傅利葉變換及其應用學習筆記 十八 取樣定理

2021-09-07 04:44:51 字數 3580 閱讀 7853

上節課我們推導了取樣定理的公式,該公式可以說是本課程最重要的公式。

設有頻寬為$p$的函式$f(t)$,在頻域對這個函式用$ш_p$進行週期化後,再用$\pi_p$對它進行裁剪,得到的還是原來的函式

$\mathcalf = \pi_p(\mathcalf*ш_p)$

最終推導得到

$f(t) = \displaystyle^f(\frac)sinc \left(p(t-\frac)\right) }$

在上式中,$p$可被稱為抽樣速率,即每秒的抽樣數目。同時$p$也被稱為奈奎斯特速率(nyquist rate)。

設實際的抽樣速率為$p'$,$p'>p$,這時仍可以使用上述公式。

這表明實際的抽樣間隔為$\frac$,$\frac

取樣定理的公式,依賴於函式上無限個取樣值$f(\frac) $,根據這些取樣值我們能從公式得到原函式$f(t)$。而在實際應用中,我們只能得到有限項的取樣值,這會導致計算產生誤差。

乙個訊號不可能同時在時間與頻率都受限。

這句話的意思是

$\left.\begin

&if & \mathcalf(s) \equiv 0 &for &|s|\geqslant\frac \\

&then & f(t)\not\equiv 0 &for &t\ sufficiently\ large

\end\right.$

即,如果乙個訊號在頻率上是受限的,它在時間上的有限遠處必然還存在不為$0$的值。同理,如果乙個訊號在時間上是受限的,它在頻率的有限遠處也必然還存在不為$0$的值。

$\left.\begin

&if &f(t)  \equiv 0 &for &t\geqslant\frac \\

&then & \mathcalf(s)\not\equiv 0 &for &s\ sufficiently\ large

\end\right.$

由於時間與頻率有著這樣的關係,因此,對於有限頻寬的函式,是不能從有限項抽樣就能得出原函式的整體樣貌的。

關於為何有限頻寬函式在時間上的有限遠處必然還存在不為$0$的值,由如下推導證明

乙個有限頻寬函式被$\pi_p$截斷仍然是原本的函式,即

$\begin

f(t)

&=\mathcal^(\pi_p(\mathcalf))\\

&=(\mathcal^\pi_p)*(\mathcal^\mathcalf) \qquad (fourier\ convolution\ theorem)\\

&=psinc(pt)*f(t)

\end$

因此,對於有限頻寬為$p$的函式$f(t)$,有

$f(t) = psinc(pt)*f(t)$

對於等式的右邊,$sinc$函式是無限延伸的,它在有限遠處必然有不為$0$的值,因此$f(t)$與它的卷積也會在有限遠處有不為$0$的值。

在實際情況中,訊號的時間與頻率都是受限的,因為我們不可能無窮地測量,這就是實際情況與數學理論的衝突。

當抽樣速率為$p'$,$p'

重疊會導致疊加,從而重疊部分的頻率曲線上公升

用$\pi_$截斷後,得到的並不是原始函式的傅利葉變換。

它的逆傅利葉變換為

$\mathcal^(\pi_(\mathcalf*ш_p))=\displaystyle^f(\frac)sinc(p'(t-\frac)) }$

但是這並不是$f(t)$,因為$\mathcalf \neq \pi_(\mathcalf*ш_)$。我們把這結果稱為$g(t)$

$g(t) = \displaystyle^f(\frac)sinc(p'(t-\frac)) }$

$f(t)$與$g(t)$在抽樣點$\frac$($m$為任意整數)上是相等的。

$\begin

g(\frac)

&=\sum_^f(\frac)sinc\left(p'(\frac-\frac)\right)\\

&=\sum_^f(\frac)sinc(m-k)\\

&=\sum_^f(\frac)\frac \qquad(sinc = \frac)\\

&=f(\frac) \qquad

\left( sinc(m-k) =  \begin

1 & \text m=k \\

0 & \text m\neq k

\end\right )

\end$

我們可以說$f(t)$與$g(t)$是混疊的(alias),這意思是$f(t)$與$g(t)$不相等,但是它們在取樣點$\frac$上的取樣值是相等的。

有頻率為$\frac$的函式

$f(t) = cos\left( \fract\right)$

它的傅利葉變換為

$\mathcalf(s) = \frac\left( \delta(s+\frac) + \delta(s-\frac) \right)$

因此頻寬為$p=\frac$。

令抽樣頻率為$1$,意味著$p' = \frac = 1$,即有

$\begin

g(t)

&= \mathcal^(\pi_(\mathcalf*ш_))\\

&= \mathcal^(\pi(\mathcalf*ш)\\

&= \mathcal^\left(\pi\left(\frac\left(\delta(s+\frac)+\delta(s-\frac) \right )*\sum_^\delta(s-k)\right)\right)\\

&= \mathcal^\left(\pi\left(\frac\sum_^\left(\delta(s+\frac-k)+\delta(s-\frac-k) \right ) \right ) \right ) \qquad(\delta\ shift\ property)\\

&= \mathcal^\left(\frac\left(\delta(s+\frac)+\delta(s-\frac) \right ) \right ) \qquad (only\ \delta_}\ and\ \delta_}\ in\ the\ scope\ of\ \pi)\\

&= cos\left(\fract \right )

\end$

推導得到的$g(t)$並不等於$f(t)$,而在取樣點$\frac = \frac = m$(m為任意整數),即$0,\pm 1,\pm 2 …$處的取樣點是一樣的。

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