Harmonic Oscillation

From LNTwww

Definition and Properties


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

Example of a Harmonic Oscillation

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

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

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

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

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

The following signal parameters are used:

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


The german learning video  Harmonic Oscillations  illustrates the properties of harmonic oscillations using scales.

$\text{Comments on nomenclature:}$ 

  • In this tutorial - as usual in other literature - when describing harmonic oscillations, Fourier series and Fourier integral, the phase is entered into the equations with a negative sign, whereas in connection with all modulation methods the phase is always entered with a plus sign.
  • To distinguish between the two variants we use in  $\rm LNTwww$  $\varphi$  and  $\phi$. Both symbols denote the small Greek "phi". The spelling  $\varphi$  is mainly used in the German and  $\phi$  in the anglo–american language area.
  • The indications  $\varphi = 90^{\circ}$  and  $\phi = -90^{\circ}$  are thus equivalent and both stand for the sine function:
$$\cos(2 \pi f_0 t - 90^{\circ}) = \cos(2 \pi f_0 t - \varphi) = \cos(2 \pi f_0 t + \phi) = \sin(2 \pi f_0 t ).$$


Time Signal Representation


Signal Parameters of a Harmonic Oscillation

The amplitude  $C$  can be read directly from the adjacent graphic. The signal frequency  $f_0$  is equal to the reciprocal of the period duration  $T_0$. If the above equation is written in the form

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

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

$$\varphi = \frac{\tau}{T_0} \cdot 2{\pi}. $$
  • For a cosine signal  the parameters  $\tau$  and  $\varphi$  are zero.
  • In contrast, a sinusoidal signal  is shifted by  $\tau = T_0/4$  and accordingly applies to the zero phase angle  $\varphi = \pi/2$  (in radians) or   $90^{\circ}$.


So it can be stated, that - as assumed for the above sketch - at a positive value of  $\tau$  resp.   $\varphi$  the $($referring  $t = 0)$  nearest signal maximum comes later than at the cosine signal and at negative values earlier. If a cosine signal is present at the system input and the output signal is delayed by a value  $\tau$  then the system is called  $\tau$  also called the  runtime .

Since a harmonic oscillation is clearly defined by only three signal parameters, the entire time course from  $-\infty$  to  $+\infty$  can be calculated from only three signal values  $x_1=x(t_1)$,  $x_2=x(t_2)$,  $x_3=x(t_3)$  can be described analytically if the times  $t_1$,  $t_2$  and  $t_3$  have been determined appropriately.

Harmonic Oscillation, defined by
Three Samples

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

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

you get the following system of equations:

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

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

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


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


Representation with Cosine and Sine Components


Another representation of the harmonic oscillation is as follows:

$$x(t)=A\cdot\cos(2\pi f_0 t)+ B\cdot\sin(2\pi f_0 t).$$
  • The terms  $A$  and  $B$  for the amplitudes of the cosine and sine components are chosen to match the nomenclature of the following chapter[Signal_Representation/Fourier_Series| Fourier Series]] .
  • By applying trigonometric transformations we obtain from the illustration on the last page
$$x(t)=C\cdot \cos(2\pi f_0 t-\varphi)=C\cdot\cos(\varphi)\cdot\cos(2\pi f_0 t)+C\cdot\sin(\varphi)\cdot\sin(2\pi f_0 t).$$
  • From this follows directly by equating the coefficients:
$$A=C\cdot\cos(\varphi),\hspace{0.5cm}B=C\cdot\sin(\varphi).$$
  • The magnitude and the zero phase angle of the harmonic oscillation can be calculated from the parameters  $A$  and  $B$  also according to simple trigonometric considerations
$$C=\sqrt{A^2+B^2}, \hspace{0.5 cm}\varphi = \arctan\left({-B}/{A}\right).$$

$\text{Please consider:}$  The minus-sign at the calculation of the zero-phase-angle  $\varphi$  is related to the fact, that  $\varphi$  enters the argument of the cosine function with a negative sign.

If one would use the notation  "$\cos(2\pi f_0 t - +\phi)$"  instead of  "$\cos(2\pi f_0 t - \varphi)$" , then  $\phi= \arctan(B/A)$. Note the following here:

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


Harmonic oscillation, represented in the complex plane

$\text{Example 2:}$  The oscillation shown in the left graphic as time course is characterized by the parameters

  • $f_0 = 125 \;{\rm Hz}$,
  • $\varphi = +135^{\circ}$   ⇒   $\phi = -135^{\circ}$ .


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

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

The right sketch illustrates the trigonometric transformation:

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


Spectral Representation of a Cosine Signal


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

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

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

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

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

This results in the following Fourier correspondence:

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

This means:

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


Spectrum of a cosine signal

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

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


Dann gilt folgender Zusammenhang mit obiger Gleichung:

  • Die Diracfunktion bei  $-f_0$  gehört zum ersten Term $($ableitbar aus der Bedingung  $f + f_0 = 0)$.
  • Die Diracfunktion bei  $+f_0$  gehört zum zweiten Term $($ableitbar aus der Bedingung $f - f_0 = 0)$.
  • Die Impulsgewichte sind jeweils  $A/2 = 2 \;{\rm V}$.


$\text{Please consider:}$  Die Spektralfunktion einer jeden reellen Zeitfunktion mit Ausnahme des Gleichsignals weist sowohl Anteile bei positiven als auch bei negativen Frequenzen auf.

  • Diese Tatsache, die Studienanfängern oft Probleme bereitet, ergibt sich ganz formal aus dem  Satz von Euler .
  • Durch die Erweiterung des Frequenzwertebereichs von  $f \ge 0$  auf die Menge der reellen Zahlen kommt man von der physikalischen zur mathematischen Frequenz.
  • Allerdings ist für eine negative Frequenz die vorne angegebene  Definition  nicht mehr anwendbar:   Man kann „–5 kHz” nicht als „minus 5000 Schwingungen pro Sekunde” interpretieren.


Im Verlauf dieses Kurses werden Sie feststellen, dass durch die Verkomplizierung dieses einfachen Sachverhaltes später kompliziertere Sachverhalte sehr elegant und einfach beschrieben werden können.


Allgemeine Spektraldarstellung


Für ein sinusförmiges Signal gilt mit dem Satz von  Euler  in ähnlicher Weise:

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

Daraus folgt für die Spektralfunktion, die jetzt rein imaginär ist:

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

$\text{Beispiel 4:}$  Das Bild zeigt die rein imaginäre Spektralfunktion einer Sinusschwingung  $x(t)$  mit

  • Amplitude  $B = 3 \;{\rm V},$
  • Frequenz  $f_0 = 5\;{\rm kHz},$
  • Phase  $\varphi=90^{\circ}$   ⇒   $\phi = -90^{\circ}$.


$\text{Bitte beachten Sie}$:

  • Bei der positiven Frequenz $(f = +f_0)$ ist der Imaginärteil negativ.
  • Bei der negativen Frequenz $(f = -f_0)$ ergibt sich ein positiver Imaginärteil.


Bei Überlagerung von Cosinus– und Sinusanteil entsprechend der Beziehung

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

überlagern sich auch die einzelnen Spektralfunktionen und man erhält:

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

Mit dem Betrag  $C$  und der Phase  $\varphi$  lautet diese Fourierkorrespondenz:

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

$\text{Man erkennt:}$  Die Spektralfunktion  $X(f)$

  • ist nicht nur für positive und negative Frequenzen definiert,
  • sondern im Allgemeinen auch noch komplexwertig.


Allgemeine Spektralfunktion einer harmonischen Schwingung

$\text{Beispiel 5:}$  Mit den Parametern  $C = 5 \;{\rm V}$,  $f_0 = 5\;{\rm kHz}$  und  $\varphi=90^{\circ}$  $($im Bogenmaß $\pi/6)$  ergibt sich wegen

$$2.5 · \cos(30^{\circ}) = 2.165, \hspace{0.3cm} 2.5 · \sin(30^{\circ}) = 1.25$$

der Real- bzw. der Imaginärteil von $X(f)$ gemäß der Grafik:

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


Das Lernvideo  Harmonische Schwingungen  verdeutlicht die Eigenschaften harmonischer Schwingungen anhand der so genannten Tonleiter.


Aufgaben zum Kapitel


Aufgabe 2.3: Cosinus- und Sinusanteil

Aufgabe 2.3: Schwingungsparameter