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第5章 信号的抽取与插值
5.1前言
至今,我们讨论的信号处理的各种理论、算法及实现这些算法的系统都是把抽样频率视为恒定值,即在一个数字系统中只有一个抽样率。但是,在实际工作中,我们经常会遇到抽样率转换的问题。一方面,要求一个数字系统能工作在“多抽样率(multirate)”状态,以适应不同抽样信号的需要;另一方面,对一个数字信号,要视对其处理的需要及其自身的特征,能在一个系统中以不同的抽样频率出现。例如:
1. 一个数字传输系统,即可传输一般的语音信号,也可传输播视频信号,这些信号的频率成份相差甚远,因此,相应的抽样频率也相差甚远。因此,该系统应具有传输多种抽样率信号的能力,并自动地完成抽样率的转换;
2. 如在音频世界,就存在着多种抽样频率。得到立体声声音信号(Studio work)所用的抽样频率是48kHz,CD产品用的抽样率是44.1kHz,而数字音频广播用的是32kHz[15]。
3. 当需要将数字信号在两个具有独立时钟的数字系统之间传递时,则要求该数字信号的抽样率要能根据时钟的不同而转换;
4.对信号(如语音,图象)作谱分析或编码时,可用具有不同频带的低通、带通及高通滤波器对该信号作“子带”分解,对分解后的信号再作抽样率转换及特征提取,以实现最大限度减少数据量,也即数据压缩的目的;
5. 对一个信号抽样时,若抽样率过高,必然会造成数据的冗余,这时,希望能在该数字信号的基础上将抽样率减下来。
以上几个方面都是希望能对抽样率进行转换,或要求数字系统能工作在多抽样率状态。近20年来,建立在抽样率转换理论及其系统实现基础上的“多抽样率数字信号处理” 已成为现代信号处理的重要内容。“多抽样率数字信号处理” 的核心内容是信号抽样率的转换及滤波器组。
减少抽样率以去掉过多数据的过程称为信号的“抽取(decimatim)”,增加抽样率以增加数据的过程称为信号的“插值(interpolation)。抽取、插值及其二者相结合的使用便可实现信号抽样率的转换。
滤波器组,因名思义,它是一组滤波器,它用以实现对信号频率分量的分解,然后根据需要对其各个“子带”信号进行多种多样的处理(如编码)或传输,在另一端再用一组滤波器将处理后的“子带”信号相综合。前者称为分析滤波器组,后者称为综合滤波器组。
我们将在本章详细讨论抽样率转换的方法,在第6、第7及第8三章讨论滤波器组问题。
5.2信号的抽取
设,欲使减少M倍,最简单的方法是将中每M个点中抽取一个,依次组成一个新的序列,即
n=-??+? (5.2.1)
现在我们证明,和的DTFT有如下关系:
(5.2.2)
证明: 由(5.2.1)式,的变换为
(5.2.3)
为了导出和之间的关系,我们定义一个中间序列:
(5.2.4)
注意,的抽样率仍示,而的抽样率是。、及如图5.2.1(a),(b)和(c)所示,抽取的框图如图(d)所示。图中符号 表示作M倍抽取。
由该图,显然 ,这样,有
即 (5.2.5)
现在的任务是要找到和之间的关系。
令为一脉冲序列,它在M的整数倍处的值为1,其余皆为零,其抽样频率也为。由1.8节的Possion和公式及DFS的理论,又可表示为:
, (5.2.6)
因为,所以:
即:
(5.2.7)
将该式代入(5.2.5)式,有
(5.2.8)
令代入此式,即得(5.2.2)式,证毕。
(5.2.8)式又常写成如下形式
(5.2.9)
↓
↓M
图5.2.1信号抽取示意图,M=3, 横坐标为抽样点数
原信号,,抽取后的信号,(d)抽取的框图
(5.2.2)式的含意是,将信号作M倍的抽取后,所得信号的频谱等于原信号的频谱先作M倍的扩展,再在轴上作()的移位后再迭加。如图5.2.2的(a),(b),(c),(d)及(e)所示。
图5.2.2 信号抽取后频谱的变化, 图中
由抽样定理,在由抽样变成时,若保证,那么抽样的结果不会发生频谱的混迭。对作M倍抽取得到,若保证由重建出,那么,的一个周期()也应等于的频谱。这就要求抽样频率必须满足。图5.2.2正是这种情况。图中的频谱限制在内,而又正好作M=3的抽取,因此中没有发生频谱的混迭,如图(e)所示。
但是,如果的条件不能得到满足,那么中将发生混迭,因此也就无法重建出。如图5.2.3(a)所示,的频谱在的范围内仍有值,因此,即使作M=2倍的抽取,也必然发生混迭,如图(b)所示。
由于M是可变的,所以很难要求在不同的M下都能保证。为此,防止抽取后在中出现混迭的方法是在对抽取前先作低通滤波
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