Top Banner
 Discrete Fourier Transform ‐ II 1© Spider Financial Corp, 2013 Discrete Fourier Transform II This is the second tutorial in our ongoing series on time series spectral analysis. In this entry, we will continue our discussion on discrete Fourier Transform in Excel, its interpretation and application in time domain. The DFT is basically a mathematical transformation and may be a bit dry, but we hope that this tutorial will leave you with a deeper understanding and intuition through the use of  NumXL functions and wizards. Background There have been several inquiries since the time we released our first entry on DFT, especially about using the DFT components to represent the input data set as the sum of  the trigonometric sinecosine functions. The inquiries were motivated by using this representation to interpolate intermediate values, and possibly extrapolate (aka forecast) beyond the input data set. In principle, the DFT converts a discrete set of  observations into a series of  continuous trigonometric (i.e. sine and cosine) functions. So the original signal can be represented as: 1 1 ( ) cos( )  N o i i i  x t A A i t  N     Where  ( )  x t  is the value of  the observation at time t.  t  is the discrete time at which an observation was taken. {0 ,1, 2,.., N 1 } t     N  is the number of  observations in the input data set.  2  N      is the fundamental or principle frequency.  i i  A    is the amplitude and the phase of  the ith discrete Fourier component.  Analysis Examining the Fourier transform’s components (i.e. amplitude and phase) of  a finite series closer, we find the following observations: OR k k N k N k  k k N k k N   A A  A A      
3

Discrete Fourier Transform ‐ II.pdf

Jul 07, 2018

Download

Documents

ucnop
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Discrete Fourier Transform ‐ II.pdf

8/18/2019 Discrete Fourier Transform ‐ II.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/discrete-fourier-transform-iipdf 1/3

 

Discrete Fourier Transform ‐ II  ‐1‐ © Spider Financial Corp, 2013 

Discrete Fourier Transform ‐ II

This is the second tutorial in our ongoing series on time series spectral analysis. In this entry, we will 

continue our discussion on discrete Fourier Transform in Excel, its interpretation and application in time 

domain. 

The DFT is basically a mathematical transformation and may be a bit dry, but we hope that this tutorial 

will leave you with a deeper understanding and intuition through the use of  NumXL functions and 

wizards. 

Background 

There have been several inquiries since the time we released our first entry on DFT, especially about 

using the DFT components to represent the input data set as the sum of  the trigonometric sine‐cosine 

functions. The

 inquiries

 were

 motivated

 by

 using

 this

 representation

 to

 interpolate

 intermediate

 values,

 

and possibly extrapolate (aka forecast) beyond the input data set. 

In principle, the DFT converts a discrete set of  observations into a series of  continuous trigonometric 

(i.e. sine and cosine) functions.  So the original signal can be represented as: 

1

1( ) cos( )

 N 

o i i

i

 x t A A i t  N 

 

 

Where 

 

( ) x t  is

 the

 value

 of 

 the

 observation

 at

 time

 t.

 

  t  is the discrete time at which an observation was taken. 

{0,1, 2,.., N 1}t   

   N   is the number of  observations in the input data set. 

 

2 N 

      is the fundamental or principle frequency. 

 

i i A     is the amplitude and the phase of  the i‐th discrete Fourier component. 

 Analysis 

Examining the Fourier transform’s components (i.e. amplitude and phase) of  a finite series closer, we 

find the

 following

 observations:

 

OR 

k k N k N k  

k k N k k N  

 A A

 A A

 

 

 

Page 2: Discrete Fourier Transform ‐ II.pdf

8/18/2019 Discrete Fourier Transform ‐ II.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/discrete-fourier-transform-iipdf 2/3

 

Discrete Fourier Transform ‐ II  ‐2‐ © Spider Financial Corp, 2013 

1.  The amplitude series is symmetrical around the 2

 N  component. 

2.  The phase of  the  k   component is the negative of  the   N K    component. 

In essence, we only need the 1st half  of  the DFT components to recover the original input data set.  The 

original time

 is

 represented

 by

 the

 following

 components:

 

2

1

1( ) 2 cos( )

 N 

o i i

i

 x t A A i t  N 

 

 

Proof  

2

2

2

2

2

1 1 1

1 1

1

1 1( ) cos( ) cos( ) cos( )

1( ) cos( ) cos( )

1( ) cos( )

 N 

 N 

 N 

 N 

 N 

 N N 

o i i o i i i i

i i i

 N 

o i i N i T i

i i

o i i

i

 x t A A i t A A i t A i t  N N 

 x t A A i t A i t  N 

 x t A A i t  N 

 

 

   

  2

2

2

2

1

1

1

1

cos( (N ) )

1( ) cos( ) cos( (N i) )

1( ) cos( ) cos(2 ( ))

1( ) 2 cos( )

 N 

 N 

 N 

 N 

i i

i

o i i i i

i

o i i i i

i

o i i

i

 A i t 

 x t A A i t A t  N 

 x t A A i t A t t i N 

 x t A A i t  N 

 

 

 

 

 

IMPORTANT: For an even‐sized input data set, the last DFT component (i.e. 2

 N  ) does not need to be 

multiplied by 2. So the cosine representation of  the input data is expressed as follows: 

2

2 2

2

2 2

2

2 2

1

2

1

1

1

1

1

1( ) 2 cos( ) cos( )

1( ) 2 cos( ) cos( )

1( ) 2 cos( ) cos( ) cos( )

 N 

 N N 

 N 

 N N 

 N 

 N N 

 N 

o i i

i

o i i

i

o i i

i

 x t A A i t A t  N 

 x t A A i t A t  N 

 x t A A i t A t  N 

 

 

 

 

Page 3: Discrete Fourier Transform ‐ II.pdf

8/18/2019 Discrete Fourier Transform ‐ II.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/discrete-fourier-transform-iipdf 3/3

 

Discrete Fourier Transform ‐ II  ‐3‐ © Spider Financial Corp, 2013 

Conclusion 

Using the discrete Fourier transform, we represent the discrete input data set as the sum of  

deterministic continuous trigonometric functions. 

Dissimilar to

 the

 original

 data,

 which

 is

 defined

 at

 discrete

 time

 instances,

 the

 Fourier

 representation

 is

 

continuous and thus defined at all‐time values.  Using this continuous representation, we can 

interpolate any values in this range (but not for extrapolation/forecast).