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如何最小化混叠效应?

更新时间:2025-01-09 工作计划 版权反馈
【摘要】:既然信号可能存在混叠,怎样才能最小化混叠或者消除混叠呢?初看起来,如果信号中没有高于奈奎斯特频率的频率成分,那么则不存在混叠。这要求采样频率极高,使得实际信号都位于奈奎斯特频率以下。实际情况是任何滤波器都不是理想的滤波器,抗混叠滤波器也不例外。当信号还有高于奈奎斯特频率的成分存在时,按采样定理设置采样频率时,带宽的80%以上频带则存在混叠,如图3-35所示框住区域即遭受了频率混叠的影响。

既然信号可能存在混叠,怎样才能最小化混叠或者消除混叠呢?初看起来,如果信号中没有高于奈奎斯特频率的频率成分,那么则不存在混叠。这要求采样频率极高,使得实际信号都位于奈奎斯特频率以下。但这不总是实用和可能的,因为,你永远不知道真实信号的频率成分。另一个方面,虽然采样频率极高可以在一定程度上避免混叠,但这样会导致出现大的数据文件,同时,最高采样频率受数据采集设备的限制。

另外,采样定理只保证了信号不被歪曲为低频信号,即使高的采样频率也不能保证不受高频信号的干扰,如果传感器输出的信号中含有比奈奎斯特频率还高的频率成分存在,ADC同样会以所选采样频率加以采样,使高于奈奎斯特频率的频率成分混入分析带宽之内。

故在采样前,应把高于奈奎斯特频率成分以上的频率滤掉,这就需要抗混叠滤波器,它是一个低通滤波器:低于奈奎斯特频率的频率通过,移除高于奈奎斯特频率的频率成分,这是理想的滤波器,如图3-34a所示。

实际情况是任何滤波器都不是理想的滤波器,抗混叠滤波器也不例外。滤波器存在滤波陡度,在滤波截止频率(奈奎斯特频率)以上的一些区域还存在混叠的可能性,这个区域对应带宽的80%以上部分,也就是带宽的80%~100%区域。如图3-34b所示,高于奈奎斯特频率以上的频率成分会关于奈奎斯特频率镜像到带宽的80%~100%区域,形成混叠,而带宽80%以内的区域,是无混叠的。

如果信号中没有高于奈奎斯特频率的成分存在,则整个带宽都不存在混叠。当信号还有高于奈奎斯特频率的成分存在时,按采样定理设置采样频率时,带宽的80%以上频带则存在混叠,如图3-35所示框住区域即遭受了频率混叠的影响。由于带宽以上还有信号存在,因此,这些频率关于带宽镜像到了带宽以内。(www.xing528.com)

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3-34 滤波器特征

a)理想滤波器 b)实际滤波器

通过这一部分的分析可知,即使使用抗混叠滤波器,在带宽的80%以上的频率区间还可能存在混叠,如要整个频带都无混叠,则采样频率至少高于信号频率的2.5倍以上。

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