快速傅立葉轉換與譜方法

奈奎斯特頻率(Nyquist frequency)

/ NYE-kwist /

如果你每小時才看一次時鐘,你能判斷時針在動,卻無望追蹤秒針——它在你兩次瞥視之間轉了好多圈。取樣有同樣的天花板:你觀看的速率為你能追蹤的最快擺動設下硬性上限。奈奎斯特頻率就是這個天花板——給定取樣率所能誠實表示的最高頻率。

若你以每秒 f_s 個樣本取樣,奈奎斯特頻率正好是 f_s / 2。原因很直觀:要捕捉一個振盪,每個週期至少需要兩個樣本——一個抓波峰、一個抓波谷——所以你能鎖定的最快週期每兩個樣本重複一次,即每秒 f_s / 2 個週期。在長度為 N 的 DFT 中,這對應到中間格點、索引 N/2,是資料所能表示的最快樣式(交替的 +1, -1, +1, -1...)。每個從 0 到 f_s / 2 的真實頻率都映到自己的 DFT 格點;任何更快的頻率無處可去,反而折疊回 f_s / 2 之下成為別名,這也是奈奎斯特頻率又稱折疊頻率的原因。

奈奎斯特頻率是每一台數位化裝置背後的實用設計數字。以 44.1 kHz 取樣的音訊,奈奎斯特極限為 22.05 kHz,剛好高於人耳聽覺;以 1000 Hz 取樣的醫療感測器只能忠實回報到 500 Hz 的節律。配套規則是奈奎斯特「率」——你必須使用的最低「取樣」率(現存最高頻率的兩倍)以避免混疊——這是同一個數字從另一面看。工程師通常取樣得穩穩高於它並加上抗混疊濾波器,因為內容恰落在奈奎斯特上的訊號處於邊緣、容易被破壞。

CD 以 44,100 Hz 取樣,所以其奈奎斯特頻率為 22,050 Hz——選來剛好高於人耳約 20,000 Hz 的上限。低於 22,050 Hz 的頻率被乾淨地捕捉;高於此者在取樣前由抗混疊濾波器移除,使其無法折疊進可聽頻帶。

取樣率的一半,就是可表示頻率的硬性天花板。

實務上以恰好兩倍頻率取樣並不夠:一個正弦波若恰在其過零點取樣,讀出來全是零。取樣定理要求取樣率「嚴格大於」最高頻率的兩倍,並留有餘裕。

又称
folding frequencyhalf the sampling rate奈奎斯特極限折疊頻率