mittelwert.
+
*With&nbsp; $N = 1000$&nbsp; the oscillations would be exactly the same size, but limited to a narrower space and possibly not recognizable with discrete-time representation.}}
*In der Umgebung solcher Sprungstellen kommt es in der Reihendarstellung meist zu hochfrequenten Oszillationen. Dieser Fehler ist von prinzipieller Art, das heißt, er ließe sich auch nicht vermeiden, wenn man unendlich viele Summanden berücksichtigen würde. Man spricht vom ''Gibbschen Phänomen'', benannt nach dem Physiker Josiah Willard Gibbs.
 
*Durch eine Erhöhung von $N$ wird zwar der fehlerhafte Bereich kleiner, nicht jedoch die maximale Abweichung zwischen dem Signal $x(t)$ und der Fourierreihendarstellung $x_N(t)$. Der maximale Fehler beträgt ca. 9% der Sprungamplitude – und zwar unabhängig von $N$.
 
  
  
Das Gibbsche Phänomen und weitere interessante Aspekte werden in einem Lernvideo behandelt:
+
==Exercises for the chapter==
Eigenschaften und Genauigkeit der Fourierreihe (Dauer Teil 1: 3:31 – Teil 2: 8:39)
+
<br>
 +
[[Aufgaben:Exercise_2.4:_Rectified_Cosine|Exercise 2.4: Rectified Cosine]]
  
{{Beispiel}}
+
[[Aufgaben:Exercise_2.4Z:_Triangular_Function|Exercise 2.4Z: Triangular Function]]
Links sehen Sie gepunktet einen Ausschnitt eines periodischen $\pm 1$–Rechtecksignals und die dazugehörige Fourierreihendarstellung mit $N$ = 1, 3 und 5 Summanden. Die Grundwelle hat hier den Amplitudenwert $/\pi \approx 1.27$. Auch mit $N$ = 5 (das bedeutet wegen $A_2$ = $A_4$ = 0 drei Summanden) unterscheidet sich die Fourierreihe vom anzunähernden Rechtecksignal noch deutlich, vor allem im Bereich der Flanke.
 
  
[[File:P_ID2720__Sig_T_2_4_S7_neu.png|250px|right|Zum Gibbschen Phänomen]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.5:_Half-Wave_Rectification|Exercise 2.5: Half-Wave Rectification]]
  
Aus dem rechten Bild ist zu erkennen, dass die Flanke und der innere Bereich mit
+
[[Aufgaben:Exercise_2.5Z:_Square_Wave|Exercise 2.5Z: Square Wave]]
$N$ = 100 relativ gut nachgebildet werden, es aber an der Sprungstelle aufgrund des Gibbschen Phänomens noch immer zu Überschwingern kommt. Da hier die Sprungamplituden jeweils gleich 2 sind, ergeben sich die Maximalwerte näherungsweise zu 1.18. Mit $N$ = 1000 wären die Überschwinger genau so groß, aber auf einen noch engeren Raum begrenzt und bei zeitdiskreter Darstellung eventuell nicht mehr sichtbar.
 
{{end}}
 
  
 +
[[Aufgaben:Exercise_2.6:_Complex_Fourier_Series|Exercise 2.6: Complex Fourier Series]]
  
===Aufgaben===
+
[[Aufgaben:Exercise_2.6Z:_Magnitude_and_Phase|Exercise 2.6Z: &nbsp; Magnitude and Phase]]
  
[[Aufgaben:2.4 Geichgerichteter Cosinus]]
 
  
[[Aufgaben:2.5 Einweggleichrichtung]]
 
  
[[Aufgaben:2.6 Komplexe Fourierreihe]]
 
  
  

Latest revision as of 18:21, 15 November 2023


General description


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

$\text{Definition:}$  The  »Fourier series«  of a periodic signal  $x(t)$  is defined as follows:

$$x(t) =A_0+\sum^{\infty}_{n=1}A_{\it n} \cdot\cos(n \omega_0 t)+\sum^{\infty}_{n=1} B_n \cdot \sin(n \omega_0 t).$$

Here the symbols denote the following definitions:

  • $A_0$  the  »constant component«   of  $x(t)$,
  • $A_n$  the  »cosine coefficients«   with  $n \ge 1$,
  • $B_n$  the  »sine coefficients«  with  $n \ge 1$,
  • $\omega_0 = 2\pi/T_0$ the  »basic circular frequency«  of the periodic signal  $(T_0$ is the period duration$)$.


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

  • If the Fourier series is interrupted and only  $N$  of  $A_n$  and  $B_n$ coefficients are used,  then a slightly different plot of the function results except for some special cases:
$$x_ N(t) =A_0+\sum^N_{n=1}A_ n \cdot \cos(n \omega_0 t)+\sum^N_{n=1} B_{n} \cdot \sin(n \omega_0 t).$$
  • The relation between the periodic signal  $x(t)$  and the Fourier series approximation  $x_N(t)$  holds:
$$x(t)=\lim_{N\to \infty} x_{N}(t).$$
  • If   $N \cdot f_0$  is the highest frequency occurring in the signal  $x(t)$  then of course  $x_N(t) = x(t)$.


$\text{Example 1:}$  We consider two periodic rectangular signals  $($"square waves"$)$,  each with period duration  $T_0$  and basic circular frequency  $\omega_0 = 2\pi/T_0$.

Even and odd rectangular signal
  • For the even  $($German:  "gerade"   ⇒   $\rm g)$  time signal sketched above:  
$$x_{\rm g}(-t) = x_{\rm g}(t).$$
  • The function shown below is odd  $($German:  "ungerade"   ⇒   $\rm u)$:  
$$x_{\rm u}(-t) = -x_{\rm u}(t).$$

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

$$x_{\rm g}(t)=\frac{4}{\pi}\left [ \cos(\omega_0 t)-\frac{1}{3}\cdot \cos(3 \omega_0 t)+\frac{1}{5}\cdot\cos(5 \omega_0 t)- \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm} + \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm}\right ],$$
$$x_{\rm u}(t)=\frac{4}{\pi}\left [ \sin(\omega_0 t)+\frac{1}{3}\cdot\sin(3 \omega_0 t)+\frac{1}{5}\cdot\sin(5 \omega_0 t)+ \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm} + \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm} \right ].$$
  • Because of the generally valid relationship
$$1-\frac{1}{3}+\frac{1}{5}-\frac{1}{7}+\frac{1}{9}\, {-}\, \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm} \, {+} \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm}=\frac{\pi}{4},$$
the amplitudes  $($maximum values$)$  of the rectangular basic pulse result to  $1$.
  • This can also be verified using the signal curves in the graphic:
$$x_{\rm g}(t = 0) = x_{\rm u}(t = T_0/4) = 1.$$


Calculation of the Fourier coefficients


The Fourier coefficient  $A_0$  specifies the  »direct current  $\rm (DC)$  signal component«  which can be determined by averaging over the signal course  $x(t)$.  Due to the periodicity,  averaging over one period is sufficient:

$$A_0=\frac{1}{T_0}\cdot \int^{+T_0/2}_{-T_0/2}x(t)\,{\rm d}t.$$
  • The integration limits can also be selected from  $t = 0$  to  $t = T_0$  $($or over a differently defined period of equal length$)$.
  • The determination of the Fourier coefficients  $A_n$  and  $B_n$  $(n \ge 1)$  is based on the property that cosine and sine functions are so-called »orthogonal functions«
  • For them the following applies:
$$\int^{+T_0/2}_{-T_0/2}\cos(n \omega_0 t)\cdot\cos(m \omega_0 t)\,{\rm d}t=\left \{{T_0/2\atop 0}{\rm\quad if \it \hspace{0.2cm} m=n,\atop \rm otherwise} \right.$$
$$\int ^{+T_0/2}_{-T_0/2}\sin(n\omega_0 t)\cdot\sin(m \omega_0 t)\,{\rm d}t=\left \{{T_0/2\atop 0}{\rm\quad if \it \hspace{0.2cm} m=n,\atop \rm otherwise} \right.$$
$$\int ^{+T_0/2}_{-T_0/2}\cos(n \omega_0 t)\cdot\sin(m \omega_0 t)\,{\rm d}t=0 \hspace{1.2cm} \rm for\ all \hspace{0.2cm} \it m, \ n.$$

$\text{Conclusion:}$  Considering these equations,  the cosine coefficients  $A_n$  and the sine coefficients  $B_n$  result as follows

$$A_{\it n}=\frac{2}{T_0}\cdot \int^{+T_0/2}_{-T_0/2}x(t)\cdot\cos(n \omega_0 t)\,{\rm d}t,$$
$$B_{\it n}=\frac{2}{T_0}\cdot \int^{+T_0/2}_{-T_0/2}x(t)\cdot\sin(n \omega_0 t)\,{\rm d}t.$$


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


On calculating the Fourier coefficients

$\text{Example 2:}$  We consider the drawn periodic time function

$$x(t)=0.4+0.6\cdot \cos(\omega_0 t)-0.3\cdot\sin(3 \omega_0 t).$$
  • Since the integral of the cosine and sine functions over one period are identical to zero, the DC signal coefficient is 
$$A_0 = 0.4.$$
  • One determines the cosine coefficient  $A_1$  with following equation  $($Integration limits from  $t = 0$  to  $t = T_0)$:
$$ \begin{align*} A_{1}=\frac{2}{T_0}\cdot \int^{T_0}_{0}\hspace{-0.3cm}0.4\cdot\cos(\omega_0 t)\,{\rm d}t + \frac{2}{T_0}\cdot \int^{T_0}_{0}\hspace{-0.3cm}0.6\cdot\cos^2(\omega_0 t)\,{\rm d}t - \frac{2}{T_0}\cdot \int^{T_0}_{0}\hspace{-0.3cm}0.3\cdot\sin(3 \omega_0 t)\cdot \cos(\omega_0 t)\,{\rm d}t.\end{align*} $$
  1. The last integral is equal to zero due to orthogonality;  the first one is zero too  $($integral over one period$)$.
  2. Only the middle term contributes here to  $A_1$,  namely  $2 - 0.6 - 0.5 = 0.6. $
  • For all further  $(n \ge 2)$  cosine coefficients all three integrals return the value zero,  and thus  $A_{n \hspace{0.05cm}\neq \hspace{0.05cm}1}=0$.
  • To determine the sine coefficients   $B_n$  using following equation:
$$ \begin{align*} B_{\it n}=\frac{2}{T_0}\cdot \int^{T_0}_{0}\hspace{-0.3cm}0.4 \cdot \sin(n \ \omega_0 t)\,{\rm d}t + \frac{2}{T_0} \cdot \int^{T_0}_{0}\hspace{-0.3cm}0.6\cdot \cos(\omega_0 t) \sin(n \omega_0 t)\,{\rm d}t - \frac{2}{T_0}\cdot \int^{T_0}_{0}\hspace{-0.3cm}0.3\cdot \sin(3 \omega_0 t) \sin(n \omega_0 t )\,{\rm d}t. \end{align*} $$
  1. For  $n \hspace{0.05cm}\neq \hspace{0.05cm}3$  all three integral values are zero and therefore  $B_{n \hspace{0.05cm}\neq \hspace{0.05cm}3} = 0.$
  2. On the other hand,  for  $n=3$  the last integral provides a contribution,  and one gets for the sine coefficient 
$$B_3 = -0.3.$$


Exploitation of symmetries


Some insights into the Fourier coefficients  $A_n$  and  $B_n$  can already be read from the  »symmetry properties«  of the time function  $x(t)$. 

  • If the time signal  $x(t)$  is an even function   ⇒   axis-symmetrical around the ordinate  $(t = 0)$,  all sine coefficients  $B_n$ disappear,  since the sine function itself is an odd function   ⇒   $\sin(-\alpha) = -\sin(\alpha)$:
$$B_n = 0 \hspace{0.4cm}(n = 1, \ 2, \ 3, \text{...}).$$
  • An odd function  $x(t)$  is point-symmetric around the coordinate origin  $(t= 0; \ x =0)$.  Therefore,  all cosine coefficients disappear here  $(A_n = 0)$,  since the cosine function itself is even.  In this case,  the DC coefficient is always  $A_0=0$.
$$A_n = 0 \hspace{0.4cm}(n = 0, \ 1, \ 2, \ 3, \text{...}).$$
  • If a function without a DC signal component is present  $(A_0 = 0)$  and if this function is odd within a period   ⇒   $x(t) = -x(t - T_0/2)$,  then only odd multiples of the basic frequency are present in the Fourier series representation.  For the coefficients with an even index,  however,  the following always applies:
$$A_n = B_n = 0 \hspace{0.4cm}(n = 2, \ 4, \ 6, \text{...}).$$
  • If all coefficients  $A_n$  and  $B_n$  with even-numbered index  $(n = 2, \ 4, \ 6, \text{...})$  equals zero and the coefficient  $A_0 \neq 0$,  then the symmetry property mentioned in the last point refers to the DC component and applies:
$$x(t) = 2 \cdot A_0 - x (t - T_0/2).$$

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


Symmetry properties of the Fourier coefficients

$\text{Example 3:}$  The mentioned properties are now illustrated by three signal waveforms:

  • $x_1(t)$  is an averaging function   ⇒   $A_0 \ne 0$  and it is also even,  which is accordingly exclusively determined by cosine coefficients  $A_n$  ⇒   $B_n = 0$.


  • In contrast,  with the odd function  $x_2(t)$  all  $A_n \ ( n \ge 0)$  are identical to zero.


  • Also the odd function  $x_3(t)$  contains only sine coefficients,  but because of  $x_3(t) = -x_3(t - T_0/2)$  exclusively for odd  $n$–values.





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

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

Complex Fourier series


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

$$x(t) =A_0+\sum^{\infty}_{n=1}A_{\it n} \cdot\cos(n \omega_0 t)+\sum^{\infty}_{n=1} B_n \cdot \sin(n \omega_0 t)$$

can also be displayed using the magnitude and phase coefficients:

$$x(t) =C_0+\sum^{\infty}_{n=1}C_{\it n} \cdot\cos(n \omega_0 t-\varphi_n).$$

These modified Fourier coefficients have the following properties:

  • The  »DC coefficient«   $C_0$  is identical with  $A_0$.
  • The  »magnitude coefficient«   read with   $n\ge 1$:   $C_n = \sqrt{A_n^2 + B_n^2}$.
  • For the  »phase coefficient«   applies:   $\varphi_n = \arctan \hspace{0.05cm}(B_n/A_n$).


With the  »Eulerian relationship«  $\cos(x) + {\rm j} \cdot \sin(x) = {\rm e}^{{\rm j} \hspace{0.05cm}x}$  we get a second representation variant of Fourier series, which starts from the complex exponential function.

$\text{Definition:}$  The  »complex Fourier series«  of a periodic signal  $x(t)$  is as follows:

$$x(t)=\sum^{+\infty}_{ n=- \infty}D_n\cdot {\rm e}^{ {\rm j} \hspace{0.05cm} n \hspace{0.05cm}\omega_0\hspace{0.05cm} t}.$$

Here  $D_n$  denote the  »complex Fourier coefficients«,  which can be calculated as follows  $($valid for  $n \neq 0)$:

  • from the cosine coefficients  $A_n$  and the sine coefficients  $B_n$:
$$D_n = 1/2\cdot (A_n - {\rm j}\cdot B_n),$$
  • from the magnitude coefficients  $C_n$  and the phase coefficients  $\varphi_n$:
$$D_n = 1/2\cdot C_n\cdot {\rm e}^{- {\rm j} \hspace{0.05cm} \varphi_n }$$


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

$$D_n=\frac{1}{T_0}\cdot \int^{+T_0/2}_{-T_0/2}x(t) \cdot{\rm e}^{-\rm j \hspace{0.05cm}\it n \hspace{0.1cm}\omega_{\rm 0} \hspace{0.05cm}t}\, {\rm d}t.$$

As long as the integration interval  $T_0$  is preserved,  it can be shifted randomly as with the coefficients  $A_n$  and  $B_n$,  e.g. from  $t = 0$  to  $t = T_0$.

$\text{Conclusion:}$  The coefficient  $D_0 = A_0$  is always real.  For the complex coefficients with negative index  $(n < 0)$  applies:

$$D_{- n}=D_n^{\hspace{0.05cm}\star} =1/2 \cdot (A_n+ {\rm j}\cdot B_n).$$


Periodic signal spectrum


Starting from the complex Fourier series

$$x(t)=\sum^{+\infty}_{n=-\infty}D_{\it n}\cdot \rm e^{j \it n \omega_{\rm 0} t}$$

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

$$X(f)=\sum^{+\infty}_{n=-\infty}D_n\cdot\delta(f-n\cdot f_0).$$

This means:

  • The  $($amplitude$)$  spectrum of a periodic signal with period duration  $T_0$  is a  »line spectrum«  for integer multiples of the basic frequency  $f_0 = 1/T_0$.
  • The  »DC signal component«  returns a  »Dirac delta function«  at  $f=0$  with the impulse weight  $A_0$.
  • There are also Dirac delta functions  $\delta(f \pm n \cdot f_0)$  at the multiples of  $f_0$,
  • where  $\delta(f - n \cdot f_0)$  denotes a Dirac delta function at   $f= n \cdot f_0$  $($namely in the positive frequency domain)
  • and  $\delta(f + n \cdot f_0)$  denotes a Dirac at the frequency  $f= -n \cdot f_0$  $($in the negative frequency domain$)$.
  • The  impulse weights  for  $n \ne 0$  are generally complex.


These statements will now be illustrated by two examples.

$\text{Example 4:}$  We consider as in  $\text{Example 1}$  two periodic rectangular signals,  each with period duration  $T_0$  and basic frequency  $f_0=1/T_0$.  The upper signal

$$x_{\rm g}(t)={4}/{\pi} \cdot \big[\cos(\omega_0 t) - {1}/{3} \cdot \cos(3\omega_0 t)+{1}/{5}\cdot \cos(5\omega_0 t) - \, \text{...} \, + \, \text{...} \big]$$
Spectrum of a periodic rectangular signal

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

Therefore:

  • The corresponding spectral function  $X_{\rm g}(f)$  is thus purely real.
Reason:  As described in the section  »Spectral Representation of a cosine signal«  the basic wave returns two Dirac delta functions at  $\pm f_0$, each weighted with  $2/\pi$.
  • This weighting corresponds to the  $($generally complex$)$  Fourier coefficients  $D_1 = D_{ - 1}^\ast$,  which are only real in the special case of an even function.
  • Other Dirac delta functions are available in 
  • $\pm 3f_0$  $($negative$)$, 
  • $\pm 5f_0$  $($positive$)$, 
  • $\pm 7f_0$  $($negative$)$, etc.
  • All phase values  $\varphi_n$  are either zero or  $\pi$  due to the alternating signs.


⇒   The function  $x_{\rm u}(t)$  shown below is odd  $($German:  "ungerade"   ⇒   "$\rm u$"$)$:

$$x_{\rm u}(t)={4}/{\pi} \cdot \big[\sin(\omega_0 t)+{1}/{3} \cdot \sin(3\omega_0 t)+{1}/{5} \cdot \sin(5\omega_0 t)+ \, \text{...}\big].$$
  • at  $+f_0$  $($weighted with  $-\text{j}\cdot 2/\pi)$  resp.
  • at  $-f_0$  $($weighted with   $+\text{j}\cdot 2/\pi)$.
  • All other Dirac delta functions at  $\pm 3f_0$,  $\pm 5f_0$, ...  are also purely imaginary and located in the same direction as the Dirac delta functions at  $\pm f_0$.
  • The two magnitude spectra are equal:   $\vert X_{\rm u}(f)\vert = \vert X_{\rm g}(f) \vert$.


The Gibbs phenomenon


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

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


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


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

On the Gibbs phenomenon
  • The basic wave here has the amplitude value  $4/\pi \approx 1.27$.
  • Even with  $N = 5$  $($this means because of  $A_2 = A_4 = 0$  three "relevant" summands$)$ the Fourier series still differs significantly from the approximated rectangular signal,  especially in the area of the edge.


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

  • Since the jump amplitudes here are equal to  $2$  the maximum values are approximately  $\pm1.18$.
  • With  $N = 1000$  the oscillations would be exactly the same size, but limited to a narrower space and possibly not recognizable with discrete-time representation.


Exercises for the chapter


Exercise 2.4: Rectified Cosine

Exercise 2.4Z: Triangular Function

Exercise 2.5: Half-Wave Rectification

Exercise 2.5Z: Square Wave

Exercise 2.6: Complex Fourier Series

Exercise 2.6Z:   Magnitude and Phase