数字通信技术的性能优化策略研究

摘要：为了满足日益增长的数据传输需求和提高用户体验，需要对数字通信系统的性能进行优化。本文探讨了数字通信技术的主要性能指标、面临的挑战，并提出了几种有效的性能优化策略。

关键词：数字通信；技术；性能；优化

引言：数字通信系统通过将信息转换成数字信号进行传输，在现代通信领域得到了广泛应用。然而，由于信道噪声、多径效应、带宽限制等因素的影响，数字通信系统的性能往往受到制约，如何有效提升数字通信系统的性能成为了当前研究的重点课题之一[1]。

一、 数字通信系统的主要性能指标

（一）传输可靠性指标：误码率（Bit Error Rate）

误码率作为衡量数据完整性的核心参数，反映了通信过程中信息保真度。其定义为错误接收比特数与总传输比特数的比值，数学表达式为BER=错误比特数/总传输比特数。在典型光纤通信系统中，误码率通常控制在10^-12量级，相当于每传输1万亿比特仅出现1个误码。卫星通信系统受信道环境影响，误码率可能达到10^-6级别。降低误码率的技术手段包括信道编码技术（如LDPC码、Turbo码）、自适应均衡技术以及高阶调制解调方案优化[2]。

（二）传输效率指标：吞吐量（Throughput）

吞吐量表征系统有效数据传输能力，计算方式为成功传输数据总量与对应时间周期的比值，计量单位常用Mbps或Gbps。5G NR标准下，单用户峰值吞吐量可达20Gbps，实际组网中受调度算法、资源分配策略和多用户并发影响，典型吞吐量约为理论峰值的60%-80%。提升吞吐量的技术路径包括MIMO空间复用、载波聚合（CA）以及灵活双工技术应用。需注意区分物理层速率与协议层有效吞吐量的差异，后者需扣除协议开销和重传损耗。

（三）实时性指标：端到端延迟（End-to-End Latency）

系统时延由传输时延、处理时延和排队时延三部分构成。5G URLLC场景要求空口时延低于1ms，工业物联网控制指令传输通常需要10ms级确定性时延保障。降低时延的关键技术包括边缘计算部署、协议栈优化（如缩短TTI时长）和预调度机制。值得注意的是，时延与吞吐量存在制约关系，在固定带宽下，低时延要求往往需要牺牲部分吞吐量资源[3]。

（四）频谱资源利用率指标：频谱效率（Spectral Efficiency）

该参数定义为每赫兹带宽可承载的信息速率，单位为bps/Hz。4G LTE系统频谱效率约16bps/Hz，5G NR通过Massive MIMO和毫米波技术提升至30bps/Hz以上。提升策略涉及高阶调制（如1024QAM）、智能波束赋形和动态频谱共享技术。实际应用中需平衡频谱效率与覆盖范围的关系，高频段虽能提供更大带宽但传播损耗较高，低频段覆盖优势明显但频谱效率相对较低[4]。

二、 数字通信系统面临的挑战

（一）信道干扰与噪声

在无线信号传输过程中，外界干扰和背景噪声是两大主要威胁。这些干扰源可能来自其他通信设备、自然电磁现象或工业设备产生的杂波。当干扰强度超过一定阈值时，接收端难以准确识别原始信号，直接导致传输错误率攀升。这种情况不仅会影响实时通信质量，在极端情况下甚至会造成整个通信链路的中断。

（二）多径传播

由于建筑物、地形等障碍物的反射和折射，电磁波会通过不同路径到达接收天线。这些传播路径长度不同造成到达时间差异，就像多个延迟的"回声"同时到达。这种效应会产生两个主要问题：首先，不同路径信号的叠加可能造成波形畸变；其次，相邻数据符号的时延重叠会引发符号间干扰，严重时接收机无法正确解析传输内容。

（三）频谱资源紧张

当前各频段已基本被划分给不同通信系统使用，可用频带呈现"僧多粥少"的局面。5G时代每平方公里百万设备的连接密度，以及增强现实、自动驾驶等新应用对带宽的渴求，使得频谱资源争夺愈发激烈。如何在现有频段内实现更高传输速率，成为运营商和设备商共同的技术攻关方向。

（四）网络拥堵

当大量用户集中在特定时段使用网络时（如重大赛事直播、突发事件等），基站和核心网的承载能力面临严峻考验。这种情况不仅会造成网页加载延迟、视频卡顿等用户体验问题，还可能触发网络设备的自我保护机制，导致部分用户服务被暂时限制。在物联网时代，海量设备并发接入将使流量管理面临更大挑战。

三、数字通信技术的性能优化策略

（一） 信道编码技术

现代通信系统通过在数据流中插入校验位实现错误控制，这种技术如同为信息包裹上"防护装甲"。典型方案如采用网格结构的卷积编码，其特点是具有记忆特性，能够连续处理数据流。涡轮码通过并行级联结构实现接近理论极限的纠错能力，特别适合深空通信等严苛环境。近年兴起的低密度奇偶校验码（LDPC）凭借译码简单、时延低的优势，已成为5G标准的核心技术。

（二）调制技术

信号调制方式直接影响频谱利用率与抗干扰能力。正交调幅（QAM）通过相位与幅度双重调制，在单位符号内承载更多信息，256-QAM已普遍应用于现代Wi-Fi系统。正交频分复用（OFDM）将高速数据流分割到多个正交子载波传输，既能对抗多径干扰，又能灵活分配频谱资源。值得关注的是，该技术在数字电视广播和4G LTE网络中均有成功应用案例。

（三） MIMO技术

多入多出（MIMO）架构突破传统单天线限制，基站侧配置8-64根天线已成行业趋势。该系统通过空间维度拓展实现三大优势：利用波束成形增强信号覆盖，通过分层传输提升数据吞吐量，借助分集接收改善传输可靠性。大规模MIMO阵列在毫米波频段的应用，使得单个基站同时服务数百终端成为可能。

（四）动态频谱管理

针对频谱资源供需矛盾，动态分配技术展现出独特价值。认知无线电设备具备环境感知能力，可实时检测2.4GHz、5GHz等公共频段的空闲时隙。电视白频谱的二次利用是典型案例，通过数据库协调机制，在不干扰广播电视的前提下，将闲置频段分配给物联网设备使用。这种"见缝插针"式的资源利用方式，使频谱效率提升30%以上。

（五）网络架构优化

传统蜂窝网络正经历云化改造，核心变革在于基带处理功能的集中迁移。运营商将原本分散在基站的数字信号处理模块，整合至网络边缘的服务器集群。这种架构变革带来双重效益：硬件资源池化降低设备采购成本，计算能力动态分配实现按需扩容。某主流设备商的实测数据显示，云化基站相较传统架构节能27%，运维效率提升40%。软件定义网络（SDN）架构解耦了网络控制逻辑与数据转发功能。控制平面集中部署在区域级数据中心，通过OpenFlow协议远程管理全网交换设备。

结语：

数字通信技术的性能优化涉及信道编码、调制技术、网络架构等多个方面。合理选择和应用上述优化策略，提升数字通信系统的性能，满足不断增长的数据传输需求。之后需要继续探索新的技术和方法，推动数字通信技术的发展。

参考文献：

[1]郭际航. 数字通信用屏蔽平行双导线电缆技术特点简论[J]. 光纤与电缆及其应用技术， 2021， （04）： 1-7.

[2]于鹏， 谢飞， 李健强， 孙慧慧. 电台数字通信性能测量方法研究[J]. 电子测量技术， 2018， 41 （02）： 101-104.

[3]谭雪霏， 赵春波， 陈巩. 数字通信系统中的同步技术研究[J]. 现代电子技术， 2010， 33 （07）： 48-49+52.

[4]汝星金，唐金花，朱小富. 数字通信的抗多径衰落技术及其性能仿真[J]. 金华职业技术学院学报， 2003， （01）： 9-12.