奈奎斯特频率(英语:Nyquist frequency)是离散信号系统采样频率的一半,因瑞典裔美国工程师哈里·奈奎斯特(Harry Nyquist)或奈奎斯特-香农采样定理得名。
采样定理指出,只要离散系统的奈奎斯特频率高于被采样信号的最高频率或带宽,就可以避免混叠现象。
从理论上说,即使奈奎斯特频率恰好大于信号带宽(但不可相等),也足以通过信号的采样重建原信号。但是,重建信号的过程需要以一个低通滤波器或者带通滤波器将在奈奎斯特频率之上的高频分量全部滤除,同时还要保证原信号中频率在奈奎斯特频率以下的分量不发生畸变,而这是不可能实现的。
在实际应用中,为了保证抗混叠滤波器的性能,接近奈奎斯特频率的分量在采样和信号重建的过程中可能会发生畸变。因此实际应用中信号带宽并不能无限接近奈奎斯特频率,具体的情况要看所使用的滤波器的性能。
例如,CD音频信号的采样频率为44100 Hz,那么它的奈奎斯特频率就是22050 Hz,这是CD音频数据所能表现的最高频率。如果选择的抗混叠滤波器(此处为低通滤波器)的过渡带宽为2000 Hz,这种情况下的截止频率最高只能为20050 Hz,而高于20050 Hz的信号能量都会被滤除。
需要注意的是,奈奎斯特频率必须严格大于信号包含的最高频率。如果信号中包含的最高频率恰好为奈奎斯特频率,那么在这个频率分量上的采样会因为相位模糊而有无穷多种该频率的正弦波对应于离散采样,因此不足以重建为原来的连续时间信号。
奈奎斯特频率稳定性判据
代数稳定性判据可用来判别系统的稳定性,但它很难判别系统稳定或不稳定的程度,也很难知道系统中的各个参数对系统稳定性的影响。H. Nyquist于1932年提出的频率稳定性判据是对系统在频率域的稳定性的分析,又称为奈奎斯特( Nyquist)判据。
这个判据是由系统开环频率特性来判断闭环系统的稳定性,因此可以不求闭环系统的特征方程,就可以知道系统是否稳定,同时还可以得知系统的相对稳定性以及改善系统稳定性的途径。所以,这个判据在控制工程中得到了广泛的应用。
奈奎斯特稳定性判据是用开环频率特性的 Nyquist图来判别闭环系统的稳定性,它是判别系统稳定性的图解法。因此,也可以说是一种几何判据。
根据脉冲多普勒法原理,每次发射短脉冲后的时间间隔必须足够长,即脉冲重复频率(PRF)必须足够低,才能保证有足够的时间接受和处理回声波,否则将引起识别上的混乱。这就限制了采样的最大深度Dmax。PRF越高,Dmax就越小;反之,Dmax就愈大。即。
D=C/2PRF PRF=C/2D。
为了达到不发生混叠的目的,所探查的多普勒频移fd与PRF、Dmax和C之间应满足下列条件:
Dmax<C/2PRF;PRF>2fd。
于是,又决定了最大可探查速度Vmax。
Vmax=PRF•C/4 f0cosθ=C2/8 f0Dcosθ。
从上述公式可知,探查深度D、探头使用频率f0和血流与声束的夹角θ确定后,所允许接收的最大频移值(fdmax)也就确定了。将此值称为尼奎斯特(Nyquist)极限频率,即:
fdmax=PRF/2。
当fdmax大于PRF/2时,一方面Doppler频谱出现混叠、折返或模糊频率伪差,另一方面,超出最大测量深度的多普勒信号回声出现在本来不应该有多普勒回声的表浅部位,这种现象称为模糊范围。
奈奎斯特图如下:
大致形状分析: w=0时,无积分起始于正实轴1;二阶无阻尼相角是在频率1处变化,所以w<1时二阶的相角为0;w趋向于1时,s+1的相角为-45度,所以当w趋向于1时,奈奎斯特曲线沿-45度方向趋向于无穷大。约w<0.3时惯性的相角也不大。
w=1+时,幅值无穷大,相角-180-45=-225度;w不太大时幅值就很小了,最后相角-270。
总结:曲线从1点出发,略微向下一点,然后拐向-45方向趋于无穷远。w=1+时,-225度趋向无穷远,w无穷大时趋向原点,方向-270度,这段应该接近直线,原点附近角度才变化。在w=1相角突变-180度。
手绘N图的一般方法如下:
计算Nyquist图的起点(ω=0)和终点(ω→∞)的模、辐角、实部和虚部;
计算特殊点坐标(包括与实轴交点、与虚轴交点、渐近线等);
根据所得点、渐近线辅助线等作出近似图,由于开环奈奎斯特图用于系统分析时不需要准确知道渐近线的位置,故一般取渐近线为坐标轴即可。
奈奎斯特(Nyquist)推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式:。
理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud (3-1)。
这里W是理想低通信道①的带宽,单位为赫(Hz);。
Baud是波特,是码元传输速率的单位,1波特为每秒传送1个码元.。
式(3-1)就是著名的奈氏准则.奈氏准则的另一种表达方法是:每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元.。
奈奎斯特曲线(Nyquist):极坐标下的频响函数曲线。应用于自动控制理论的闭环控制稳定性判断。
根据闭环控制系统的开环频率响应判断闭环系统稳定性的准则,美国学者H.奈奎斯特1932年所提出。控制系统在断开反馈作用后所定出的频率响应称为开环频率响应。奈奎斯特稳定判据本质上是一种图解分析方法,且开环频率响应容易通过计算或实验途径定出,所以它在应用上非常方便和直观。奈奎斯特稳定判据只能用于线性定常系统。在经典控制理论中,奈奎斯特稳定判据主要用于分析单变量系统的稳定性。在此基础上形成的频率响应法是经典控制理论的主要分析和综合方法之一。70年代以来,奈奎斯特稳定判据已被推广应用于多变量系统(见多变量频域方法)。