对于任何连续信号 f(x),以采样间隔 T 进行离散采样,采样结果可写成加权冲激串形式
g(x)=i∑f(x)δ(x−iT)(1)
对 (1) 式做傅立叶变换
F{g(x)}=F{f(x)}∗F{i∑δ(x−iT)}(2)
假设我们用 r(x) 做重建核,对采样后的冲激串 g(x) 进行重建,试图恢复 f(x) 的原始信号
f′(x)=(g∗r)(x)=∫g(ξ)r(x−ξ)dξ(3)
对 (3) 式做傅立叶变换,并带入 (2)
F{f′(x)}=F{g(x)}F{r(x)}=1(F{f(x)}∗F{i∑δ(x−iT)})2F{r(x)}(4)
我们的目的是让 F{f′(x)}=F{f(x)}。进一步分析 (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 1 部分实际上是 F(f) 多个固定间隔复制,所以只要区间不重叠, 2 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)=i∑δ(x−iT),ωs=T2π.
则采样脉冲串的傅立叶变换为
F{pT(x)}=T2πk=−∞∑∞δ(ω−kωs).(5)
因此,由 (2) 可得
F{g(x)}=2π1F(ω)∗T2πk=−∞∑∞δ(ω−kωs)=T1k=−∞∑∞F(ω−kωs).(6)
这说明采样后的频谱是原频谱 F(ω) 以间隔 ωs 的周期复制。若原信号存在 ωm 使得
F(ω)=0,∣ω∣>ωm,
并且满足采样定理
ωm<2ωs=Tπ,(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) 的频响为理想低通滤波器
R(ω)=F{r(x)}={T,0,∣ω∣<2ωs,otherwise,(8)
则由 (4) 可得
F{f′(x)}=F{g(x)}R(ω)=(T1k=−∞∑∞F(ω−kωs))R(ω).
由于 R(ω) 只保留主频带 ∣ω∣<ωs/2,且在该频带内只有 k=0 的频谱副本存在,因此
F{f′(x)}=T1F(ω)⋅T=F(ω).(9)
于是
f′(x)=f(x).(10)
再对 (8) 作反傅立叶变换,可得对应的时域重建核为
r(x)=2π1∫−ωs/2ωs/2Tejωxdω=πx/Tsin(πx/T)=sinc(Tx).(11)
因此,当重建核取 sinc 函数时,可实现完美重建:
f(x)=i∑f(iT)sinc(Tx−iT).(12)