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取樣定理是數位訊號處理領域的重要定理。定理內容是連續訊號(通常稱作「類比訊號」)與離散訊號(通常稱作「數位訊號」)之間的一個基本橋梁。它確定了訊號頻寬的上限,或能擷取連續訊號的所有資訊的離散取樣訊號所允許的取樣頻率的下限。
嚴格地說,定理僅適用於具有傅立葉轉換的一類數學函式,即頻率在有限區域以外為零(參照圖1)。離散時間傅立葉轉換(泊松求和公式的一種形式)提供了實際訊號的解析延拓,但只能近似該條件。直觀上我們希望,當把連續函式化為取樣值(叫做「樣本」)的離散序列並插值到連續函式中,結果的保真度取決於原始取樣的密度(或取樣率)。取樣定理介紹了對頻寬限制的函式類型來說保真度足夠完整的取樣率的概念;在取樣過程中"資訊"實際沒有損失。定理用函式的頻寬來表示取樣率。定理也匯出了一個數學上理想的原連續訊號的重構公式。
該定理沒有排除一些並不滿足取樣率準則的特殊情況下完整重構的可能性。(參見下文非基頻訊號取樣,以及壓縮感知。)
奈奎斯特–夏農取樣定理的名字是為了紀念哈里·奈奎斯特和克勞德·夏農。該定理及其在插值理論中的原型曾被奧古斯丁-路易·柯西、埃米爾·博雷爾、雅克·阿達馬、夏爾-讓·德拉瓦萊·普桑、埃德蒙·泰勒·惠特克、弗拉基米爾·亞歷山德羅維奇·科捷利尼科夫等人發現或研究[1]:1-4。所以它還叫做奈奎斯特–夏農–科捷利尼科夫定理、惠特克–夏農–科捷利尼科夫定理、惠特克–奈奎斯特–科捷利尼科夫–夏農定理及插值基本定理。
取樣是將一個訊號(例如時間或空間上連續的函式)轉換為數位序列(時間或空間上離散的函式)的過程。這個定理的夏農版本陳述為:[2]
如果週期函式 x(t) 不包含高於 B cps(次/秒)的頻率,那麼,x(t)可以由一系列間隔小於 1/(2B) 秒的x(t)函式值完全確定。
因此 2B 樣本/秒或更高的取樣頻率將能使函式不受干擾。相對的,對於一個給定的取樣頻率 fs,完全重構的頻帶限制為 B < fs/2。
在頻帶限制過高(或根本沒有頻帶限制)的情形下,重構表現出的缺陷稱為混疊。現在對於此定義的陳述有時會很小心的指出x(t)必須不包括頻率恰好為B的正弦曲線,或是B必須小於½的取樣頻率。這二個門檻,2B及fs/2會稱為奈奎斯特速率及奈奎斯特頻率。這些是x(t)及取樣裝置的屬性。上述的不等式會稱為奈奎斯特準則,有時會稱為拉貝準則(Raabe condition)。此定理也可以用在其他定義域(例如離散系統)的函式下,唯一的不同是量測t, fs和B的單位。
符號 T = 1/fs 常用來表示二次取樣之間的時間間隔,稱為取樣周期或是取樣區間。函式x(t)的取樣常用x[n] = x(nT)表示(較早期的文獻會用xn),其中n為正整數。在數學上理想的取樣還原(插值)和Sinc函式有關,每次的取樣都用中心點在取樣時間nT,振幅是取樣值x[n]的Sinc函式代替。最後將Sinc函式加總,得到連續的函式。數學上等效的方式是將Sinc函式和一連串的狄拉克δ函式卷積,再依取樣到的值來加權。不過這些方式在數學上都是不實際的。不過有些有限長度的函式可以近似Sinc函式,這種因為近似的不完美造成的誤差稱為插值誤差(interpolation error)。
實際的數位類比轉換器既不會產生加權而有延遲的Sinc函式,也不會產生理想的狄拉克δ函式,若是其類比重建是用零階保持,其輸出的是由不同振幅及有延遲的矩形函式組成的階躍函式,一般後面會有抗鏡像濾波器(anti-imaging filter)來清除假的高頻成份。
如果不能滿足上述取樣條件,取樣後訊號的頻率就會重疊,即高於取樣頻率一半的頻率成分將被重建成低於取樣頻率一半的訊號。這種頻譜的重疊導致的失真稱為混疊,而重建出來的訊號稱為原訊號的混疊替身,因為這兩個訊號有同樣的樣本值。
若x(t)為一函式,其傅立葉轉換X(f)為:
泊松求和公式指出x(t)的取樣x(nT)足以產生X(f)的週期和,結果為:
是一個週期函式,等效為傅立葉級數,係數為T•x(nT)。此函式也稱為數列T•x(nT)的離散時間傅立葉轉換 (DTFT),n為整數。
如圖4所示,X(f) 的拷貝被平移了 fs 的倍數,並相加合併。對於一個帶限函式(對所有 |f| ≥ B,X(f) = 0),在 fs 足夠大的時候,這些拷貝之間仍然分得清楚。但如果奈奎斯特準則並不滿足,相鄰部分就會重疊,一般就不能明確辨別出 X(f)。任何超過 fs/2 的頻率分量都會與較低的頻率分量難以區分,稱作與其中一個拷貝發生「混疊」。在這種情況下,通常的插值法就會產生混疊,而不是原始的分量了。
以下兩種措施可避免混疊的發生:
當取樣率預先由其他因素(如行業標準)確定的時候,x(t) 通常要先濾波以將高分頻量減少到可以接受的水平,再進行取樣。所需的濾波器的種類為低通濾波器,而在這種應用中叫做抗混疊濾波器。抗混疊濾波器可限制訊號的頻寬,使之滿足取樣定理的條件。這在理論上是可行的,但是在實際情況中不可能做到。因為濾波器不可能完全濾除奈奎斯特頻率之上的訊號,所以,取樣定理要求的頻寬之外總有一些「小的」能量。不過抗混疊濾波器可使這些能量足夠小,以至可忽略不計。
從圖5中可以看到,若X(f)的複本(也稱為鏡像)之間沒有和k = 0的項重疊,可以由Xs(f)用以下的乘積來還原:
此時證明了取樣定理,因此X(f)可以確定x(t),而且只有唯一解。
剩下的就只有推導重構的公式。H(f)不需在[B, fs − B]的區域有準確的定義,因為Xs(f)在此區域為零。不過最壞的情形是B = fs/2,奈奎斯特頻率。一個在此情形及其他較輕微的條件下都適用的函式為:
其中rect(•)為矩形函式,因此:
等式二側反轉換,可以得到惠特克-香農插值公式
上式就是用取樣值x(nT)來重構x(t)的方式。
泊松證明了Eq.1中的傅立葉級數會產生 X(f) 的周期求和,不管 fs 和 B 是什麼值。然而夏農只推導了 fs = 2B 情形下級數的係數。 幾乎參照了夏農原始的論文:
夏農對於此定理的證明已經完成了,不過夏農進一步探討用Sinc函式重構原函式,也就是今日的惠特克–夏農內插公式,他沒有推導或是證明sinc函式的性質,但這些對於當時閱讀其作品的工程師不會覺得陌生,因為當時已經知道矩形函式和Sinc函式的傅立葉對關係。
和其他證明類似,此處假設原函式的傅立葉變換存在,因此證明中沒有說明採樣定理是否可以延伸到有限頻寬的固定隨機過程。
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