
信号処理において、プリエンファシスは、想定されるノイズや損失から信号を保護する技術です。その目的は、ノイズや損失の影響を最も受けやすい周波数帯域を事前に増幅することで、ノイズや損失の多い処理(ケーブル伝送、テープ録音など)の後でも、その周波数帯域からより多くの情報を復元できるようにすることです。プリエンファシスによって増幅された周波数帯域を除去することをデエンファシスと呼び、増幅された周波数帯域の振幅を元の値に戻します。
強調は、 FM放送(プリエンファシス改善)やLPレコードからPCI Expressまで、さまざまな場面で一般的に使用されています。例えば、高周波信号成分を強調することで、送信周波数スペクトルの変調指数をより均一にし、結果として周波数範囲全体で信号対雑音比を向上させることができます。
電子音声信号の処理において、プリエンファシスとは、システム内の特定の周波数帯域において、減衰歪みや記録媒体の飽和といった現象による悪影響を最小限に抑え、信号対雑音比を向上させるために、特定の周波数帯域(通常は高周波数帯域)における特定の周波数の振幅を、他の周波数帯域(通常は低周波数帯域)の振幅に比べて増大させるように設計されたシステム処理を指します。この逆の処理はデエンファシスと呼ばれ、システム全体はエンファシスと呼ばれます。
プリエンファシスは、基本的に校正済みフィルタであるプリエンファシスネットワークによって実現されます。周波数応答は、特定の時定数によって決定されます。カットオフ周波数はその値から計算できます。
プリエンファシスは、電気通信、デジタルオーディオ録音、レコードカッティング、FM放送、音声信号のスペクトログラム表示などで一般的に使用されています。その一例として、33回転および45回転のレコード盤に採用されているRIAAイコライゼーションカーブが挙げられます。また、磁気テープで使用されるドルビーノイズリダクションシステムもその例です。
プリエンファシスは、周波数変調または位相変調送信機において、変調信号の駆動電力を偏移比の観点から均一化するために用いられる。受信機の復調プロセスには、元の信号電力分布を復元するための逆回路(デエンファシス回路)が含まれる。
電気通信において、ディエンファシスはプリエンファシスの補数であり、アンチノイズシステムではエンファシスと呼ばれます。ディエンファシスは、(周波数帯域内で)一部の(通常は高い)周波数の振幅を他の(通常は低い)周波数の振幅に対して減少させることで、システム後段における減衰歪みや記録媒体の飽和といった現象の悪影響を最小限に抑え、信号対雑音比全体を向上させるように設計されたシステム処理です。
あまり使われてはいないが、 Red Book CDマスタリングには標準化された強調機能が存在する。CD プレーヤーは当初、手頃な価格の 14 ビット コンバーターで実装されていたため、量子化ノイズ を補償するためにプリエンファシスの仕様が盛り込まれた。規模の経済により最終的に 16 ビットが実現すると、量子化ノイズはそれほど問題ではなくなったが、強調機能はオプションとして残された。プリエンファシスは、ゲイン 10 dB (20 dB/decade)、時定数 50 μs および 15 μsの一次フィルタとして記述される 。[ 1 ]
シリアルデータ伝送では、エンファシスは通信チャネルの出力における信号品質を向上させるために使用されます。高いデータレートで信号を送信する場合、伝送媒体によって歪みが生じる可能性があるため、エンファシスは送信信号を歪ませてこの歪みを補正するために使用されます。適切に行われると、受信信号は元の信号または目的の信号により近いものとなり、より高いデータレートの使用やビットエラーの減少が可能になります。ほとんどの実際のチャネルでは、損失が周波数とともに増加します[ 2 ] : 6(実質的にはローパスフィルタ)ので、エンファシスはこの効果を反転させる必要があります(ハイパスフィルタとして機能します)。[ 2 ] : 8これにより、エンファシスはチャネルの送信側で実装されるイコライゼーションの一種となります。
強調は、高周波を増幅する(プリエンファシス、遷移ビットの振幅を増やす)か、低周波を減衰させる(デエンファシス、非遷移ビットの振幅を減らす)かのいずれかによって実現できます。どちらも、システム周波数応答をより平坦にするという同じ正味の効果があります。デエンファシスは、増幅ではなく減衰のみを必要とするため、実際の回路では通常より便利です。[ 2 ]: 9 PCI Express、SATA、SASなどのよく知られたシリアルデータ規格では、送信信号にデエンファシスを使用することが求められます。
損失のある伝送路が長くなるにつれて、高周波減衰が悪化し、信号の歪みがますます大きくなる。
以下のデモンストレーションでは、標準的なFR-4材料上の様々な長さのプリント基板配線を通して、 5GbpsのPRBS-9テストパターンが送信されます。
チャネル、送信機、受信機の特性によっては、信号が歪みすぎて受信機が正しく解釈できなくなり、通信エラー率が上昇したり、完全に途絶えたりする場合があります。エンファシスは、このような歪みを解消し、そのようなチャネルでも通信を成功させるための有効な手段の一つです。
減衰は、アナログハイパスフィルタ回路とアッテネータを並列に接続することで実現できます。これにより、信号全体が一定量だけ減衰され、信号が変化する際には余分なエネルギーがアッテネータをバイパスして通過できるようになります。結果として、各遷移時に鋭いピークが現れ、その後、定常状態の振幅まで指数関数的に減衰します。
以下のデモンストレーションでは、5GbpsのPRBS-9テストパターンを、 ディエンファシスレベルを段階的に上げながら300mmのFR-4チャネルを通して送信します。エンファシスを上げると、信号振幅が減少することに注意してください。
次のセクションで説明するFIRアーキテクチャとは異なり、アナログ強調ではオーバーシュートの形状は信号ビットレートに依存しません。したがって、データレートが低い場合、ビット全体の振幅は増加せず、エッジ部分のみが増加します。以下の例では、オーバーシュートをより分かりやすくするために、意図的に強調レベルを高く設定しています。
実際の SERDES [ 3 ]における強調の一般的な実装の 1 つは 3 タップフィードフォワードイコライザ (FFE) です。出力ピンを目的の出力電圧で直接駆動するのではなく、実際の出力電圧は、目的のビット値 (メインカーソル)、前のビット (ポストカーソル)、および次に送信するビット (プリカーソル) の加重和になります。[ 2 ] : 10,24メインカーソル係数はビットの公称振幅を制御し、常に正の値です (負の係数ではビット値が反転するため)。プリカ係数は、まだ到着していないビット (例えば、遅延整合トレースの蛇行を横切るフィールド結合) によって引き起こされる受信機でのISIを除去し、通常はゼロまたは非常に小さな負の値です。これは、総 ISI への大きな寄与ではないことが多いためです。ポストカーソル係数は、直前のビットによって引き起こされる受信機での ISI を除去し、通常はより大きな負の値です[ 2 ] : 16損失の大きいチャネルでは、より大きなタップ値が必要です。[ 4 ]タップの数を増やすことは可能ですが、回路の複雑さが増し、収穫逓減の傾向にあるため[ 2 ] : 14一般的には使用されていません。
信号を強調すると、アイパターンにその影響がはっきりと現れます。次の例では、10ギガビットイーサネットのテストによく用いられる、NRZ変調を用いた10.3125 Gbps PRBS-31テストパターンを検討します。このチャネルの挿入損失は、基本波で約2 dB、第2高調波で約3 dB、第3高調波で約4 dBです。目標は、オーバーシュートが過剰にならないようにアイパターンが最大限に開く、適切に等化されたチャネル応答を実現することです。過度の等化は、ジッタを悪化させ、オーバーシュートを増加させ、適切に等化された信号よりもアイパターンが小さくなる原因となります。[ 5 ]