Amostragem de sinais e teorema de Nyquist

Defina uma frequência de sinal e uma taxa de amostragem para ver se o sinal é capturado fielmente ou sofre aliasing.

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Duas frequências diferentes podem deixar amostras idênticas 🖖

A amostragem só funciona quando a taxa de amostragem captura a oscilação mais rápida presente. Se fs < 2 fsinal, frequências contínuas diferentes produzem amostras idênticas, e a reconstrução se fixa em uma frequência de alias falsa mais baixa.

Pelo menos dois pontos por onda 🖖

Para fixar uma onda é preciso captá-la subindo e descendo: pelo menos duas amostras em cada ciclo. Com menos, esses mesmos pontos poderiam pertencer a muitas ondas diferentes e a cópia digital adivinha errado. O áudio de CD usa 44,100 amostras por segundo porque a audição humana chega a cerca de 20 kHz, e 2 × 20 kHz deixa uma margem confortável.

Por que as rodas giram ao contrário no cinema 🖖

O efeito roda de carroça é o Nyquist no mundo visível. Uma câmera de cinema amostra o movimento a 24 quadros por segundo; se uma roda com raios gira um pouco menos que o vão entre raios entre dois quadros, cada tomada fica um pouco atrás da anterior e o olho vê a roda girando devagar para trás. A mesma matemática do aliasing de áudio: a taxa de quadros é a taxa de amostragem, e uma rotação rápida se dobra numa falsa rotação lenta.

Problema resolvido na íntegra

  1. A regra dos 6 dB por bit e o 1,76 isolado para um conversor de 8 bits 5 passos

    Deduza a regra dos 6 dB por bit de raiz para um conversor de 8 bits — de onde vem o 1,76 isolado? — e depois diga o que ela não promete.

    1. O arredondamento para o nível mais próximo deixa um erro não superior a meio passo e, num sinal complexo, esse erro distribui-se uniformemente pelo intervalo. A sua variância é o integral de e² sobre uma distribuição uniforme.

    2. O sinal de referência é uma senoide que preenche toda a gama de entrada, pelo que a sua potência é metade do quadrado da sua amplitude.

    3. Divida os dois. A gama de fundo de escala cancela-se, razão pela qual o resultado é uma função pura do número de bits e não da tensão.

    4. Aplique logaritmos. O 6,02 é 20 log₁₀2 — um bit duplica o número de níveis — e o 1,76 é o 3/2 restante da linha anterior.

    5. Calcule para 8 bits, depois para 16. Cada bit adicional vale um pouco mais de 6 dB, pelo que os oito bits adicionais do áudio de CD compram 48 dB.

    Resposta

    49,92 dB, e o 1,76 é 10 log₁₀(3/2). É a razão entre o valor médio quadrático de uma senoide e a variância do erro uniforme do quantizador, e é a única parte da fórmula que não é apenas uma contagem de bits. Note-se o que nunca aparece: a frequência de amostragem. Um conversor de 24 bits a funcionar a 8 kHz tem 146 dB de resolução em amplitude e, ainda assim, não consegue representar um tom de 5 kHz — os bits compram precisão vertical, a frequência de amostragem compra largura de banda, e nenhuma quantidade de um substitui o outro. É por isso que os dois seletores deslizantes nesta página são eixos genuinamente independentes, em vez de duas maneiras de dizer "qualidade".

Referências (2)

Problemas de exemplo