离散时间序列的内插算法(利用fft)

有些时候,为了后续处理更方便,我们需要对采集到的数据点进行内插处理,也就是所谓的增采样。本文就来讨论一下常用的几种内插算法。

利用FFT实现信号内插

我们的信号 x(t) 是个实信号,带宽有限,能量有限。x[n] =x(nΔ)和 x’[n]  =x(nΔ’)是对这个信号的两种采样,并且都满足采样定理的要求,也就是说信息并没有丢失。两次采样的采样率满足如下关系。

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也就是说第二种采样的采样率是第一种采样的采样率的倍。如果我们有了x’[n],那么很容易获得x[n]:

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但是反过来就不是那么容易了。下面就来推导如何在已知x[n]的情况下,计算出x’[n]。

设x[n]序列的长度为 Nx’[n]序列的长度为 M×N。那么这两个序列的频谱分别如下:

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同时,还有两个反变换公式:

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从上面的推导我们首先看出,技术分享,也就是通过这两个序列计算的频点是相同的。而这两个序列都满足乃奎斯特采样定律,因此对应的频谱上同频率的点的值应该是有关系的。而这个关系可以通过反变换公式来推导出。

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可以看出,如果,则 x[n] = x’[nM]。但是这样求得的x’[n] 会有许多元素是复数值。我们知道实数序列的傅立叶变换满足如下条件:技术分享。为了扩展后还满足这个条件,可以这样做。

 

N为奇数时:


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当 N为偶数时:


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这里要特别注意,N/2 那个元素需要分成两份,前后各放一半,只有这样变换后的结果才是对的。类似的处理在利用 FFT 计算离散解析信号时也会遇到。

下面给个scilab 的代码,scilab与 matlab 类似,数组下标从1开始,所以上面的的公式需要相应的修改一点。

function y = fft_interp(x, n)
    s = size(x);
    if s(1) == 1 then 
        nx = s(2);
        ny =  (nx) * n;
        s(2) = ny;
    else
        nx = s(1);
        ny =  (nx) * n;
        s(1) = ny;
    end    
    y = zeros(s(1), s(2));
    
    xx = fft(x);
    if (nx / 2) == int(nx / 2) then // 偶数
        s = nx/2;
        y(1:(1+s)) = xx(1:(1+s))
        y(ny-s+1:ny) = xx(nx-s+1:nx) 
        y(1+s) = y(1+s) / 2
        y(ny-s+1) = y(ny-s+1)/2
    else
        s = (nx - 1)/2;
        y(1:(1+s)) = xx(1:(1+s))
        y(ny-s+1:ny) = xx(s+2:nx)        
    end
    y = ifft(n*y)
endfunction


上面的代码只是示意性的,没有考虑计算效率一类的问题。实际应用的话,可以在这个基础上进一步优化。

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