Simulation analysis of pre-emphasis and de-emphasis for high-speed signals

2024.06.13

引言：高速信号传输中的预加重（Pre-emphasis）和去加重（De-emphasis）是用于补偿传输过程中信号衰减和失真的方法，特别是在长距离或高频率传输的情况下。这些技术在高速数字通信系统中非常重要，如高速串行总线（例如PCIe、SATA）和网络通信（如以太网）。

一、预加重（Pre-emphasis）

预加重是一种在发送端对信号进行处理的方法，其目的是增强信号的高频成分。因为在传输过程中，高频信号比低频信号衰减得更快，因此预加重可以在发送前提高高频信号的幅度，以便在接收端经过信道后，高低频信号的幅度趋于平衡。这样做可以减小由信道造成的信号失真，从而提高信号完整性。

二、预加重的特性：

1、在传输前对信号施加高通滤波器

2、增强或放大高频分量

3、通常将频率提高到 2-3 kHz 以上

4、为高频提供高达 10 dB 的增益

5、利用了高频抗扰度

如下图所示，预加重提高了跳变沿的幅值

图1 预加重概念

三、去加重（De-emphasis）

去加重是在接收端对信号进行处理，目的是恢复信号的原始形态。由于在发送端已经对信号进行了预加重，接收端需要对信号的高频部分进行适当的衰减，以补偿预加重的影响，从而恢复信号的原始比例。去加重的过程实际上是预加重的逆过程。

四、去加重的特性：

1、对接收信号施加低通滤波器

2、衰减或降低增强的高频

3、滚降高点高于 2-3 kHz

4、是预加重的反向过程

5、提供与预加重相等的增益降低

6、恢复原始频谱

7、减少在传输的过程中拾取的噪声和失真

总而言之，去加重是将已经加重的发射信号恢复为原来信号形式的过程。如下图所示，去加重降低了跳变沿之外的幅值。

图2 去加重概念

五、工作原理和实现

1.发送端预加重：发送端在发送信号时，对信号的高频部分进行预加重处理，使得高频信号的幅度增加。这种处理通常在发送芯片中实现，通过调整驱动器电路中的参数来增加高频成分的幅度。

2.传输过程：信号通过传输介质（如电缆、PCB走线等）时，高频成分会比低频成分衰减得更多。由于预加重的作用，尽管高频成分在传输过程中衰减，但它们的幅度依然相对较高，从而保持了信号的完整性。
3.接收端去加重：接收端接收到预加重处理过的信号后，对信号进行去加重处理，以恢复原始信号。这种处理通常在接收芯片中实现，通过滤波和放大电路对高频成分进行适当的衰减。

六、应用场景

预加重和去加重技术广泛应用于各种高速通信接口，如：

- PCIe (Peripheral Component Interconnect Express)

- SATA (Serial ATA)

- HDMI (High-Definition Multimedia Interface)

- 以太网 (Ethernet)

这些技术在高速信号传输中至关重要，因为它们能够显著改善信号质量，减少误码率，提高数据传输的可靠性和稳定性。

七、案例分析

在巨霖SIDesigner中，我们可以对发送端进行一个预加重，如下图所示，双击打开无AMI文件的SerDes仿真器件P_tx_single，在EQ界面填写Emphasis的参数，在这里我设置的是Emphasis level=0.2;Emphasis time=20ps.