Difference between revisions of "Signal Representation/The Convolution Theorem and Operation"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Aperiodische Signale - Impulse
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|Untermenü=Aperiodic Signals - Impulses
|Vorherige Seite=Gesetzmäßigkeiten der Fouriertransformation
+
|Vorherige Seite=Fourier Transform Theorems
|Nächste Seite=Unterschiede und Gemeinsamkeiten von TP- und BP-Signalen
+
|Nächste Seite=Differences and Similarities of LP and BP Signals
 
}}
 
}}
  
==Faltung im Zeitbereich==
+
==Convolution in the time domain==
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<br>
 +
The&nbsp; &raquo;Convolution Theorem&laquo;&nbsp; is one of the most important laws of the Fourier transform,&nbsp; to which an own subchapter is dedicated in this tutorial.&nbsp; We will first consider the convolution theorem in the time domain and assume that the spectra of two time functions&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; are known:
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 +
:$$X_1 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}x_1( t ),\quad X_2 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}x_2 ( t ).$$
  
Der '''Faltungssatz''' ist mit das wichtigste Gesetz der Fouriertransformation, dem in vorliegendem Tutorial  ein eigenes Unterkapitel gewidmet wird.
+
Then for the time function of the product&nbsp; $X_1(f) \cdot X_2(f)$&nbsp; applies:
  
Wir betrachten zunächst den Faltungssatz im Zeitbereich und setzen voraus, dass die Spektren zweier Zeitfunktionen $x_1(t)$ und $x_2(t)$ bekannt sind:
+
:$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
 
   
 
   
$$X_1 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}x_1( t ),\quad X_2 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}x_2 ( t ).$$
+
$\tau$&nbsp; is a formal integration variable with the dimension of a time.
  
Dann gilt für die Zeitfunktion des Produktes $X_1(f) \cdot X_2(f)$:
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition:}$&nbsp;
  
$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
+
The above connection of the time function&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; is called&nbsp; &raquo;'''convolution'''&laquo;.&nbsp; One represents this functional connection with a star:
 
   
 
   
Hierbei ist $\tau$ eine formale Integrationsvariable mit der Dimension einer Zeit.
+
:$$x_{\rm{1} } (t) * x_{\rm{2} } (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau ) }  \cdot x_2 ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau =  x_{\rm{2} } (t) * x_{\rm{1} } (t) .$$
  
{{Definition}}
+
*Thus the above Fourier correspondence can be written as follows:
Die obige Verknüpfung der Zeitfunktion $x_1(t)$ und $x_2(t)$ bezeichnet man als '''Faltung''' und stellt diesen Funktionalzusammenhang mit einem Stern dar:
 
 
$$x_{\rm{1}} (t) * x_{\rm{2}} (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau =  x_{\rm{2}} (t) * x_{\rm{1}} (t) .$$
 
  
Damit lässt sich obige Fourierkorrespondenz auch wie folgt schreiben:
+
:$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}{ {x} }_{\rm{1} } ( t ) * { {x} }_{\rm{2} } (t ).$$
  
$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}{ {x}}_{\rm{1}} ( t ) * { {x}}_{\rm{2}} (t ).$$
+
*The convolution is&nbsp; &raquo;commutative&laquo;  &nbsp; ⇒  &nbsp;The order of the operands can be changed:
 +
 +
:$$x_1(t) * x_2(t) =x_2(t) * x_1(t).$$
  
Der [[Signaldarstellung/Faltungssatz_und_Faltungsoperation#Beweis_des_Faltungssatzes|Beweis]] folgt am Kapitelende.
+
*The&nbsp; [[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation#Proof_of_the_Convolution_Theorem|&raquo;Proof&laquo;]]&nbsp; will be shown at the end of this chapter.}}
  
{{end}}
 
  
  
''Anmerkung'': Die Faltung ist '''kommutativ''' Die Reihenfolge der Operanden ist vertauschbar: &nbsp; ${ {x}}_{\rm{1}} ( t ) * { {x}}_{\rm{2}} (t ) ={ {x}}_{\rm{2}} ( t ) * { {x}}_{\rm{1}} (t ) $.
+
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:EN_Sig_T_3_4_S1.png|right|frame|On calculation of signal and spectrum of the LTI output]]  
 +
$\text{Example 1:}$&nbsp; Every linear time-invariant&nbsp; $\rm (LTI)$&nbsp; system can be described both,
 +
#by the frequency response&nbsp; $H(f)$,
 +
#by the impulse response&nbsp; $h(t)$.  
  
{{Beispiel}}
 
  
[[File:P_ID579__Sig_T_3_4_S1_neu.png|right|Faltung im Zeitbereich]]
+
The relation between these two system quantities is also given by the Fourier transform.
Ein jedes lineare zeitinvariante (LZI-) System kann sowohl durch den Frequenzgang $H(f)$ als auch durch die Impulsantwort $h(t)$ beschrieben werden, wobei der Zusammenhang zwischen diesen beiden Systemgrößen durch die Fouriertransformation gegeben ist.
 
  
Legt man an den Eingang ein Signal $x(t)$ mit dem Spektrum $X(f)$ an, so gilt für das Spektrum des Ausgangssignals:
+
*If the signal&nbsp; $x(t)$&nbsp; with spectrum&nbsp; $X(f)$&nbsp; is applied to the input,&nbsp; then the spectrum of the output signal is:
 
   
 
   
$$Y(f) = X(f) \cdot H(f)\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$Y(f) = X(f) \cdot H(f)\hspace{0.05cm}.$$
  
Mit dem Faltungssatz ist es nun möglich, das Ausgangssignal auch direkt im Zeitbereich zu berechnen:
+
*It is possible to calculate the output signal in the time domain with the convolution theorem:
 
   
 
   
$$y( t ) = x(t) * h( t ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm}{x( \tau  )}  \cdot h( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau =  \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm} {h( \tau  )}  \cdot x( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = h(t) * x( t ).$$
+
:$$y( t ) = x(t) * h( t ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm}{x( \tau  )}  \cdot h( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau =  \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm} {h( \tau  )}  \cdot x( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = h(t) * x( t ).$$
  
Aus dieser Gleichung geht nochmals hervor, dass die Faltungsoperation ''kommutativ'' ist.
+
*This equation shows again the&nbsp; &raquo;commutativity&laquo;&nbsp; of the&nbsp; &raquo;convolution operation&laquo;. }}
  
{{end}}
 
  
 
+
==Convolution in the frequency domain==
==Faltung im Frequenzbereich==
+
<br>
 
+
The duality between time and frequency domain also allows statements regarding the spectrum of the product signal:
Die Dualität zwischen Zeit– und Frequenzbereich erlaubt auch Aussagen hinsichtlich des Spektrums des Produktsignals:
 
 
   
 
   
$$x_1 ( t ) \cdot x_2 ( t )\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X_1 (f) * X_2 (f) =  \int_{ - \infty }^{ + \infty } {X_1 ( \nu  )}  \cdot X_2 ( {f - \nu })\hspace{0.1cm}{\rm d}\nu.$$
+
:$$x_1 ( t ) \cdot x_2 ( t )\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X_1 (f) * X_2 (f) =  \int_{ - \infty }^{ + \infty } {X_1 ( \nu  )}  \cdot X_2 ( {f - \nu })\hspace{0.1cm}{\rm d}\nu.$$
  
Dieses Resultat lässt sich ähnlich wie der [[Signaldarstellung/Faltungssatz_und_Faltungsoperation#Beweis_des_Faltungssatzes|Faltungssatz im Zeitbereich]] beweisen. Allerdings hat nun die Integrationsvariable $\nu$ die Dimension einer Frequenz.
+
This result can be proved similarly to the&nbsp; [[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation#Proof_of_the_Convolution_Theorem|&raquo;convolution in the time domain&laquo;]].&nbsp; However,&nbsp; the integration variable&nbsp; $\nu$&nbsp; now has the dimension of a frequency.
  
{{Beispiel}}
+
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:EN_Sig_T_3_4_S2.png|right|frame|Convolution in the frequency domain&nbsp; $($e.g.&nbsp;  DSB&ndash;AM$)$]]
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp; The &nbsp; [[Modulation_Methods/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation#Beschreibung_im_Zeitbereich|
 +
&raquo;Double-Sideband Amplitude Modulation&raquo;]]&nbsp; $\text{(DSB-AM)}$&nbsp; with carrier suppression is described by the drawn model.
  
[[File:P_ID580__Sig_T_3_4_S2_neu.png|right|Faltung im Frequenzbereich]]
+
*The time domain representation&nbsp; $\rm (blue)$&nbsp; shows the modulated signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; as the product of the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; and the&nbsp; $($normalized$)$&nbsp; carrier signal&nbsp; $z(t)$.
Die [[Modulationsverfahren/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation#Beschreibung_im_Zeitbereich|Zweiseitenband-Amplitudenmodulation]] (ZSB-AM) ohne Träger wird durch das skizzierte Modell beschrieben.
 
*Bei der Zeitbereichsdarstellung (blau) ergibt sich das modulierte Signal $s(t)$ als das Produkt aus dem Nachrichtensignal $q(t)$ und dem (normierten) Trägersignal $z(t)$.
 
*Nach dem Faltungssatz folgt daraus für den Frequenzbereich (rot), dass das Ausgangsspektrum $S(f)$ gleich dem Faltungsprodukt aus $Q(f)$ und $Z(f)$ ist.
 
  
  
{{end}}
+
*According to the convolution theorem it follows for the frequency domain&nbsp; $\rm (red)$&nbsp; that the output spectrum&nbsp; $S(f)$&nbsp; is equal to the convolution product of&nbsp;  $Q(f)\ \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ \ q(t)$&nbsp; and&nbsp; $Z(f)\ \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ \ z(t)$.}}
  
  
==Faltung einer Funktion mit einer Diracfunktion==
+
==Convolution of a function with a Dirac delta function==  
 +
<br>
 +
The convolution operation becomes very simple,&nbsp; if one of the operands is a&nbsp; [[Signal_Representation/Direct_Current_Signal_-_Limit_Case_of_a_Periodic_Signal#Dirac_.28delta.29_function_in_frequency_domain|&raquo;Dirac delta function&laquo;]].&nbsp; This applies both to the convolution in  time and frequency domain.
  
Sehr einfach wird die Faltungsoperation, wenn einer der beiden Operanden eine [[Signaldarstellung/Gleichsignal_-_Grenzfall_eines_periodischen_Signals#Diracfunktion_im_Frequenzbereich|Diracfunktion]] ist. Dies gilt für die Faltung im Zeit– und im Frequenzbereich gleichermaßen.
+
*We will consider the convolution of a function&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; with the function
 +
 +
:$$x_2 ( t ) = \alpha  \cdot \delta ( {t - T} ) \quad \circ\,\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet \quad X_2 ( f )= \alpha \cdot  {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}2\hspace{0.03cm}{\rm{\pi }}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}T}.$$
  
Wir betrachten beispielhaft die Faltung einer Funktion $x_1(t)$ mit der Funktion
+
*For the spectral function of the signal&nbsp; $y(t) = x_1(t) \ast x_2(t)$&nbsp; it follows:
 
   
 
   
$$x_2 ( t ) = \alpha  \cdot \delta ( {t - T} ) \quad \circ\,\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet \quad X_2 ( f )= \alpha \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}2{\rm{\pi }}fT}.$$
+
:$$Y( f ) = X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) = X_1 ( f ) \cdot  \alpha \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}2\hspace{0.03cm}{\rm{\pi }}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}T}.$$
  
Für die Spektralfunktion des Signals $y(t) = x_1(t) \ast x_2(t)$ gilt dann:
+
*The complex exponential function leads to a shift by&nbsp; $T$ &nbsp; &rArr; &nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems#Shifting_Theorem|&raquo;Shifting Theorem&laquo;]],&nbsp; the factor&nbsp; $\alpha$&nbsp; to an attenuation&nbsp; $(\alpha < 1)$&nbsp; or amplification&nbsp; $(\alpha > 1)$.&nbsp; From this follows:
 
   
 
   
$$Y( f ) = X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) = X_1 ( f ) \cdot  \alpha  \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}2{\rm{\pi }}fT} .$$
+
:$$x_1 (t) * x_2 (t) = \alpha  \cdot x_1 ( {t - T} ).$$
  
Die komplexe Exponentialfunktion führt zu einer Verschiebung um $T$ &nbsp;&rArr;&nbsp; [[Signaldarstellung/Gesetzm%C3%A4%C3%9Figkeiten_der_Fouriertransformation#Verschiebungssatz|Verschiebungssatz]], der Faktor $\alpha$ zu einer Dämpfung ($\alpha < 1$) bzw. Verstärkung ($\alpha > 1$ ). Daraus folgt:
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{In Words: }$&nbsp;  
 +
*The convolution of any function with a Dirac delta function at&nbsp; $t = T$&nbsp; results in the function shifted to the right by&nbsp; $T$,&nbsp;
 
   
 
   
$$x_1 (t) * x_2 (t) = \alpha  \cdot x_1 ( {t - T} ).$$
+
*while the weighting of the Dirac delta function by the factor&nbsp; $\alpha$&nbsp; has to be taken into account.}}
 +
 
 +
 
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
$\text{Example 3:}$&nbsp; A rectangle pulse&nbsp; $x(t)$&nbsp; is delayed by an LTI system by the delay time&nbsp; $\tau = 3\,\text{ ms}$&nbsp; and attenuated by the factor&nbsp; $\alpha = 0.5$.
 +
[[File:P_ID522__Sig_T_3_4_S3_neu.png|right|frame|Convolution of a rectangle pulse with a Dirac  delta  function]] 
 +
 
  
In Worten: Die Faltung einer beliebigen Funktion mit einer Diracfunktion bei  $t = T$ ergibt die um $T$ nach rechts verschobene Funktion, wobei noch die Gewichtung der Diracfunktion durch den Faktor $\alpha$ zu berücksichtigen ist.
 
  
{{Beispiel}}
+
Shift and attenuation can be recognised both
Ein Rechtecksignal $x(t)$ wird durch ein LZI-System beispielsweise um eine Laufzeit $\tau = 3\,\text{ ms}$ verzögert und um den Faktor $\alpha = 0.5$ gedämpft.
+
*by the output signal&nbsp; $y(t)$,&nbsp;
 +
 +
*by the impulse response&nbsp; $h(t)$.
 +
}}
  
[[File:P_ID522__Sig_T_3_4_S3_neu.png|Faltung mit Diracfunktion]]
 
  
Diese Verschiebung und Dämpfung erkennt man sowohl am Ausgangssignal $y(t)$ als auch an der Impulsantwort $h(t)$.
+
==Graphical convolution==
 +
<br>
 +
[[File:P_ID2723__Sig_T_3_4_programm.png|right|frame|Screenshot of an older&nbsp; $($German$)$ version &nbsp;$\rm LNTwww$ applet&nbsp; &raquo;Convolution&laquo;:<br>&nbsp; &nbsp; $x_1(t)$&nbsp; is denoted as&nbsp; $x(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; as&nbsp; $h(t)$]]
 +
For the descriptions in this section the following convolution operation is assumed:
  
{{end}}
+
:$$y(t) = x_1 (t) * x_2 (t) $$
 +
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}y(t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
  
 +
The solution of the convolution integral shall be done graphically.&nbsp; It is assumed that&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; are continuous time signals.
  
==Grafische Faltung==
+
Then the following steps are required:
 +
#&nbsp; &raquo;'''Change time variables'''&laquo;  of the functions:&nbsp;  $x_1(t) \to x_1(\tau)$, &nbsp; $x_2(t) \to x_2(\tau)$.
 +
#&nbsp; &raquo;'''Mirroring the second function'''&laquo;: &nbsp; $x_2(\tau) \to x_2(-\tau)$.
 +
#&nbsp; &raquo;'''Shifting the mirrorred function'''&laquo; by&nbsp; $t$:&nbsp;  $x_2(-\tau) \to x_2(t-\tau)$.
 +
#&nbsp; &raquo;'''Multiplication'''&laquo;&nbsp; of both functions&nbsp; $x_1(\tau)$&nbsp; and&nbsp; $x_2(t-\tau)$.
 +
#&nbsp; &raquo;'''Integration'''&laquo;&nbsp; over the product resp.&nbsp; $\tau$&nbsp; between the limits&nbsp; $-\infty$&nbsp; to&nbsp; $+\infty$.
  
Für die Beschreibungen auf dieser Seite wird von folgender Faltungsoperation ausgegangen:
 
 
$$y(t) = x_1 (t) * x_2 (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
 
  
Die Lösung des Faltungsintegrals soll auf grafischem Wege erfolgen. Hierbei wird vorausgesetzt, dass $x_1(t)$ und $x_2(t)$ zeitkontinuierliche Signale sind. Dann sind folgende Schritte erforderlich:
 
#Die '''Zeitvariablen''' der beiden Funktionen '''ändern''': &nbsp; $x_1(t) \to x_1(\tau)$, &nbsp; $x_2(t) \to x_2(\tau)$.
 
#Zweite '''Funktion spiegeln''': &nbsp; $x_2(\tau) \to x_2(-\tau)$.
 
#Gespiegelte '''Funktion''' um $t$ '''verschieben''': &nbsp; $x_2(-\tau) \to x_2(t-\tau)$.
 
#'''Multiplikation''' der beiden Funktionen $x_1(\tau)$ und $x_2(t-\tau)$.
 
#'''Integration''' über das Produkt bezüglich $\tau$ in den Grenzen von $-\infty$ bis $+\infty$.
 
  
 +
<u>Note:</u>
 +
*Since convolution is commutative,&nbsp; $x_1(\tau)$&nbsp; can also be mirrored instead of&nbsp; $x_2(\tau)$.
  
Da die Faltung kommutativ ist, kann anstelle von $x_2(\tau)$ auch $x_1(\tau)$ gespiegelt werden.
+
*The topic is also illustrated by the HTML5 applet&nbsp; [[Applets:Graphical_Convolution|&raquo;Graphical Convolution&laquo;]].  
Die Thematik dieses Abschnitts wird auch durch das Interaktionsmodul [[Zur Verdeutlichung der grafischen Faltung]] veranschaulicht. Die folgende Grafik zeigt einen Bildschirmabzug.
+
<br clear=all>
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
[[File:P_ID582__Sig_T_3_4_S4_neu.png|right|frame|Jump function convoluted with the exponential function]]  
 +
$\text{Example 4:}$&nbsp;
  
[[File:P_ID2723__Sig_T_3_4_programm.png|Bildschirmabzug des Programms „Grafische Faltung”]]
+
The procedure for the graphical convolution is now explained with a detailed example:  
 +
#At the input of a filter there is a jump function&nbsp; $x(t) = \gamma(t)$.
 +
#The impulse response of the first order low-pass filter is&nbsp; $h( t ) = {1}/{T} \cdot {\rm{e} }^{ - t/T}.$
 +
#The time axis is already renamed to&nbsp; $\tau$.
  
  
{{Beispiel}}
+
The graphic shows
[[File:P_ID582__Sig_T_3_4_S4_neu.png|right|Beispiel einer Faltungsoperation]]
+
#the&nbsp; $($red colored$)$&nbsp;  input signal&nbsp; $x(\tau)$,
Nun wird die Vorgehensweise anhand eines ausführlichen Beispiels erklärt.
+
#the&nbsp; $($blue colored$)$&nbsp; impulse response&nbsp; $h(\tau)$,&nbsp;
Am Eingang eines RC-Tiefpassfilters liege eine Sprungfunktion $x(t) = y(t)$ an. Die Filter–Impulsantwort sei
+
#the&nbsp; $($grey colored$)$&nbsp; output signal&nbsp; $y(\tau)$.  
 
$$h( t ) = {1}/{T} \cdot {\rm{e}}^{ - t/T}.$$
 
  
Die Grafik zeigt rot das Eingangssignal  $x(\tau)$, blau die Impulsantwort $h(\tau)$ und grau das Ausgangssignal $y(\tau)$.
 
Die Zeitachse ist bereits in $\tau$ umbenannt.
 
  
Das Ausgangssignal errechnet sich zum Beispiel nach folgender Gleichung:
+
The output signal can be calculated for example using the following equation:
 
   
 
   
$$y(t) = h(t) * x(t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {h( \tau  )}  \cdot x( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
+
:$$y(t) = h(t) * x(t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {h( \tau  )}  \cdot x( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
  
Noch einige Anmerkungen zur grafischen Faltung:
+
Some more remarks:
*Der Ausgangswert bei $t = 0$ ergibt sich, indem man das Eingangssignal spiegelt, dieses gespiegelte Signal $x(-\tau)$ mit der Impulsantwort $h(\tau)$ multipliziert und darüber integriert.
+
*The output value at&nbsp; $t = 0$&nbsp; is obtained by mirroring the input signal&nbsp; $x(\tau)$.&nbsp; This mirrored signal&nbsp; $x(-\tau)$&nbsp; is multiplied by the impulse response&nbsp; $h(\tau)$&nbsp; and integrated over it.
*Da es hier kein Zeitintervall gibt, bei dem sowohl die blaue Kurve $h(\tau)$ und gleichzeitig auch die rot gestrichelte Spiegelung $x(-\tau)$ ungleich 0 ist, folgt daraus $y(t=0)=0$.
 
*Für jeden anderen Zeitpunkt t muss das Eingangssignal verschoben werden  ⇒  $x(t-\tau)$, beispielsweise entsprechend der grün gestrichelten Kurve für $t=T$.
 
*Da auch $x(t-\tau)$ nur die Werte 0 oder 1 annehmen kann, wird die Integration (allgemein von $\tau_1$ bis $\tau_2$) sehr einfach und man erhält hier mit $\tau_1 = 0$  und $\tau_2 = t$:
 
$$y( t) = \int_0^{\hspace{0.05cm} t} {h( \tau)}\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = \frac{1}{T}\cdot\int_0^{\hspace{0.05cm} t} {{\rm{e}}^{ - \tau /T } }\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = 1 - {{\rm{e}}^{ - t /T } }.$$
 
  
Obige Skizze gilt für $t=T$ und führt zum Ausgangswert $y(t=T) = 1 – 1/\text{e} \approx 0.632$.
+
*As there is no time interval,&nbsp; where both the blue curve&nbsp; $h(\tau)$&nbsp; and at the same time also the red dashed mirrored curve&nbsp; $x(-\tau)$&nbsp; is not equal to zero,&nbsp; the result is&nbsp; $y(t=0)=0$.
  
{{end}}
+
*For any other time&nbsp; $t$&nbsp; the input signal must be shifted &nbsp; ⇒ &nbsp; $x(t-\tau)$,&nbsp; for example according to the green dotted curve for&nbsp; $t=T$.
  
 +
*As in this example&nbsp; $x(t-\tau)$&nbsp; is only&nbsp; $0$&nbsp; or&nbsp; $1$&nbsp; the integration&nbsp; $($general from&nbsp; $\tau_1$&nbsp; to&nbsp; $\tau_2)$&nbsp; is very simple and you get here with&nbsp; $\tau_1 = 0$&nbsp;  and&nbsp; $\tau_2 = t$&nbsp;:
 +
:$$y( t) = \int_0^{\hspace{0.05cm} t} {h( \tau)}\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = \frac{1}{T}\cdot\int_0^{\hspace{0.05cm} t} {{\rm{e}}^{ - \tau /T } }\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = 1 - {{\rm{e}}^{ - t /T } }.$$
 +
*This sketch is valid for &nbsp; $t=T$&nbsp; and results in the output value&nbsp; $y(t=T) = 1 - 1/\text{e} \approx 0.632$.}}
  
==Anschauliche Deutung der Faltung==
 
  
Wir gehen von  einem Tiefpassfilter mit der Impulsantwort $h(t)$ aus, die zunächst eine Millisekunde lang konstant ist und dann bis zur Zeit $t = 3 \,\text{ms}$ linear abfällt.  
+
==Descriptive interpretation of convolution==
*Legt man an den Eingang dieses Filters einen Diracimpuls $K_0 \cdot \delta(t)$ an, so ist das Ausgangssignal $y(t)$ formgleich mit der Impulsantwort $h(t)$. Der Sachverhalt ist im Bild rot dargestellt.
+
<br>
*Ein um $T= 1 \,\text{ms}$ späterer Diracimpuls mit Gewicht $K_1 > K_0$ hat das blau gezeichnete Ausgangssignal $y_1(t)$ zur Folge, das gegenüber dem roten Signal verzögert und in der Amplitude vergrößert ist.
+
We assume an impulse response&nbsp; $h(t)$&nbsp; which is first constant for one millisecond and then decreases linearly to zero until &nbsp; $t = 3 \,\text{ms}$.
 +
[[File:P_ID524__Sig_T_3_4_S5_rah.png|right|frame|An interpretation of&nbsp; "Convolution"]]
 +
*If&nbsp; $K_0 \cdot \delta(t)$&nbsp; is applied to the input of this low-pass filter,&nbsp; the output signal&nbsp; $y(t)$&nbsp; has the same shape as the impulse response&nbsp; $h(t)$.&nbsp; The situation is shown in red in the figure.
  
 +
*The&nbsp; $($blue$)$&nbsp; $T= 1 \,\text{ms}$&nbsp; shifted  Dirac delta with weight&nbsp; $K_1 > K_0$&nbsp; results in the output signal&nbsp; $y_1(t)$&nbsp; which is delayed with respect to the red signal and increased in amplitude.
  
Wir betrachten nun das aus sieben verschieden gewichteten und verschobenen Diracimpulsen bestehende Eingangssignal
+
 
 +
Now we consider the input signal consisting of seven differently weighted Dirac deltas:
 
   
 
   
$$x( t ) = \sum\limits_{n = 0}^6 {K_n  \cdot \delta ( {t - n \cdot T} ),}$$
+
:$$x( t ) = \sum\limits_{n = 0}^6 {K_n  \cdot \delta ( {t - n \cdot T} ),}$$
  
das als zeitdiskrete Näherung eines zeitkontinuierlichen Signals aufgefasst werden kann.  
+
which can be understood as a time&ndash;discrete approximation of a time&ndash;continuous signal.  
  
[[File:P_ID524__Sig_T_3_4_S5_rah.png|Anschauliche Deutung der Faltung]]
+
*The output signal of the linear system is the sum of the seven partial signals marked with different colors in the figure:
 
 
Das Signal am Ausgang des linearen Systems ist die Summe der sieben im Bild verschiedenfarbig markierten Teilsignale:
 
 
   
 
   
$$y( t ) = \sum\limits_{n = 0}^6 {K_n  \cdot h( {t - n \cdot T} ).}$$
+
:$$y( t ) = \sum\limits_{n = 0}^6 {K_n  \cdot h( {t - n \cdot T} ).}$$
  
Betrachten wir nun beispielhaft den Signalwert zum Zeitpunkt $t = 4.5T$ (siehe Strichpunktierung):
+
*We now look at the signal value at time&nbsp; $t = 4.5T$&nbsp; $($see dotted line$)$:
 
   
 
   
$$y( {t = 4.5T} ) = K_2  \cdot h( {2.5T} ) + K_3  \cdot h(1.5 T ) + K_4  \cdot h( 0.5 T ).$$
+
:$$y( {t = 4.5T} ) = K_2  \cdot h( {2.5T} ) + K_3  \cdot h(1.5 T ) + K_4  \cdot h( 0.5 T ).$$
  
Der Signalwert $y(4.5T)$ wird somit nur durch die Eingangssignalwerte $K_2$, $K_3$ und $K_4$ bestimmt, und zwar ist der Einfluss
+
*$y( {t = 4.5T} )$&nbsp; is thus only determined by the input signal values&nbsp; $K_2$,&nbsp; $K_3$&nbsp; and&nbsp; $K_4$.&nbsp; <u>Note:</u>
*von $K_4$ wegen $h(0.5T) = 1$ am stärksten,
 
*von $K_3$ wegen $h(1.5T) = 0.75$ weniger stark,
 
*von $K_2$ wegen $h(2.5T) = 0.25$ am geringsten.
 
  
 +
#The influence of&nbsp; $K_4$&nbsp; is  the greatest due to&nbsp; $h(0.5T) = 1$.&nbsp;
 +
#The influence of&nbsp; $K_3$&nbsp; is  less  strong due to&nbsp; $h(1.5T) = 0.75$.&nbsp;
 +
#The influence of&nbsp; $K_2$&nbsp; is the lowest due to&nbsp; $h(2.5T) = 0.25$.&nbsp;
  
  
==Beweis des Faltungssatzes==
 
  
{{Definition}}
+
==Proof of the Convolution Theorem==
Man bezeichnet die folgende Verknüpfung der Zeitfunktionen $x_1(t)$ und $x_2(t)$ als '''Faltung''' und stellt diesen Funktionalzusammenhang mit einem Stern dar:
+
<br>
 +
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Definition: }$&nbsp;
 +
The following relation of time functions&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; is called the&nbsp; &raquo;'''convolution'''&laquo;&nbsp; and represents this functional relation with a star:
 
   
 
   
$$x_{\rm{1}} (t) * x_{\rm{2}} (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
+
:$$x_{\rm{1} } (t) * x_{\rm{2} } (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  ) }  \cdot x_2 ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
  
Daraus ergibt sich die folgende Fourierkorrespondenz:
+
*This results in the following&nbsp; &raquo;'''Fourier correspondence'''&laquo;:
 
   
 
   
$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}{ {x}}_{\rm{1}} ( t ) * { {x}}_{\rm{2}} (t ).$$
+
:$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}{ {x} }_{\rm{1} } ( t ) * { {x} }_{\rm{2} } (t ).$$}}
 
 
{{end}}
 
  
  
{{Beweis}}
+
{{BlaueBox|TEXT= 
Die Fourierintegrale der Funktionen $x_1(t)$ und $x_2(t)$ lauten mit veränderten Integrationsvariablen:
+
$\text{Proof: }$&nbsp;
 +
The Fourier integrals of functions&nbsp; $x_1(t)$&nbsp; and&nbsp; $x_2(t)$&nbsp; are with modified integration variables:
 
   
 
   
$$X_1 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}2{\rm{\pi }}f\tau }\hspace{0.1cm} {\rm{d }}\tau{\rm{,}}$$
+
:$$X_1 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }f\tau }\hspace{0.1cm} {\rm{d } }\tau{\rm{,} }$$
  
$$X_2 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_2 ( {t'} )}  \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}2{\rm{\pi }}ft'}\hspace{0.1cm} {\rm{d}}t'{\rm{.}}$$
+
:$$X_2 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_2 ( {t\hspace{0.05cm}'} ) }  \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }ft\hspace{0.05cm}'}\hspace{0.1cm} {\rm{d} }t\hspace{0.05cm}'{\rm{.} }$$
 
   
 
   
Bildet man das Produkt der Spektralfunktionen, so erhält man:
+
*If you form the product of the spectral functions, you get
 
   
 
   
$$X_1 (f) \cdot X_2 (f) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )  \hspace{0.05 cm}\cdot } }\hspace{0.05 cm} x_2 ( {t'} ) \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}2{\rm{\pi }}f\left( {\tau  + t'} \right)}\hspace{0.1cm} {\rm d} \tau \hspace{0.1cm}{\rm d}t'{\rm{.}}$$
+
:$$X_1 (f) \cdot X_2 (f) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )  \hspace{0.05 cm}\cdot } }\hspace{0.05 cm} x_2 ( {t\hspace{0.05cm}'} ) \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }f\left( {\tau  + t\hspace{0.05cm}'} \right) }\hspace{0.1cm} {\rm d} \tau \hspace{0.1cm}{\rm d}t\hspace{0.05cm}'{\rm{.} }$$
  
Mit der Substitution $t = \tau + t'$ ergibt sich:
+
*With the substitution&nbsp; $t = \tau + t\hspace{0.05cm}'$&nbsp; results:
 
   
 
   
$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\left[ {\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau )}  \cdot x_2 ( {t - \tau} )\hspace{0.1cm}{\rm{d }}}\tau \right]}  \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}2{\rm{\pi }}ft}\hspace{0.1cm} {\rm{d}}t{\rm{.}}$$
+
:$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\left[ {\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau )}  \cdot x_2 ( {t - \tau} )\hspace{0.1cm}{\rm{d } } }\tau \right] }  \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }ft}\hspace{0.1cm} {\rm{d} }t{\rm{.} }$$
  
In dieser Gleichung ist bereits berücksichtigt, dass die Exponentialfunktion unabhängig von der inneren Integrationsvariablen $τ$ ist und deshalb nur als Faktor des inneren Integrals fungiert.
+
:This equation already takes into account that the exponential function is independent of the inner integration variable &nbsp;  &rArr; &nbsp; $τ$&nbsp; acts only as factor of the inner integral.
  
Bezeichnen wir nun das Produkt der beiden Spektren mit $P(f)$ und die dazugehörige Zeitfunktion mit $p(t)$, so lautet das entsprechende Fourierintegral:
+
*If we now denote the product of the two spectra with&nbsp; $P(f)$&nbsp; and the corresponding time function with&nbsp; $p(t)$, the corresponding Fourier integral is
 
   
 
   
$$P(f) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {p( t )}  \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}2{\rm{\pi }}ft} \hspace{0.1cm}{\rm{d}}t{\rm{.}}$$
+
:$$P(f) = X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) =\int_{ - \infty }^{ + \infty } {p( t )}  \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }ft} \hspace{0.1cm}{\rm{d} }t{\rm{.} }$$
  
Ein Koeffizientenvergleich der beiden Integrale zeigt, dass folgender Zusammenhang gilt:
+
*A coefficient comparison of the last two integrals shows that the following relationship apply:
 
   
 
   
$$p( t ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm{d }}\tau{\rm{.}}$$
+
:$$p( t ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau  )}  \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm{d } }\tau{\rm{.} }$$
 
 
<div align="right">q.e.d.</div>
 
 
 
{{end}}
 
  
 +
<div align="right">q.e.d.</div>}}
  
==Aufgaben zum Kapitel==
 
  
[[Aufgaben:3.7 Synchrondemodulator|A3.7 Synchrondemodulator]]
+
==Exercises for the chapter==
 +
<br>
 +
[[Aufgaben:Exercise_3.7:_Synchronous_Demodulator|Exercise 3.7: Synchronous Demodulator]]
  
[[Aufgaben: 3.7Z Rechtecksignal mit Echo|Z3.7 Rechtecksignal mit Echo]]
+
[[Aufgaben:Exercise_3.7Z:_Rectangular_Signal_with_Echo|Exercise 3.7Z: Rectangular Signal with Echo]]
  
[[Aufgaben:3.8 Dreimal Faltung|A3.8 Dreimal Faltung]]
+
[[Aufgaben:Exercise_3.8:_Triple_Convolution|Exercise 3.8: Triple Convolution?]]
  
[[Aufgaben: 3.8Z Faltung zweier Rechtecke|Z3.8 Faltung zweier Rechtecke]]
+
[[Aufgaben:Exercise_3.8Z:Convolution_of_Two_Rectangles|Exercise 3.8Z: Convolution of Two Rectangles]]
  
[[Aufgaben:3.9 Faltung von Rechteck und Gauß|A3.9 Faltung von Rechteck und Gauß]]
+
[[Aufgaben:Exercise_3.9:_Convolution_of_Rectangle_and_Gaussian_Pulse|Exercise 3.9: Convolution of Rectangle and Gaussian Pulse]]
  
[[Aufgaben:3.9Z Gauß gefaltet mit Gauß|Z3.9 Gauß gefaltet mit Gauß]]
+
[[Aufgaben:Exercise_3.9Z:_Convolution_of_Gaussian_Pulses|Exercise 3.9Z: Convolution of Gaussian Pulses]]
  
  
  
 
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Latest revision as of 17:50, 15 June 2023

Convolution in the time domain


The  »Convolution Theorem«  is one of the most important laws of the Fourier transform,  to which an own subchapter is dedicated in this tutorial.  We will first consider the convolution theorem in the time domain and assume that the spectra of two time functions  $x_1(t)$  and  $x_2(t)$  are known:

$$X_1 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}x_1( t ),\quad X_2 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}x_2 ( t ).$$

Then for the time function of the product  $X_1(f) \cdot X_2(f)$  applies:

$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau )} \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$

$\tau$  is a formal integration variable with the dimension of a time.

$\text{Definition:}$ 

The above connection of the time function  $x_1(t)$  and  $x_2(t)$  is called  »convolution«.  One represents this functional connection with a star:

$$x_{\rm{1} } (t) * x_{\rm{2} } (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau ) } \cdot x_2 ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = x_{\rm{2} } (t) * x_{\rm{1} } (t) .$$
  • Thus the above Fourier correspondence can be written as follows:
$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.15cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.15cm}{ {x} }_{\rm{1} } ( t ) * { {x} }_{\rm{2} } (t ).$$
  • The convolution is  »commutative«   ⇒  The order of the operands can be changed:
$$x_1(t) * x_2(t) =x_2(t) * x_1(t).$$
  • The  »Proof«  will be shown at the end of this chapter.


On calculation of signal and spectrum of the LTI output

$\text{Example 1:}$  Every linear time-invariant  $\rm (LTI)$  system can be described both,

  1. by the frequency response  $H(f)$,
  2. by the impulse response  $h(t)$.


The relation between these two system quantities is also given by the Fourier transform.

  • If the signal  $x(t)$  with spectrum  $X(f)$  is applied to the input,  then the spectrum of the output signal is:
$$Y(f) = X(f) \cdot H(f)\hspace{0.05cm}.$$
  • It is possible to calculate the output signal in the time domain with the convolution theorem:
$$y( t ) = x(t) * h( t ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm}{x( \tau )} \cdot h( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = \int_{ - \infty }^{ + \infty } \hspace{-0.15cm} {h( \tau )} \cdot x( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau = h(t) * x( t ).$$
  • This equation shows again the  »commutativity«  of the  »convolution operation«.


Convolution in the frequency domain


The duality between time and frequency domain also allows statements regarding the spectrum of the product signal:

$$x_1 ( t ) \cdot x_2 ( t )\circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,X_1 (f) * X_2 (f) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {X_1 ( \nu )} \cdot X_2 ( {f - \nu })\hspace{0.1cm}{\rm d}\nu.$$

This result can be proved similarly to the  »convolution in the time domain«.  However,  the integration variable  $\nu$  now has the dimension of a frequency.

Convolution in the frequency domain  $($e.g.  DSB–AM$)$

$\text{Example 2:}$  The   »Double-Sideband Amplitude Modulation»  $\text{(DSB-AM)}$  with carrier suppression is described by the drawn model.

  • The time domain representation  $\rm (blue)$  shows the modulated signal  $s(t)$  as the product of the source signal  $q(t)$  and the  $($normalized$)$  carrier signal  $z(t)$.


  • According to the convolution theorem it follows for the frequency domain  $\rm (red)$  that the output spectrum  $S(f)$  is equal to the convolution product of  $Q(f)\ \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ \ q(t)$  and  $Z(f)\ \bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ \ z(t)$.


Convolution of a function with a Dirac delta function


The convolution operation becomes very simple,  if one of the operands is a  »Dirac delta function«.  This applies both to the convolution in time and frequency domain.

  • We will consider the convolution of a function  $x_1(t)$  with the function
$$x_2 ( t ) = \alpha \cdot \delta ( {t - T} ) \quad \circ\,\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet \quad X_2 ( f )= \alpha \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}2\hspace{0.03cm}{\rm{\pi }}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}T}.$$
  • For the spectral function of the signal  $y(t) = x_1(t) \ast x_2(t)$  it follows:
$$Y( f ) = X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) = X_1 ( f ) \cdot \alpha \cdot {\rm{e}}^{ - {\rm{j}}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}2\hspace{0.03cm}{\rm{\pi }}\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}f\hspace{0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}T}.$$
  • The complex exponential function leads to a shift by  $T$   ⇒   »Shifting Theorem«,  the factor  $\alpha$  to an attenuation  $(\alpha < 1)$  or amplification  $(\alpha > 1)$.  From this follows:
$$x_1 (t) * x_2 (t) = \alpha \cdot x_1 ( {t - T} ).$$

$\text{In Words: }$ 

  • The convolution of any function with a Dirac delta function at  $t = T$  results in the function shifted to the right by  $T$, 
  • while the weighting of the Dirac delta function by the factor  $\alpha$  has to be taken into account.


$\text{Example 3:}$  A rectangle pulse  $x(t)$  is delayed by an LTI system by the delay time  $\tau = 3\,\text{ ms}$  and attenuated by the factor  $\alpha = 0.5$.

Convolution of a rectangle pulse with a Dirac delta function


Shift and attenuation can be recognised both

  • by the output signal  $y(t)$, 
  • by the impulse response  $h(t)$.


Graphical convolution


Screenshot of an older  $($German$)$ version  $\rm LNTwww$ applet  »Convolution«:
    $x_1(t)$  is denoted as  $x(t)$  and  $x_2(t)$  as  $h(t)$

For the descriptions in this section the following convolution operation is assumed:

$$y(t) = x_1 (t) * x_2 (t) $$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}y(t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau )} \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$

The solution of the convolution integral shall be done graphically.  It is assumed that  $x_1(t)$  and  $x_2(t)$  are continuous time signals.

Then the following steps are required:

  1.   »Change time variables« of the functions:  $x_1(t) \to x_1(\tau)$,   $x_2(t) \to x_2(\tau)$.
  2.   »Mirroring the second function«:   $x_2(\tau) \to x_2(-\tau)$.
  3.   »Shifting the mirrorred function« by  $t$:  $x_2(-\tau) \to x_2(t-\tau)$.
  4.   »Multiplication«  of both functions  $x_1(\tau)$  and  $x_2(t-\tau)$.
  5.   »Integration«  over the product resp.  $\tau$  between the limits  $-\infty$  to  $+\infty$.


Note:

  • Since convolution is commutative,  $x_1(\tau)$  can also be mirrored instead of  $x_2(\tau)$.


Jump function convoluted with the exponential function

$\text{Example 4:}$ 

The procedure for the graphical convolution is now explained with a detailed example:

  1. At the input of a filter there is a jump function  $x(t) = \gamma(t)$.
  2. The impulse response of the first order low-pass filter is  $h( t ) = {1}/{T} \cdot {\rm{e} }^{ - t/T}.$
  3. The time axis is already renamed to  $\tau$.


The graphic shows

  1. the  $($red colored$)$  input signal  $x(\tau)$,
  2. the  $($blue colored$)$  impulse response  $h(\tau)$, 
  3. the  $($grey colored$)$  output signal  $y(\tau)$.


The output signal can be calculated for example using the following equation:

$$y(t) = h(t) * x(t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {h( \tau )} \cdot x( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$

Some more remarks:

  • The output value at  $t = 0$  is obtained by mirroring the input signal  $x(\tau)$.  This mirrored signal  $x(-\tau)$  is multiplied by the impulse response  $h(\tau)$  and integrated over it.
  • As there is no time interval,  where both the blue curve  $h(\tau)$  and at the same time also the red dashed mirrored curve  $x(-\tau)$  is not equal to zero,  the result is  $y(t=0)=0$.
  • For any other time  $t$  the input signal must be shifted   ⇒   $x(t-\tau)$,  for example according to the green dotted curve for  $t=T$.
  • As in this example  $x(t-\tau)$  is only  $0$  or  $1$  the integration  $($general from  $\tau_1$  to  $\tau_2)$  is very simple and you get here with  $\tau_1 = 0$  and  $\tau_2 = t$ :
$$y( t) = \int_0^{\hspace{0.05cm} t} {h( \tau)}\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = \frac{1}{T}\cdot\int_0^{\hspace{0.05cm} t} {{\rm{e}}^{ - \tau /T } }\hspace{0.1cm} {\rm d}\tau = 1 - {{\rm{e}}^{ - t /T } }.$$
  • This sketch is valid for   $t=T$  and results in the output value  $y(t=T) = 1 - 1/\text{e} \approx 0.632$.


Descriptive interpretation of convolution


We assume an impulse response  $h(t)$  which is first constant for one millisecond and then decreases linearly to zero until   $t = 3 \,\text{ms}$.

An interpretation of  "Convolution"
  • If  $K_0 \cdot \delta(t)$  is applied to the input of this low-pass filter,  the output signal  $y(t)$  has the same shape as the impulse response  $h(t)$.  The situation is shown in red in the figure.
  • The  $($blue$)$  $T= 1 \,\text{ms}$  shifted Dirac delta with weight  $K_1 > K_0$  results in the output signal  $y_1(t)$  which is delayed with respect to the red signal and increased in amplitude.


Now we consider the input signal consisting of seven differently weighted Dirac deltas:

$$x( t ) = \sum\limits_{n = 0}^6 {K_n \cdot \delta ( {t - n \cdot T} ),}$$

which can be understood as a time–discrete approximation of a time–continuous signal.

  • The output signal of the linear system is the sum of the seven partial signals marked with different colors in the figure:
$$y( t ) = \sum\limits_{n = 0}^6 {K_n \cdot h( {t - n \cdot T} ).}$$
  • We now look at the signal value at time  $t = 4.5T$  $($see dotted line$)$:
$$y( {t = 4.5T} ) = K_2 \cdot h( {2.5T} ) + K_3 \cdot h(1.5 T ) + K_4 \cdot h( 0.5 T ).$$
  • $y( {t = 4.5T} )$  is thus only determined by the input signal values  $K_2$,  $K_3$  and  $K_4$.  Note:
  1. The influence of  $K_4$  is the greatest due to  $h(0.5T) = 1$. 
  2. The influence of  $K_3$  is less strong due to  $h(1.5T) = 0.75$. 
  3. The influence of  $K_2$  is the lowest due to  $h(2.5T) = 0.25$. 


Proof of the Convolution Theorem


$\text{Definition: }$  The following relation of time functions  $x_1(t)$  and  $x_2(t)$  is called the  »convolution«  and represents this functional relation with a star:

$$x_{\rm{1} } (t) * x_{\rm{2} } (t) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau ) } \cdot x_2 ( {t - \tau } ) \hspace{0.1cm}{\rm d}\tau.$$
  • This results in the following  »Fourier correspondence«:
$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f )\hspace{0.1cm}\bullet\!\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\hspace{0.1cm}{ {x} }_{\rm{1} } ( t ) * { {x} }_{\rm{2} } (t ).$$


$\text{Proof: }$  The Fourier integrals of functions  $x_1(t)$  and  $x_2(t)$  are with modified integration variables:

$$X_1 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau )} \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }f\tau }\hspace{0.1cm} {\rm{d } }\tau{\rm{,} }$$
$$X_2 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_2 ( {t\hspace{0.05cm}'} ) } \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }ft\hspace{0.05cm}'}\hspace{0.1cm} {\rm{d} }t\hspace{0.05cm}'{\rm{.} }$$
  • If you form the product of the spectral functions, you get
$$X_1 (f) \cdot X_2 (f) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau ) \hspace{0.05 cm}\cdot } }\hspace{0.05 cm} x_2 ( {t\hspace{0.05cm}'} ) \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }f\left( {\tau + t\hspace{0.05cm}'} \right) }\hspace{0.1cm} {\rm d} \tau \hspace{0.1cm}{\rm d}t\hspace{0.05cm}'{\rm{.} }$$
  • With the substitution  $t = \tau + t\hspace{0.05cm}'$  results:
$$X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {\left[ {\int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau )} \cdot x_2 ( {t - \tau} )\hspace{0.1cm}{\rm{d } } }\tau \right] } \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }ft}\hspace{0.1cm} {\rm{d} }t{\rm{.} }$$
This equation already takes into account that the exponential function is independent of the inner integration variable   ⇒   $τ$  acts only as factor of the inner integral.
  • If we now denote the product of the two spectra with  $P(f)$  and the corresponding time function with  $p(t)$, the corresponding Fourier integral is
$$P(f) = X_1 ( f ) \cdot X_2 ( f ) =\int_{ - \infty }^{ + \infty } {p( t )} \cdot {\rm{e} }^{ - {\rm{j} }2{\rm{\pi } }ft} \hspace{0.1cm}{\rm{d} }t{\rm{.} }$$
  • A coefficient comparison of the last two integrals shows that the following relationship apply:
$$p( t ) = \int_{ - \infty }^{ + \infty } {x_1 ( \tau )} \cdot x_2 ( {t - \tau } )\hspace{0.1cm}{\rm{d } }\tau{\rm{.} }$$
q.e.d.


Exercises for the chapter


Exercise 3.7: Synchronous Demodulator

Exercise 3.7Z: Rectangular Signal with Echo

Exercise 3.8: Triple Convolution?

Exercise 3.8Z: Convolution of Two Rectangles

Exercise 3.9: Convolution of Rectangle and Gaussian Pulse

Exercise 3.9Z: Convolution of Gaussian Pulses