background image

 

 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Signal Filtering

background image

 

 

Signal Filtering

 Signal filtering – Fourier series

 Signal filtering - examples

 Signal filtering – Fourier transform

 Frequency characteristics of a signal after filtration

 Signal filtering – example

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

)

(s

H

)

(t

x

 

st

e

s

H





n

t

jn

n

e

X

t

x

o

)

(









n

t

jn

n

n

t

jn

Y

n

e

Y

e

jn

H

X

t

y

n

o

o

o

)

(

 

 

The Fourier series of the output signal y(t)

Signal filtering – Fourier series

st

e

 

t

y

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Sawtooth input signal x(t)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Sawtooth signal (period T)

time t/T

x(t)

 

t

n

n

e

n

j

t

x

n

t

jn

n

n

o

1

2

0

sin

1

1

2

1

1

2

2

1





Signal filtering - examples

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Lowpass filter

 

RC

T

T

s

Ts

Cs

R

Cs

s

H

,

1

1

1

1

1

1

1

g

g

R

C

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Lowpass
filter

 

 

 





1

,

log

20

1

,

0

log

20

1

1

,

1

1

g

g

g

2

g

g

H

H

j

j

H

„Signal Theory” Zdzisław Papir

10

-1

10

0

10

1

10

2

10

-4

10

-3

10

-2

10

-1

10

0

g

 

dec

 

 

dB

H

log-log amplitude characteristics of the LPF (1st order)

background image

 

 

Input/output signals – Fourier 
series

 

t

jn

n

n

e

jn

n

j

t

y

o

g

o

o

1

1

1

2

2

1





 

t

n

n

e

n

j

t

x

n

t

jn

n

n

o

1

o

sin

1

1

2

1

1

2

2

1

o





 

g

1

1

j

j

H

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Amplitude spectra (f

g

/f

o

 = 9)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Lowpass filter and sawtooth signal – amplitude spectra

n

f

o

Lowpass filter

 

Sawtooth signal

 

f

g

/f

o

 = 9

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Output signal y(t) (f

g

/f

o

 = 9)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Lowpass filter response

time t/T

f

g

/f

o

 = 9

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Amplitude spectra (f

g

/f

o

 = 3)

0

10

20

30

40

50

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Lowpass filter and sawtooth signal – amplitude spectra

Lowpass filter 

Sawtooth signal 

f

g

/f

o

 = 3

n

f

o

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Output signal y(t) (f

g

/f

o

 = 3)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Lowpass filter response

time t/T

f

g

/f

o

 = 3

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Amplitude spectra (f

g

/f

o

 = 1)

0

10

20

30

40

50

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Lowpass filter and sawtooth signal – amplitude spectra

Lowpass filter 

Sawtooth signal 

f

g

/f

o

 = 1

n

f

o

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Output signal y(t) (f

g

/f

o

 = 1)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Lowpass filter response

time t/T

f

g

/f

o

 = 1

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Amplitude spectra (f

g

/f

o

 = 1/3)

0

10

20

30

40

50

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Lowpass filter and sawtooth signal – amplitude spectra

f

g

/f

o

 = 1/3 

n

f

o

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Output signal y(t) (f

g

/f

o

 = 1/3)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

Lowpass filter response

time t/T

f

g

/f

o

 = 1/3 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Highpass filter

 

RC

T

T

Ts

Ts

Cs

R

R

s

H

g

,

1

1

1

R

C

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Highpass
filter

„Signal Theory” Zdzisław Papir

10

-1

10

0

10

1

10

2

10

-1

10

0

g

 

dec

 

 

dB

H

log-log amplitude characteristics of the HPF (1st order)

 

 

 





1

,

0

1

,

log

20

1

,

1

g

g

g

2

g

g

g

g

H

H

j

j

j

H

background image

 

 

„Signal Theory” 

 Zdzisław Papir

 









o

g

o

g

o

g

o

g

o

o

o

o

1

2

1

1

1

2

n

n

t

jn

t

jn

n

n

e

jn

e

jn

jn

n

j

t

y

 

t

n

n

e

n

j

t

x

n

t

jn

n

n

o

1

o

sin

1

1

2

1

1

2

2

1

o





 

g

g

1

j

j

j

H

Input/output signals – Fourier 
series

background image

 

 

Amplitude spectra (f

g

/f

o

 = 9)

0

10

20

30

40

50

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Highpass filter and sawtooth signal – amplitude spectra

Highpass filter 

Sawtooth signal 

f

g

/f

o

 = 9 

n

f

o

„Signal Theory” 

 Zdzisław Papir

background image

 

 

Output signal y(t) (f

g

/f

o

 = 9)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

Highpass filter response

time t/T

f

g

/f

o

 = 9 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

background image

 

 

Amplitude spectra (f

g

/f

o

 = 3)

0

10

20

30

40

50

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Highpass filter and sawtooth signal – amplitude spectra

Highpass filter 

Sawtooth signal 

n

f

o

f

g

/f

o

 = 3 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

background image

 

 

Output signal y(t) (f

g

/f

o

 = 3)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

Highpass filter response

time t/T

f

g

/f

o

 = 3 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

background image

 

 

Amplitude spectra (f

g

/f

o

 = 1)

0

10

20

30

40

50

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Highpass filter and sawtooth signal – amplitude spectra

Highpass filter 

Sawtooth signal 

n

f

o

f

g

/f

o

 = 1 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

background image

 

 

Output signal y(t) (f

g

/f

o

 = 1)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

High pass filter

time t/T

f

g

/f

o

 = 1 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

background image

 

 

Amplitude spectra (f

g

/f

o

 = 1/3)

0

10

20

30

40

50

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Highpass filter and sawtooth signal – amplitude spectra

Highpass filter 

Sawtooth signal 

n

f

o

f

g

/f

o

 = 0,3 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

background image

 

 

Output signal y(t) (f

g

/f

o

 = 1/3)

Highpass filter response

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

time t/T

f

g

/f

o

 = 0,3 

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

background image

 

 

„Teoria sygnałów”  Zdzisław Papir

 

d

e

j

X

t

x

t

j

2

1

)

(

   

 

   

j

X

j

H

j

Y

d

e

j

X

j

H

t

y

t

j

2

1

)

(

Transformata Fouriera sygnału wyjściowego y(t)

)

(s

H

)

(t

x

   

t

j

e

j

X

j

H

2

1

 

t

j

e

j

X

2

1

 

t

y

Signal filtering - Fourier transform

background image

 

 

 

 

 

   

j

X

j

H

j

Y

j

Y

t

y

 

   

   

   

 

 

t

t

x

t

h

t

y

t

x

t

h

j

X

j

H

j

Y

Impulse response of the filter

Signal filtering - Fourier transform

)

(s

H

 

j

X

t

)

(

)

(t

h

 

)

(t

h

t

 

t

t

x

)

(

Impulse response of a filter is its output signal when
input of a filter is excited by the Dirac delta impulse 

(t).

„Signal Theory” 

 Zdzisław Papir

background image

 

 

Frequency characteristics
of a signal after filtration

 

 

 

   

j

X

j

H

j

Y

j

Y

t

y

)

(s

H

 

j

X

t

)

(

 

 

 

 

 

 

 

   

   

j

j

j

e

j

H

j

X

j

Y

e

j

H

j

H

e

j

X

j

X

Filtration changes both:

 amplitude spectrum

 phase spectrum
of an input signal.

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

background image

 

 

Signal filtering - example

   

 

 

 



W

j

H

j

t

t

x

2

1

1

 

 

 

Wt

d

d

t

d

t

j

t

j

d

e

j

d

e

j

t

y

Wt

W

W

W

W

W

t

j

t

j

W

W

Si

1

2

1

sin

1

2

1

sin

1

2

1

sin

cos

2

1

2

1

2

1

2

1

1

2

1

0

0











 

x

d

x

0

sin

Si

„Signal Theory” 

 Zdzisław Papir

background image

 

 

Sinus integral
properties

 

x

d

x

0

sin

Si

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

1. Sinus integral is an odd function

 

 

x

du

u

u

du

d

u

d

x

x

x

Si

sin

sin

Si

0

0

2. Sinus integral in zero vicinity (x  0)

 

0

sin

0

Si

0

0

d

0

sin

,

0

Si

0

x

d

x

x

background image

 

 

Sinus integral
properties

 

x

d

x

0

sin

Si

„Signal Theory” 

 Zdzisław Papir

3. Horizontal asymptote (x )

 

2

sin

Si

lim

0

x

d

x

0

0

sin

2

1

sin

2

1

sin

F

d

d

4. Local extrema

 

0

,

0

sin

Si

k

k

x

x

x

dx

x

d

background image

 

 

Rising time of a filter output
is inversely proportional
to its bandwidth.

Signal filtering - example

„Signal Theory”  Zdzisław Papir

1

0

 

 

Wt

t

y

Si

1

2

1

+

/W

-

/W

t

r

 = 2

/W = 

1/B

 

 

 

W

f

W

y

Si

1

2

1

The peak output value
does not depend on
the filter bandwidth.

background image

 

 

Summary

• The output signal of the filter excited by a periodic signal
   is a periodic signal as well; in most cases its Fourier series
   is not summable to a closed form expression.

 

The Fourier transform of the output signal is a product of the

   filter transfer function and input signal Fourier transform.

 The impulse response of the filter is its output signal when
   the filter is driven by the Dirac delta 

(t).

 

The filter output signal is a convolution of the filter

   impulse response and the input signal.

„Signal Theory” 

 Zdzisław Papir


Document Outline