. .
.
Exp-3 Fourier analysis of signals
.
.

 

  Contents:-

 

  Introduction to Fourier analysis methods

 

        ♦ Continuous-time Fourier series (CTFS)

 

        ♦ Discrete-time Fourier series (DTFS)

 

        ♦ Continuous-time Fourier transform (CTFT)

 

        Discrete-time Fourier transform (DTFT)

 

        ♦ Salient properties of Fourier analysis method

 

    Relationship among Fourier analysis methods

 

        ♦ Relationship between CTFS and CTFT

 

        ♦ Relationship between DTFS and DTFT

 

        ♦ Relationship between CTFT and DTFT

 

 

                   

 

                                     Introduction to Fourier analysis method


In the following we first describe different Fourier methods available for analysing continuous-time and discrete-time signals. It would be followed by listing of salient properties of these Fourier analysis methods.

 

Continuous-time Fourier series (CTFS):

 

For a continuous-time signal x(t), the Fourier series representation of a signal over a representation time«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»t«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»§lt;«/mo»«mi»t«/mi»«mo»§lt;«/mo»«msub»«mi»t«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»+«/mo»«msub»«mi»T«/mi»«mi»F«/mi»«/msub»«/math» is defined as

                                                                    «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«mi»k«/mi»«msub»«mi»f«/mi»«mi»F«/mi»«/msub»«mi»t«/mi»«/mrow»«/msup»«/math»

where X[k] is the harmonic function, k is the harmonic number and f= 1/ TF. The harmonic function is computed as

                                                                   «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«mo»=«/mo»«mfrac»«mn»1«/mn»«msub»«mi»T«/mi»«mi»F«/mi»«/msub»«/mfrac»«msubsup»«mo»§#8747;«/mo»«msub»«mi»t«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mrow»«msub»«mi»t«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»+«/mo»«msub»«mi»T«/mi»«mi»F«/mi»«/msub»«/mrow»«/msubsup»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«mi»k«/mi»«msub»«mi»f«/mi»«mi»F«/mi»«/msub»«mi»t«/mi»«/mrow»«/msup»«mi»d«/mi»«mi»t«/mi»«/math» 

The signal and its harmonic function form a pair which is indicated by the notation 

                                                               «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»S«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»X«/mi»«mfenced close=¨]¨ open=¨[¨»«mi»k«/mi»«/mfenced»«/math»  

The left hand side of the above relation represents the signal in time domain while the right hand side represents the transformation of the signal to a "harmonic-number" domain.

 

                                                                                                                                                                                           Top

 

Discrete-time Fourier series (DTFS):

 

For a discrete-time signal x(n), the Fourier series representation over a representation time  «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»n«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»§#10877;«/mo»«mi»n«/mi»«mo»§lt;«/mo»«msub»«mi»n«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»+«/mo»«msub»«mi»N«/mi»«mi»F«/mi»«/msub»«/math»  is defined as

                                                             «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mo»=«/mo»«munder»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»§lt;«/mo»«msub»«mi»N«/mi»«mi»F«/mi»«/msub»«mo»§gt;«/mo»«/mrow»«/munder»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«mi»k«/mi»«mi»n«/mi»«mo»/«/mo»«msub»«mi»N«/mi»«mi»F«/mi»«/msub»«/mrow»«/msup»«/math»

 where X[k] is the harmonic function and the harmonic function can be found as 

 

                                                            «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«mo»=«/mo»«mfrac»«mn»1«/mn»«msub»«mi»N«/mi»«mi»F«/mi»«/msub»«/mfrac»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»n«/mi»«mo»=«/mo»«msub»«mi»n«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«/mrow»«mrow»«msub»«mi»n«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»+«/mo»«msub»«mi»N«/mi»«mi»F«/mi»«/msub»«mo»-«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/munderover»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«mi»k«/mi»«mi»n«/mi»«mo»/«/mo»«msub»«mi»N«/mi»«mi»F«/mi»«/msub»«/mrow»«/msup»«/math»

The discrete-time signal and its harmonic function form a pair which is indicated by the notation below

                                                                     «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»n«/mi»«mo»)«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»S«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«/math»

where 'NF' is the representation time and the notation «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«munder»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»§lt;«/mo»«msub»«mi»N«/mi»«mi»F«/mi»«/msub»«mo»§gt;«/mo»«/mrow»«/munder»«/math» means summation over any range of consecutive 'k' exactly NF in length.

                                                                                                                                                                                          Top

 

Continuous-time Fourier transform (CTFT):

 

The continuous-time Fourier transform(CTFT) is defined as

 

                                                                  «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«msubsup»«mo»§#8747;«/mo»«mrow»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/msubsup»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«mi»f«/mi»«mi»t«/mi»«/mrow»«/msup»«mi»d«/mi»«mi»t«/mi»«/math»

 

                                                                   «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«msubsup»«mo»§#8747;«/mo»«mrow»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/msubsup»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«mi»f«/mi»«mi»t«/mi»«/mrow»«/msup»«mi»d«/mi»«mi»f«/mi»«/math» 

 

The forward and inverse transforms  are almost same, only the sign of the exponent and the variable of integration change.

The continuous-time signal x(t) and its Fourier transform X(f) pairs are indicated by the notation below.

                                                                     «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»T«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«/math»

                                                                                                                                                                                             Top

 

Discrete-time Fourier transform (DTFT):

 

The discrete-time Fourier transform is defined by

                                                                    «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mo»=«/mo»«msubsup»«mo»§#8747;«/mo»«mn»1«/mn»«mo»§nbsp;«/mo»«/msubsup»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«mi»F«/mi»«mi»n«/mi»«/mrow»«/msup»«mi»d«/mi»«mi»F«/mi»«/math»

   and                                                           «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»n«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»&n;#960;«/mi»«mi»F«/mi»«mi»n«/mi»«/mrow»«/msup»«/math»

The signal and its harmonic function form a pair which is indicated by the notation below

                                                                     «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»T«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«/math»

                                                                                                                                  Top

Salient properties of Fourier analysis methods:

 

Some of the salient properties exhibited by the continuous-time as well as discrete-time Fourier transform / Fourier series are given below.

               

        Linearity property: 

                     For CTFS                         For DTFS         
         «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»A«/mi»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mo»+«/mo»«mi»B«/mi»«mi»y«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»S«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»A«/mi»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»K«/mi»«mo»]«/mo»«mo»+«/mo»«mi»B«/mi»«mi»Y«/mi»«mo»[«/mo»«mi»K«/mi»«mo»]«/mo»«/math»          «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»A«/mi»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mo»+«/mo»«mi»B«/mi»«mi»y«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»S«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»A«/mi»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»K«/mi»«mo»]«/mo»«mo»+«/mo»«mi»B«/mi»«mi»Y«/mi»«mo»[«/mo»«mi»K«/mi»«mo»]«/mo»«/math»
                          For  CTFT                                    For DTFT
       «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»A«/mi»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mo»+«/mo»«mi»B«/mi»«mi»y«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»T«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»A«/mi»«mo»§nbsp;«/mo»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«mo»+«/mo»«mi»B«/mi»«mo»§nbsp;«/mo»«mi»Y«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«/math»          «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mtable columnalign=¨left¨ rowspacing=¨0¨»«mtr»«mtd»«mi»A«/mi»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mo»+«/mo»«mi»B«/mi»«mi»y«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»T«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»A«/mi»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«mo»+«/mo»«mi»B«/mi»«mi»Y«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«/mtd»«/mtr»«mtr»«mtd/»«/mtr»«/mtable»«/math»

  

          Time shifting property: 

                                 For CTFS                        For DTFS
              «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»-«/mo»«msub»«mi»t«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»)«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»S«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»K«/mi»«mo»]«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«mi»k«/mi»«msub»«mi»f«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«msub»«mi»t«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«/mrow»«/msup»«/math»     
             «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»-«/mo»«msub»«mi»n«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»]«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»S«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»K«/mi»«mo»]«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«mi»k«/mi»«msub»«mi»n«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»/«/mo»«msub»«mi»N«/mi»«mi»F«/mi»«/msub»«/mrow»«/msup»«/math»
                                 For CTFT                              For DTFT
               «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»-«/mo»«msub»«mi»t«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»)«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»T«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«mi»f«/mi»«msub»«mi»t«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«/mrow»«/msup»«/math»                  «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«msub»«mi»F«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mi»n«/mi»«/mrow»«/msup»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»T«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»-«/mo»«msub»«mi»F«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»)«/mo»«/math»

   

         Frequency shifting property:

                                  For CTFS   
                           For DTFS

            «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«msub»«mi»k«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«msub»«mi»f«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mi»t«/mi»«/mrow»«/msup»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»S«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»-«/mo»«msub»«mi»k«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»]«/mo»«/math»      

                  «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«msub»«mi»k«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mi»n«/mi»«mo»/«/mo»«msub»«mi»N«/mi»«mi»F«/mi»«/msub»«/mrow»«/msup»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»S«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»-«/mo»«msub»«mi»k«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»]«/mo»«/math»
                                  For CTFT                                    For DTFT

                «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«msub»«mi»f«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mi»t«/mi»«/mrow»«/msup»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»T«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»-«/mo»«msub»«mi»f«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»)«/mo»«/math»     

             «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«msub»«mi»F«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mi»n«/mi»«/mrow»«/msup»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»T«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»-«/mo»«msub»«mi»F«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»)«/mo»«/math»

 

  

 

Multiplication-convolution property:

 

            Multiplication:

                                    For CTFS                             For DTFS
                     «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mi»y«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»S«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«mo»*«/mo»«mi»Y«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«/math»  
                    «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mi»y«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»S«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»Y«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«mo»*«/mo»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«/math»
                                    For CTFT                                For DTFT
                     «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mi»y«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»T«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«mo»*«/mo»«mi»Y«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«/math»                      «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mi»y«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»T«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«mo»*«/mo»«mi»Y«/mi»«mo»[«/mo»«mi»F«/mi»«mo»]«/mo»«/math»

  

            Convolution:

                                       For CTFS                         For DTFS
              «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«menclose notation=¨roundedbox¨»«mo»*«/mo»«/menclose»«mi»y«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»S«/mi»«/mrow»«/mover»«msub»«mi»T«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«mi»Y«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«/math» 
              «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«menclose notation=¨roundedbox¨»«mo»*«/mo»«/menclose»«mi»y«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»S«/mi»«/mrow»«/mover»«msub»«mi»N«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mi»Y«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«/math»
                                       For CTFT                                For DTFT
                    «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mo»*«/mo»«mi»y«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»T«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«mi»Y«/mi»«mo»[«/mo»«mi»f«/mi»«mo»]«/mo»«/math»                    «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mo»*«/mo»«mi»y«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»T«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«mi»Y«/mi»«mo»[«/mo»«mi»F«/mi»«mo»]«/mo»«/math»

 

            Parseval's theorem:

                                        For CTFS 
                         For DTFS
            «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mfrac»«mn»1«/mn»«msub»«mi»T«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«/mfrac»«msubsup»«mo»§#8747;«/mo»«msub»«mi»T«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«/msubsup»«msup»«mfenced close=¨|¨ open=¨|¨»«mrow»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/mfenced»«mn»2«/mn»«/msup»«mi»d«/mi»«mi»t«/mi»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«msup»«mfenced close=¨|¨ open=¨|¨»«mrow»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«/mrow»«/mfenced»«mn»2«/mn»«/msup»«/math»         
            
                                        For CTFT                                 For DTFT
             «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msubsup»«mo»§#8747;«/mo»«mrow»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/msubsup»«msup»«mfenced close=¨|¨ open=¨|¨»«mrow»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/mfenced»«mn»2«/mn»«/msup»«mi»d«/mi»«mi»t«/mi»«mo»=«/mo»«msubsup»«mo»§#8747;«/mo»«mrow»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/msubsup»«msup»«mfenced close=¨|¨ open=¨|¨»«mrow»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/mfenced»«mn»2«/mn»«/msup»«mi»d«/mi»«mi»f«/mi»«/math»

           «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»n«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«msup»«mfenced close=¨|¨ open=¨|¨»«mrow»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«/mrow»«/mfenced»«mn»2«/mn»«/msup»«mo»=«/mo»«msubsup»«mo»§#8747;«/mo»«mn»1«/mn»«mo»§nbsp;«/mo»«/msubsup»«msup»«mfenced close=¨|¨ open=¨|¨»«mrow»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/mfenced»«mn»2«/mn»«/msup»«mi»d«/mi»«mi»F«/mi»«/math»

 

                                                                                                                                                                                    Top

    Relationship among Fourier analysis mehods: 

 

There are many similarities among different Fourier analysis methods and their relationship are discuss below. These relationships provide the basis of processing of the analog signal in digital domain.


Relationship between CTFS and CTFT:

 

For a periodic signal x(t) with fundamental period T0 = 1/ f0 can be represented for all time using CTFS representation  

                                                                         «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«mi»k«/mi»«msub»«mi»f«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mi»t«/mi»«/mrow»«/msup»«/math»     

Now using the frequency shifting property «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«msub»«mi»f«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mi»t«/mi»«/mrow»«/msup»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«/mover»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»-«/mo»«msub»«mi»f«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»)«/mo»«/math» and the CTFT pair «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mn»1«/mn»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mi»F«/mi»«/mover»«mi»§#948;«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«/math»we can find the CTFT of x(t) as

                                                 «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«mi»§#948;«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»-«/mo»«mi»k«/mi»«msub»«mi»f«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»)«/mo»«/math»  

The CTFT of a periodic function is a continuous frequency function, which consists of a sum of impulses spaced apart by the fundamental frequency of the signal, whose strengths are the same as the CTFS harmonic function at the same harmonic number multiple of the fundamental frequency. The CTFS is just a special case of the CTFT.

                                                   

                                                                   

                                              

                              Fig.1 CTFS harmonic function and CTFT for a normalized gaussian function

 

The information equivalence of a harmonic function X[k] and CTFT function X(f) is shown in Fig.1. Note, here X[K] is a function of discrete variable, harmonic number k whereas X(f) is a function of continuous variable frequency f. These two functions are equivalent in the sense that X(f) is non zero only at the integer multiples of 'k' of the fundamental frequency f0 and X[k] is only defined at integer values of k

 

We can observe that the values of X[k] at the integer values of 'k' are the same as the strengths of the impulses in X(f) that occur at 'kf0'. For a periodic function x(t)

                                                        «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«mi»§#948;«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»-«/mo»«mi»k«/mi»«msub»«mi»f«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»)«/mo»«/math» ........................(1)

The relationship between CTFS and CTFT can also be estblished for aperiodic signal and is achieved by finding relationship between the CTFT of an aperiodic signal and the CTFS function of  periodic extention of that signal. Let us consider x(t) be an aperiodic function of time and let xp(t) is a periodic extension of x(t) with fundamental period Tp defined by

                                      «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»x«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»n«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»-«/mo»«mi»n«/mi»«msub»«mi»T«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mo»*«/mo»«msub»«mi»§#948;«/mi»«msub»«mi»T«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«/math»

       

                         

        Fig.2. A signal and its CTFT and the periodic repetition of the signal and its CTFS harmonic function 

                             

The CTFT of x(t) is«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«/math». Using the multiplication-convolution duality of the CTFT, the CTFT of xp(t) is

                                                «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»X«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«mo»(«/mo»«mfrac»«mn»1«/mn»«msub»«mi»T«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«/mfrac»«mo»)«/mo»«msub»«mi»§#948;«/mi»«mfrac»«mn»1«/mn»«msub»«mi»T«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«/mfrac»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«/math» ........................................(2)

                                                          «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mo»=«/mo»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«msub»«mi»f«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«msub»«mi»§#948;«/mi»«mrow»«mi»f«/mi»«mi»p«/mi»«/mrow»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«msub»«mi»f«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»k«/mi»«msub»«mi»f«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«mo»)«/mo»«mi»§#948;«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»-«/mo»«mi»k«/mi»«msub»«mi»f«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«mo»)«/mo»«/math»,

where «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»f«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«mo»=«/mo»«mfrac»«mn»1«/mn»«msub»«mi»T«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«/mfrac»«/math»  now using equation (1),

                                                «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»X«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«msub»«mi»X«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«mi»§#948;«/mi»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»-«/mo»«mi»k«/mi»«msub»«mi»f«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«mo»)«/mo»«/math» ........................(3)

Now combining equations (2) & (3), we get

                                   «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»X«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«mo»=«/mo»«msub»«mi»f«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»k«/mi»«msub»«mi»f«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«mo»)«/mo»«/math»

We can say that if an aperiodic function is periodically extended to form a periodic function xp(t) with fundamental period 'Tp' the values of the CTFS harmonic function Xp[K] of xp(t) are samples of the CTFT X(f) of x(t) taken at the frequencies Kfp and then multiplied by the fundamental frequency of the CTFS 'fp'. This forms an equivalance between sampling in the frequency domain and periodic repetition in the time domain. Figure 2 shows a signal and its CTFT and periodic repetition of the signal and its CTFS harmonic function.

 

                                                                                                                                Top

 

Relationship between DTFS and DTFT:

 

The DTFS of a periodic function x[n] with fundamental period N0 is defined as

                                    «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»§lt;«/mo»«msub»«mi»N«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»§gt;«/mo»«/mrow»«mo»§nbsp;«/mo»«/munderover»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mfrac»«mrow»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«mi»k«/mi»«mi»n«/mi»«/mrow»«msub»«mi»N«/mi»«mrow»«mn»0«/mn»«mo»§nbsp;«/mo»«/mrow»«/msub»«/mfrac»«/msup»«mover»«mrow»«mo»§#8660;«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«/mrow»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»S«/mi»«/mrow»«/mover»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mfrac»«mn»1«/mn»«msub»«mi»N«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«/mfrac»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»n«/mi»«mo»=«/mo»«mo»§lt;«/mo»«msub»«mi»N«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»§gt;«/mo»«/mrow»«mo»§nbsp;«/mo»«/munderover»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mfrac»«mrow»«mo»-«/mo»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«mi»k«/mi»«mi»n«/mi»«/mrow»«msub»«mi»N«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«/mfrac»«/msup»«/math»

Using the frequency shifting property «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«msub»«mi»F«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mi»n«/mi»«/mrow»«/msup»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»T«/mi»«/mrow»«/mover»«mo»§nbsp;«/mo»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»-«/mo»«msub»«mi»F«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»)«/mo»«/math» and the DTFT transform pair «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mn»1«/mn»«mover»«mo»§#8660;«/mo»«mrow»«mi»F«/mi»«mi»T«/mi»«/mrow»«/mover»«msub»«mi»§#948;«/mi»«mn»1«/mn»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«/math», we can find the DTFT of x[n] as

                                    «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»§lt;«/mo»«msub»«mi»N«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»§gt;«/mo»«/mrow»«mo»§nbsp;«/mo»«/munderover»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«msub»«mi»§#948;«/mi»«mn»1«/mn»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»-«/mo»«mfrac»«mi»k«/mi»«msub»«mi»N«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«/mfrac»«mo»)«/mo»«/math»

Then                                «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»§lt;«/mo»«msub»«mi»N«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»§gt;«/mo»«/mrow»«mo»§nbsp;«/mo»«/munderover»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»q«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«mi»§#948;«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»-«/mo»«mfrac»«mi»k«/mi»«mrow»«msub»«mi»N«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»-«/mo»«mi»q«/mi»«/mrow»«/mfrac»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«mi»§#948;«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»-«/mo»«mfrac»«mi»k«/mi»«msub»«mi»N«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«/mfrac»«mo»)«/mo»«/math» 

The DTFS is simply a special case of the DTFT for periodic functions. If a function x[n] is periodic, its DTFT consists only of impulses occurring at K/N0 with strengths X[K].

                                                   

                                                                     

                                                

                           Fig.3 Harmonic function and DTFT of «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mo»=«/mo»«mo»(«/mo»«mi»A«/mi»«mo»/«/mo»«mn»2«/mn»«mo»)«/mo»«mo»[«/mo»«mn»1«/mn»«mo»+«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»cos«/mi»«mo»(«/mo»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«mi»n«/mi»«mo»)«/mo»«mo»]«/mo»«/math»

 

For a periodic function x[n] with fundamental period N0

                                                           «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«mi»§#948;«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»-«/mo»«mi»k«/mi»«mo»/«/mo»«msub»«mi»N«/mi»«mn»0«/mn»«/msub»«mo»)«/mo»«/math» ...............................(4)

Another important point is the relationship between the DTFT of an aperiodic signal and the DTFS harmonic function of a periodic extension of that signal. Let x[n] be an aperiodic function and its DTFT is X(F). Let xp[n] be a periodic extension of x[n] with fundamental period Np such that

                                                «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»x«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»m«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»-«/mo»«mi»m«/mi»«msub»«mi»N«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«mo»]«/mo»«mo»=«/mo»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mo»*«/mo»«msub»«mi»§#948;«/mi»«msub»«mi»N«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«/msub»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«/math»

Using the multiplication-convolution duality of the DTFT,

                                    «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»X«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«mo»(«/mo»«mfrac»«mn»1«/mn»«msub»«mi»N«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«/mfrac»«mo»)«/mo»«msub»«mi»§#948;«/mi»«mfrac»«mn»1«/mn»«msub»«mi»N«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«/mfrac»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«mo»(«/mo»«mfrac»«mn»1«/mn»«msub»«mi»N«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«/mfrac»«mo»)«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mfrac»«mi»k«/mi»«msub»«mi»N«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«/mfrac»«mo»)«/mo»«mi»§#948;«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»-«/mo»«mfrac»«mi»k«/mi»«msub»«mi»N«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«/mfrac»«mo»)«/mo»«/math» ...................(5)

Now using equation (4) we get

                                                     «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«mi»X«/mi»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«mi»§#948;«/mi»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»-«/mo»«mfrac»«mi»k«/mi»«msub»«mi»N«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«/mfrac»«mo»)«/mo»«/math» ........................................(6)

Combining equation(5) and (6) we have

                                                           «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»X«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«mo»[«/mo»«mi»k«/mi»«mo»]«/mo»«mo»=«/mo»«mo»(«/mo»«mfrac»«mn»1«/mn»«msub»«mi»N«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«/mfrac»«mo»)«/mo»«mi»X«/mi»«mo»(«/mo»«mfrac»«mi»k«/mi»«msub»«mi»N«/mi»«mi»p«/mi»«/msub»«/mfrac»«mo»)«/mo»«/math»

From the above equation, it says that if an aperiodic signal x[n] is periodically repeated with fundamental period Np to form a periodic signal xp[n], the values of its DTFS harmonic function Xp[k] can be found from X(F), which is the DTFT of x[n], evaluated at the discrete frequencies k / Np. This forms an equivalence between sampling in the frequency domain and periodic repetition in the time domain. Figure 4 shows a signal and its DTFT and periodic repetition of the signal and its DTFS harmonic function.

 

                            

                

                

             Fig.4 A signal and its DTFT and the periodic repetition of the signal and its DTFS harmonic function.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     Top

 

Relationship between CTFT and DTFT:

 

The CTFT is the Fourier transform of a continuous-time function and DTFT is the Fourier transform of a discrete-time function. By multiplying a continuous time function x(t) by a periodic train of unit impulses spaced Ts seconds apart, we can create the continuous-time impulse function

                                              «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»x«/mi»«mi»§#948;«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«msub»«mi»§#948;«/mi»«msub»«mi»T«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»n«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»n«/mi»«msub»«mi»T«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«mo»)«/mo»«mi»§#948;«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»-«/mo»«mi»n«/mi»«msub»«mi»T«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«mo»)«/mo»«/math»

If we form a function x[n] whose values are the values of the original continuous time function x(t) at integer multiples of Ts and these are also the strengths of the impulses in the continuous time impulse function «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»x«/mi»«mi»§#948;«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«/math», we get the relationship x[n] = x(nTs). The two functions x[n] and «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»x«/mi»«mi»§#948;«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«/math» are completely defined by the same set of numbers and contain the same information. By finding the CTFT of the above equation we have,

                                                  «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»X«/mi»«mi»§#948;«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«msub»«mi»X«/mi»«mi»f«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«mo»*«/mo»«msub»«mi»f«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«msub»«mi»§#948;«/mi»«msub»«mi»f«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»n«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«mi»x«/mi»«mo»(«/mo»«mi»n«/mi»«msub»«mi»T«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«mo»)«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«mi»f«/mi»«mi»n«/mi»«msub»«mi»T«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«/mrow»«/msup»«/math»

 Or                                              «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»X«/mi»«mi»§#948;«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«msub»«mi»f«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«msub»«mi»X«/mi»«mi»f«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»-«/mo»«mi»k«/mi»«msub»«mi»f«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»n«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«mi»f«/mi»«mi»n«/mi»«mo»/«/mo»«msub»«mi»f«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«/mrow»«/msup»«/math»

where fs = 1/Ts, if we make the change of variable f→fsF, we get

                                                   «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»X«/mi»«mi»§#948;«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«msub»«mi»f«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«msub»«mi»f«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«msub»«mi»X«/mi»«mi»f«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«msub»«mi»f«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»-«/mo»«mi»k«/mi»«mo»)«/mo»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«munder»«munder»«mrow»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»n«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«msup»«mi»e«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mi»j«/mi»«mn»2«/mn»«mi»§#960;«/mi»«mi»n«/mi»«mi»F«/mi»«/mrow»«/msup»«/mrow»«mo»§#65080;«/mo»«/munder»«mrow»«mo»=«/mo»«msub»«mi»X«/mi»«mi»F«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/munder»«/math»

The above equation is exactly the definition of the DTFT of x[n], which is XF(F). If x[n] = x(nTs) and 

                                                      «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»X«/mi»«mi»§#948;«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»n«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«mi»x«/mi»«mo»[«/mo»«mi»n«/mi»«mo»]«/mo»«mi»§#948;«/mi»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»-«/mo»«mi»n«/mi»«msub»«mi»T«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«mo»)«/mo»«/math»,

Then                                                    «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»X«/mi»«mi»F«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«msub»«mi»X«/mi»«mi»§#948;«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«msub»«mi»f«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«/math»

 or                                       «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»X«/mi»«mi»§#948;«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«msub»«mi»X«/mi»«mi»F«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»f«/mi»«mo»/«/mo»«msub»«mi»f«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«mo»)«/mo»«/math»

  Also                                                    «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»X«/mi»«mi»F«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»)«/mo»«mo»=«/mo»«msub»«mi»f«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«munderover»«mo»§#8721;«/mo»«mrow»«mi»k«/mi»«mo»=«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§#8734;«/mo»«/mrow»«mo»§#8734;«/mo»«/munderover»«msub»«mi»X«/mi»«mi»f«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«msub»«mi»f«/mi»«mi»s«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»F«/mi»«mo»-«/mo»«mi»k«/mi»«mo»)«/mo»«mo»)«/mo»«/math»...................................(7)

We have a correspondence between a function x[n] of a discrete independent variable and an impulse function «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»x«/mi»«mi»§#948;«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«/math» of a continuous independent variable, here x[n] in case of discrete time 'n' and «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»x«/mi»«mi»§#948;«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«/math» in case of continuous time 't'. There is also an information equivalence between the DTFT of the function x[n] and the CTFT of the function «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»x«/mi»«mi»§#948;«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«/math». Figure 5 given below shows this information.

 

                     

                      

                      

                            Fig.5 DTFT of a sinc function x[n] and CTFT of a impulse function «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»x«/mi»«mi»§#948;«/mi»«/msub»«mo»(«/mo»«mi»t«/mi»«mo»)«/mo»«/math»
                                              

There is also some equivalence between the CTFT of the original function x(t) and the DTFT of the function x[n] through equation (7). Given Xf(f), we can find XF(F). However the reverse of this statement is not always true. Given  XF(F), we cannot always be sure of being able to find Xf(f).                                                                                                                                                                                                                                                                                Top

 

 

 

 

 

Cite this Simulator:

.....
..... .....

Copyright @ 2024 Under the NME ICT initiative of MHRD

 Powered by AmritaVirtual Lab Collaborative Platform [ Ver 00.13. ]