信道

目錄
·信道的分類(lèi)
·信道的數(shù)學(xué)模型
·信道容量




信道(Channel)：移動(dòng)通信中移動(dòng)臺(tái)與基站之間的信息通道，分物理信道和邏輯信道。

通道亦可以指中國(guó)湖南省懷化市下轄的 通道侗族自治縣。
信道是信號(hào)在通信系統(tǒng)中傳輸?shù)耐ǖ溃�是信�?hào)從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩怂��?jīng)過(guò)的傳輸媒質(zhì)，這是狹義信道的定義。廣義信道的定義除了包括傳輸媒質(zhì)，還包括信號(hào)傳輸?shù)南嚓P(guān)設(shè)備。




信道的分類(lèi)


狹義信道的分類(lèi)
狹義信道，按照傳輸媒質(zhì)來(lái)劃分，可以分為有線(xiàn)信道、無(wú)線(xiàn)信道和存儲(chǔ)信道三類(lèi)。

有線(xiàn)信道
有線(xiàn)信道以導(dǎo)線(xiàn)為傳輸媒質(zhì)，信號(hào)沿導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行傳輸，信號(hào)的能量集中在導(dǎo)線(xiàn)附近，因此傳輸效率高，但是部署不夠靈活。這一類(lèi)信道使用的傳輸媒質(zhì)包括用電線(xiàn)傳輸電信號(hào)的架空明線(xiàn)、電話(huà)線(xiàn)、雙絞線(xiàn)、對(duì)稱(chēng)電纜和同軸電纜等等，還有傳輸經(jīng)過(guò)調(diào)制的光脈沖信號(hào)的光導(dǎo)纖維。

無(wú)線(xiàn)信道
無(wú)線(xiàn)信道主要有以輻射無(wú)線(xiàn)電波為傳輸方式的無(wú)線(xiàn)電信道和在水下傳播聲波的水聲信道等。
無(wú)線(xiàn)電信號(hào)由發(fā)射機(jī)的天線(xiàn)輻射到整個(gè)自由空間上進(jìn)行傳播。不同頻段的無(wú)線(xiàn)電波有不同的傳播方式，主要有：

地波傳輸：地球和電離層構(gòu)成波導(dǎo)，中長(zhǎng)波、長(zhǎng)波和甚長(zhǎng)波可以在這天然波導(dǎo)內(nèi)沿著地面?zhèn)鞑ゲ⒗@過(guò)地面的障礙物。長(zhǎng)波可以應(yīng)用于海事通信，中波調(diào)幅廣播也利用了地波傳輸。
天波傳輸：短波、超短波可以通過(guò)電離層形成的反射信道和對(duì)流層形成的散射信道進(jìn)行傳播。短波電臺(tái)就利用了天波傳輸方式。天波傳輸?shù)木嚯x最大可以達(dá)到400千米左右。電離層和對(duì)流層的反射與散射，形成了從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的多條隨時(shí)間變化的傳播路徑，電波信號(hào)經(jīng)過(guò)這些路徑在接收端形成相長(zhǎng)或相消的疊加，使得接收信號(hào)的幅度和相位呈隨機(jī)變化，這就是多徑信道的衰落，這種信道被稱(chēng)作衰落信道。
視距傳輸：對(duì)于超短波、微波等更高頻率的電磁波，通常采用直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直線(xiàn)傳輸。由于波長(zhǎng)很短，無(wú)法繞過(guò)障礙物，視距傳輸要求發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間沒(méi)有物體阻礙。由于地球曲率的影響，視距傳輸?shù)木嚯x有限，最遠(yuǎn)傳輸距離 d 與發(fā)射天線(xiàn)距地面的高度 h 滿(mǎn)足。如果要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，必須設(shè)立地面中繼站或衛(wèi)星中繼站進(jìn)行接力傳輸，這就是微波視距中繼和衛(wèi)星中繼傳輸。光信號(hào)的視距傳輸也屬于此類(lèi)。

由于電磁波在水體中傳輸?shù)膿p耗很大，在水下通常采用聲波的水聲信道進(jìn)行傳輸。不同密度和鹽度的水層形成的反射、折射作用和水下物體的散射作用，使得水聲信道也是多徑衰落信道。
無(wú)線(xiàn)信道在自由空間（對(duì)于無(wú)線(xiàn)電信道來(lái)說(shuō)是大氣層和太空，對(duì)于水聲信道來(lái)說(shuō)是水體）上傳播信號(hào)，能量分散，傳輸效率較低，并且很容易被他人截獲，安全性差。但是通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道的通信擺脫了導(dǎo)線(xiàn)的束縛，因此無(wú)線(xiàn)通信具有有線(xiàn)通信所沒(méi)有的高度靈活性。

存儲(chǔ)信道
在某種意義上，磁帶、光盤(pán)、磁盤(pán)等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒質(zhì)也可以被看作是一種通信信道。將數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)媒質(zhì)的過(guò)程即等效于發(fā)射機(jī)將信號(hào)傳輸?shù)叫诺赖倪^(guò)程，將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)媒質(zhì)讀出的過(guò)程即等效于接收機(jī)從信道接收信號(hào)的過(guò)程。

廣義信道的分類(lèi)

調(diào)制信道與編碼信道框圖。對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)，調(diào)制信道是編碼信道的一部分。



廣義信道，按照其功能進(jìn)行劃分，可以分為調(diào)制信道和編碼信道兩類(lèi)。
調(diào)制信道是指信號(hào)從調(diào)制器的輸出端傳輸?shù)浇庹{(diào)器的輸入端經(jīng)過(guò)的部分。對(duì)于調(diào)制和解調(diào)的研究者來(lái)說(shuō)，信號(hào)在調(diào)制信道上經(jīng)過(guò)的傳輸媒質(zhì)和變換設(shè)備都對(duì)信號(hào)做出了某種形式的變換，研究者只關(guān)心這些變換的輸入和輸出的關(guān)系，并不關(guān)心實(shí)現(xiàn)這一系列變換的具體物理過(guò)程。這一系列變換的輸入與輸出之間的關(guān)系，通常用多端口時(shí)變網(wǎng)絡(luò)作為調(diào)制信道的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。
編碼信道是指數(shù)字信號(hào)由編碼器輸出端傳輸?shù)阶g碼器輸入端經(jīng)過(guò)的部分。對(duì)于編譯碼的研究者來(lái)說(shuō)，編碼器輸出的數(shù)字序列經(jīng)過(guò)編碼信道上的一系列變換之后，在譯碼器的輸入端成為另一組數(shù)字序列，研究者只關(guān)系這兩組數(shù)字序列之間的變換關(guān)系，而并不關(guān)心這一系列變換發(fā)生的具體物理過(guò)程，甚至并不關(guān)心信號(hào)在調(diào)制信道上的具體變化。編碼器輸出的數(shù)字序列與到譯碼器輸入的數(shù)字序列之間的關(guān)系，通常用多端口網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移概率作為編碼信道的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。




信道的數(shù)學(xué)模型


調(diào)制信道模型

加性噪聲信道模型。由同軸電纜、光纖等媒質(zhì)構(gòu)成的信道符合這一模型。

線(xiàn)性時(shí)變信道模型。

線(xiàn)性時(shí)不變信道模型。

調(diào)制信道模型描述的是調(diào)制信道的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。調(diào)制信道、輸入信號(hào)、輸出信號(hào)存在以下特點(diǎn)：

信道總具有輸入信號(hào)端和輸出信號(hào)。
信道一般是線(xiàn)性的，即輸入信號(hào)和對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)之間滿(mǎn)足疊加原理。
信道是因果，即輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)信道后，相應(yīng)的輸出信號(hào)的響應(yīng)有延時(shí)。
信道使通過(guò)的信號(hào)發(fā)生畸變，即輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)信道后，相應(yīng)的輸出信號(hào)會(huì)發(fā)生衰減。
信道中存在噪聲，即使輸入信號(hào)為零，輸出信號(hào)仍然會(huì)具有一定功率

因此，調(diào)制信道可以被描述為一個(gè)多端口線(xiàn)性系統(tǒng)。如果信號(hào)通過(guò)信道發(fā)生的畸變是時(shí)變的，那么這是一個(gè)線(xiàn)性時(shí)變系統(tǒng)，這樣的信道被稱(chēng)作“隨機(jī)參數(shù)信道”；如果畸變與時(shí)間無(wú)關(guān)，那么這是一個(gè)線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)，這種信道被稱(chēng)作“恒定參數(shù)信道”。
調(diào)制信道的數(shù)學(xué)模型為：
y(t) = x(t) * h(t;τ) + n(t)
其中x(t)是調(diào)制信道在時(shí)刻t的輸入信號(hào)，即已調(diào)信號(hào)。y(t)是調(diào)制信道在時(shí)刻t的輸出信號(hào)。h(t;τ)是信道的沖激響應(yīng)，τ代表時(shí)延，h(t;τ)表示在時(shí)刻t、延時(shí)為τ時(shí)信道對(duì)沖激函數(shù)δ(t)的響應(yīng)，描述了信道對(duì)輸入信號(hào)的畸變和延時(shí)。*為卷積算子。n(t) 是調(diào)制信道上存在的加性噪聲，與輸入信號(hào)x(t)無(wú)關(guān)，又被稱(chēng)為“加性干擾”。由于信道的線(xiàn)性性質(zhì)，并且考慮信道噪聲，x(t) * h(t;τ) + n(t)就是x(t)通過(guò)由信道響應(yīng)h(t;τ)描述的調(diào)制信道的輸出。調(diào)制信道可以同時(shí)有多個(gè)輸入信號(hào)和多個(gè)輸出信號(hào)，這時(shí)的x(t)和y(t)是矢量信號(hào)。
h(t)使得調(diào)制信道的輸出信號(hào)y(t)的幅度隨著時(shí)間t發(fā)生變化，因此被稱(chēng)作“乘性干擾”。乘性干擾h(t)是t的函數(shù)，受到信道特性的影響通常隨著時(shí)間隨機(jī)變化，因此一般只能用隨機(jī)過(guò)程描述其統(tǒng)計(jì)特性，這種信道被稱(chēng)作“隨機(jī)參數(shù)信道”。不過(guò)也有信道的乘性干擾基本不隨著時(shí)間變化，可以認(rèn)為其h(t)為一常量，這種信道被稱(chēng)作“恒定參數(shù)信道”。由短波電離層反射、超短波及微波電離層散射、超短波視距繞射等媒質(zhì)構(gòu)成的調(diào)制信道屬于隨參信道。由架空明線(xiàn)、對(duì)稱(chēng)電纜、同軸電纜、光纜、微波視距傳播、光波視距傳播等媒質(zhì)構(gòu)成的調(diào)制信道屬于恒參信道。
n(t)是信道的加性噪聲，它獨(dú)立于輸入信號(hào)x，因此也獨(dú)立于輸出信號(hào)y。即使信道的輸入信號(hào)為零，信道仍然有來(lái)自噪聲的能量輸出。加性噪聲的來(lái)源主要有：電路內(nèi)部的熱噪聲和散彈噪聲，來(lái)自外部的宇宙噪聲等等。

編碼信道模型
數(shù)字通信將信息通過(guò)編碼器以數(shù)量有限的碼元表示。這些碼元信號(hào)通過(guò)編碼信道后，由于信道對(duì)信號(hào)的畸變和噪聲干擾，在編碼信道輸出端由譯碼器重建的碼元信號(hào)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。編碼信道模型描述了編碼信道的輸入碼元信號(hào)與輸出碼元信號(hào)之間變換的數(shù)學(xué)關(guān)系。
編碼信道模型描述了編碼信道輸入和輸出碼元信號(hào)之間的轉(zhuǎn)移概率。設(shè)編碼信道的使用碼元集合為，M為碼本大小。編碼器輸出信號(hào)為，解碼器的輸出信號(hào)為。則轉(zhuǎn)移概率P(Y_j | X_i)就描述了輸入信號(hào)X_i經(jīng)過(guò)編碼信道之后被檢測(cè)為Y_j的概率。


信道容量

信道是傳輸信息的通道，信道容量描述了信道無(wú)差錯(cuò)地傳輸信息的最大能力，可以用來(lái)衡量信道的好壞。香農(nóng)在他的著名論文《通信的數(shù)學(xué)原理》中給出了信道容量的定義和計(jì)算，即信道容量是信道輸入信號(hào)與輸出信號(hào)互信息量的上界。

對(duì)于信噪比為 S/N、帶寬為B的加性高斯白噪聲信道，其信道容量為

log₂(1 + S / N)為信道傳輸信息的頻譜效率，即單位時(shí)間、單位帶寬上能夠傳輸?shù)男畔⒘�，單位為。增大信噪比可以提高信道的容量，這可以通過(guò)抑制噪聲或者增加發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)。假若信噪比無(wú)窮大，則信道容量也趨于無(wú)窮。不過(guò)由于信道中總存在噪聲，而且發(fā)射機(jī)的功率不可能沒(méi)有限制，因此這種情況不會(huì)出現(xiàn)。增加信道帶寬也可以增加信道容量，但是這種增加不是無(wú)限制的。設(shè)信道的噪聲功率譜密度為N₀，則隨著信道帶寬 B 的增加，噪聲功率N = BN₀也隨之增加。記信號(hào)功率最大為E_s，則帶寬無(wú)窮大時(shí)，信道容量的極限為

可見(jiàn)，增加帶寬并不是提高信道容量的好方法。
信道容量是理論上信道傳輸信息的能力的極限，在目前的各種通信技術(shù)中，實(shí)際能夠達(dá)到的信道吞吐量遠(yuǎn)小于這一極限。

• 通信詞典解釋