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奈奎斯定理

奈奎斯特定理(Nyquist Theorem),又稱為奈奎斯特-香農採樣定理,是信號處理領域中的一項基本原理。它規定了為了能夠完全準確地還原出原始信號,即使是在離散時間下進行採樣和再構建,都需要滿足一定的條件。具體來說,奈奎斯特定理的核心思想是,一個信號的最高頻率成分所確定的最小抽樣頻率,應當至少是這一最高頻率成分的兩倍,才能夠完全準確地還原出原始信號。如果採樣頻率低於這一最小值,就會出現混疊(aliasing)現象,導致信號的失真。

奈奎斯特定理的數學表達為,對於連續時間信號x(t),其頻譜範圍為[-B, B],則根據奈奎斯特定理,對x(t)進行採樣時,採樣頻率Fs不應小於2B。當採樣頻率滿足Fs ≥ 2B時,採樣後的頻譜不會產生混疊現象,可以完全包含原始信號的頻譜信息。而當採樣頻率低於2B時,原信號的高頻成分將會混疊到低頻區域,導致頻譜信息的丟失和信號失真。

奈奎斯特定理的重要性在於它為數位訊號處理通信系統的設計提供了基本原則。在現代通信系統中,幾乎所有的模擬信號都需要經過模數轉換(A/D轉換)轉換成數位訊號,然後再進行數位訊號的處理、傳輸和解調。而奈奎斯特定理為這一系列過程提供了嚴格的理論基礎。合理選擇採樣頻率和濾波器設計,可以保證信號在數字領域的準確表示,並且能夠在解調時完美還原原始信號。