background image

 

 

Dirac Distribution

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Non-Dirichlet signals

Distributions

Dirac delta (Dirac pulse) 

Sampling property of a Dirac delta

Other properties of a Dirac delta

Comb distributions

Special functions – Fourier transform 
pairs

Signal sampling
Summary

background image

 

 

Non-Dirichlet signals

 

 

dt

t

x

dt

t

x

2

 Signals x(t) are often used in signal processing modeling,
  therefore, it would be recommended to find
  their Fourier transform.

 Distribution concept makes possible to extend
  a class of Fourier transformable functions.

 

   

 

 

t

t

x

t

t

x

const

t

x

sgn

1

 

 

t

t

x

t

t

x

0

0

sin

cos

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Distributions

Distribution D(·) assignes a 
number V

D

{

(t)}

to some function 

(t):

 

 

 

 

t

V

t

D

D

 

Distribution examples:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

length

 

arc

1

area"

"

 

signal

sample

 

signal

2

0

 

 

 

dx

dx

x

d

x

V

x

dt

t

t

V

t

t

t

V

t

b

a

D

D

b

a

D

D

D

D

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Integral form of a distribution

 

 

 

 

t

V

t

D

D

 

We use an integral form of the 
distribution:

 

 

 

 

   

dt

t

t

D

t

V

t

df

D

D

 

in order to retain a linearity property:

 

 

 

 

t

V

t

V

t

t

V

D

D

D

2

1

2

1

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Distribution D(·) assignes a 
number V

D

{

(t)}

to some function 

(t):

background image

 

 

Dirac delta (Dirac pulse)

Dirac delta 

(·) assignes to some signal 

(t

a number 

(0):

 

 

 

 

   

 

0



dt

t

t

t

V

t

Definition of the Dirac 
delta
is identified with its
sampling property.

 

t

t

0

t

 

0

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Paul Adrien Maurice DIRAC ( 1902 - 

† 1984)

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984), outstanding English 
theoretician physicst, coorginator of quantum mechanics, predicted 
positon existence and contributed considerably into a quantum 
electrodynamics development. He was a professor at Cambridge and 
Oxford universities and a member of a Royal Society. He was granted 
in 1933 with the Nobel prize in recognition of quantum mechanics 
development (together with E. Schrödinger).

background image

 

 

   

 

 

 

0

0

2

2

lim

1

lim

π

lim

0

2

2

0

0



dt

t

dt

t

t

   

 

 

 

   

 

0

π

lim

π

lim

0

0

dt

t

t

dt

t

t

dt

t

t

t



 

0

t

 

t

t

 

0

2

2

1

 

 

t

t



Dirac delta (Dirac pulse)

„Signal Theory” Zdzisław 
Papir

background image

 

 

Sampling property of a Dirac 
delta

„Signal Theory” Zdzisław Papir

 

 

 

 

   

 

0



dt

t

t

t

V

t

  

 

0

0

t

dt

t

t

t

 

t

t

0

t

 

0

t

0

t

t

background image

 

 

 

 

 

 

   

 

0



dt

t

t

t

V

t

  

  

0

0

0

t

t

t

t

t

t

0

t

 

t

t

 

0

t

0

t

t

Sampling property of a Dirac 
delta

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

 

 

 

 

   

 

0



dt

t

t

t

V

t

  

 

 

 

b

a

t

b

a

t

t

dt

t

t

t

b

a

,

,

0

,

,

0

0

0

0

 

t

t

 

0

t

0

t

t

a

b

0

t

Sampling property of a Dirac 
delta

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

   

  

 

t

d

t

t

t

Dirac delta convolved

„Area” under Dirac delta

 

1

dt

t

 

 

t

a

at

1

„Symmetry” of a Dirac delta

Other properties of a Dirac delta

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Comb distribution

„Signal Theory” Zdzisław Papir

t

nT

t

 

nT

t

t

T

 

T

e

T

nT

t

t

n

t

jn

T

2

,

1

0

0



Exponential Fourier series of the comb distribution

background image

 

 

Signal sampling

„Signal Theory” Zdzisław Papir

t

nT

  

nT

t

nT

x

 

  

 

    

t

t

x

nT

t

t

x

nT

t

nT

x

t

x

T

s

The comb distribution supports
signal sampling description:

background image

 

 

Special functions – Fourier 
transform pairs

Dirac delta

 

 

  

 

1

1

exp

t

dt

t

j

t

t

F

Constant signal (dc component)

 



2

1

Unit step

 

 

 

 

 



j

t

j

t

t

t

1

2

sgn

,

sgn

2

1

2

1

1

1

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Harmonic signals

 

0

0

0

0

2

exp

2

exp

2

1







t

j

t

j

 

 

0

0

0

0

0

0

sin

cos

j

t

t

0

0

Special functions – Fourier 
transform pairs

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Comb distribution

 

T

e

T

nT

t

t

n

t

jn

T

2

,

1

0

0



 





n

n

t

jn

T

n

T

e

T

t

0

2

1

0

 

 

0

0

t

T

Special functions – Fourier 
transform pairs

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Signal sampling

„Signal Theory” Zdzisław Papir

t

nT

  

nT

t

nT

x

 

  

 

    

t

t

x

nT

t

t

x

nT

t

nT

x

t

x

T

s

 

 

   

 

 

 

 

0

0

s

1

2

1

2

1

0

n

X

T

X

t

F

X

t

t

x

t

x

X

T

T

s

F

F

 

0

s

1

n

X

T

t

x

background image

 

 

Oversampling

„Signal Theory” Zdzisław Papir

 

0

s

1

n

X

T

t

x

 

s

X

g

0

g

0

2

oversampling

background image

 

 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

 

0

s

1

n

X

T

t

x

g

0

g

N

0

2

N

 – Nyquist frequency

Critical sampling

Critical sampling

 

s

X

background image

 

 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

 

0

s

1

n

X

T

t

x

g

Sampling the lowpass signal at a frequency 
equal at least the Nyquist frequency makes 
possible to recover signal from its samples.

undersampling

Undersampling

 

s

X

0

g

N

0

2

aliasing

background image

 

 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

His early theoretical work on determining the bandwidth 
requirements for transmitting information, as published in "Certain 
factors affecting telegraph speed„
(Bell System Technical Journal, 3, 324-346, 1924), laid the 
foundations for later
advances by Shannon, which led to the development of information 
theory.

In 1927 Nyquist determined that an analog signal should be 
sampled at regular
intervals over time and at twice the frequency of the signal's 
bandwidth in order to be
converted into an adequate representation of the signal in digital 
form. Nyquist
published his results in the paper Certain topics in Telegraph 
Transmission Theory
(1928). This rule is now known as the Nyquist-Shannon sampling 
theorem.

Harry NYQUIST (1889 - †1976)

Harry Nyquist was an important contributor to 
information theory. He was born in Nilsby, Sweden. 
He emigrated to the USA in 1907 and entered the 
University of North Dakota in 1912. He received a 
Ph.D. in physics at Yale University in 1917. He 
worked at AT&T from 1917 to 1934, then moved to 
Bell Telephone Laboratories. As an engineer at Bell 
Laboratories, he did important work on thermal 
noise (Johnson-Nyquist noise) and the stability of 
feedback amplifiers.

background image

 

 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

g

0

g

N

0

2

Recovering signal from its samples

 

X

Ideal low-

pass filter

  

nT

t

nT

x

Ideal low-

pass filter

 

t

x

 

 

 

T

T

t

t

h

T

H

N

2

2

,

Sa

g

 

0

s

1

n

X

T

X

background image

 

 

  

nT

t

nT

x

Ideal low-

pass filter

 

t

x

 

 

 

T

t

t

h

T

H

Sa

g

2

T

T

g

g

0

2

2

     

  

 

 

 

nT

t

nT

x

T

nT

t

nT

x

t

x

T

t

nT

t

nT

x

t

x

t

h

t

x

g

s

Sa

Sa

Sa

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Recovering signal from its samples

background image

 

 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Orthogonal set of Sampling functions

The set of sampling functions:

is orthogonal in an interval (-, +).

The proof is based on the Rayleigh theorem:

T

n

nT

t

g

g

;

,

2

,

1

,

0

:

Sa

0

Sa

Sa

Sa

Sa

g

g

g

g

dt

nT

t

kT

t

nT

t

kT

t

 

 

jnT

jkT

e

nT

t

e

kT

t

g

g

2

g

g

2

g

g

Sa

Sa

background image

 

 

 

 

n

k

n

k

T

k

n

T

d

e

d

e

e

dt

nT

t

kT

t

T

k

n

j

jnT

jkT

,

0

,

Sa

2

2

Sa

Sa

g

g

g

g

2

g

2

2

2

g

g

g

 

 

 

nT

t

nT

x

T

nT

t

nT

x

t

x

g

Sa

Sa

The Kotielnikov-Shannon series:

is a Fourier series over a set of orthogonal sampling
functions; Fourier coefficients are equal to signal samples.

„Signal Theory” Zdzisław Papir

Orthogonal set of Sampling functions

background image

 

 

Władymyr A. KOTELNIKOV 
(
1908 - 

Prof. Vladimir A. Kotelnikov has been making
fundamental contributions to his field for over
70 years, despite working for many years in relative
isolation from the global engineering community.
V. Kotelnikov led the formulation and proof of the
sampling theorem, spearheaded the development
of the theory of optimum noise immunity, and then
applied his findings to both radar and communi-
cations. 

As a leader of several institutions, including the
Moscow Power Engineering Institute, the Research
Institute of the Ministry of Communications, and
the Institute of Radioengineering and Electronics
of the Russian Academy of Sciences, he created
innovative communications equipment, jet technology,
and devices for the control of rocket trajectories.
He also improved radiotelegraphic lines, perfected
code systems, and played a leading role in radar
astronomy, designing planet radar equipment
that led to close observations of planets.

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

Claude E. SHANNON (1916 - 

†2001)

Claude Elwood Shannon, prof. at the MIT, has,
in a long and celebrated career, developed the
mathematical theories and techniques that make
possible the analysis of switching circuits,
computers and communications. His most significant
piece of work is "A Mathematical Theory of
Communication," published in two parts in 1947-48.
With this paper, Shannon laid down the theoretical
foundation for communications engineering opening
a new mathematical field for engineering applications.
Shannon's work compares only to that of
Norbert Wiener in the theory of time series and to that
of Von Neumann and Morgenstern in the theory of games.

 

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

• Several signals of practical interest does not fit
  Dirichlet conditions to be Fourier transformable.

• The concept of the Dirac delta function (a generalized
  function) makes possible to determine Fourier transforms
  of some non-Dirichlet signals.

• The Dirac delta assignes to a signal its sample.

• The comb distribution (a sequence of periodically repeated
   Dirac deltas) is useful when modelling a signal sampling
   process and deriving a sampled signal spectrum.

• The Nyquist frequency is equal to a doubled signal cutoff
  frequency; signal sampling has to be performed at frequency
  exceeding the Nyquist frequency in order to avoid
  an aliasing effect.

Summary

„Signal Theory” Zdzisław Papir

background image

 

 

• Signal sampling at the Nyquist frequency does not result
  in a loss of intersample signal values; an ideal lowpass filtering
  is sufficient for a signal reconstruction.

• 

A continuous signal obtained out of lowpass filtering

  of its samples is a Fourier series over a set of orthogonal
  sampling functions; Fourier coefficients are equal to
  signal samples .

Summary

„Signal Theory” Zdzisław Papir


Document Outline