audio 之 奈奎施特采樣定律


奈奎施特Nyquist定律

在涉及到audio采樣率的理解時提到根據奈奎斯特理論,采樣頻率只要不低於音頻信號最高頻率的兩倍,就可以無損失地還原原始的聲音。

百度百科:在進行模擬/數字信號的轉換過程中,當采樣頻率fs.max大於信號中最高頻率Fmax(指低通的,帶通的或者高通的有其他的轉換方式)的2倍時,即:fs.max>=2Fmax,則采樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息,就是可以不失真的恢復出原始的模擬信號。一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的5~10倍;采樣定理又稱奈奎斯特抽樣定理

簡單理解:

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對於一個標准的正(余)弦波, 當采樣頻率大於正(余)弦波的兩倍,就會有兩個及以上的采樣點,通過得到的采樣點即可還原波形;

疑問:聲波是連續的幅值不斷變化的機械波形,並非頻率,幅值固定的波形,如何符合這個定律?如下圖一個聲音在時域上的波形。

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這就涉及到另一個知識點,傅里葉變換:任何周期函數,都可以看作是不同振幅,不同相位正弦波的疊加 (一定區域內的聲波無周期性,可以理解為整個區域為一個周期)

傅里葉變換:

傅里葉變換的核心是從時域到頻域的變換,而這種變換是通過一組特殊的正交基來實現的。

時域:

時域是描述一個數學函數或物理信號對時間的關系,這也是我們日常中最容易直觀感受的一種域。比如速度,電流,功率等;

頻域

頻域是描述頻率所用到的空間或者說坐標系

以矩形波的疊加為例:(圖片轉自: https://zhuanlan.zhihu.com/p/19763358 Heinrich)

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最前面黑色的線就是所有正弦波疊加而成的總和,也就是越來越接近矩形波的那個圖形。

而后面依不同顏色排列而成的正弦波就是組合為矩形波的各個分量。

這些正弦波按照頻率從低到高從前向后排列開來,而每一個波的振幅都是不同的,這些振幅值所構成的內容即是頻域上的數據;如下圖:

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實際上它就是前面波形 從側邊方向上的投影;整體圖像如下:

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動態圖如下:

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簡單的理解:聲波可以看作是不同振幅,不同相位正弦波的疊加,結合奈奎斯特定律,只需要采樣率大於兩倍的聲波中最大的頻率,既可以還原;

傅里葉變換的內容很豐富,這里只是簡單理解其在音頻上的一個應用; 可以結合:如何理解傅里葉變換? 進一步了解;


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