好的，我们来详细解释一下数字通信系统以及它如何产生杂散信号。

一、什么是数字通信系统？

数字通信系统是一种将信息以离散的数字信号形式（通常是二进制0和1比特流）进行传输、处理和接收的系统。它的核心目标是将原始的信息源（如语音、文本、图像、视频）高效、可靠地从发送端传递到接收端，克服噪声、干扰和信道衰减等影响。

数字通信系统的核心工作流程通常包括以下步骤（发送端->信道->接收端）

1. 信源编码： 将原始模拟信息（如语音）数字化（转换为0和1比特流）并进行压缩，去除冗余信息以提高传输效率（如MP3, JPEG编码等）。
2. 信道编码： 也称纠错编码。在比特流中有意地加入冗余比特（校验位），形成更具鲁棒性的编码码字。这使得接收端能够检测并纠正传输过程中由噪声或干扰引起的比特错误（如汉明码、Reed-Solomon码、Turbo码、LDPC码等）。
3. 交织： 对编码后的比特进行重新排列，将突发错误（一连串的连续错误）分散开，变成更容易被信道编码纠错的随机单个错误。
4. 基带调制： 将数字比特流映射到适合在基带（基带通道是承载数字信号的通信通道，通常指从0赫兹（或接近0赫兹）到某个上限频率的频带。基带信号是直接携带信息的原始信号，其频谱通常集中在低频段。）传输的信号波形（脉冲）。常用的有单极性/双极性不归零码、曼彻斯特编码等。
5. 载波调制： 将基带信号的频谱搬移到一个适合在物理信道（如无线信道、电缆、光纤）中传输的更高频带上。这是通过让基带信号（包含信息）去控制一个高频载波信号（通常是正弦波）的某些特性（如幅度、频率或相位）来实现的。调制技术包括：
   • 幅度键控： 用不同幅度表示不同码字。
   • 频移键控： 用不同频率表示不同码字。
   • 相移键控： 用不同相位表示不同码字（如BPSK, QPSK, QAM等）。
   • 更先进的调制： 如QAM结合了幅度和相位的调制。
6. 上变频与功率放大： 将已调信号从较低的基带或中频转换到最终的射频频率。然后通过功率放大器将信号增强到所需的发射功率。
7. 信道传输： 信号通过物理信道（如空气、铜线、光纤），期间会受到噪声、衰减、失真、多径效应、干扰等损害。
8. 接收与放大： 接收天线捕获微弱的射频信号，由低噪声放大器初步放大。
9. 下变频： 将高频信号转换回较低的频率（基带或中频），便于后续处理。
10. 滤波： 使用滤波器滤除带外噪声和干扰。
11. 解调： 检测已调信号中携带信息的调制特性（幅度/频率/相位），恢复出基带信号波形。
12. 判决与采样： 在最佳时刻对解调后的波形进行采样，并将其与预设的阈值进行比较，判决出传输的是“0”还是“1”比特。
13. 解交织： 将分散的比特错误重新集中回原来的位置。
14. 信道解码： 利用信道编码时加入的冗余信息，检测并纠正比特流中的错误。
15. 信源解码： 将解码后的比特流还原成原始的模拟信息（如语音、图像）。

关键优势

• 抗噪声干扰能力强： 可以检测并纠正比特错误。
• 保真度高： 数字信号易于再生，避免了长距离传输中的累积噪声。
• 易于加密： 便于进行复杂的加密算法保障信息安全。
• 易于处理和复用： 数字信号便于与计算机系统集成、存储、压缩和多路复用。
• 易于集成： 大规模集成电路技术非常适合处理数字信号。
• 业务整合能力强： 不同类型的信息（语音、数据、视频）可以统一数字化传输。

二、数字通信系统如何产生杂散信号？

杂散信号是指在期望传输信道频率之外产生的、不需要的信号辐射或发射。它们在接收端表现为干扰，会劣化自身或其它通信系统的性能。数字通信系统中产生杂散信号的主要机理包括：

1. 调制过程中的非线性失真： 这是最常见、最主要的原因。

   • 非线性器件： 系统中的射频功率放大器、混频器等器件并非完全线性的。当信号幅度较大时，它们会进入非线性工作区（饱和区或截止区）。
   • 谐波失真： 非线性器件会输出输入信号频率（f）的整数倍频率（2f, 3f, 4f...），即谐波。如果这些谐波落在系统的敏感频段内或落入其它系统的使用频段，就成为干扰杂散。
   • 互调失真： 当两个或多个不同频率（f1, f2）的信号同时通过非线性器件时，会产生它们的和频（f1 + f2）、差频（f1 - f2）以及更高阶的组合频率（如 2f1 - f2, 2f2 - f1, f1 + f2 - f3 等）。这些互调产物可能落在有用的接收频带内或其它系统的频段，形成非常严重的杂散干扰源。多载波系统（如OFDM）尤其容易产生互调失真。

2. 数模转换： 在发射路径末端，如果需要产生模拟信号进行放大和辐射。

   • 镜像频率： DAC通常使用采样时钟来重构模拟信号。根据采样定理，重构信号不仅包含基带信号频谱，还包含以采样时钟频率整数倍为中心的镜像频谱。如果后级滤波器性能不佳（通常设计用来滤除离基带最近的第一个镜像，即时钟频率减去基带信号频率处的镜像），未能完全滤除更高阶的镜像频谱，这些残留的镜像就会作为杂散信号发射出去。
   • 量化误差： DAC将离散的数字值转换为连续的模拟电平。这种量化过程会产生量化噪声。在某些条件下，量化误差中可能包含规则的非谐波相关分量（杂散），其频率与输入信号频率和数据速率有关。

3. 本地振荡器泄漏：

   • 发射路径中的混频器需要本地振荡器信号来与基带/中频信号混频。LO信号的功率可能通过混频器的隔离度不够（信号路径之间的隔离性能）而发生泄漏。
   • 泄露的LO信号会直接耦合到发射链路中，与有用信号一起被发射出去，成为一个强大且非常明显的单频杂散信号。
   • 接收端LO泄露也可能通过天线反馈造成干扰，但通常更关键的是发射端的LO泄露杂散。

4. 电源噪声与时钟馈通：

   • 高速数字电路（如FPGA、DSP）工作时会产生大量的高频开关噪声。
   • 电源噪声： 不纯净的电源会被调制到射频载波上，产生边带杂散或宽带噪声杂散。
   • 时钟馈通： 系统主时钟（或其它高频参考时钟）的信号可能通过隔离不良的布线耦合、寄生电容耦合到射频信号路径或LO信号中，产生与时钟频率（或其谐波）相关的单频杂散。
   • 地弹： 数字电路开关电流引起地平面波动（地弹），也会影响模拟/RF电路的性能，产生杂散。

5. 不完美的频率合成：

   • 本振信号通常由锁相环频率合成器生成。
   • 参考杂散： PLL中的电荷泵噪声、电源噪声等会引入相位噪声，当在特定的低频偏移处（如与PLL参考频率相关的频率）出现较强的相位噪声分量时，会在载波频率附近产生对称的杂散边带。
   • 谐波/寄生输出： PLL中的分频器、倍频器或VCO本身可能在工作频率的谐波上产生一些微弱的信号输出，虽然被滤波器抑制，但残留部分也可能成为杂散。

6. 非线性包络检测：

   • 在基于包络变化的幅度调制（如某些QAM信号）中，信号包络是变化的。当信号通过非线性功率放大器时，变化的包络会与RF载波相互作用。包络的变化速率（如符号率或符号率的分频）可能以调制边带的形式出现在输出频谱中，这些边带也是频谱模板之外的杂散。
   • 这个机制有时也被归为互调失真的一种特例。

总结杂散的危害

杂散信号会：

• 干扰同一系统的接收机： 杂散如果落在接收频带内，会直接干扰信号的接收和解调（带内阻塞或带内干扰）。
• 干扰其他通信系统： 杂散落在其他系统（如雷达、民航通信、卫星通信）的工作频带内，会造成有害干扰。
• 违反频谱监管规定： 管理机构（如FCC、工信部）对无线设备的带外辐射和杂散辐射有严格的限值要求。超标杂散会导致设备无法认证或面临罚款。
• 降低系统容量和性能： 即使未达到干扰程度，杂散信号也可能抬高噪声基底，降低信噪比，从而减少系统容量或传输速率。

因此，数字通信系统设计需要精心考虑线性度、选择高质量元器件、进行良好的频谱规划（避免产生落在敏感频段的互调产物）、采用有效的滤波、屏蔽和优化电源/接地/布线设计，以最大限度地抑制杂散信号的产生和泄漏。频谱测量和分析是检测和定位杂散的重要手段。