Теорему Котельникова я уже вскользь упоминал в статьях про интерполяцию и синтез гитарного звука. Сегодня чувствую в себе силы углубиться в тему по-полной, буквально нырнуть с головой.
Чтобы никого не обидеть, теорему эту называют теоремой Котельникова — Найквиста — Уиттакера — Шеннона, или попросту теоремой отсчётов (the Sampling theorem). Она считается одним из важнейших результатов теории информации.
Формулировка достаточно простая:
Если аналоговый сигнал не содержит в своем спектре частот выше Fmax
, то его можно идеально точно восстановить по дискретным отсчётам, взятым равномерно с частотой строго большей 2·Fmax
.
Даже если вы не имеете никакого отношения к обработке сигналов, очень может быть, что вам знакома фраза “CD quality 44100 Hz”. Имеется в виду, что на компакт-дисках звук хранится в виде дискретных отсчётов, по 44100 штук на секунду. А это, согласно озвученной теореме, означает что “на CD можно идеально записать звук с частотой до 22050 Гц”, что вполне себе хорошо, так как слышимый человеком диапазон укладывается в эти рамки.
Казалось бы, всё отлично, что тут ещё обсуждать. Но у меня возник ряд вопросов:
Ограниченность по частоте — так ли это просто, как кажется на первый взгляд?
Как именно предполагается восстанавливать сигнал, чтобы получилось “идеально точно”?
Что будет, если в оцифровываемом сигнале окажутся частоты равные или превосходящие допустимую половину частоты дискретизации? Они проигнорируются, или произойдет что-то другое?
В процессе поиска ответов я углублялся в детали, а оттуда сверкал глазами скрывающийся в них дьявол.
Должен предупредить, будет много страшной математики…
Читать далее ▸