音频预加重与去加重是音频处理中的两个重要概念，以下是对其原理及应用条件的详细介绍：
1、音频预加重与去加重的定义
- 预加重：在音频信号的发送端，对音频信号的高频部分进行提升，增加高频信号的幅度，使其在传输过程中能够更好地抵抗噪声干扰。
- 去加重：在音频信号的接收端，对经过预加重处理的音频信号进行相反的操作，即衰减高频部分，使其恢复到原始的音频信号特性，同时降低高频噪声。
2、预加重与去加重的原理
- 预加重原理：音频信号在传输过程中，高频部分的能量相对较低，容易受到噪声的影响。预加重通过提升高频信号的幅度，使高频信号的信噪比得到提高。一般采用高通滤波器实现，其传递函数在高频段具有较大的增益，从而提升高频信号的幅度。
- 去加重原理：去加重是为了还原原始音频信号，同时进一步降低噪声。它采用低通滤波器，其传递函数在高频段具有衰减特性，将预加重时提升的高频部分进行衰减，使音频信号恢复到原来的频谱特性。由于噪声在高频段被衰减，而音频信号的高频部分在接收端通过去加重处理后恢复到正常水平，所以达到了降低噪声的目的。
- （上图：音频预加重与去加重时域信号波形图）
-
（上图：音频预加重与去加重频域信号频谱图）
3、预加重与去家中的应用条件
- 磁带录音与回放：在模拟磁带录音中，由于磁带的高频响应特性较差，且噪声在高频段相对明显，为了提高录音的质量，会在录音时进行预加重，在回放时进行去加重，以改善音频的高频质量和降低噪声。
- 调频广播（FM）：在 FM 广播中，为了提高抗干扰能力和改善音频信号的传输质量，也会采用预加重和去加重技术。FM 广播信号在传输过程中容易受到各种干扰，特别是高频噪声。通过预加重提升音频信号的高频部分，在接收端再进行去加重处理，能够有效提高音频信号的质量，减少噪声对听觉效果的影响。
- 数字音频编码：在一些数字音频编码算法中，为了提高编码效率和音频质量，也会利用预加重和去加重的原理。例如，在某些有损音频编码格式中，对音频信号进行预加重处理后，可以更有效地对音频信号进行量化和编码，在解码端通过去加重恢复音频信号，以达到更好的音质效果。
4、为什么预加重的时间单位是微秒？
预加重时间常数的单位用微秒是因为它与音频信号处理中的时间尺度相关，能更方便、精确地描述和控制音频信号高频提升的特性。具体原因如下：
- 与音频信号频率范围相匹配：音频信号的频率范围通常在 20Hz 到 20kHz 之间。在这个频率范围内，要实现对高频信号的有效提升，所涉及的时间常数相对较小。微秒级的时间常数能够准确地对应到音频信号的高频部分，例如，一个较高频率的音频信号周期可能在几十微秒到几百微秒之间，使用微秒作为单位可以更精细地调整预加重电路对不同频率信号的提升程度，使其与音频信号的特性相匹配。
- 电路时间常数的实际量级：在实际的预加重电路中，通常由电阻和电容等元件组成。根据电路原理，时间常数等于电阻与电容的乘积。对于音频预加重电路，所使用的电容和电阻值通常会使得时间常数处于微秒量级。例如，常见的电容值可能在几千皮法到几十纳法之间，电阻值在几千欧姆左右，这样计算出的时间常数就在微秒级别。
- 行业标准和惯例：在音频处理领域，使用微秒作为预加重时间常数的单位已经成为一种行业标准和惯例。从早期的模拟音频设备到现在的数字音频处理系统，都遵循这一标准，方便不同设备和系统之间的兼容性和互操作性。
5、如何在音频系统中实现预加重和去加重功能？
在音频系统中，实现预加重和去加重功能主要有模拟电路和数字信号处理两种方式。以下分别介绍这两种实现方式：
5.1、模拟电路如何实现音频预加重与去加重
- 预加重：通常由一个高通滤波器电路实现。典型的电路是由一个电阻和一个电容组成的 RC 高通滤波器。音频信号输入到 RC 网络中，由于电容对高频信号的容抗较小，高频信号能够相对容易地通过，而低频信号则受到较大衰减，从而实现高频提升，达到预加重的效果。通过调整电阻和电容的数值，可以改变预加重的时间常数，进而调整对高频信号的提升程度。
- 去加重：去加重电路通常是一个低通滤波器，与预加重电路相对应。常见的是由一个电容和一个电阻组成的 RC 低通滤波器。经过预加重的音频信号输入到该电路中，高频信号由于电容的容抗随频率升高而减小，会被电容旁路到地，从而实现高频衰减，达到去加重的目的。同样，通过调整电阻和电容的参数，可以使去加重特性与预加重特性相匹配，准确还原音频信号。
5.2、数字信号处理如何实现音频预加重与去加重
- 预加重：在数字音频处理中，预加重可以通过数字滤波器来实现。首先将音频信号进行数字化采样，然后利用数字信号处理算法对采样后的数字信号进行处理。例如，可以使用有限脉冲响应（FIR）滤波器或无限脉冲响应（IIR）滤波器设计一个高通滤波器。通过对滤波器的系数进行设计和调整，使滤波器对高频部分有较大的增益，从而实现预加重功能。在数字域中，可以更精确地控制滤波器的特性，实现各种不同的预加重曲线，以适应不同的音频处理需求。
- 去加重：数字去加重同样基于数字滤波器实现。与模拟去加重类似，设计一个数字低通滤波器对经过预加重的数字音频信号进行处理。通过调整滤波器的系数，使其在高频段具有适当的衰减特性，将预加重时提升的高频部分还原到原始水平，同时抑制高频噪声。数字去加重能够利用数字信号处理的优势，如精确的滤波特性、可重复性和灵活性，更好地实现音频信号的恢复和噪声抑制。
无论是模拟电路还是数字信号处理方式，在实际应用中都需要根据具体的音频系统要求、信号特性以及成本等因素来选择合适的实现方法。同时，为了保证音频质量，还需要对预加重和去加重的参数进行准确的设置和校准，以确保音频信号的正确处理和还原。
