background image

 

 

Fourier Transform 
Properties

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Linearity

Conjugate operation

Amplitude and phase spectra

Scaling

Symmetry

Shifting in time

Shifting in frequency

Modulation

Convolution in time

Signal ‘area’

 

background image

 

 

Differentiation in time domain

Integration in time domain

Real and imaginary parts of a signal

Limiting properties of Fourier transform

Parseval and Rayleigh theorems

Energy spectrum; fractional energy

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Fourier Transform 
Properties

background image

 

 

Fourier transform properties

Basic assumptions

 

 

 

 

Y

t

y

X

t

x

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

LINEARITY

 

 

 

 

 

 

 

 

Y

X

t

y

t

x

t

y

t

x

t

y

t

x

F

F

F

F

F

Fourier transform properties

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

CONJUGATE OPERATION

 

 

*

*

X

t

x

For a real signal the formula holds:

 

 

 

 

 

*

*

,

X

X

t

x

t

x

t

x

R

Fourier transform properties

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

AMPLITUDE and PHASE SPECTRA

 

 

 

 

 

 

spectrum

 

phase

 

spectrum

 

amplitude

 

-

e

A

A

X

t

x

j

For a real signal the formula holds:

 

 

 

 

function

 

odd

an 

 

is

 

spectrum

 

phase

  

function

even 

an 

 

is

 

spectrum

 

amplitude

 

A

A

Fourier transform properties

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

 

2

2

2

1

1

1

1

1

1

1

j

j

j

e

t

t

1

 

 

 

arctg

1

1

2

A

Fourier transform properties

AMPLITUDE and PHASE SPECTRA

„Signal Theory” Zdzisław Papir

frequency

amplitude spectrum

phase spectrum

background image

 

 

SCALING

 

0

,

1

1

e

1

j

j

t

t

1

 

X

t

x

1

 Squeezing signal in the time domain broadens its
   spectrum; extending a signal narrows its spectrum.

 The shorter is the signal the broader is its spectrum.

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Fourier transform properties

background image

 

 

SYMMETRY

Fourier transform properties

„Signal Theory” Zdzisław Papir

 

 

 

 

x

t

X

X

t

x

2

 

 

 

 

W

T

T

W

Wt

tT

T

T

T

t

2

Sa

2

2

/

Sa

2

Sa

W

T

2

 

 

W

W

Wt

2

Sa

background image

 

 

SYMMETRY

 

 

 

 

x

t

X

X

t

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

t

X

d

e

x

d

e

x

t

X

d

e

x

t

X

t

dt

e

t

x

X

t

j

t

j

t

j

t

j

2

2

2

1

Fourier transform properties

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

SHIFTING in TIME

Change of a phase spectrum:

 

 

 

 

 







j

j

j

j

A

A

X

e

e

e

e

 



j

e

X

t

x

Fourier transform properties

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

SHIFTING in FREQUENCY

 

o

o

e

X

t

x

t

j

Fourier transform properties

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

MODULATION

  

  

 

o

o

o

o

o

o

o

2

1

cos

exp

exp

X

X

t

t

x

X

t

j

t

x

X

t

j

t

x

X(

)

X(

 - 

o

)/2

X(

 + 

o

)/2

-

o

+

o

Fourier transform properties

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

CONVOLUTION in TIME

   

  



d

t

y

x

t

y

t

x

PROPERTIES

Commutation

   

   

t

x

t

y

t

y

t

x

Association

   

 

 

   

t

z

t

y

t

x

t

z

t

y

t

x

Distribution with
addition

 

   

       

t

z

t

x

t

y

t

x

t

z

t

y

t

x

Fourier transform properties

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Commutation

   

  

d

t

y

x

t

y

t

x

   

   

t

x

t

y

t

y

t

x

)

(

)

(

t

y

t

x

d

t

y

x

)

(

)

(

dz

d

z

t

   

t

x

t

y

dz

z

y

z

t

x

)

(

)

(

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

CONVOLUTION in TIME

   

  



d

t

y

x

t

y

t

x

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Fourier transform properties

background image

 

 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

CONVOLUTION in TIME 

expresses the amount of overlap

 of one function x(τ) as it is shifted over another function y(τ). 

0

1

 

x

1

0

2

 

y

1

0

-2

 

y

1

t

y

1

t

1

t

y

1

2

t

  

2

2

t

t

S

d

t

y

x

S



- 2

t

0

S

Fourier transform properties

t

background image

 

 

Convolution in time

„Signal Theory” Zdzisław Papir

 

dt

d

y

t

x

t

j

e

)

(

)

(

)

(

)

(

t

y

t

x

 

d

y

dt

e

t

x

t

j

)

(

)

(

dz

dt

z

t

 

d

y

dz

e

z

x

z

j

)

(

)

(

)

(

background image

 

 

 

d

y

dz

e

z

x

z

j

)

(

)

(

)

(

 



d

y

dz

e

z

x

j

z

j

e

)

(

)

(



d

y

X

j

e

)

(

)

(

)

(

)

(

Y

X

)

(

)

(

t

y

t

Convolution in time

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

CONVOLUTION in FREQUENCY

   

   

   

  

d

Y

X

t

y

t

x

Y

X

t

y

t

x

2

1

2

1

Fourier transform properties

background image

 

 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

SIGNAL ‘AREA’ (dc component of the signal)

 

 

 

0

0

0

X

X

dt

e

t

x

dt

t

x

t

j





Fourier transform properties

 

 

W

W

dt

Wt

Wt

W

Wt

Wt

Wt

W

W

0

sin

sin

Sa

2

2

background image

 

 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

 

W

W

W

W

W

W

W

dt

Wt

Wt

sgn

0

,

0

,

sin



 

 

 

sgn

0

,

0

,

1

sin

sin

1

j

j

j

j

t

dt

t

t

j

dt

t

t

j

dt

t

e

t

t

j

F

F

 

 

j

t

j

t

2

sgn

sgn

1

background image

 

 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

DIFFERENTIATION in TIME

 

 

 

 

 

0

lim

,



t

x

X

j

dt

t

dx

X

t

x

t

 

 

 

 

 

 

 

 





X

j

dt

e

t

x

j

e

x

e

x

dt

e

t

x

j

e

t

x

dt

e

t

x

dt

t

dx

t

j

j

j

t

j

t

j

t

j



lim

lim

F

DIFFERENTIATION in TIME 

emphasizes rapid changes

of signal level what is reflected in a relative „amplification”
of higher frequencies (responsible for these changes).

Fourier transform properties

background image

 

 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

INTEGRATION in TIME

 

 

 

   

 

j

X

X

d

x

X

t

x

t

0

If the signal does not contain a dc component,
X
(

 = 0) = 0, then:

 

 

 

 

j

X

d

x

X

t

x

t

Fourier transform properties

INTEGRATION in TIME 

smooths rapid changes

of a signal level by a relative attenuation of high frequencies.

background image

 

 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

INTEGRATION in TIME

 

   

  

 

 

 

 

t

X

d

x

t

t

t

d

t

x

t

t

x

d

x

t

t

1

1

1

1

F

,

0

,

1

The proof of the property 

INTEGRATION in TIME

 

is based on a convolution representation
of an integral.

 

0

,

1

0

,

0

t

t

t

1

Fourier transform properties

background image

 

 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

REAL and IMAGINARY PARTS of the SIGNAL

 

 

 

 

 

 

 

 

j

X

X

t

x

X

X

t

x

2

2

*

*

Im

Re

Fourier transform properties

background image

 

 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

EVEN and ODD SIGNALS

Fourier transform properties

     

 

 

R

R

dt

t

t

x

X

t

x

t

x

t

x

0

cos

2

,

even signal  real Fourier transform

 

   

 

 

dt

t

t

x

j

X

t

x

t

x

t

x

0

sin

2

,

R

odd signal  imaginary Fourier transform

background image

 

 

„Signal Theory”  Zdzisław 

Papir

EVEN and ODD PARTS of the SIGNAL

Fourier transform properties

 

 

 

 

   

 

   

2

2

o

e

p

n

t

x

t

x

t

x

t

x

t

x

t

x

t

x

t

x

t

x

 

 

 

 

X

j

t

x

X

t

x

Im

Re

o

e

background image

 

 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

LIMITING PROPERTIES
of FOURIER TRANSFORM (Riemann)

 

0

lim

X

Decaying rate of Fourier transform (for T-pulses) is:

provided continuous derivatives exist

 

 

const

X

X

n

n

n

2

2

2

lim

1

lim

0

1

lim

Fourier transform properties

.

frequency 

 with 

0

 

ansform

Fourier tr

 

2

2

T

x

T

x

n

background image

 

 

 

,

1

4

4

sin

2

1

4

Sa

2

1

2

2

2

2

T

T

T

T

T

t

T

T/2

-T/2

 

t

T

T/2

-T/2

 

 

t

T

1

 

 

t

T

2

4

Sa

2

1

2

T

T

2

1

„Signal Theory” Zdzisław Papir

LIMITING PROPERTIES
of FOURIER TRANSFORM

background image

 

 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

LIMITING PROPERTIES
of FOURIER TRANSFORM

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

0

+T/2

-T/2

Pulse „raised cosine

 

 

3

2

2

2

1

~

2

2

sin

2

,

2

,

2

cos

1

2

1

T

T

X

T

T

t

t

T

t

x

T

T



background image

 

 

PARSEVAL THEOREM

 

 

 

 

0

2

2

2

1

2

1

d

X

d

X

dt

t

x

E

t

x

R

i(t) = x(t)

u(t) = x(t)

E

   

 





dt

t

x

dt

t

i

t

u

E

2

R = 1 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Fourier transform properties

background image

 

 

PARSEVAL THEOREM

dt

t

x

2

)

(

dt

t

x

t

x

)

(

)

(

*

dt

d

e

X

t

x

t

j

)

(

2

1

)

(

*

d

dt

e

t

x

X

t

j

)

(

)

(

2

1

*

d

X

X

)

(

)

(

2

1

*

d

X

2

)

(

2

1

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Marc-Antoine PARSEVAL (1755 - †1836) 

Very little is known of Antoine Parseval's life. 

Parseval had only
five publications, all presented to the Académie des 
Sciences.
The second was Mémoire sur les séries et sur 
l'intégration complète
d'une équation aux differences partielle linéaires du 
second ordre,
à coefficiens constans
 dated 5 April 1799, contains the 
result known
today as Parseval's theorem.

Parseval's result was not published until his five 

papers were all
published by the Académie des Sciences in 1806. 
Before that it was
known by members of the Academy and appeared in 
works by Lacroix
and Poisson before Parseval's papers were printed. 

Parseval was never honoured with election to 

the Académie
des Sciences. He remains a somewhat shadowy figure 
and it is hoped
that research will one day provide a better 
understanding of his life
and achievements. 

 

 





d

X

dt

t

x

2

2

2

1

(no picture available)

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

RAYLEIGH THEOREM

   

   

   

d

Y

X

dt

t

y

t

x

t

y

t

x

*

*

2

1

,

C

Rayleigh theorem is the Parseval theorem
stated for two different signals.

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Fourier transform properties

background image

 

 

FRACTIONAL ENERGY

ENERGY SPECTRAL DENSITY

 

 

 

 

 

2

2

2

1

1

,

X

S

X

dv

v

X

E

E

 

 

 

 

 

E

E

E

dv

v

X

E

dv

v

X

E

E

u

o

2

o

2

1

0

,

1

,

0

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Fourier transform properties

background image

 

 

 

2

Sa

T

T

t

T

FRACTIONAL ENERGY

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Fourier transform properties

frequency f

rectangular pulse – fractional energy

amplitude spectrum

fractional energy

 

 

0

,

Sa

2

o

2

u

f

dv

v

f

E

fT

background image

 

 

Summary

 In most cases we determine  Fourier transforms using
  previously proved properties and known Fourier
  transform pairs.
  It is not recommended to use the definition formulas
  of the Fourier transform.

 Convolution and Parseval theorems are of most
   considerable significance.

 Convolution concept is used for signal filtering description.

 Parseval theorem is a starting point for a spectral analysis
   of random processes.


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