为什么奈奎斯特频率在ñ2N2(或者⌊ñ2⌋⌊N2⌋) 的 DFT 值是多少X[ķñ/ 2-1]X[kN/2−1]

信息处理 离散信号 自由度
2022-01-29 11:23:41

对于 DFT 的定义,我们有

  • X[k]=n=0N1x[n]exp(2πinNk)

让我们为简化起见说N甚至。

然后

  • kN/21=N2被认为是奈奎斯特频率
  • X[kN/21]=0

上述两个陈述的直觉和数学原因是什么?

我可以看到,对于每个值k复杂的正弦波越来越快,在某些时候它们太快了,我们得到了混叠效果。复正弦波的采样率可以解释为1NN基本等于基本周期x[n]

4个回答

奈奎斯特垃圾箱X[N/2](即使N) 对于实值序列是实值的x[n],但一般不等于零。它是由

X[N/2]=n=0N1x[n]ejπn=n=0N1x[n](1)n

因此,您只需更改每隔一个时域样本的符号,然后计算总和。该值可以为零,但不需要为零。

频率指数N/2对应于奈奎斯特(甚至N) 因为相关的复指数具有最大频率,即它是一个等幅的交替序列:

ej2πnNN2=ejπn=(1)n

@OuttaSpaceTime 回答您评论中的问题:对于偶数 N 点 DFT,与 k = N/2 DFT bin 相关的频率为​​ Fs/2,其中 Fs 是以赫兹为单位测量的数据采样率。

@OuttaSpaceTime,当我们执行 N 点 DFT 时,我们同时计算输入信号与 N 个不同的复指数序列的 N 个相关性。所以,问问自己:这些复指数的频率是多少?即第k个复指数的N个样本绕圆旋转多少次(第k个复指数的N个样本旋转两个pi弧度的角度多少次)?

在 N 个样本上,围绕一个圆的 k=1 复指数循环一次。它的“循环”频率为 1*Fs/N = Fs/N Hz,其中 Fs 是以赫兹为单位测量的数据采样率。

在 N 个样本上,围绕一个圆圈的 k=2 个复指数循环两次。它的“循环”频率为 2*Fs/N Hz

最后的 k=N-1 个复指数循环围绕一个圆 N-1 次,超过 N 个样本。它的“循环”频率为 (N-1)*Fs/N Hz

所以我们可以说,第 k 个 DFT bin 的复指数频率为 k*Fs/N Hz。

为了证实我在这里的主张,可以将 DFT 视为一组复值带通滤波器。也就是说,如果您有 x(n) 个输入样本的长序列,您可以对 x(0)-thru-x(N-1) 个输入样本执行 N 点 DFT,并保留 X(k) 个样本和将其指定为“R”序列的第一个样本。接下来,对 x(1)-thru-x(N) 个样本执行 N 点 DFT,并保留 X(k) 个样本并将其指定为“R”序列的第二个样本。然后对 x(2)-thru-x(N+1) 个样本执行 N 点 DFT,并保留 X(k) 个样本并将其分配为“R”序列的第三个样本。等等。

您计算的“R”序列是中心频率为 k*Fs/N Hz 的复值带通滤波器的输出。(该带通滤波器的频率幅度响应本质上是 sin(x)/x。)

不,逆 DFT 定义中的 1/N 因子与 DFT 的“频率”概念完全无关。

在信号处理中,“频率”的概念是比率angular changea time interval. 在 DSP 中,频率通常以radianssample time, 要不就 radianssample其中“sample”是信号样本之间的持续时间。在 DFT 中,我们将复指数指定为ej2πkn/N以弧度/样本测量。那么......,我们的“角度变化”和“时间间隔”值(什么是“频率”)是什么?ej2πkn/N复指数?

在我们的ej2πkn/N复指数角度变化2πk/N每个样本的弧度和样本之间的持续时间是1/Fs秒。所以我们的复指数有一个频率angular changea time interval=2πk/N1/Fs=2πkFs/N弧度每秒。我们的 DFT 复指数的频率以每秒周期为单位测量是2πkFs/N2π=kFs/N赫兹。