“复采样”能破奈奎斯特?

信息处理 采样 频谱
2021-12-18 22:27:21

我听说过对复杂信号的采样不需要遵循奈奎斯特采样率,但实际上可以用一半的奈奎斯特采样率来解决。我想知道这是否有任何真相?

从奈奎斯特,我们知道要明确地对信号进行采样,我们需要采样至少高于该信号带宽的两倍。(我在这里定义带宽,就像他们在wiki链接中所做的那样,也就是正频率的占用)。换句话说,如果我的信号从 -B 到 B 存在,我需要至少采样 > 2*B 以满足 nyquist。如果我将此信号混合到 fc,并希望进行带通采样,我需要至少采样 > 4*B。

这对于真实信号来说非常有用。

我的问题是,复杂基带信号(也就是只存在于频谱一侧的信号)不需要至少 > 2*B 的速率进行采样,但实际上可以以至少 > B 的速率进行充分采样?

(我倾向于认为,如果是这种情况,这只是语义,因为您仍然必须在每个采样时间取两个样本(一个实数和一个虚数)才能完全表示旋转相量,因此仍然严格遵循 Nyquist .. .)

你都有些什么想法呢?

4个回答

你的理解是正确的。如果您按速率采样fs,那么仅使用真实样本,您就可以明确表示该区域中的频率内容[0,fs2)(尽管允许带通采样的警告仍然适用)。当样本为实数时,在另一半频谱中无法保存任何附加信息,因为实信号在频域中表现出共轭对称性;如果你的信号是真实的并且你知道它的频谱来自0fs2,那么您可以简单地得出其频谱的另一半是什么。

复信号没有这样的限制,所以复信号以速率采样fs可以明确地包含来自fs2fs2(对于总带宽fs)。但是,正如您所指出的,这里并没有进行内在的效率改进,因为每个复杂样本都包含两个组件(实部和虚部),因此虽然您需要一半的样本,但每个样本都需要两倍的数据存储量,这就取消了出任何直接的好处。然而,复杂信号通常用于信号处理中,其中您遇到的问题可以很好地映射到该结构(例如在正交通信系统中)。

还有一种简单的方法可以解释这一点:如果您的实际基带信号具有从 -B 到 +B 的频谱,则使用 2B 进行采样,因此请确保频谱的频谱重复不重叠。重叠意味着您会出现混叠并且无法重建原始光谱。

现在有了一个复杂的信号,正如 Jason 所提到的,频谱范围从 0 到 B。(理论上它也可以在负频率处具有频谱,但对于大多数实际情况,它的范围是 0 到 B。)如果你用率B,由于原始频谱中没有负频率的部分,频谱的重复不会重叠->明确的重建是可能的!

由于正弦和余弦可以表示为复指数的总和,因此您始终可以将任何信号视为复数。对于实值信号,它只是虚部抵消。

如果实值信号中的正弦和余弦使用从 0 到 B 的频率,则相应的复指数之和将包括从 -B 到 B 的频率。2B 的奈奎斯特信号速率实际上只是频率的全宽度,同时取两者正负频率考虑。

一般来说,对于任何复值信号,频率的全宽度等于所选复值可以出现的最大速率。只选择实数值是一种特殊情况。

我会说这是一个合格的“不”,因为单个真实样本的数量尚未正确澄清,以及选择信号数字化率的目的。

首先,所有真实世界的信号都是真实的,而不是复杂的。也就是说,任何时候我们面对一个复杂的表示,我们实际上有两个(真实的)数据点,这应该被考虑到“奈奎斯特”限制中。

第二个问题是从基带感知的“负频率”。几乎所有的采样教学都是从基带的角度来看的,所以频率往往是 0..B,然后以 fs 进行采样。负频率有点被忽略(使用复共轭恒等式)。

可以将基带信号视为在零频率下进行调制,但是在标称 fs/2 点开始载波调制可能会很有启发性,因为我们随后会看到两个边带,以及来自的(数学)复数项承运人。先前的负频率已经改变。而且我们可能不再具有复杂的共轭恒等式。

如果消除了复杂的共轭恒等式,我们就不再有频率折叠,并且我们有一个简单的混叠环绕。

因此,如果我们对 HF 实信号进行采样以提供复数表示的解调,而无需折叠,我们在某种意义上最终会得到 fs/4 带宽 (+/-B)。对于每 4 个数据样本(0、90、180、270 度),我们输出两个值,它们代表整个复杂样本的同相 (0 - 180) 和正交 (90 - 270) 分量。

在一个完全复杂的世界中,如果信号很复杂,那么采样频率就会很复杂,从而产生两倍的项。这取决于您需要从采样信号中获得哪些数学特征。