3.3 通信信号的传输损伤

通信信号在信道中传输会产生损耗，不同的信道产生的损耗也不同，一般来说，光纤信道产生的损耗最小。例如，长波长为1.55μm，单模光纤传输损耗约为0.2dB/km，而无线信道产生的损耗要大得多。电波传播过程中的损耗（也称自由空间传播损耗）定义为天线（包括发、收天线）为无方向性时，发射功率与接收功率之比，或者发射功率分贝数与接收功率分贝数之差。当电波传播距离为d时，发射功率扩散在以d为半径的球面的功率密度是均匀的。处于该球面上的接收有效面积与功率密度相乘即为接收的信号功率。而接收有效面积与信号频率的平方成反比。于是，自由空间传播损耗L与传输距离d的平方和信号频率f的平方成正比，以分贝计的计算公式为：

L=32.4+201gf+201gd

式中，f的单位为MHz；d的单位为km；L的单位为dB。

除上述自由空间损耗外，通常还有其他附加损耗，其数值与电波传播模式和路径中媒体特性有关。

3.3.1 无线信号传输损伤

无线信道对信号的传输损害是多方面的，包括：多径传播引起的接收信号衰落；信道引入的噪声和各种干扰；移动无线信道的多普勒频移；长的传播延时引起的语音质量下降等。

1.多径传播

信号在无线信道的传播过程中，由于传播媒体是开放性自由空间，在传播途径中可能存在一些特殊的媒体（如电离层、对流层等）及障碍物（如地面建筑物、树木、山丘等），使信号产生反射或散射，从而改变信号的传输方向。这一过程可能使信号沿着不同的路径从发端到达收端，形成多径传播，这类信道称为多径信道。多径信道对系统性能有较大影响，它使接收信号的强度产生衰落（随机起伏），同时信道带宽变窄。

多径信道接收端的信号是由来自不同路径的信号分量叠加而成的。由于各条路径长短不一，各信号分量的传输延时有所不同。它们在接收端叠加时，各信号分量的相位可能同相相加，得到强的接收信号；也可能反相抵消，使合成的接收信号很弱。由于传输环境复杂多变，使接收信号呈时强时弱、随机起伏，称为衰落。衰落的接收信号可表示为恒定的接收信号（无多径效应时的接收信号）与表征衰落的随机因子的乘积，因此，也有人认为多径信道引入了乘性干扰。在较深的衰落时，接收信号电平较弱，信噪比降低，符号码元错误概率增加。而且，这种错误将由于衰落会持续一段时间而形成成串的“突发错误”，其特点是前、后的误码之间有一定的相关性。与此相对应的是“随机误码”，它是非衰落信道中高斯噪声引起的误码，其前、后误码没有相关性。

如果不同路径传输延时的最大差值已大到这样的程度：它已大大超过射频周期，并达到基带脉冲信号宽度的量级，那么信号解调后的脉冲宽度将被明显展宽，从而造成前、后脉冲符号的重叠干扰，即所谓码间干扰。这种使输入脉冲宽度展宽的信道相对于输入信号来说是“窄带信道”，通常称为频率选择性衰落信道。

多径效应引起的接收信号衰落，表现为信号电平（包络）的随机起伏和信号相位的随机变化。数学推导的结果表明，如果不存在直射信号分量，也就是说各条路径的信号分量对接收信号的贡献大致相当，并不存在占支配地位的某一分量。此时，接收信号包络变化的概率密度函数将服从瑞利分布，相位在0~2π中均匀分布。

2.信道噪声和干扰

这里所讨论的噪声是指接收机内部热噪声，而干扰是来自外部的自然干扰和（非故意）人为干扰。热噪声是由导体内带电粒子的随机热运动而产生的。只要它的环境温度不是绝对零度（相应于273-℃），这种随机热运动就存在，就将形成热噪声。噪声随机起伏的幅度的概率分布为高斯分布，而功率谱密度（沿频率轴的分布）为常数，即在任何频率位置上具有相同频率间隔的噪声功率都相等。这与可见光的白光由各种波长的有色光组成的情况类似，所以称功率谱密度为常数的噪声为白噪声。如果考虑到幅度分布，这种普遍存在于通信系统的热噪声又称为高斯白噪声。

通信系统中，信号经过信道传输后，进入接收机时已十分微弱，这是系统最易受到噪声干扰的薄弱点。因此，在进行系统噪声性能分析时，通常将等效噪声源置于信道输出端与接收机输入端之间，并认为噪声是信道引入的。

除系统热噪声之外，由于无线信道传输媒体为开放的自由空间，信道还将引入各类干扰，其中大气（雷电、电离层闪烁等）干扰和市区人为干扰（工业干扰、汽车干扰等）为主要的外部干扰。

3.多普勒频移

相对运动的收、发信机之间通信时，接收信号的频率将有别于发送信号的频率，即产生了多普勒频移fD，其数学表达式为

式中，α为电波入射方向与收、发信机相对运动方向的夹角；v为相对运动速度；λ为电波波长。

在地面移动通信系统中，以车载用户为例，其多普勒频移的数量级为几十赫兹。例如，对于工作在900MHz的蜂房系统，若车载台的速度为50km/h，则最大多普勒频移（a=0）约为42Hz。

在低轨卫星移动通信系统中，卫星相对于地面用户的飞行速度很快。当轨道高度为1000km时，卫星的飞行速度可达26000km/h，此时地面用户移动速度可忽略不计。对于工作在900MHz的系统，最大多普勒频移达22kHz。

多普勒频移使接收机无法按常规的方法对信号进行接收和解调，必须对多普勒频移进行校正。同时，大的多普勒频移可使邻道信号进入接收机而形成干扰。

4.信道传播延时

信道传播延时太大，将影响实时性较强的语音业务的质量，给用户的会话交流带来障碍。目前，绝大多数卫星通信业务是由位于轨道高度约36000km的静止卫星支持的。此时，地面用户之间的双向往返（在卫星通信系统中称为单跳）延时约540ms。如果通话用户双方是经过卫星的“两跳”，则其传播延时将在1s以上。通话用户之间大的延时，使双方有脱离接触的感觉。大量的试验统计结果表明，不同的延时对语音质量主观评定的平均印象分（即MOS分，采用5分制）的影响如下：当系统往返延时分别为0.5s、1.0s和1.5s时，相对于无延时的MOS分将下降0.4分、0.7分和1.0分。在卫星通信系统中，为了使通信质量不致因延时而严重恶化，应尽量避免通过静止卫星的“两跳”通信。

3.3.2 数字信号传输损伤

1.数字传输损伤的表示

通信信号在信道中传输受到的各种损伤会对通信网络中传送的数字信号产生影响，其中端到端连接的每个环节（传输系统、复接器及交换等）都可能给被传输的数字信号带来伤害，这些伤害多种多样，国际电信联盟（ITU）称这种对数字信号的伤害为数字传输损伤（Digital Transmission Impaitment）。数字传输损伤是一个相当复杂的物理现象。究竟如何表达这种物理现象，至今仍是研究课题。目前，ITU-T推荐用误码抖动、漂移、滑动和时延等来表示数字传输损伤。它们的定义分别如下。

（1）误码（Error）：接收与发送数字信号之间单个数字的差异。

（2）抖动（Jitter）：数字信号的各有效瞬间相对于其理想时间位置的短时快速偏移。

（3）漂移（Wander）：数字信号的各有效瞬间相对于其理想时间位置的长期缓慢偏移。

（4）滑动（Slip）：数字信号连续数字位置不可恢复的丢失或增加。

（5）时延（delay）：数字信号的各有效瞬间相对于其理想时间位置的推迟。

2.数字传输损伤的传递

数字传输损伤的一部分起源于外界环境干扰和内部的技术缺陷，另一部分则来自传输损伤之间的相互影响或转化。外界环境干扰包括噪声及温度、湿度变化等平稳因素，以及电气或机械等突发干扰；设备内部缺陷包括时钟提取及复接塞入等技术机理缺陷，还包括设备工作反常或调整不佳等技术操作性缺陷。

传输系统将产生误码；传输系统和复接设备将产生抖动；传输系统、复接设备和交换设备将产生时延和漂移。各项传输损伤之间几乎都存在相互影响。如图3-3所示，误码可能引起滑动和帧失步；抖动可能引起误码和滑动；漂移可以转变为受控滑动。最终误码和抖动损伤使得业务信号产生失真；滑动损伤使得业务信号产生采样丢失；帧失步损伤使得业务信号产生中断；时延损伤使得业务信号产生时延。

3.3.3 误码损伤及其对业务的影响

1.误码损伤的概念和产生机理

1）误码损伤的概念

误码损伤的概念非常简单，对二进制数字信号来说，误码的含义是：发送“1”而接收“0”或者发送“0”而接收“1”，就发生了位错误（Bit Error）。

2）误码损伤的产生机理

数字信号在通信网端到端的传输过程中，数字传输、数字复接、数字交换及其他任何设备的数字处理环节都可能使得被传输的数字序列产生误码。在系统及设备正常的情况下，传输系统是产生误码的主要地方。误码产生的物理过程与信道性质及约束条件关系密切，但是，产生误码有关的因素却是多种多样的：传输速率、信号能量与噪声谱密度比、传输波形设计、调制解调技术、各种抗衰落技术选择、设备的工作状态及设备工作稳定性等，还有上述各种因素之间的相互关系，都影响误码的数量。

2.误码损伤的度量

在通信网络的工程中，一般用以下几个参数来度量误码损伤的严重程度。

（1）平均误码率（Bit Error Rate，BER）：一个数字连接的平均误码率等于单位时间内通过该数字连接的数字信息中发生差错的（误码）位数与总位数的比值，即：

ITU-T建议用一个相当长的时间（TL）内确定的、平均误码率（BER）超过某一误码门限（BERth）的各个时间间隔（T0）的平均百分数（X%）来度量误码损伤的严重程度，其中TL值建议取为一个月。

（2）误码秒的时间百分数：T0=1秒钟，BERth=0，当BER＞BERth时称为误码秒。与之相对应的是在每个测量秒内未出现误码，则称无误码秒。ITU要求误码秒的平均时间百分数不得超过8%。

（3）严重误码秒的时间百分数：T0=1秒，BERth=1×10-3，当BER＞BERth时称为严重误码秒。ITU-T要求严重误码秒平均时间百分数少于0.2%。

3.误码损伤的影响

在数字网中误码影响可分为两类：误码对业务质量的影响和误码对其他传输损伤的影响。

1）误码对语音业务的影响

如果通过数字传输系统时不发生误码，语音编码/解码过程只产生编码量化失真；如果在传输系统中产生误码，那就给模拟信号引入了附加的失真，从而劣化语音业务质量。

在PCM语音编码下的随机误码情况中，当平均误码率（BER）低于1×10-6时，误码对语音业务质量的影响可以忽略不计；当平均误码率（BER）高于1×10-4时，误码对语音业务质量产生明显影响：会在接收的语音业务中听到明显的“咔嗒”声。当平均误码率（BER）高于1×10-3时，PCM编码的语音业务将不可接受。

增量调制（DM）编码（如连续变斜率增量调制（CVSD））的语音编码算法，能够保证在平均误码率（BER）1×10-2条件下的语音可懂度。

2）误码对数据业务的影响

数据业务对误码更为敏感，通常要求数据传输信道的误码率低于10-5。因此数据传输通常都采取特别措施，如奇偶校验、高速采样、错误重发、自动回询纠错、分组纠错码、卷积编码-序列译码等。

3）误码对图像业务的影响

误码对数字图像信号中的同步信号和数据信号的影响是不同的，对同步信号的影响较大。误码对不同的图像压缩编码方法所造成的后果也是不相同的，对DPCM这种码元之间关系较紧密的压缩编码方法影响也较大。通常要求图像数字传输信道的误码率在10-5以下，否则需要采用奇偶校验检错及有效的纠错方法。

3.3.4 时延损伤及其对业务的影响

1.时延损伤的概念

单个正弦波谱线的传播速度称为正弦波传播相速，由多个正弦波谱线构成的数字信号包络传播速度称为数字信号传播群速。数字信号以群速（u）通过一个数字连接所经历的时间就是数字信号传输的群时延，也称为包络时延，这就是下面要讨论的时延损伤。

2.时延损伤的产生机理

1）传输系统产生的时延

电信号在物理媒介线路上传输时会产生传输时延，典型传输系统的单向传输时延如表3-4所示。

表3-4 典型传输系统的单向传输时延

2）数字设备产生的时延

数字信号通过数字复接器、数字交换机和路由器等数字设备时由于要进行缓存、排队、寻址和选路等操作，所以会产生时延损伤。典型数字设备的处理时延如表3-5所示。

表3-5 不同类型路由器典型的IP分组传送时延参数

3.时延对业务质量的影响

1）时延对电话业务的影响

当传输时延超过一定数值时，对于电话业务可能产生三种影响：产生相位失真、失去自然感、回波干扰作用加重。此外，时延将降低通信网信令系统的传输效率，较大的时延将破坏通信网络信令系统正常工作。

2）时延对数据业务的影响

对于单向传送的数据业务，时延不起实质性影响；对于采用自动请求重发（ARQ）纠错的数据传输系统，时延将降低这种数据通信系统的数据传送效率。

3）时延对图像业务的影响

对于单向传送的视频业务，时延不起实质性影响，但是考虑到用户对视频业务时延的可接收程度，一般都要求平均时延要小于数秒或数十秒。对于双向交互型视频业务（如视频会议等），时延将影响视频信息与语音信息的同步，因此，一般要求平均传送时延要小于400ms。

4.时延损伤的分类

1）第一类延时：≤170ms

这类延时相当于地面远距离传输延时。具体地说是相当于25000km海底电缆（每公里延时6μs）和每端连1250km埋地电缆（每公里延时4μs），此外还包含由数字复接器引入的0.3ms延时。这样一个连接总计延时近似为170ms。这类延时通常对现有各类业务都没有严重影响，适用于电话及数据业务应用。

2）第二类延时：240～400ms

这类延时相当于一跳卫星链路或一条含有较短星际链路的信道延时。对于电话业务来说，采取适当的回波控制措施，具有这类延时的信道仍然是可以使用的，但是随延时的增加，电话用户所感受的困难越来越大。对于数据业务来说，只要采用适当的终端总是可以使用的，而且一般来说也不会带来特殊的技术困难。

3）第三类延时：400～800ms

这类延时相当于两跳或三跳卫星链路的延时，或者相当于两条含有较长星际链路的卫星信道的延时。这种信道只能用于某种类型的文电或数据业务，而且必须使用能够适应这类延时的特定终端设备。

3.3.5 抖动损伤及其对业务的影响

1.抖动损伤的概念

ITU-T把由适当装置识别出的数字信号的有效状态的各个瞬间称为数字信号的有效瞬间，把数字信号的各有效瞬间相对其理想时间位置的短时偏离称为抖动（Jitter）。数字信号的有效瞬间对其理想时间位置偏离的时间间隔称为抖动幅度；这种偏离的时间间隔相对于时间的变化率称为抖动速率，如图3-4所示。

ITU-T关于抖动的定义从物理角度来看无疑是清楚的，但是从数学角度看似乎是模糊的，因为“短时”二字并未给出确切的数量概念。数字信号的有效瞬间偏离理想时间位置的变化速率在实际电路中起着不同的作用，抖动速率高到一定程度就很容易被实际电路滤除，在工程上不构成实际影响。抖动速率低到一定程度被称为漂移（Wander），漂移与抖动具有不同的性质，对数字网产生不同的影响。在工程上，通常认为抖动是可以抑制的，而漂移则不能被抑制只能被转化为滑动。因为通常采用简单模拟锁相环的去抖动器的起始抑制频率在几十赫量级，所以一般高于几十赫兹的称为抖动；如果采用具有数字滤波器的混合式锁相环，通常可以做到几十分之一赫兹，所以高于百分之几赫兹时称为抖动。

在数字网各个组成部分（线路段、复接设备、交换设备）相互近端接口连接中，一般都要求信息信号与定时信号成对地传送：在发端出口由定时信号来读出信息信号；在收端入口由定时信号来写入信息信号。在远程数字传输系统中，在发端把时钟和信码合在一起传输，到收端先从传输信号中提出定时信号，然后借助定时信号从传输信号中提取信息信号。可见，抖动损伤完全是由定时信号传递过来的，即定时信号的抖动损伤决定了信息信号的抖动损伤。因此，讨论中若不做特别说明，都是指定时信号的抖动损伤。

2.抖动损伤的产生机理与分类

1）传输抖动

由于传输系统受到干扰和背景噪声等因素的影响而对传输信号产生的附加抖动统称传输抖动。

2）复接抖动

数字复接/分接过程将给传输码流引入附加抖动，统称复接抖动。其中包括复接/分接过程的服务位插入/检出引起的周期性的读写时差变化，由帧定位信号插入/检出引起的周期性的读写时差积累，以及在一帧之中是否进行码速调整所引入的非周期性的读写时差积累等。

3）交换抖动

在信息交换过程给传输码流引入附加抖动，统称交换抖动。其中，电路交换设备引入的抖动机理与复接抖动类似，分组交换设备引入的抖动机理与交换节点对信息的排队缓存和处理相关。

3.抖动对误码的影响

抖动对误码的影响是非线性的，当抖动较小时这种影响较小，甚至可以忽略不计；当抖动较大时这种影响相当严重，其界限大体上在20～25UI%量级，这时信噪比损失3dB。

4.抖动对滑动的影响

诸如数字复接器、帧调整器及去抖动器等通用数字设备在其输入端一般设有输入缓冲存储器，抖动可能使得写入与读出的时间差值发生变化。如果写入时刻追过读出时刻就要发生漏读，即丢失若干信码；如果读出时刻追过定时写入时刻就要发生重读，即增加若干信码。丢失若干信码或增加若干信码统称非受控滑动。抖动对非受控滑动的影响是抖动峰值在起作用。只要抖动使得读写时差小于0或大于存储容量就产生滑动，如果不超过这两个界限就不会引起滑动。

5.抖动对量化失真的影响

定时抖动将使量化失真趋于严重，由定时抖动引入的最低信杂比（SNRmin），与抽样频率（fs）的平方成反比，与抖动均方值（σj2）成反比。

3.3.6 漂移损伤及其对业务的影响

1.漂移损伤的概念

数字信号的各有效瞬间相对其理想时间位置的缓慢偏离称为漂移（Wander）。漂移定义中的“缓慢”与抖动定义中的“迅速”的分界基于这样一个事实：任何带有缓冲存储器的锁相环都具有抑制抖动而跟踪漂移的功能，即抑制高频抖动而跟踪低频漂移。这种“高频”与“低频”的分界就是锁相环的自然谐振频率。因此，所用的锁相环的自然谐振频率就被默认为抖动与漂移的分界了。然而锁相环的自然谐振频率却因环路结构及设计条件而异，暂时难以做出统一的推荐。因此，抖动与漂移尽管存在一个频率界，但一时难以划定确切的频率数值。考虑到复用设备中用的模拟二阶锁相环的自然谐振频率通常在几赫兹到几十赫兹之间，所以有的文献认为可以按几赫兹或几十赫兹来划分抖动与漂移；考虑到网同步中的数字模拟混合二阶锁相环的自然谐振频率通常在十分之几赫兹到百分之几赫兹之间，因而有的文献主张按十分之几赫兹或百分之几赫兹来划分抖动与漂移。

2.漂移损伤产生的机理与分类

1）传输漂移

各种传输系统会对通过它传输的数字信号产生漂移损伤，因为传输的媒体不同，产生的漂移损伤也是不同的。例如，纸绝缘对称电缆的漂移常数近似3.0ns/km℃，如果埋地电缆年度最大温差按15℃左右计算，那么纸绝缘对称电缆年度每公里漂移率约为40ns/km。光缆漂移常数为40ps/km℃，在很大频率范围内光缆漂移常数与传输信号位速率无关；光缆系统中激光器的平均漂移常数为30ps/km℃。假定光缆系统的环境最大温差为15℃，则光缆系统的年度每公里漂移率约为1ns/km。卫星系统由于轨道偏心，在24小时周期内可能产生幅度约为0.4ms的漂移，另外，卫星经线位置的东西移动，在一个月内可能引起幅度约0.74ms的漂移。

2）时钟漂移

时钟系统由主局钟设备、时钟传输系统和从局钟设备组成。时钟系统产生的漂移包含：时钟相对频差积累漂移和通常的时钟传输漂移。这两类漂移形式不同，但是它们对网同步的影响是等效的。

主局钟设备是由时钟源、提纯用数字锁相环及其他变换和分配电路组成的。基准时钟源长期平均相对频偏在1×10-11量级，短期平均相对频偏在1×10-7～1×10-9量级，当环境温度变化5℃时，数字锁相环的相位跟踪误差可能达到2.75μs量级。

从局钟设备是由提纯锁相环及变换和分配电路组成的，时钟来自主局钟。提纯锁相环通常采用混合锁相环或模拟锁相环。这些锁相环较之主局钟设备中的数字锁相有较宽的通带，因而具有较小的相位跟踪漂移，这种环路漂移在1μs以内。

3）复接漂移

数字复接/分接过程将给传输码流引入附加漂移，统称复接漂移。其中包括复接/分接过程的服务位插入/检出引起的周期性的读写时差变化，由帧定位信号插入/检出引起的周期性的读写时差积累和在一帧之中是否进行码速调整所引入的非周期性的读写时差积累等。例如，支路速率为2048kbps，复接速率为8448kbps的正码速调整准同步复接器的塞入漂移可达69.75ns。

3.漂移损伤的影响

漂移对数字传输和准同步复接没有影响；对同步复接及数字交换产生影响。利用适当容量的缓冲存储器能够吸收幅度不超过存储容量的周期性漂移。但对于低频大幅度的漂移，普通缓冲存储器是无能为力的。这时只能采用时隙调整器或帧调整器，把这种单调或低频大幅度的漂移转化成为受控滑动。

3.3.7 滑动损伤及其对业务的影响

1.滑动损伤的概念

一般数字设备中都设置有缓冲存储器。假定读出时钟是无损伤的参考时钟，写入时钟是带有漂移损伤的时钟，写入时刻超前读出时刻的时间差（读写时差）为Δty。如果保证先写入后读出，即0＞Δty＞N时，缓冲存储器正常工作；如果出现读出追及写入，即0≥Δty，则发生重读现象；如果出现写入追及读出，即Δty≥N，则发生漏读现象。这种在传输码流中连续插入或丢失若干码元的现象称为滑动。ITU-T定义在一个数字信号中的一组连续数字位置上，在受控情况下产生的不可恢复的丢失或增加称为受控滑动（Controlled Slip）。

2.滑动损伤的产生机理

1）传输系统漂移引起的滑动

在一个端对端连接中，环境条件及工作条件都可能引起滑动。

虽然在数字网的理论设计条件下及在限定的正常传输性能范围内，可以认为一个同步网中的滑动速率等于零。然而在实际运行情况下，出于温度影响、网络调整、保护切换、操作错误及设计缺陷等原因，即使在一个全同步网内也可能出现滑动。

2）网络节点时钟频差引起的滑动

当不同的网络节点时钟存在频差时，积累频差达到一定的程度就会产生滑动，这是准同步网络之中特有的现象。

3）码速调整准同步复接引入的滑动

码速调整指示信号发生较多的错误，以至于在分接器中把正调整当成无调整，或者把无调整认为正调整。这时，就会使得支路码流插入一个虚假的位，或者丢失一个真实的位，即产生了滑动。

3.滑动损伤的影响

非受控滑动将使基本帧发生帧失步，从而使支路码发生短时中断。受控滑动不会使基本帧发生帧失步，但是会使复帧发生帧失步，同时使得信码错误增加或丢失。

滑动对各种业务质量的影响如下。

（1）滑动对语音业务的影响：对于普通电话业务，每次受控滑动丢失一个字节，对人的听觉无影响，每分钟滑动两次可以接受；对于声音广播业务，每小时滑动一次可以接受；对于用户加密数字电话业务将引起密码失步，每小时滑动一次可以接受；对于信令的影响，将使得随路信令中断5ms，但是不会使共路信令中断。

（2）滑动对数据业务的影响：对于可变长度分组数据业务，每小时滑动一次可以接受；对于固定长度分组数据业务，每3小时滑动一次可以接受。

（3）滑动对传真业务的影响：对于有差错控制的传真系统的影响，每3分钟滑动一次可以接受；对于无差错控制的传真系统的影响，每5.7小时滑动一次才可以接受，这是对滑动最敏感的电信业务。

（4）滑动对图像业务的影响：滑动对数字图像信号中的帧同步信号的影响较大，每小时滑动一次是可以接受的。