取樣定理

取樣定理

相對於連續信號,離散信號的處理更為方便、靈活,因此在很多的實際應用過程中,首先將連續信號轉換為相應的離散信號,對其進行加工處理,再將處理后的離散信號轉換為連續信號。這樣一來,就出現了一個問題:連續信號轉換為離散信號,相應的離散信號是否保留了原連續信號的全部信息,能不能由離散信號不失真地還原出原來的連續信號?

時域取樣定理,即取樣定理,很好地回答了這個問題,它為連續信號與離散信號的相互轉換提供了理論依據。因此,取樣定理是“信號與系統”、“數字信號處理”等學科的重點和難點之一。

工程應用


在實際應用過程中, 許多工程信號不是頻帶有限信號,即不滿足取樣定理,不能直接取樣。需要在取樣之前加入抗混疊低通濾波器,去掉的高頻成分,然後在進行取樣。加抗混疊低通濾波器和不加抗混疊低通濾波器兩種情況下,連續信號與取樣信號的頻譜圖對比。
從中可以發現,加入抗混疊低通濾波器之後,頻譜的混疊失真可以大大減小。
取樣定理
取樣定理

發展


1.1986年,Natterer引入S空間中的速降函數,由此給出的取樣定理大大加快了收斂速度,但由於速降函數不是初等函數,給計算帶來了麻煩;
2.快速取樣定理:對於中的任意b頻譜有限函數f(x)成立:
因為是初等函數,當|x|趨於無窮時,,因此只需要選取適當的N,如選取N=3,4等值便可提高取樣定理的收斂速度。

缺陷


收斂速度太慢、計算量大,從而誤差較大之缺陷,還是不能適合高科技時代工程技術上的要求。

地位


對於頻譜有限函數,Shannon取樣定理在函數逼近方面是一個重大的突破.取樣定理來源於通信技術,但目前其應用遠遠超出此範圍。工程技術上,如地球物理勘探、工業設計、圖象處理等方面廣泛應用到取樣定理。

主要內容


取樣及取樣定理的內容
連續信號的取樣是由取樣器(實際中為A/D轉換器)來完成。取樣器就相當於一個電子開關,每隔T秒閉合一次,並對該電子開關的輸出進行編碼,得到原來連續信號xa(t)在nT時刻的樣本值x(n)=xa(nt)。
理想取樣(周期單位衝激取樣)
f(t)←→F(jω)(–ωm<ω<ωm)
s(t)←→S(jω)
fs(t)←→Fs(jω)
衝激取樣信號的頻譜
畫fS(t)的頻譜時,當ωS≥2ωm時,其頻譜不混疊,故能設法(如低通濾波器)從FS(j)中取出F(j),即從fS(t)中恢復原信號f(t);否則發生混疊。
定理內容
奈奎斯特(Nyquist)和香農(Shannon)分別於1928年和1949年提出了取樣定理,取樣定理指出:一個頻譜在區間(-fh,fh)以外都為零的頻帶有限信號,可以唯一地由其在均勻間隔上的樣值點確定。
取樣定理論述了在一定條件下,一個連續信號完全可用離散樣本值表示。利用這些樣本值可恢復原信號。
取樣定理為連續信號與離散信號間的轉換提供了理論依據。