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[电路/定理]

经常误解的采(抽)样定理!

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楼主: xukun977
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41
兰天白云 发表于 2017-2-9 13:28
如上图,一个信号周期采样2次,这个时候并不能如实还原原图(看1,2,3,4点之间的直线段连接,与原正弦波差 ...

那是因为等于2倍,而不是大于2倍,

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42
HWM| | 2017-2-9 14:12 | 只看该作者
LZ此帖可以让大家玩味一下什么是忽悠:



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43
HWM| | 2017-2-9 14:14 | 只看该作者
再看看这个:



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manbo789 + 1 :-)
44
renxiaolin| | 2017-2-9 14:27 | 只看该作者
manbo789 发表于 2017-2-9 14:05
那是因为等于2倍,而不是大于2倍,

那大于2倍也要看大多少呀

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manbo789| | 2017-2-9 14:29 | 只看该作者
renxiaolin 发表于 2017-2-9 14:27
那大于2倍也要看大多少呀

大1/∞就可以,

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46
HWM| | 2017-2-9 14:32 | 只看该作者
renxiaolin 发表于 2017-2-9 14:27
那大于2倍也要看大多少呀

文中已经说了,实际可以大到5至10倍。这已经不是个定理的问题了。

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47
fzyuan| | 2017-2-9 14:37 | 只看该作者
现实一点,
针对所需误差要求进行分析计算就可以了。

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48
OTB| | 2017-2-9 17:57 | 只看该作者
那奎斯特当初的意思。

肯定是说信号被载波所调制之后进行采样。

也就是说一个输入信号,其带宽为BW,那么采样频率要大于2BW。

只有载波之后的信号才能传递,所以奈奎斯特的意思,就采样载波信号。

但载波信号频率很高,远大于信号带宽。

不可能采样载波信号,而是采样载波了的输入信号。

输入信号即使被载波了,也依然就是采样频率大于2*BW的信号带宽,就可以恢复了。

也就是说。

奈奎斯特的采样定律,本来就是针对载波信号而言的。

而国产教科书当作了采样输入信号。

例如,音频的带宽为20K,但过去只能用高频的载波来无线电传递。

就像收音机一样。

即使20K信号被100Mhz的载波所载。

那么也是采样频率大于40K就可以恢复音频信号了。

你不可能有比100Mhz的载波频率更高的采样频率。

就是如今也不容易实现。

就不用说奈奎斯特年代了。

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king5555 + 6 很给力!
49
OTB| | 2017-2-9 18:14 | 只看该作者
采样定律的目的是恢复采样信号。

需要2倍的带宽才可以。

那么如何恢复信号呢?

实施上每一个采样的数值。

都是一个采样保持器性质的方波。

你可以把采样数值当作一系列的幅度不同的方波。

每一个矩形的脉冲方波被信号带宽低通铝箔之后。

每一个矩形脉冲的基波肯定得以保留,而方波脉冲的高次谐波被滤波掉。

那么就可以得到一个基本连续的模拟连续输出了。

从富立业变换的角度看,采样频率以内信号只要低通铝箔就可以完整保留。

这就是奈奎斯特的意思。

虽然富立业变换的频率特性可以证明只要低通铝箔就可以提取输入信号。

但是采样间隔之内的信号,是低通滤波器“想象”出来的,而不是实际的模式输入。

毕竟实际的模拟输入是连续的,而采样之后恢复的,其实并非真实的输入。

即使用2倍带宽的速度采样。

也没有把所有模拟输入都采集,而仅仅就是一部分数据。

这一部分数据不能表示所有连续输入。

而仅仅就是一个骨架,而骨架的装修则是由低通滤波“计算”出来的。

因此。

奈奎斯特的采样定律。

在当时,是有明确的技术上的意义的。

也就是说为了传递信号,而且还是离散的采样信号,而得到的结论。

其本质就是得到骨架数据,而不关系具体细节。

虽然具体细节可以通过更高的采样频率得到。

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cdzcdz1979 2017-4-3 23:17 回复TA
有空请大师讲讲稀疏采样理论? 
50
OTB| | 2017-2-9 18:32 | 只看该作者
因此。

简单来说。

采样定律具有明确的小学文化程度的解释。

用大于信号带宽2倍的频率进行采样。

那么在时间域,就是N个采样的方波脉冲。

而这N个采样脉冲与低通滤波电路的卷积,显然就是恢复后的输出了。

低通滤波器可以连续的,或离散的。

那么从卷积的角度看,确实都得到了一个输出,但是离散的。

然而却可以表示输入信号的骨架。

值得庆幸的就是。

在奈奎斯特的年代了。

使用采样的骨架数据,是可以得到人们认为合适的输出效果的。

例如音频信号的采样传递。

使用奈奎斯特采样定律之后,得到的音质效果,人们确实感到满意,所以采样就被认可了。

毕竟模拟信号的传递,变形失真会比较大。

如果离散化,那么数字信号传递,就基本不会失真,只要数字传递没有错误。

因此采样在多种领域,是可以得到人们感到满意的效果的。

并且提高采样频率就可以更接近连续信号。

人们也就算心安理得地使用采样了。

这里的重点,也就是The Point就是。

卷积。

从理论来说,卷积是连续才能使用的。

但被离散化后,卷积依然被人们所使用。

离散化的卷积,才是采样定律能应用的基础。

虽然如此。

但本大师发现。

MP3的这种算法。

还是存在很大程度上歪曲原始信号的行为的。

本大师依然难以相信。

所谓的采样,被滥用之后,音频信号居然没有变形。

无论MP3的所谓采样多么地合乎理论。

其导致的音质变形,是肯定存在的。

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cdzcdz1979 2017-4-3 23:13 回复TA
从OTB大师的回复中,感受到语言与逻辑是成正比。其语言让人感觉舒畅,逻辑的力量打动人心。 
51
西门看雪| | 2017-2-9 19:57 | 只看该作者
居然那么多人在质疑一个信号在采样之后再还原,波形会失真?难道都不知道采样具有低通滤波的效果?

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cdzcdz1979 2017-4-3 22:58 回复TA
言简意赅!!! 
52
OTB| | 2017-2-9 20:16 | 只看该作者
Well,。

人们当然可以采样。

而且采样频率低于信号带宽显然违反了生活常识。

采样频率需要高于信号带宽。

那么如此之后就得到了采样序列。

这个采样序列经过一个低通滤波之后。

就必然出现一个输出相应。

如果滤波时间常数非常小,那么相当于没有滤波,并且输出依然是脉冲序列。

如果滤波时间常数很大,那么输出相应基本就是个直流,相当于失真很大。

存在一个合适的滤波时间常数,能最大限度地保留输入信号的变化趋势。

事实上,采样之后的还原,紧紧就是最大限制地保留输入信号的变化趋势而已。

事实上,采样之后的还原,肯定在幅度上低于原输入信号。

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53
OTB| | 2017-2-9 20:28 | 只看该作者
选择低通滤波器的转折频率为1/4的 采样频率。

基本可以保证失真更小。

然而这里的最重要问题就是。

最严重的问题就是。

学术界和教科书对于带宽的错误认知。

把一个闭环频率特性的0.707幅度作为带宽。

显然是书呆子们的异想天开。

因此。

本大师不得不播送一条令人大家感到高兴的悲惨事实 。

因为信号带宽是无法被确定的。

因为信号的频率特性可以是吭吭哇哇的。

因此很多信号并不存在学术界认定的“带宽”。

那么因为不存在“带宽”问题,那么采样定律也无法使用。

这是一个真实的情况。

除非你真的知道一个带宽。

很多信号并不存在带宽的概念。

如果你测试一个Q值很高的电路。

那么使用采样定律,你必定发现很多问题。

采样定律会经常失效。

是因为带宽不容易确定。

更是因为学术界和教科书还无法达到本大师的认识程度。

这是一个不争的事实。

谢谢大家!

道理对于本大师来说是显而易见的。

但学生界和教科书必定还一无所知。

再次感谢大家!

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54
nethopper| | 2017-2-9 20:30 | 只看该作者
本帖最后由 nethopper 于 2017-2-9 22:38 编辑
nethopper 发表于 2017-2-9 11:30
用挑刺的眼光看是有两个小问题。

吹毛求疵地看,能看到这段话容易引起误解的两个问题:




1. 一个问题是“当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时”----对于最低频率不为0HZ的带宽为B的信号,采样率不一定必须要大于信号的最高频率的2倍。这个前面众仙都说过了。

2. 另一个问题是“一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5~10倍”,这个说法估计来源于正弦信号要采集5~10个点才能基本把波形的轮廓描出来。容易产生的误解是以为要在时域恢复或重构采样前的带限连续信号需要最少高于信号最高频率的5~10倍的采样率。而实际上,只要高于最高频率的两倍即可。这个5~10倍的说法应是针对绘图时用直线连接两个采样点说的(常见于示波器说明书)。另一个常见的采样频率与信号频率的比例的说法是2.5倍(常见于一些工程用的信号的频域分析),这个说法应是考虑到抗混滤波器的过渡段不可能完全陡直因而留有一些余量。

下面的例子的采样频率为44.1kHz,信号频率为20kHz, 二者之比为:2.2倍。如果在时域用直线连接相邻的两个采样点(等同于在两点之间做线性插值),如下图,可见波形失真极度严重,尽管各种幅度值(Max, Min, Mean, RMS)和频率都显示正确。频谱则完全正常。



如果在时域用SINC插值来连接相邻的两个采样点,则如下图,可见波形基本恢复如初。这里用的SINC插值不是完全理想的,是截短了并加了窗的,目的是数字低通滤波,以去掉UpSampling(插值)可能带来的频率超过1/2原采样率的信号。



上面是从由离散的采样点来绘制(恢复/重构)时域连续波形图角度说的,44.1kHz其实是CD格式的采样率,通过DAC的0阶保持器输出后,再通过模拟低通滤波(重构滤波器),同样能几乎完美地恢复20kHz模拟信号。

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55
OTB| | 2017-2-9 20:37 | 只看该作者
对于音频信号来说。

就算功放的频率幅度特性都不关心幅度。

就更不用说音频放大的幅度了。

幅度问题通常由电位器决定。

从而人们不关心功放的幅度频率特性。

但是。

只有高速高精度才能保证更清晰纯正和正确的效果,交流稳态误差才更小。

那么对于采样的还原问题。

则更无需关心幅度问题了。

一个44K采样20K带宽的音频信号。

那么你可以认为可以完美还原。

着牙根不算什么。

即使只采集了20K信号中的2个点。

那么没有问题。

对于低通滤波器来说。

可以把20K采样的这2个点,用近似指数规律曲线表达。

不需要数字的插值算法。

仅仅低通滤波器就能够完成数字插值运算。

从而及时44K的采样音频频率,也可以获得足够的音质效果。

这是建立在人们只用电位器调节音量。

并乐此不疲的基础上。

一旦使用200K的采样音频频率。

那么其音质只好,必定比44K的好的不得了。

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56
OTB| | 2017-2-9 20:42 | 只看该作者
音频信号的带宽确定问题。

是一个严重问题。

人们当今仅仅就是把人们听不到20K以上声音定位带宽。

这显然是违反了闭环频率特性的带宽定义的。

尽管学术界对于带宽的认识是错误的。

对于音频信号来说。

如何测试频率特性?

没有音频的频率特性,谈何音频带宽为20K?

你有音频信号为20K带宽的幅度频率特性曲线吗?

如果没有就不能20K作为音频带宽。

这是一个简单的道理。

假如人们可以通过某种设备发出各种频率的音频信号。

通过MIC收集这个设备发出的从0~100Khz的音频信号。

得到了MIC的频率特性曲线。

其中幅度频率特性足够平坦,那么0.707倍的幅度就可以定义为带宽。

那么请问。

学生界对于音频带宽的定义。

是按照本大师的教导进行的吗?

答案显然是否定的。

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57
OTB| | 2017-2-9 20:49 | 只看该作者
显然。

毫无疑问。

学术界和教科书是使用喇叭作为音频输入频率特性测试设备的。

而喇叭的频率特性带宽才20K。

所以他们自然也不可能测试出比20K更高的频率。

因此学术界和教科书就自然地把20K的喇叭带宽当作音频带宽了。

这就是学术界和教科书把音频定义为20K带宽的真实情形。

谢谢大家! 

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58
OTB| | 2017-2-9 20:52 | 只看该作者
奉劝lz。

还是认真学习和领会本大师的教导叭!

你的教科书和“数学”。

是无法发现“带宽”问题。

也无法解释44K采样20K带宽信号的原理的。

你只要认真学习和领会本大师的教导。

那么你就会对于采样定律有一个正确的定性认识。

而且还完全可以指导你的实际工作。

从而不再犯错误。

要知道。

学术界把采样定律吹的再天花乱坠。

也无法达到本大师教导的程度的。

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59
OTB| | 2017-2-9 20:58 | 只看该作者
采样定律会经常失效。

这是人们实际工作中必定发现的问题。

即使在网上搜索一些。

你也必定会发现很多人对于采样定律的失效问题进行说明。

虽然他们不可能会解释。

因为只有本大师才能给出正确解释。

谢谢大家! 

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60
OTB| | 2017-2-9 21:50 | 只看该作者
Well。

采样定律是可以用小学数学解决的。

采样频率大于2倍的最高信号频率。

因为一个正弦波,频率最高的,也就是带宽频率。

只有当采样频率高于其最高频率的2倍的时候,才能保证正负半周个采集一个点。

因为采样恢复本质就是跟踪源输入的趋势。

所以要跟踪趋势,就必须有至少2个点才能决定一个趋势。

一个点无法决定变化趋势。

如果有3个采样点,那么没有问题,趋势问题就可以决定。

因为这就从小学数学方法证明了采样需要频率高于信号带宽的2倍。

事实上,通过小学数学方法就可以证明,采样频率大于等于信号带宽的2倍。

即使最高频率的正弦波,采集的正好是2个0幅度信号,也依然可以决定趋势。

是采样频率fs〉=2*BW,还是fs〉2*BW。

是考验一个人的概念正确与否的标准。

正确的fs是大于等于2*BW。

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cdzcdz1979 2017-4-3 23:07 回复TA
大师的语言充满逻辑的力量感!! 
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