Интерполяционная формула Уиттекера — Шеннона

Интерполяционная формула Уиттекера — Шеннона служит для восстановления непрерывного сигнала с ограниченным спектром из последовательности равноотстоящих отсчётов.

Интерполяционная формула, как её обычно называют, восходит к работе

. Также интерполяционную формулу обычно называют интерполяционной формулой Шеннона, или интерполяционной формулой Уиттекера.

Теорема отсчётов

гласит, что при некоторых ограничивающих условиях функция ${\displaystyle x(t)}$ может быть восстановлена из её дискретизации, ${\displaystyle x[n]=x(nT)}$, согласно интерполяционной формуле Уиттекера — Шеннона:

${\displaystyle x(t)=\sum _{n=-\infty }^{\infty }x[n]\cdot \mathrm {sinc} \left({\frac {t-nT}{T}}\right),}$

где ${\displaystyle T=1/f_{s}}$ — период дискретизации, ${\displaystyle f_{s}}$ — частота дискретизации, ${\displaystyle \mathrm {sinc} \,x}$ — нормализированная

sinc-функция

.

Есть два граничных условия, которым должна удовлетворить функция ${\displaystyle X(t)}$, для того чтобы выполнялась интерполяционная формула:

1. ${\displaystyle x(t)}$ должно быть ограничено. Преобразование Фурье для функции ${\displaystyle x(t)}$ должно обладать следующим свойством: ${\displaystyle {\mathcal {F}}\{x(t)\}=X(f)=0}$ для ${\displaystyle |f|>B}$, где ${\displaystyle B>0}$.
2. Частота дискретизации ${\displaystyle f_{s}}$ должна по крайней мере более чем в два раза превышать диапазон частот, ${\displaystyle f_{s}>2B}$, или что эквивалентно:

${\displaystyle T<{\frac {1}{2B}},}$

где ${\displaystyle T}$ — период дискретизации.

Интерполяционная формула воссоздаёт оригинальный сигнал ${\displaystyle x(t)}$ только тогда, когда эти два условия будут выполнены. В противном случае возникает наложение высокочастотных компонентов на низкочастотные —

.

Интерполяционная формула выведенная в

:

${\displaystyle x(t)=\left(\sum _{n=-\infty }^{\infty }x[n]\cdot \delta (t-nT)\right)*\mathrm {sinc} \left({\frac {t}{T}}\right).}$

Это эквивалентно фильтрации «гребёнкой» Дирака с помощью идеального низкочастотного фильтра.

Интерполяционная формула всегда сходится, конечно и локально равномерно при условии:

${\displaystyle \sum _{n\in \mathbb {Z} ,\;n\neq 0}\left|{\frac {x[n]}{n}}\right|<\infty .}$

Неравенство Гёльдера считается выполненным, если последовательность ${\displaystyle \{x[n]\}_{n\in \mathbb {Z} }}$ принадлежит к любому из ${\displaystyle \ell ^{p}(\mathbb {Z} ,\;\mathbb {C} )}$-

, где ${\displaystyle 1<p<\infty }$, что эквивалентно условию:

${\displaystyle \sum _{n\in \mathbb {Z} }|x[n]|^{p}<\infty .}$

Это условие достаточно, но не необходимо.

Если ${\displaystyle \{x(n)\}}$ — бесконечная последовательность отсчётов дискретной функции в широком смысле стационарного процесса, и она не является членом любого ${\displaystyle \ell ^{p}}$ или ${\displaystyle L^{p}}$-пространства, с вероятностью 1; то сумма этих отсчётов, возведённых в степень ${\displaystyle p}$, не принимает конечного ожидаемого значения. Несмотря на то, что интерполяционная формула сходится с вероятностью 1. Сходимость легко может быть показана путём расчёта разницы в ограниченных условиях суммирования, и свидетельствует о том, что разницу можно сделать сколь угодно малой при выборе достаточного количества условий. Если этот процесс отличен от нуля, тогда пары условий должны быть учтены таким образом, чтобы показать, что ожидаемое значение из ограниченных выражений сходится к нулю.

Поскольку случайный процесс не имеет

. Достаточным условием сходимости к дискретной функции от этого процесса является то, что спектральная плотность равна нулю на всех частотах, больше либо равных половины дискретизации.