过滤和下采样的顺序可以互换吗?

信息处理 信号分析 采样 过滤
2022-02-21 20:31:32

例如,我有一个最大频率为 600Hz 的信号,而我最初在 2000Hz 处对其进行过采样。之后我只对低于 500Hz 的频率感兴趣。我想我可以先过滤掉>500Hz的频率,然后每隔一个采样点进行下采样;或者我可以首先通过每隔一个样本进行下采样,然后过滤掉> 500Hz的频率。这两种方法有问题吗?它们会产生不同的结果吗?

2个回答

是的,顺序确实很重要。

在带有噪声的真实系统中(与理想模型相反),如果您在滤波之前进行抽取,那么您不感兴趣的频带中的所有噪声都会混叠回来,从而提高系统的本底噪声。在您的示例中,如果您在过滤之前将采样降低 2 倍,则与您过滤 500 Hz 以上的所有内容然后进行下采样相比,您感兴趣的频带中的噪声将增加一倍(请注意,这确实假设了一个完美的滤波器,实际上在阻带仍会混叠,但不会那么多)。

即使在理想化模型中,如果在滤波之前进行下采样,您也会从高于奈奎斯特速率的信号中得到混叠。在您的示例中,从 500 到 600 赫兹的所有信号都会从 500 赫兹折回到 400 赫兹(例如,525 赫兹的信号会折回到 475 赫兹)。如果您先过滤,您可以排除这些信号。

另请注意,在您的示例中,应用截止频率为 500 Hz 的低通滤波器在下采样后不会做任何事情,因为现在所有高于 500 Hz 的频率内容已经混叠回低于 500 Hz。

简而言之:顺序确实很重要。

详细:
在不过滤的情况下下采样 2 倍,将导致 500Hz 及更高频率的混叠。
由于您的信号带宽限制为 600Hz,因此 400Hz-500Hz 的频率范围将被破坏。
因此(理论上)0Hz-400Hz 的频率范围在有或没有滤波的情况下都是相同的。
如果您只对这个范围感兴趣,则可以避免过滤。