理想采样傅立叶分析

July 04

对于任何连续信号 f(x)f(x),以采样间隔 TT 进行离散采样,采样结果可写成加权冲激串形式

g(x)=if(x)δ(xiT)(1)g(x)=\sum_{i}f(x)\,\delta(x-iT) \tag{1}

(1)(1) 式做傅立叶变换

F{g(x)}=F{f(x)}F{iδ(xiT)}(2)\mathcal{F}\{g(x)\} = \mathcal{F}\{f(x)\}\ast \mathcal{F}\left\{\sum_i\delta(x-iT)\right\} \tag{2}

假设我们用 r(x)r(x) 做重建核,对采样后的冲激串 g(x)g(x) 进行重建,试图恢复 f(x)f(x) 的原始信号

f(x)=(gr)(x)=g(ξ)r(xξ)dξ(3)f^{\prime}(x) = (g\ast r)(x) = \int g(\xi)r(x-\xi)\mathrm{d}\xi \tag{3}

(3)(3) 式做傅立叶变换,并带入 (2)(2)

F{f(x)}=F{g(x)}F{r(x)}=(F{f(x)}F{iδ(xiT)})1F{r(x)}2\begin{align} \mathcal{F}\{f^{\prime}(x)\} &= \mathcal{F}\{g(x)\}\, \mathcal{F}\{r(x)\} \\ &= \underset{1}{\underline{(\mathcal{F}\{f(x)\}\ast \mathcal{F}\left\{\sum_i\delta(x-iT)\right\})}}\, \underset{2}{\underline{\mathcal{F}\{r(x)\}}} \tag{4} \end{align}

我们的目的是让 F{f(x)}=F{f(x)}\mathcal{F}\{f^{\prime}(x)\} = \mathcal{F}\{f(x)\}。进一步分析 (4)(4) 式可以发现,因为狄拉克函数的傅立叶变换是另一个狄拉克函数,下划线标注的 11 部分实际上是 F(f)\mathcal{F}(f) 多个固定间隔复制,所以只要区间不重叠, 22 部分的重建函数是个足够宽的理想低通,即可满足条件。记

pT(x)=iδ(xiT),ωs=2πT.p_T(x)=\sum_i\delta(x-iT),\qquad \omega_s=\frac{2\pi}{T}.

则采样脉冲串的傅立叶变换为

F{pT(x)}=2πTk=δ(ωkωs).(5)\mathcal{F}\{p_T(x)\} = \frac{2\pi}{T}\sum_{k=-\infty}^{\infty}\delta(\omega-k\omega_s). \tag{5}

因此,由 (2)(2) 可得

F{g(x)}=12πF(ω)2πTk=δ(ωkωs)=1Tk=F(ωkωs).(6)\mathcal{F}\{g(x)\} = \frac{1}{2\pi}F(\omega)\ast \frac{2\pi}{T}\sum_{k=-\infty}^{\infty}\delta(\omega-k\omega_s) = \frac{1}{T}\sum_{k=-\infty}^{\infty}F(\omega-k\omega_s). \tag{6}

这说明采样后的频谱是原频谱 F(ω)F(\omega) 以间隔 ωs\omega_s 的周期复制。若原信号存在 ωm\omega_m 使得

F(ω)=0,ω>ωm,F(\omega)=0,\qquad |\omega|>\omega_m,

并且满足采样定理

ωm<ωs2=πT,(7)\omega_m<\frac{\omega_s}{2}=\frac{\pi}{T}, \tag{7}

则各个频谱副本互不重叠,不发生混叠。此时若取重建核 r(x)r(x) 的频响为理想低通滤波器

R(ω)=F{r(x)}={T,ω<ωs2,0,otherwise,(8)R(\omega)=\mathcal{F}\{r(x)\} = \begin{cases} T, & |\omega|<\dfrac{\omega_s}{2},\\ 0, & \text{otherwise}, \end{cases} \tag{8}

则由 (4)(4) 可得

F{f(x)}=F{g(x)}R(ω)=(1Tk=F(ωkωs))R(ω).\mathcal{F}\{f'(x)\} = \mathcal{F}\{g(x)\}R(\omega) = \left(\frac{1}{T}\sum_{k=-\infty}^{\infty}F(\omega-k\omega_s)\right)R(\omega).

由于 R(ω)R(\omega) 只保留主频带 ω<ωs/2|\omega|< \omega_s/2,且在该频带内只有 k=0k=0 的频谱副本存在,因此

F{f(x)}=1TF(ω)T=F(ω).(9)\mathcal{F}\{f'(x)\} = \frac{1}{T}F(\omega)\cdot T = F(\omega). \tag{9}

于是

f(x)=f(x).(10)f'(x)=f(x). \tag{10}

再对 (8)(8) 作反傅立叶变换,可得对应的时域重建核为

r(x)=12πωs/2ωs/2Tejωxdω=sin(πx/T)πx/T=sinc ⁣(xT).(11)r(x) = \frac{1}{2\pi}\int_{-\omega_s/2}^{\omega_s/2}T e^{j\omega x}\,d\omega = \frac{\sin(\pi x/T)}{\pi x/T} = \operatorname{sinc}\!\left(\frac{x}{T}\right). \tag{11}

因此,当重建核取 sinc 函数时,可实现完美重建:

f(x)=if(iT)sinc ⁣(xiTT).(12)f(x)=\sum_i f(iT)\operatorname{sinc}\!\left(\frac{x-iT}{T}\right). \tag{12}