奈奎斯特第一、第二、第三准则

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奈奎斯特第一准则是典中典的,但是对于第二、第三准则的分析、讨论,中文资料并不多。此处给出一些简要的总结和分析。

奈奎斯特第一准则

对于一个基带传输响应,接入信号为W(t)W(t),输出信号为V(t)V(t). 不考虑噪声和非线形响应,把收发滤波器和信道综合成H(s)H(s). 为讨论方便,把接入信号规定为冲击函数的随机序列

W(t)=k=Ikδ(tkTs) W(t)=\sum\limits_{k=-\infty}^\circ I_k\delta(t-kT_s)

则有奈氏第一准则:

H(f)={h0Tsef2πft0ffs/20f>fs/2 H(f)=\left\{\begin{array}{cc}h_0T_s e^{-f2\pi ft_0}&|f|\le f_s/2\\ 0&|f|>f_s/2\end{array}\right.

时,可以实现在抽样点无失真的传输条件,其中t0t_0为通道的群时延

H(f)H(f)的时域响应h(t)h(t)

h(t)=h0Sa[πfs(tt0)] h(t)=h_0Sa\left[\pi f_s(t-t_0)\right]

考虑输出V(t)V(t)在抽样点t=t0+iTt=t_0+iT的值

Vt=V(t0+iTx)=k=nIkh[t0+(ik)Tx] V_t=V(t_0+iT_x)=\sum\limits_{k=-n}^\infty I_k h[t_0+(i-k)T_x]

代入h(t)h(t)式,可得

Vi=Iih0 V_i=I_ih_0

可以看出,输出信号在第II时隙抽样点的值只取决于这个时隙码IkI_k本身的数值,而与其它时隙的码无关,这就是消除了码与码之间的串绕。此即奈氏第一准则的物理意义。

在实际应用中,奈氏第一准则指导了数字信号采样和重构的过程,有助于确保数字信号的质量和完整性。例如,在数字化媒体处理中,奈奎斯特第一准则用于确定数字化音频、视频和图像的采样率和带宽。若图形的采样分辨率(或是像素密度)不适当,可能会有混叠的情形。二维的混叠会形成莫列波纹。

fig1.png

奈奎斯特第二准则

奈奎斯特第二准则又称转换点无失真或称为无抖动准则。如果码元在从+A+AA-A,或从A-A+A+A的电平转换点处,如果转换点有失真,可以在零电平判决,从而可以无畸变的恢复出数字码元脉冲。

若输出信号在第nn时隙内有一个转换点,其准确位置为t=t0+nTsTs2t=t_0+nT_s-\dfrac{T_s}{2},即有:V(t0+nTsTs2)=0V(t_0+nT_s-\dfrac{T_s}{2})=0满足奈氏第二准则,代入冲激响应公式,可解得成立条件为

h(t0+iTsTs2)={h1,i=0,10,i0,1h(t_0+iT_s-\dfrac{T_s}{2})=\begin{cases}h_1&\quad,\quad i=0,1\\ 0&\quad,\quad i\neq0,1\end{cases}

可以证明,满足奈氏第二准则的理想滤波器的频率响应为

H(f)={2h0Tscos(2πfTs2),ffN0,f>fN H(f)=\left\{\begin{array}{cc} 2 h_0 T_s \cos \left(2 \pi f \frac{T_s}{2}\right), & |f| \leq f_N \\ 0, & |f|>f_N \end{array}\right.

其时域响应为

h(t)=h04cos(πfst)π(14fst2) h(t)=h_0\dfrac{4\cos(\pi f_s t)}{\pi(1-4f_s t^2)}

在实际的应用中,依据奈氏第二准则,有控制地在某些码元的抽样时刻引入码间干扰,而在其余码元的抽样时刻无码间干扰,就能使频带利用率达到理论上的最大值,同时又可降低对定时精度的要求。

奈奎斯特第三准则

奈奎斯特第三准则又称波形面积无失真准则。考虑第nn个时隙(nTsTs2,nTs+Ts2)\left(nT_s-\dfrac{T_s}{2},nT_s+\dfrac{T_s}{2}\right)中波形的面积

nTsnTs+Ts2V(t)dtk=IknTsTs2nTsTs2h(tkTs)dt \int_{nT_s}^{nT_s+\frac{T_s}{2}}V(t)dt-\sum_{k=-\infty}^\infty I_k\int_{nT_s-\frac{T_s}{2}}^{nT_s-\frac{T_s}{2}}h(t-kT_s)dt

tkTs=tt-kT_s=t',则有

nTsTs2nTs+Ts2V(t)dt=k=Ik(nk)TsTs2(nk)Ts+Ts2h(t)dt \int_{n T_s-\frac{T_s}{2}}^{n T_s+\frac{T_s}{2}} V(t) d t=\sum_{k=-\infty}^{\infty} I_k \int_{(n-k) T_s-\frac{T_s}{2}}^{(n-k) T_s+\frac{T_s}{2}} h\left(t^{\prime}\right) d t^{\prime}

iTsTs2iTs+Ts2h(t)dt={g0i=00i0 \int_{iT_s-\frac{T_s}{2}}^{iT_s+\frac{T_s}{2}}h(t)dt=\begin{cases}g_0&i=0\\ 0&i\neq0\end{cases}

则有

nTsTs2nTs+Ts2V(t)dt=Ing0 \int_{nT_s-\frac{T_s}{2}}^{nT_s+\frac{T_s}{2}}V(t)dt=I_n g_0

在第n个时隙中的波形面积只决定于该时隙码字的取值,而和其它时隙码字无关,波形面积无失真。

可以证明, 满足奈氏第三准则的滤波器,是一个对于矩形脉冲的输出响应满足无码间串绕(即满足奈氏第一准则)的滤波器。有其频率响应为

NIII(f)=NI(f)πTssinπfTs N_{III}(f)=N_I(f)\dfrac{\pi T_s}{\sin\pi f T_s}

在实际的应用中,由于一般的数字信号不可能是冲激响应,而是矩形脉冲。为了满足第一准则,大多时候都需要采用第三准则滤波器。