信道

目錄
·信道的分類
·信道的數(shù)學模型
·信道容量




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

通道亦可以指中國湖南省懷化市下轄的 通道侗族自治縣。
信道是信號在通信系統(tǒng)中傳輸?shù)耐ǖ�，是信號從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩怂��?jīng)過的傳輸媒質(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)，還包括信號傳輸?shù)南嚓P設備。




信道的分類


狹義信道的分類
狹義信道，按照傳輸媒質(zhì)來劃分，可以分為有線信道、無線信道和存儲信道三類。

有線信道
有線信道以導線為傳輸媒質(zhì)，信號沿導線進行傳輸，信號的能量集中在導線附近，因此傳輸效率高，但是部署不夠靈活。這一類信道使用的傳輸媒質(zhì)包括用電線傳輸電信號的架空明線、電話線、雙絞線、對稱電纜和同軸電纜等等，還有傳輸經(jīng)過調(diào)制的光脈沖信號的光導纖維。

無線信道
無線信道主要有以輻射無線電波為傳輸方式的無線電信道和在水下傳播聲波的水聲信道等。
無線電信號由發(fā)射機的天線輻射到整個自由空間上進行傳播。不同頻段的無線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，中長波、長波和甚長波可以在這天然波導內(nèi)沿著地面?zhèn)鞑ゲ⒗@過地面的障礙物。長波可以應用于海事通信，中波調(diào)幅廣播也利用了地波傳輸。
天波傳輸：短波、超短波可以通過電離層形成的反射信道和對流層形成的散射信道進行傳播。短波電臺就利用了天波傳輸方式。天波傳輸?shù)木嚯x最大可以達到400千米左右。電離層和對流層的反射與散射，形成了從發(fā)射機到接收機的多條隨時間變化的傳播路徑，電波信號經(jīng)過這些路徑在接收端形成相長或相消的疊加，使得接收信號的幅度和相位呈隨機變化，這就是多徑信道的衰落，這種信道被稱作衰落信道。
視距傳輸：對于超短波、微波等更高頻率的電磁波，通常采用直接點對點的直線傳輸。由于波長很短，無法繞過障礙物，視距傳輸要求發(fā)射機與接收機之間沒有物體阻礙。由于地球曲率的影響，視距傳輸?shù)木嚯x有限，最遠傳輸距離 d 與發(fā)射天線距地面的高度 h 滿足。如果要進行遠距離傳輸，必須設立地面中繼站或衛(wèi)星中繼站進行接力傳輸，這就是微波視距中繼和衛(wèi)星中繼傳輸。光信號的視距傳輸也屬于此類。

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。
無線信道在自由空間（對于無線電信道來說是大氣層和太空，對于水聲信道來說是水體）上傳播信號，能量分散，傳輸效率較低，并且很容易被他人截獲，安全性差。但是通過無線信道的通信擺脫了導線的束縛，因此無線通信具有有線通信所沒有的高度靈活性。

存儲信道
在某種意義上，磁帶、光盤、磁盤等數(shù)據(jù)存儲媒質(zhì)也可以被看作是一種通信信道。將數(shù)據(jù)寫入存儲媒質(zhì)的過程即等效于發(fā)射機將信號傳輸?shù)叫诺赖倪^程，將數(shù)據(jù)從存儲媒質(zhì)讀出的過程即等效于接收機從信道接收信號的過程。

廣義信道的分類

調(diào)制信道與編碼信道框圖。對于數(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，按照其功能進行劃分，可以分為調(diào)制信道和編碼信道兩類。
調(diào)制信道是指信號從調(diào)制器的輸出端傳輸?shù)浇庹{(diào)器的輸入端經(jīng)過的部分。對于調(diào)制和解調(diào)的研究者來說，信號在調(diào)制信道上經(jīng)過的傳輸媒質(zhì)和變換設備都對信號做出了某種形式的變換，研究者只關心這些變換的輸入和輸出的關系，并不關心實現(xiàn)這一系列變換的具體物理過程。這一系列變換的輸入與輸出之間的關系，通常用多端口時變網(wǎng)絡作為調(diào)制信道的數(shù)學模型進行描述。
編碼信道是指數(shù)字信號由編碼器輸出端傳輸?shù)阶g碼器輸入端經(jīng)過的部分。對于編譯碼的研究者來說，編碼器輸出的數(shù)字序列經(jīng)過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，研究者只關系這兩組數(shù)字序列之間的變換關系，而并不關心這一系列變換發(fā)生的具體物理過程，甚至并不關心信號在調(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)字序列之間的關系，通常用多端口網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)移概率作為編碼信道的數(shù)學模型進行描述。




信道的數(shù)學模型


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。

線性時變信道模型。

線性時不變信道模型。

調(diào)制信道模型描述的是調(diào)制信道的輸出信號和輸入信號之間的數(shù)學關系。調(diào)制信道、輸入信號、輸出信號存在以下特點：

信道總具有輸入信號端和輸出信號。
信道一般是線性的，即輸入信號和對應的輸出信號之間滿足疊加原理。
信道是因果，即輸入信號經(jīng)過信道后，相應的輸出信號的響應有延時。
信道使通過的信號發(fā)生畸變，即輸入信號經(jīng)過信道后，相應的輸出信號會發(fā)生衰減。
信道中存在噪聲，即使輸入信號為零，輸出信號仍然會具有一定功率

因此，調(diào)制信道可以被描述為一個多端口線性系統(tǒng)。如果信號通過信道發(fā)生的畸變是時變的，那么這是一個線性時變系統(tǒng)，這樣的信道被稱作“隨機參數(shù)信道”；如果畸變與時間無關，那么這是一個線性時不變系統(tǒng)，這種信道被稱作“恒定參數(shù)信道”。
調(diào)制信道的數(shù)學模型為：
y(t) = x(t) * h(t;τ) + n(t)
其中x(t)是調(diào)制信道在時刻t的輸入信號，即已調(diào)信號。y(t)是調(diào)制信道在時刻t的輸出信號。h(t;τ)是信道的沖激響應，τ代表時延，h(t;τ)表示在時刻t、延時為τ時信道對沖激函數(shù)δ(t)的響應，描述了信道對輸入信號的畸變和延時。*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x(t)無關，又被稱為“加性干擾”。由于信道的線性性質(zhì)，并且考慮信道噪聲，x(t) * h(t;τ) + n(t)就是x(t)通過由信道響應h(t;τ)描述的調(diào)制信道的輸出。調(diào)制信道可以同時有多個輸入信號和多個輸出信號，這時的x(t)和y(t)是矢量信號。
h(t)使得調(diào)制信道的輸出信號y(t)的幅度隨著時間t發(fā)生變化，因此被稱作“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間隨機變化，因此一般只能用隨機過程描述其統(tǒng)計特性，這種信道被稱作“隨機參數(shù)信道”。不過也有信道的乘性干擾基本不隨著時間變化，可以認為其h(t)為一常量，這種信道被稱作“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、對稱電纜、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，它獨立于輸入信號x，因此也獨立于輸出信號y。即使信道的輸入信號為零，信道仍然有來自噪聲的能量輸出。加性噪聲的來源主要有：電路內(nèi)部的熱噪聲和散彈噪聲，來自外部的宇宙噪聲等等。

編碼信道模型
數(shù)字通信將信息通過編碼器以數(shù)量有限的碼元表示。這些碼元信號通過編碼信道后，由于信道對信號的畸變和噪聲干擾，在編碼信道輸出端由譯碼器重建的碼元信號會發(fā)生錯誤。編碼信道模型描述了編碼信道的輸入碼元信號與輸出碼元信號之間變換的數(shù)學關系。
編碼信道模型描述了編碼信道輸入和輸出碼元信號之間的轉(zhuǎn)移概率。設編碼信道的使用碼元集合為，M為碼本大小。編碼器輸出信號為，解碼器的輸出信號為。則轉(zhuǎn)移概率P(Y_j | X_i)就描述了輸入信號X_i經(jīng)過編碼信道之后被檢測為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差錯地傳輸信息的最大能力，可以用來衡量信道的好壞。香農(nóng)在他的著名論文《通信的數(shù)學原理》中給出了信道容量的定義和計算，即信道容量是信道輸入信號與輸出信號互信息量的上界。

對于信噪比為 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，即單位時間、單位帶寬上能夠傳輸?shù)男畔⒘浚瑔挝粸�。增大信噪比可以提高信道的容量，這可以通過抑制噪聲或者增加發(fā)射功率實現(xiàn)。假若信噪比無窮大，則信道容量也趨于無窮。不過由于信道中總存在噪聲，而且發(fā)射機的功率不可能沒有限制，因此這種情況不會出現(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限制的。設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。記信號功率最大為E_s，則帶寬無窮大時，信道容量的極限為

可見，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中，實際能夠達到的信道吞吐量遠小于這一極限。

• 通信詞典解釋