background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław 
Papir

Dirichlet’s convergence 
conditions

Fourier series behaviour
 at discontinuity points

Peter G. L. Dirichlet

Mean square convergence

Parseval theorem

Fractional power

Gibbs effect

Fejer, Lanczos windows...

Summary

 

Fourier Series 
Convergence

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Fourier series  of signal 
x
(t)
Exponential form

  

 

 

,

2

,

1

,

0

1

o

o

o



n

dt

e

t

x

T

X

e

X

t

x

T

t

x

t

x

T

t

jn

n

n

t

jn

n

m

n

T

m

n

dt

e

e

e

e

n

e

T

t

m

j

t

jn

t

jm

t

jn

t

jn

,

,

0

,

2

,

1

,

0

,

o

o

o

o

o

o

background image

 

 

If the signal x(t) in the interval [0, T]:

Class A signals:
A1)

 has a finite number of 1st order discontinuities,

A2)

 has a finite number of extrema,

A3)

 is bounded

Class B signals:
B1)

 has a finite number of 2nd order discontinuities,

B2)

 except to 

B1

 points fits 

A1

A2

, and 

A3

 conditions,

B3) 

is absolutely integrable 

then the exponential Fourier series is 
uniformly convergent to the signal x
(t) in 
its each continuity point.

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Dirichlet’s convergence
conditions (I)

 

T

dt

t

x

Dirichlet’s conditions are sufficient conditions.

 

t

x

background image

 

 

Dirichlet’s conditions 
(I)

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

time

x(t)

0

T

class A signal

I

I

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

time

x(t)

0

T

class B signal

I

II

Dirichlet’s conditions 
(I)

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

   





t

x

t

x

t

x

t

x

2

1

lim

lim

2

1

o

o

The value of Fourier series in 

1st order discontinuity points

equals:

The theorem suggests that the value of the signal in its
discontinuity points should be equal by definition to
an 

arithmetic mean of right and left limit values

(at the discontinuity point).

This definition guarantees the Fourier series convergence
to the signal at each time point (a uniform convergence in
continuity points only)

Dirichlet’s conditions 
(I)

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Fourier series 
behaviour
at discontinuity points

time

x(t)

0

T

t

x(t-)

x(t+)

 

   

t

x

t

x

t

x

2

1

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Discontinuity point

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0

2

4

6

8

10

12

Fourier series behaviour at discontinuity points

czas

(10 components)

time

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Discontinuity point

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0

2

4

6

8

10

12

Fourier series behaviour at discontinuity points

czas

(20 components)

time

background image

 

 

If the signal x(t) in the interval [0, T]:

class A signals:
A1)

 is of bounded variation

class B signals:
B1)

 has a finite number of 2nd order discontinuities,

B2)

 except for 

B1

 points fits the condition 

A1

,

B3) 

is absolutely integrable 

then the exponential Fourier series is 
uniformly convergent to the signal x
(t) in 
its each continuity point.

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

 

T

dt

t

x

   

1

0

1

1

2

1

o

0

n

i

i

i

n

i

i

t

x

t

x

T

t

t

t

t

t

t

VARIATION

 

BOUNDED

conditions II

conditions I

Dirichlet’s convergence
conditions (II)

background image

 

 

„Signal Theory” 

 Zdzisław Papir

Dirichlet’s conditions 
(II)

 

 

2

0

,

2

sin

2

ln

t

t

t

x

Absolutely integrable signal according to G. M. Fichtenholz
„Rachunek różniczkowy i całkowy”, vol. II, p. 507

 

2

o

dt

t

x

time

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

 

 

2

0

,

cos

2

sin

2

ln

1

t

n

nt

t

t

x

n

Dirichlet’s conditions 
(II)

time

number of components -10

signal x(t)

Fourier series

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Peter Gustav Lejeune 
Dirichlet

 

German mathematician, I half XIX century

 Most important achievements:

 number theory 

– dzeta function

 set theory 

– pigeon hole principle

 series theory 

– series convergence

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Peter Gustav Lejeune 
Dirichlet

Riemann’s dzeta function:

(specific case of the Dirichlet’s function)

 

 

1

Re

,

1

1

s

n

s

n

s

Euler’s identity:

 

 

set

number 

 

prime

,

1

Re

,

1

1

1

p

s

p

s

p

s

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Peter Gustav Lejeune 
Dirichlet

Riemann hypothesis:

(unproven till today)

 

 

1

Re

0

,

0

1

1

s

n

s

n

s

jb

s

2

1

The dzeta function has infinite number of roots given by
the formula:

Proof of the Riemann hypothesis would
change the number theory; computer
calculations verify that more than 1,5 x 10

9

figures satisfy the Riemann hypothesis.

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Peter Gustav Lejeune 
Dirichlet

Number of prime numbers:

(proof based on dzeta function)

 

 

 

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

for 

 

ln

1

ln

lim

2

,

 

 

numbers

 

prime

 

of

number 

 

Estimation error:

x = 10

10

4,5%
x
 = 10

14

3,0%
x
 = 10

18

2,5%

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Peter Gustav Lejeune 
Dirichlet

Pigeon hole principle:

If N objects is  placed in K < N containers,
then at least one container contains at least 2 objects.

N = 4

K = 3

Application:
Two Cracow inhabitants have the same number
of hairs on their heads (

N  800.000

).

Maximum number of hairs on a head - 

K = 500 000

.

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Mean square 
convergence

Truncated Fourier series
approximation

Fourier series

Mean square approximation error

 

 





k

k

n

t

jn

n

n

t

jn

n

e

X

t

x

e

X

t

x

o

o

a

 

 

0

1

o

2

a

2

T

dt

t

x

t

x

T

e

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Truncated Fourier series is a mean square approximation
of a signal. Mean square convergence requests a square-
integrable signals:

 

T

dt

t

x

T

o

2

1

so it is valid for signals of limited energy (power).

Mean square 
convergence

 

0

1

2

o

2

2

 

k

k

k

n

n

T

X

dt

t

x

T

e

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Parseval theorem

 





n

n

T

X

dt

t

x

T

2

o

2

1

Using Parseval theorem we can determine a signal power:

 

T

dt

t

x

T

P

o

2

1

in the frequency domain:





n

n

X

P

2

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Fractional Power

 

1

2

2

o

f

 





k

n

n

k

k

n

n

X

X

kf

P

0

5

10

15

20

25

30

35

0

0.05

0.1

0.15

0.2

kf

o

|X

k

|

Sawtooth signal – Fourier coefficients

 

T = 1

t

1

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Fractional power

 

t

n

n

e

n

j

t

x

n

t

jn

n

n

o

1

2

o

sin

1

1

2

1

1

2

2

1





0

5

10

15

20

25

30

35

75

80

85

90

95

100

kfo

P

f

(k

fo

[%

]

Sawtooth signal – fractional power

 

 

 

%

99

16

%

95

4

%

90

2

o

f

o

f

o

f

f

P

f

P

f

P

T = 1

t

1

background image

 

 

„Signal theory”  Zdzisław Papir

Fractional power
(sawtooth signal - 90%)

0

0.5

1

1.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Sawtooth signal approximation

2 harmonics

90% of total signal power

 

T = 1

t

1

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

0

0.5

1

1.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Sawtooth signal approximation

 

4 harmonics

95% of total signal power

          

T = 1

t

1

Fractional power
(sawtooth signal - 95%)

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

0

0.5

1

1.5

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Sawtooth signal approximation

16 harmonics

99% of total signal power

 

T = 1

t

1

Fractional power
(sawtooth signal - 99%)

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Gibbs effect

-0.5

0

0.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Gibbs effect

 

Rectangular pulse
11 harmonics

  

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Gibbs effect

-0.5

0

0.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Gibbs effect

 

Rectangular pulse
39 harmonics

  

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Gibbs effect

-0.5

0

0.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Gibbs effect

 

Rectangular pulse
79 harmonics

  

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Gibbs effect

Gibbs effect appears at signal discontinuity 

points when

approximating the signal by a truncated 

Fourier series.

Gibbs effect is visible as excessive 

osscilations close to

discontinuity points.

Gibbs effect does not depend on the how 

the truncated

Fourier series is long.

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Fejer, Lanczos... 
windows

 

 





k

k

n

t

jn

n

n

n

t

jn

n

e

X

w

t

s

e

X

t

x

o

o

Window function (a set of different weights)

k

n

w

n

 ,

0

is tuned to minimize the Gibbs effect.

In a classical case a rectangular window is used:

k

n

w

n

 ,

1

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Rectangular windowFejer window

k

n

w

n

 ,

1

k

n

k

n

w

n

,

/

1

Lanczos window

von Hann, Hamming, Kaiser... windows

 

x

x

x

Sa

k

n

k

n

Sa

w

n

/

sin

,

/

Fejer, Lanczos... 
windows

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

-15

-10

-5

0

5

10

15

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Fourier coefficients

w

e

ig

h

w

n

Rectangular window

Fejer window

Lanczos window

von Hann window

Fejer, Lanczos... 
windows

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

-0.5

0

0.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Rectangular window

Rectangular pulse

Fejer window

Lanczos window

Impuls prostokątny
11 harmonicznych  

Rectangular pulse
7 harmonics

Fejer, Lanczos... 
windows

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

-0.5

0

0.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Rectangular window

Rectangular pulse

Fejer window

Lanczos window

Rectangular pulse

15 harmonics  

Fejer, Lanczos... 
windows

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Windows, Gibbs effect
approximation error...

Fejer, Lanczos etc. windows 

decrease the Gibbs effect

, however,

at the cost of 

increasing of the approximation error

.

The Fourier series (

rectangular window

) is the best signal approximation

in a mean-square sense.

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

Summary

• 

Dirichlet conditions are sufficient conditions for Fourier series

  being convergent to a signal; at signal discontinuities they generate
  an arithmetic mean of left and right signal limits.

• 

The practical condition for Fourier series convergence is limited power

   of a signal (mean-square convergence).

 

Mean-square convergence results in the Parseval theorem that splits

  total signal power over its harmonics.

 

Fractional power is a tool for evaluating a signal bandwidth.

 

Truncated Fourier series approximation reveals the Gibbs effect being

  excessive oscillations close to signal discontinuity points.

 

Fejer, Lanczos etc. windows decrease the Gibbs effect, however,

  at the cost of increasing of the approximation error.


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