2. 插值与采样总结

2.1 插值

带限信号:如果存在频率 fh 使得 X(f)=0,|f|>fh/2 则称 X(f) 为带限信号.

低通滤波器的时域和频域表达

φ(t)=sinc(tT)sinc(t)=sin⁡(πt)πt

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Φ(f)=1fsrect(ffs)

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插值的定义 求取 x[n] 到 x(t) 的映射,满足:

x(nT)=x[n]

插值函数的要求:需要满足 x(nT)=x[n] 并且保证 x(t) 平滑、无限可微。例如信号 rect(tT/2) 不能成为插值函数,因为不符合平滑的条件。

sinc 函数的特点:

sinc 插值的数学形式

x(t)=∑n=−∞∞x[n]sinc(t−nTT)

计算 x(t) 的傅里叶变换,由线性性:

X(f)=∑n=−∞∞x[n]F{sinc(t−nTT)}=∑n=−∞∞x[n]F{φ(t−nT)}=∑n=−∞∞x[n]Φ(f)e−j2πfnT=1fs∑n=−∞∞x[n]rect(ffs)e−j2πfnT=Trect(ffs)∑n=−∞∞x[n]e−j2π(f/fs)n⏟X(ej2πf/fs)={TX(ej2πf/fs),for |f|≤fs/20,otherwise

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sinc 插值的另外一种解释:使得 x[n] 的序列值以 T 为间隔,即构造模拟信号:

x^a(t)={x[n]t=nT0t≠nT

并且让 x^a(t) 通过带宽为 fs 的理想低通滤波器。

证明两种做法是等价的,对 x^a(t) 做傅里叶变换:

X^a(f)=∫−∞∞xa(t)e−j2πftdf=∑n=−∞∞x[n]e−j2πf/fsn=X(ej2πf/fs)

然后,

X(f)=X^a(f)⋅Φ(f)={TX(ej2πf/fs),for |f|≤fs/20,otherwise

2.2 采样

模拟信号的理想采样

δT(t)=∑m=−∞∞δ(t−mT)x^a(t)=xa(t)δT(t)

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采样周期:T;采样频率:fs=1/T;采样角频率:Ωs=2πfs.

因为 δT(t) 是周期信号,其频谱是离散的,可以表示为:

δT(t)=∑k=−∞∞akejkΩst
ak=1T∫−T/2T/2δT(t)e−jkΩstdt=1T∫−T/2T/2δ(t)dt=1T⇒δT(t)=1T∑k=−∞∞akejkΩst
ΔT(jΩ)=2πT∑k=−∞∞δ(Ω−kΩs)

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X^a(jΩ)=12πΔT(jΩ)∗Xa(jΩ)

理想采样信号的频谱是模拟信号频谱的周期延拓,延拓周期是 Ωs,延拓的缩放比例为 1/T.

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奈奎斯特采样定理 若 xa(t) 为 带限信号,要想抽样后的信号能够不失真地还原出原信号,则要求

fs≥2fh

或者等价于 Ωc≤2Ωs.

当带限信号出现冲激线状频谱(如正弦信号),当 fs=2fh 时,会产生混叠(画图可以发现出现相互抵消的情况),若最高频率对应正弦信号,则要求 fs>2fh.

若 xa(t) 不是带限信号,也不能对 xa(t) 进行直接采样,否则频谱中超出带限的部分会混叠到 [−fs/2,fs/2] 的区间,需要首先通过截止频率为 fs/2 的防混叠滤波器,然后进行频率为 fs 的采样。

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能否可以区分采样频率和采样信号

带通采样

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信号单边带宽 B=2f0,对信号上下端分别延伸,产生保护带,满足

(k−1)B0≤fl,fh≤kB0

使用 fs=2B0 采样。

2.3 插值采样综合题目

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采样等价于两步:

从频谱图上分析,可以简单记忆为 [−π/T,π/T] 的部分扩大 T 倍到达 [−π,π],并且幅值相应缩小 T.

插值等价为两步:

从频谱图上分析,可以简单记忆为 [−π,π] 的部分缩小 T 倍到达 [−π/T,π/T],并且幅值相应扩大 T.

例题:

例题: