Pre-Emphasis

Die Präemphase (Akzentuierung), engl. preemphasis and deemphasis, bezeichnet die Anhebung der hohen- bzw. die Absenkung der tiefen Frequenzen während des Aufzeichnens oder Sendens von Daten (lineare Vorverzerrung). Sie wird anschließend bei der Wiedergabe bzw. beim Empfang rückgängig gemacht (Entzerrung, Deemphase, Deakzentuierung, engl. deemphasis), so dass insgesamt eine originalgetreuere Übertragung erfolgt. Das Verfahren wird in der analogen Rundfunk- und Tonbandtechnik, sowie bei vielen digitalen Übertragungsverfahren angewendet.

Die Schneidkennlinie (blau) und ihr Gegenstück, die RIAA-Wiedergabekennlinie (rot) als De-Emphase für Vinyl-Schallplatten

Analogtechnik

Das Emphase-Verfahren wird bei der Tonbandübertragung, dem Schallplattenschneiden und vielen frühen CDs der 1980er-Jahre angewendet. Dieses Vorgehen reduziert letztlich das Rauschen, das bei hohen Frequenzen verstärkt auftritt. Dabei muss es für diese Vor- und Rück-Entzerrung jeweils Normen mit entsprechenden Zeitkonstanten $\tau$ geben, aus denen die dazugehörenden Übergangs- oder Grenzfrequenzen $f_{c}$ nach folgender Formel berechnet werden können:

$\tau ={\frac {1}{2\pi \cdot f_{c}}}$

Der Vorteil dieser Verfahren ist der geringe schaltungstechnische Aufwand. Nachteilig ist, dass die bei der Vorverzerrung angehobenen Frequenzen nicht mehr mit maximalem Pegel aufgenommen bzw. gesendet werden können. Das Verfahren ist aber bei Audiosignalen weitgehend einschränkungsfrei anwendbar, weil sich ein Großteil des für den Menschen relevanten akustischen Geschehens im Frequenzbereich bis etwa 6 kHz abspielt, darüber treten fast nur noch Obertöne mit geringer Amplitude auf.

Verwendete Parameter:

		Absenkung der Bässe		Anhebung der Höhen
		Zeitkonstante	Übergangsfrequenz	Zeitkonstante	Übergangsfrequenz
UKW-Hörfunk1				Europa: τ1 = 50 µs Nordamerika: τ1 = 75 µs	Europa: 3,18 kHz Nordamerika: 2,12 kHz
Schallplatten		τ2 = 318 µs τ3 = 3180 µs (Anhebung der tiefen Bässe)	0,50 kHz 0,05 kHz	τ1 = 75 µs	2,12 kHz
CDs2				τ1 = 50 µs τ2 = 15 µs (Absenkung der obersten Höhen)	3,18 kHz 10,61 kHz
Kassettenrecorder		τ2 = 3180 µs (Anhebung der tiefen Bässe)	0,05 kHz	Absenkung: IEC I-Bänder: τ1 = 120 µs IEC II/III/IV-Bänder: τ1 = 70 µs	1,33 kHz 2,27 kHz
Spulentonbandgeräte	Bandgeschwindigkeit 4,76 cm/s	τ2 = 3180 µs (Anhebung der tiefen Bässe; Heimstudiogeräte)	0,05 kHz	Absenkung: IEC I-Bänder: τ1 = 120 µs	1,33 kHz
	Bandgeschwindigkeit 9,5 cm/s	τ2 = 3180 µs (Anhebung der tiefen Bässe; Heimstudiogeräte)	0,05 kHz	Absenkung: IEC I-Bänder: τ1 = 90 µs IEC II-Bänder: τ1 = 50 µs	1,77 kHz 3,18 kHz
	Bandgeschwindigkeit 19 cm/s	τ2 = 3180 µs (Heimstudiogeräte; Anhebung der tiefen Bässe); ohne Anhebung (Studiogeräte)	0,05 kHz	Absenkung: IEC I-Bänder: τ1 = 50 oder 70 µs IEC II-Bänder: τ1 = 35 µs	3,18 oder 2,27 kHz 4,55 kHz

Anmerkungen:
1) Die im europäischen UKW-Rundfunk verwendete Zeitkonstante bewirkt eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses um etwa 13 dB.

Die abweichende Zeitkonstante im UKW-Rundfunk des nordamerikanischen Raumes bewirkt, dass UKW-Radiogeräte, die für den europäischen Raum produziert wurden, bei einem Betrieb in Nordamerika ein etwas schlechteres Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen und höhere Töne zu laut wiedergeben, da die Vorverzerrung im Sender nicht mit der Entzerrung im Empfänger zusammenpasst. Umgekehrt weisen amerikanische UKW-Radiogeräte in Europa einen etwas dumpferen Klang auf, mit einem ebenfalls schlechteren Signal-Rausch-Verhältnis.

Diese Unterschiede in den Emphase-Parametern wirken sich deutlich nur bei qualitativ hochwertigen Empfangsgeräten aus. Bei einfachen UKW-Radios wie Kofferradios fallen diese Unterschiede alleine schon wegen schlechter Lautsprechersysteme praktisch kaum auf.

2) Pre-/De-Emphase sind zwar im CD-Standard vorgesehen, wurden in der Praxis aber nur auf wenigen CDs genutzt. Ein entsprechendes Statusbit zeigt dem CD-Spieler in diesem Fall an, dass er die De-Emphase aktivieren muss.

Digitaltechnik

Weiche Betonung der Höhen zur Signalverbesserung beim Senden

Bei der digitalen Hochgeschwindigkeitsübertragung wird die Pre-Emphasis verwendet, um die Signalqualität am Ausgang einer Datenübertragung zu verbessern. Bei der Übertragung von Signalen mit hohen Datenraten kann das Übertragungsmedium relevante Verzerrungen verursachen. Die Pre-Emphasis dient hierbei dazu, das zu übertragende Signal so zu verzerren, dass diese Einflüsse vorkorrigiert werden. Wenn dies geeignet geschieht, entsteht ein empfangenes Signal, das dem ursprünglichen oder gewünschten Signal ähnlicher ist und die Verwendung höherer Übertragungsraten ermöglicht bzw. weniger Bitfehler produziert.

Beim seriellen Senden von Daten bezeichnet De-Emphasis die Verringerung des Pegels aller Bits mit Ausnahme des ersten Bits, falls ein Übergang stattgefunden hat. Dies führt dazu, dass der hochfrequente Anteil des Signalsprungs im Vergleich zu dem niederfrequenten Inhalt hervorgehoben wird. Dies ist eine Form der Sendeentzerrung; sie vorkompensiert die zu erwartenden Verluste über den Kanal, die bei höheren Frequenzen größer sind. Bekannte serielle Datenstandards wie PCI Express, SATA und SAS verlangen die Verwendung von De-Emphasis.

Literatur

• Thomas Görne: Tontechnik. 2. Auflage, Hanser, München 2008, ISBN 978-3-446-41591-1.
• Hubert Henle: das Tonstudio Handbuch. 5. Auflage, GC Carstensen Verlag, München 2001, ISBN 3-910098-19-3.
• Andreas Friesecke: Die Audio-Enzyklopädie. Ein Nachschlagewerk für Tontechniker, K. G. Saur Verlag, München 2007, ISBN 978-3-598-11774-9.
• Stefan Weinzierl (Hrsg.): Handbuch der Audiotechnik. Springer Verlag, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-34300-4.
• Li Deng, Douglas O'Shaughnessy: Speech Processing. A Dynamic and Optimization-Oriented Approach, Marcel Dekker Inc, New York 2003, ISBN 0-8247-4040-8.

Weblinks

• Emphase und die Zeitkonstante mit Übergangsfrequenz (Grenzfrequenz) (PDF-Datei; 228 kB)
• Frequenzgang und Entzerrung - Berechnung von Zeitkonstante und Grenzfrequenz zur Emphase