硬件设计14---什么是预加重与去加重技术？

时间：2018.3.12  作者：Tom   工作：HWE 说明：如需转载，请注明出处。 说明：如需转载，请注明出处。

在信号传输过程中，信号不同，频率成分有不同的衰减度，导致最后得到的信号失真。为了在接收终端能得到比较好的波形，就需要对受损的信号进行补偿，常用的补偿技术有：预加重、去加重和均衡。这里介绍这三种信号补偿技术。

由于在信号通路中，相对于低频分量，信号的高频分量有很大的衰减。均衡的作用就是在接收端口对信号处理，根据信号经过的基板的衰减特性，将信号的高频成分适当增强，这样就可以得到低频成分与高频成分被"均衡"到一个水平的信号，增强了发送到接收端口信号的传输速度与传输距离。相对于均衡，预加重作用在信号的发送端，其根据信号即将经过的衰减通道，提前增强信号的高频分量，经过这样的处理，信号经过信号通道之后，经过一个高频成分的衰减，最后接收端口接受到完整的信号。在信号发送端口，还可以通过―去加重的方法，将信号的低频成分衰减，由此应对信号通路中高频成分的衰减。相对于预加重的方法，去加重将信号的能量衰减，使信号的幅度降低，造成后级电路模块识别信号的困难。因此，在现实应用中，会更多的选择预加重的方法。

那好，我们这里需要着重讲解另一个重要概念----De-emphasis.首先，经常看到这个词，每次看到，表面的感觉就是去重。但不知道什么意思，什么是去重？为什么需要去重？明白这个概念，与De-emphasis对应，必须要知道什么是预加重Pre-emphasis以及为什么需要预加重和去加重技术呢？？

这两个概念都是在模拟信号的处理中的噪声整形技术。所谓的预加重就是指在信号发出去之前，先对模拟信号的高频分量进行适当的提升。在收到信号之后再对信号进行逆处理，即去加重，对高频信号进行适当的衰减。

这时候有个疑问？为什么要加重高频信号呢？是因为许多实际的信号，例如语言、音乐等，他们的功率谱随频率的增加而减小，其大部分能量集中在低频范围，这就造成消息信号高频端的信噪比可能降到不能容许的程序。

了解了信噪比，我们可以知道，我们的信号能量集中在低频，高频能量比较低，一般来说我们信号周围高频干扰比较多，噪声比较高，这样信噪比就非常小，这不是我们需要的结果。在百度搜索的过程中，我发现一个文档讲的非常好，不过是英文文档，在下面贴出来。

http://www.daenotes.com/electronics/communication-system/pre-emphasis-and-de-emphasis。

http://blog.csdn.net/wordwarwordwar/article/details/52961737。

1.Pre-emphasis

音频的预加重就是指在2~15kHz增加高频分量的电压幅值。

2.De-emphasis

去加重指预加重频率范围内衰减相应的幅值。

需要说明的是预加重是在信号发射机中完成的，而去加重是在接收机中完成的。目的是为了提高信噪比，在RC和L/Z的预加重和去加重的网络中，有一个75us的时间常量。

3.Pre-emphasis circuit

在发射机中，调制信号通过一个简单的网络来增加高频分量的幅值，下面是一个简单的高通滤波器。

需要说明的是时间常量t=75us=RC。改变电阻和电容的值可以满足75us的时间常量。这样一个滤波电路的截止频率使2122Hz，这意味着高于2122Hz的频率的幅值将被线性的提高。输出的信号幅值的增量均增加6dB，这样相对噪声来说，高频的幅值要大得多，增加了信噪比。这样信号的保真度比较高。

预加重电路通常还有个上限截止频率，超过上限频率幅值不在呈线性增长，而是保持水平。上限截止频率的计算公式为：

一般情况下，我们需要让上限截止频率高于我们的音频频率范围，例如30kHz。

4.De-emphasis circuit

为了让我们预加重的信号编程我们的普通信号，在接收机中使用了去加重网络，这是一个简单的低通滤波电路，时间常数为75us，下截止频率为2122Hz，大于2122Hz的信号将会造成6dB的线性衰减。信号还原。

总的结果为：

5.进一步研究

发送端的预加重和接收端的均衡电路就是两种最常见的对通道传输的影响进行补偿的方法，传输通道最明显的影响是其低通的特性。即会对高频信号进行比较大的衰减。那为什么传输通道是低通呢？？？？下面我们看下传输线的模型，这里涉及到传输线理论。

从图中可知，传输线就是一个LC滤波网络，此网络的特性就是低通。无损传输线滤波器的级联后无幅度衰减只有相位延迟，有损传输线上滤波器是低通滤波器，有低通滤波器所有的特征，包括衰减相位延时群延时特性，高频分量衰减幅度较大，低频分量衰减幅度较小，由此看起来高频分量传输速度较慢，低频分量传输速度较快。

对于一个方波信号来说，其高次谐波对于信号的影响很大，如果所有高次谐波全部被衰减调，方波就看起来像正弦波了。

6.预加重

我们知道，信号频率的高低主要是由信号电平变化的速度决定的，所以信号的高频分量主要出现在信号的上升沿和下降沿处，预加重技术就是增强信号上升沿和下降沿处的幅度。

采用时域技术实现预加重电路，将待发送的比特信号幅度做相应的变化，当该比特信号与前一位发送的比特信号不同的时候，就将当前比特信号的幅度以合适的倍数增大，当该比特信号与前一位比特信号相同的时候，则不作任何处理：如此便实现了预加重功能。右图是时域技术实现的预加重电路示意图。

频域技术实现预加重电路是通过增加一个高通滤波器的方式。滤波器将待传输信号的高频分量能量增加，预先补偿传输线对信号高频

分量的衰减。这种预加重电路的实现方法有几个缺陷：我们在设计预加重电路的时候，需要知道传输线的衰减特性，确定预加重电路需要处理的频率范围，但是现实应用中，电路设计者可能并不能确定传输线的长度，类型等等，因此无法确定预加重电路工作的频率范围和预加重量；第二，预加重电路在增强信号高频分量的时候，也同时加重了高频噪声，导致发送端口的近端交互噪声 NEXT 的恶化；第三，预加重电路增强了信号高频信号能量，由于信号电压和信号功耗的平方关系，那么系统电路的功耗必然会显著增加。因此，多采用时域技术的预加重处理方法。频域域技术实现的预加重电路如右图所示。

7.去加重

将已经加重的发射信号恢复为原来信号形式的过程.

去加重电路也是应用于发送端口，实现的功能和预加重电路正好相反：去加重是将发送信号的低频分量减，使得改变后的信号经过传输线的高频衰减之后，低频分量和高频分量能够平衡，去加重技术衰减了信号的能量，使得发送到传输线上的信号幅度减小，减小了信号的串扰，但是同时导致信号受噪声的影响更加明显，因此，去加重电路应用的比较少。去加重技术的思想跟预加重技术有点类似，只是实现方法有点不同，预加重是增加信号上升沿和下降沿处的幅度，其它地方幅度不变；而去加重是保持信号上升沿和下降沿处的幅度不变，其他地方信号减弱。如右图所示。[2]

8.均衡器

前面介绍的预加重和去加重能很好的补偿信号在传输过程中的损耗，

改善信号质量，但是预加重和去加重技术也存在一些缺陷，比如当线路上存在串扰时，预加重和去加重会将高频串扰分量放大，增大串扰的危害。为了弥补预加重和去加重技术的缺陷，后来就出现了均衡技术。跟预加重和去加重不同，均衡技术在信号的接收端使用，它的特性相当于一个高通滤波器。其原理如右图所示：

均衡器实际上是一个高通滤波器，右图是一个简单的高通滤波器，即均衡器。均衡器通常是用滤波器来实现的，使用滤波器来补偿失真的脉冲，判决器得到的解调输出样本，是经过均衡器修正过的或者清除了码间干扰之后的样本。自适应均衡器直接从传输的实际数字信号中根据某种算法不断调整增益，因而能适应信道的随机变化，使均衡器总是保持最佳的状态，从而有更好的失真补偿性能。

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