香农定理和奈奎斯特定理区别_这一切都从指数函数开始(4)——采样定理
系列目录:
TravorLZH:这一切都从指数函数开始(1)——欧拉公式
TravorLZH:这一切都从指数函数开始(2)——Fourier级数和变换
TravorLZH:这一切都从指数函数开始(3)——泊松求和公式
信号处理领域中有一个基本的定理——采样定理。这个定理在最早提出时还顺便提供了一个副产品:Whittaker—Shannon插值公式,本篇文章作者将以循序渐进的方式推导出采样定理。
1、采样定理
设一个函数f(t)的Fourier变换
当
或者是时恒等于零
我们可以通过对
应用上面我们对频域
此时我们若令
等式两侧再除以2B,得:
此时我们设T=2B,可以发现:
再令
现在我们再利用一下我之前得到关于Fourier级数的结论:
对于
,有
则可以发现
意思就是说我们可以用函数无穷个等距的点来换元其频域,其中点的间距为
If a function contains no frequencies higher than B hertz, it is completely determined by giving its ordinates at a series of points spaced
seconds apart.[1]
如果一个函数f(t)的频率不超过B赫兹,则f(t)可以被一系列间距为秒的采样点确定。
2、插值公式
现在我们已经证明了采样定理,现在我们可以再进一步研究这个等式:
现在我们对两侧进行Fourier逆变换:
根据控制收敛定理(Dominated convergence theorem),我们可以交换求和与积分符号。又根据上面对频域的限制条件,即
接下来我们解一下右侧剩下的积分
根据积分法则
根据欧拉公式,我们有
我们最后再把积分的结果代入回原来的等式,得:
我们知道sinc函数的定义
现在令n=-k,M=1/T,得到:
此时根据T=2B,我们知道M=1/2B表示采样点间隔秒数,所以可以将f(Mn)写成f的第n个采样点f[n],于是:
我们重新得到了大名鼎鼎的惠特克—香农插值公式(Whittaker—Shannon interpolation formula)。
通过我们推导出的采样定理,我们也得知了一个新概念——混叠(Aliasing)。
3、混叠效应
如果我们尝试对一个不满足采样定理条件的函数进行插值,则会出现混叠。这里我们可以用Python来演示:
首先我们定义要被插值的函数:
def
接下来我们对其进行采样
interval
现在再利用插值公式还原信号:
def
最后我们在用numpy和matplotlib把原本的函数与插值公式恢复的信号进行对比:
import
最后我们生成了这幅图,其中左侧是原来的函数,右侧是根据红色采样点恢复的结果:
当我们对原信号
而采样点的间距通过
然而当我们让B=1时(即M=1/2时),却发现插值公式可以还原原来的函数:
4、总结
采样定理不仅本身非常的迷人,它的来源也非常的奇妙。为了证明采样定理,我们利用了Fourier变换;为了得出Fourier变换,我们拓展了Fourier级数;为了推导Fourier级数,我们运用了欧拉公式;为了推导欧拉公式,我们利用了指数函数的微分性质……可见这一切都从指数函数开始。
参考
- ^https://en.wikipedia.org/wiki/Nyquist%E2%80%93Shannon_sampling_theorem
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