預加重

理論已經證明,鑑頻器的輸出噪聲功率譜按頻率的平方規律增加。但是，許多實際的消息信號，例如語言、音樂等，它們的功率譜隨頻率的增加而減小，其大部分能量集中在低頻範圍內。這就造成消息信號高頻端的信噪比可能降到不能容許的程度。但是由於消息信號中較高頻率分量的能量小，很少有足以產生最大頻偏的幅度，因此產生最大頻偏的信號幅度多數是由信號的低頻分量引起。平均來説，幅度較小的高頻分量產生的頻偏小得多。所以調頻信號並沒有充分佔用給予它的帶寬。因為調頻系統的傳輸帶寬是由需要傳送的消息信號（調製信號）的最高有效頻率和最大頻偏決定的。然而，接收端輸入的噪聲頻譜卻佔據了整個調頻帶寬。這就是説，在鑑頻器輸出端噪聲功率譜在較高頻率上已被加重了 ^[1]  。

為了抵消這種不希望有的現象，在調頻系統中人們普遍採用了一種叫做預加重和去加重措施，其中心思想是利用信號特性和噪聲特性的差別來有效地對信號進行處理。即在噪聲引入之前採用適當的網絡（預加重網絡），人為地加重（提升）發射機輸入調製信號的高頻分量。然後在接收機鑑頻器的輸出端，再進行相反的處理，即採用去加重網絡把高頻分量去加重，恢復原來的信號功率分佈。在去加重過程中，同時也減小了噪聲的高頻分量，但是預加重對噪聲並沒有影響，因此有效地提高了輸出信噪比。

在信號傳輸過程中，信號不同，頻率成分有不同的衰減度，導致最後得到的信號失真。為了在接收終端能得到比較好的波形，就需要對受損的信號進行補償，常用的補償技術有：預加重、去加重和均衡在介紹這三種信號補償技術。

由於在信號通路中，相對於低頻分量，信號的高頻分量有很大的衰減。均衡的作用就是在接收端口對信號處理，根據信號經過的基板的衰減特性，將信號的高頻成分適當增強，這樣就可以得到低頻成分與高頻成分被“均衡”到一個水平的信號，增強了發送到接收端口信號的傳輸速度與傳輸距離。相對於均衡，預加重作用在信號的發送端，其根據信號即將經過的衰減通道，提前增強信號的高頻分量，經過這樣的處理，信號經過信號通道之後，經過一個高頻成分的衰減，最後接收端口接受到完整的信號 。在信號發送端口，還可以通過―去加重的方法，將信號的低頻成分衰減，由此應對信號通路中高頻成分的衰減。相對於預加重的方法，去加重將信號的能量衰減，使信號的幅度降低，造成後級電路模塊識別信號的困難。因此，在現實應用中，會更多的選擇預加重的方法。

前面已經介紹過了，信號傳輸線表現出來的是低通濾波特性，傳輸過程中信號的高頻成分衰減大，低頻成分衰減少。預加重技術的思想就是在傳輸線的始端增強信號的高頻成分，以補償高頻分量在傳輸過程中的過大衰減。我們知道，信號頻率的高低主要是由信號電平變化的速度決定的，所以信號的高頻分量主要出現在信號的上升沿和下降沿處，預加重技術就是增強信號上升沿和下降沿處的幅度。如右圖1所示。

另外，預加重可以採用時域技術和頻域技術兩種方式實現。

採用時域技術實現預加重電路，將待發送的比特信號幅度做相應的變化，當該比特信號與前一位發送的比特信號不同的時候，就將當前比特信號的幅度以合適的倍數增大，當該比特信號與前一位比特信號相同的時候，則不作任何處理：如此便實現了預加重功能 。右圖是時域技術實現的預加重電路示意圖。

頻域技術實現預加重電路是通過增加一個高通濾波器的方式 。濾波器將待傳輸信號的高頻分量能量增加，預先補償傳輸線對信號高頻分量的衰減。這種預加重電路的實現方法有幾個缺陷：我們在設計預加重電路的時候，需要知道傳輸線的衰減特性，確定預加重電路需要處理的頻率範圍，但是現實應用中，電路設計者可能並不能確定傳輸線的長度，類型等等，因此無法確定預加重電路工作的頻率範圍和預加重量；第二，預加重電路在增強信號高頻分量的時候，也同時加重了高頻噪聲，導致發送端口的近端交互噪聲 NEXT 的惡化；第三，預加重電路增強了信號高頻信號能量，由於信號電壓和信號功耗的平方關係，那麼系統電路的功耗必然會顯著增加。因此，多采用時域技術的預加重處理方法。頻域域技術實現的預加重電路如右圖2所示。

將已經加重的發射信號恢復為原來信號形式的過程。去加重電路也是應用於發送端口，實現的功能和預加重電路正好相反：去加重是將發送信號的低頻分量減，使得改變後的信號經過傳輸線的高頻衰減之後，低頻分量和高頻分量能夠平衡，去加重技術衰減了信號的能量，使得發送到傳輸線上的信號幅度減小，減小了信號的串擾，但是同時導致信號受噪聲的影響更加明顯，因此，去加重電路應用的比較少。去加重技術的思想跟預加重技術有點類似，只是實現方法有點不同，預加重是增加信號上升沿和下降沿處的幅度，其它地方幅度不變；而去加重是保持信號上升沿和下降沿處的幅度不變，其他地方信號減弱。如右圖3所示。 ^[2] 

前面介紹的預加重和去加重能很好的補償信號在傳輸過程中的損耗，改善信號質量，但是預加重和去加重技術也存在一些缺陷，比如當線路上存在串擾時，預加重和去加重會將高頻串擾分量放大，增大串擾的危害。為了彌補預加重和去加重技術的缺陷，後來就出現了均衡技術。跟預加重和去加重不同，均衡技術在信號的接收端使用，它的特性相當於一個高通濾波器。其原理如右圖4所示：

均衡器實際上是一個高通濾波器，右圖是一個簡單的高通濾波器，即均衡器。均衡器通常是用濾波器來實現的，使用濾波器來補償失真的脈衝，判決器得到的解調輸出樣本，是經過均衡器修正過的或者清除了碼間干擾之後的樣本。自適應均衡器直接從傳輸的實際數字信號中根據某種算法不斷調整增益，因而能適應信道的隨機變化，使均衡器總是保持最佳的狀態，從而有更好的失真補償性能。