将奈奎斯特采样定理应用于真实信号

信息处理 离散信号 傅里叶变换 采样 奈奎斯特
2022-01-29 03:15:44

我正在努力完全理解 Nyquist-Shannon 采样定理。

对于在时间上无限的某些消息输入信号(即,对于任何间隔不等于),因此必然是带限的(通过傅立叶变换的属性),采样定理指出,如果,则原始信号完全由样本确定。m(t) 0t1<t<fsamplingfrequency>2fmaximumfouriercomponentm(t)

但是,对于任何瞬态和非周期性的真实信号,我们总是会在的某个范围内采集一组样本,因此消息是有时间限制的,排除了它受频带限制的可能性。t1<t<t2

例如,这里说:

香农采样定理是使用信号必须存在于无限时间间隔的假设推导出来的。但是我们所有的应用程序都是基于有限的时间间隔。本研究的目的是纠正这种不一致。在本文中,我们展示了在推导原始采样定理时在何处以及如何使用这种无限时间假设,然后我们将结果扩展到有限时间情况。我们的研究表明,恢复有限持续时间的信号需要更高的采样率。本文通过详细的理论验证了较高采样率的常见工业实践。我们使用函数空间的无限维特性作为我们理论的基础。一个图形示例说明了问题和解决方案。

但是,我不明白为什么会这样。如果我们范围内定义了 ,那么我们可以假设一个振荡函数扩展到无穷大,它由周期为的波形的直接重复组成。现在,在无穷大上定义的函数的傅立叶变换是一组离散值,其范围超过某个界限(带限)。对于这个无限函数,采样定理应保持其当前形式,离散傅里叶变换 (DFT) 在离散时域样本和复杂频域样本离散集m(t)t1<t<t2t2t1mnMb. 只要我们指定获取原始信号的时间范围,因为 DFT 没有指定原始样本是否实际上是周期性的),奈奎斯特定理似乎在其当前形式中成立。

总而言之,如果我们假设以周期性方式扩展它,那么我们获取的任何信号都不是时间限制函数。但是,我知道我的理解有问题 - 这意味着对于任何真实信号或定理的使用,我们只需要考虑 DFT,如果是这样,为什么它通常会针对无限函数导出?我错过了什么,即我认为不正确的地方,或者它实际上与上面的引用如何一致?

1个回答

我没有具体看到 OP 认为什么是不正确的。我遵循帖子中的想法,没有发现缺陷,但让我们回顾一下下面的关键特征,以防填补思考过程中的漏洞:

对于周期性系统,我们可以考虑一个跨越一个周期(0 到 T)或从的时间跨度。只要我们同意情况必须是周期性的,两者都是等价的。+

类似地,对于采样系统,我们可以考虑扩展一个频率范围的频率跨度,从 0 到,其中表示采样频率,或从只要我们同意的情况在频率上必须是类似的周期性,两者都是等价的。(请注意,重复的基本频率也可以作为给出,但在提到 DFT 时,范围 0 到FsFs+Fs/2+Fs/2Fs

所以 DFT 本身在时间和频率上都是周期性的,代表了一个在时间上是周期性的采样系统。

对于任何其他系统;非周期性或未采样,我们不能使用 DFT 并称其为等价物,我们只能用 DFT 近似那些系统。

以下是我们可以在其他情况下使用的各种傅立叶变换的摘要:

案例 1:时间上的连续和非周期性:傅里叶变换

第一种情况是傅里叶变换,其中时间函数根据定义是连续的,并且从扩展到由于它在时间上是连续的(未采样),因此频率结果将是非周期性的(不重复)。由于它在时间上是非周期性的,因此频率结果将是连续的。+

傅里叶变换

案例 2:时间上的连续和周期性:傅里叶级数展开

请注意,在上述情况下,x(t) 仍然可以是周期性的;没有什么可以排除对周期性函数进行上图中所写的傅里叶变换。这将导致连续傅立叶变换结果为 0,但 1/T 倍数的频率除外,包括零,它可能仅在这些位置具有非零值。知道了这一点,我们可以在这种情况下只求解这些频率,从而得到傅里叶级数展开:

傅里叶级数展开

案例 3:时间上的离散和非周期性:离散时间傅里叶变换

第三种情况现在考虑我们第一种情况的采样版本,其中我们再次有一个非周期性时域函数,但这次它是及时采样的。这就是离散时间傅里叶变换。我们得到了与第一种情况类似的结果,即傅立叶变换,唯一的变化是它现在在频率上重复。如前所述,重复边界出现在的倍数处,因此如果我们在第一种情况下的频谱扩展到之外,我们将得到频率折叠(混叠),因此无法代表我们的时间域波形(采样率不够高!)。Fs=1/TFs

(旁注:采用 DFT 之前的零填充近似于 DTFT,添加的零越多,频率结果越接近连续函数,并且该函数是 DTFT 的样本!)。

数字薄膜晶体管

案例 4:时间上的离散和周期性:离散傅里叶变换

最后,我们来到 DFT(FFT 是一种精确计算 DFT 的算法)。在这种情况下,当考虑从的与上述相同的时间轴时,时域波形必须重复(周期性)。时间的周期性导致离散频率只能以 1/T Hz 的整数倍存在,其中 T 表示以秒为单位的一个时间周期。请注意,与傅里叶级数展开一样,周期性是隐含的;实际的变换在时间上考虑 N 个样本并在频率上提供 N 个样本,但是当两个轴都扩展到无穷大时,所描述的周期性是显而易见的。+

密度泛函