采样定理的直观解释

article/2025/9/23 19:55:47

在 傅里叶级数和傅里叶变换之间的关系 这篇文章中,已经介绍了以下基本知识,建议在阅读本文之前掌握:

  • 梳状函数的频谱图仍然是梳状函数
  • 梳状函数与别的函数卷积的结果一定是周期信号

这里的梳状函数 δ T s ( t ) {\delta}_{T_s}(t) δTs(t) 就是一种常见的取样函数,因为梳状函数是由很多冲激函数叠加而成的,所以也具有冲激函数的取样性质,而且有多个“取样点”,这大概是为什么称之为取样函数的原因吧。

取样过程是将取样函数与信号 f ( t ) f(t) f(t) 相乘,得到的结果大概是这样的:

取样过程

如果把上图看做一个等式的话,分别对等号两边做傅里叶变换( 时域相乘对应频域卷积 ),则有:

上图的傅里叶变换

上图中, ω m \omega_m ωm 是信号 f ( t ) f(t) f(t) 中最大的角频率成分, ω s \omega_s ωs 是取样函数的角频率,从得到的结果来看,当 ω s > 2 ω m \omega_s > 2\omega_m ωs>2ωm 时,我们可以使用低通滤波器从 F s ( j ω ) F_s(j\omega) Fs(jω) 中复原 F ( j ω ) F(j\omega) F(jω) , 否则就会发生频谱混叠, 从而无法恢复原信号。

通常把最低允许的取样频率 f s = 2 f m f_s=2f_m fs=2fm 称为奈奎斯特频率,把最大允许的取样间隔 T s = 1 / ( 2 f m ) T_s=1/(2f_m) Ts=1/(2fm) 称为奈奎斯特间隔。

本文首发于微信公众号:振动信号研究所


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