信道常用特征类型详解

　　信息是抽象的，但传送信息必须通过具体的媒质。例如二人对话，靠声波通过二人间的空气来传送，因而二人间的空气部分就是信道。邮政通信的信道是指运载工具及其经过的设施。无线电话的信道就是电波传播所通过的空间，有线电话的信道是电缆。每条信道都有特定的信源和信宿。在多路通信，例如载波电话中，一个电话机作为发出信息的信源，另一个是接收信息的信宿，它们之间的设施就是一条信道，这时传输用的电缆可以为许多条信道所共用。在理论研究中，一条信道往往被分成信道编码器、信道本身和信道译码器。人们可以变更编码器、译码器以获得最佳的通信效果，因此编码器、译码器往往是指易于变动和便于设计的部分，而信道就指那些比较固定的部分。但这种划分或多或少是随意的，可按具体情况规定。例如调制解调器和纠错编译码设备一般被认为是属于信道编码器、译码器的，但有时把含有调制解调器的信道称为调制信道；含有纠错编码器、译码器的信道称为编码信道。

      信道可分为有线信道和无线信道。

　　有线信道：如双绞线、电缆、光纤、波导等；

　　无线信道：自由空间提供的各种频段或波长的电磁波传播通道。

　　所有信道都有一个输入集A，一个输出集B以及两者之间的联系，如条件概率P(y│x)，x∈A，y∈B。这些参量可用来规定一条信道。

　　输入集就是信道所容许的输入符号的集。通常输入的是随机序列，如X1,X2,…，Xn,…，各X∈A(r=1,2,…)。随机过程在限时或限频的条件下均可化为随机序列。在规定输入集A时，也包括对各随机变量X的限制，如功率限制等。输出集是信道可能输出的符号的集。若输出序列为Y1，Y2，…，Yn，…，各Y∈B。这些X和Y可以是数或符号，也可以是一组数或矢量。

　　按输入集和输出集的性质，可划分信道类型。当输入集和输出集都是离散集时，称信道为离散信道。电报信道和数据信道就属于这一类。当输入集和输出集都是连续集时，称信道为连续信道。电视和电话信道属于这一类。当输入集和输出集中一个是连续集、另一个是离散集时，则称信道为半离散信道或半连续信道。连续信道加上数字调制器或数字解调器后就是这类信道。

　　输入和输出之间有一定的概率联系。信道中一般都有随机干扰，因而输出符号和输入符号之间常无确定的函数关系,须用条件概率P(y1,y2,…，yn|x1,x2,…，xn)来表示。其中各x和y(r=1,2,…，n)分别是输入随机序列和输出随机序列的样,且x∈A,y∈B。当这条件概率可分解成的形式时，信道称为无记忆信道，否则就是有记忆信道。无记忆意味着某个输出样y只与相应的输入样x有关，而与前后的输入样无关。当只与前面有限个输入样有关时，可称为有限记忆信道；当与前面无限个输入样有关，但关联性随间隔加大而趋于零时，可称为渐近有记忆信道。此外，当上式中的P1,P2，…等条件概率是同样的函数时，称为平稳信道。这也适用于有记忆信道，即变量的下标顺序推移时，条件概率的函数形式不变。

　　输入和输出都是单一的情况，这类信道是单用户信道，或简称为信道。当输入和（或）输出不止一个时,称为多用户信道，也就是几个用户合用一个信道。但当几个用户的信息通过复用设备合并后再送入信道时，这个信道仍为单用户信道。只有当这个信源分别用编码器变换后再一起送入信道，或在信道的输出上接有几个译码器分别提取信息给信宿，也就是信道的输入端或输出端不止一个时，才称为多用户信道。当有几个输入如Xa,Xb，…而输出只有一个Y时，习惯上称为多址接入信道。它可用条件概率P（y|Xa,Xb,…）来规定；当只有一个输入X，而输出有几个Ya，Yb，…时，就称为广播信道,可用条件概率P（ya│x),P(yb│x),…来规定。广播信道还有一个特例称为退化型广播信道，此时各条件概率应满足下列各式：就是说，x，ya，yb，yc，…组成马尔可夫链。一般的多用户信道可以有几个输入和几个输出。当然多用户信道也有离散和连续，无记忆和有记忆之分。

　　信号在信道内传输，会受到来自信道的各种各样的干扰。干扰大体分为4类：

　　1．无线电干扰

　　来自各种无线发射机。其特点是频率范围宽，几乎覆盖全部使用频段。但对于特定电台的频率一般是固定的，因此可以进行防护。另外由于无线电频率管理较为完善，可以将此种干扰限制在最小限度。

　　2．工业干扰

　　来源于各种电气设备，如电机、电力线、电源开关、电点火（如汽车点火）装置等。此类干扰一般在较低频率范围，如汽车点火干扰在几十兆赫范围内。采用屏蔽与考究的滤波措施，在很大程度上可避开工业干扰。

　　3．天电干扰

　　来自于雷电、磁暴、太阳黑子以及宇宙射线等，它们与季节、气候变化关系较大。不同地区也有很大不同，如赤道附近及两极地区严重。太阳黑子发生变动（约11年一个周期）的年份，天电干扰加大，有时长时间中断短波通信。

　　4．内部干扰

　　来自信道内部各种电子器件电阻、天线以及传输线等。在这些电子设备中的分子或电子的随机热运动，形成所谓起伏噪声，对于通信信号产生加性干扰。本书涉及的各类通信系统，主要是这种噪声，称为热噪声，从机理上它是高斯型统计特征，是通信系统干扰的重要因素。

　　信道带宽是限定允许通过该信道的信号下限频率和上限频率，可以理解为一个频率通带。比如一个信道允许的通带为1.5kHz至15kHz，则其带宽为13.5kHz，

　　多径传播和时延扩展编辑

　　无线信道中电波的传播不是单一路径，而是许多路径来的众多反射波的合成。

　　由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的反射波到达时间不同，也就是各信号的时延不同。当发送端发送一个极窄的脉冲信号时，移动台接收的信号由许多不同时延的脉冲组成，我们称为时延扩展。

　　衰落编辑

　　由于各个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时迭加而加强（方向相同），有时迭加而减弱（方向相反），导致接收信号的幅度急剧变化，即产生了快衰落。这种衰落是由多种路径引起的，所以称为多径衰落。

　　接收信号除瞬时值出现快衰落之外，场强中值（平均值）也会出现缓慢变化，主要是由地区位置的改变以及气象条件变化造成的，以致电波的折射传播随时间变化而变化，多径传播到达固定接收点的信号的时延随之变化。这种由阴影效应和气象原因引起的信号变化，称为慢衰落。

　　无线信道的多普勒效应编辑

　　由于移动通信中移动台的移动性，无线信道中存在多普勒效应。在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，频率变低。我们在移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。虽然，由于日常生活中，我们移动速度的局限，不可能会带来十分大的频率偏移，但是这不可否认地会给移动通信带来影响，为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技术上加以各种考虑。也加大了移动通信的复杂性。

　　通信常用的信道类型主要有4类：

　　1、电话信道

　　电话信道一般是指庞大的公用交换电话网（PSTN）所提供的基于传统模拟电话或低速数据传输的信道。通信信道的构成多半通过用户终端到本地交换机（节点），再到另一个用户建立的呼叫链路，一旦通话（即呼叫）结束，便及时拆断该链路。电话信道一般属于限带为300~3400Hz的线性系统。当用于数据传输时，需在用户端均加入调制/解调器（Modem），并利用600~3000Hz频响较平坦的频段传输已调波。目前从用户到节点（交换机）的用户线，可以增设宽带Modem（如ADSL），可在数公里内通信带宽扩展到2~6MHz，支持宽带上网和多媒体业务。

　　2、光纤

　　光纤是将电信号变为光信号（电/光转换）后进行光信号传输的物理媒体。光缆是由包层覆盖光纤芯线而构成。光信号是以电磁场形式在光纤芯中传播。光纤自20世纪70年代投用后，很快显示出很多突出的优点，诸如，它带宽极宽（2×1014Hz以上），通过目前可达到的技术—密集波分复用（DWDM），一条光纤中可以支持1600Gb/s的传输速率；实验表明，基于单波160Gb/s速率的1024个波，可达约160Tb/s的点到点传输流量（1Tb/s＝1012b/s）；光纤传输损耗极低，小于0.2dB/km，不受电磁干扰，重量极轻（一条光纤芯27g/km），抗弯曲，耐湿热和腐蚀，敷设方便、灵活，可架设到电杆上，光纤价格极低，目前国内生产供大于求。

　　3、移动无线信道

　　移动无线通信起初是为了延伸电信网的覆盖范围和通信能力而逐步发展起来的。迄今，移动网的发展令人惊异，已从城市扩展到乡村与边远地区。截止2009年5月，我国的移动用户数已达6.87亿，为传统的固定电话（PSTN）用户数的2倍。下一代的移动通信将以宽带方式接入，并与现行GSM系统相比，传输速率增加几十倍、上百倍，可支持多媒体业务，并广泛实施个人通信系统（PCS）。

　　移动通信以蜂窝方式组网，信道具有多径衰落与时变特征。目前GSM移动通信利用900/1800MHz频段，双向频谱为2×25MHz，各提供125个载波，每载波包括8个时分多址（TDMA）信道。于是各载波200kHz带宽，包含8个25kHz信道，用户数字电话速率为13kb/s，具有高纠错能力的差错保护位时，净速率高达9.8kb/s。移动网在每个蜂窝小区设有一个基站，转发小区内多达上千个用户同时通信。移动通信每个信道的辐射功率应控制在它的25kHz带宽内，带外辐射衰减应至少为-40dB，优质系统应达-70dB，才不至于明显干扰相邻话路。隔离1至2个小区可以重复利用频率，因此整个移动网可支持极大量用户相互通信。通过越区切换和跨网漫游可以实现全国性、世界范围内的移动通信。

　　4、卫星信道

　　卫星信道是一种特殊的无线信道。在地球赤道上空35978km（近似称3.6万公里）均匀分布着三个同步卫星，就可以通过它们的转发器（Transponders）使地球上任两处的地球站间进行通信。自60年代初（1962年）问世以来，至今稳定使用的上行6GHz、下行4GHz频点的系统，总带宽500MHz，并提供带宽各为36MHz的12个转发器，各又能容纳1200路数字电话或25~150个窄带会议电视。一个转发器可支持五、六个HDTV（高清晰度数字电视）。由于跨洋卫星通信（如中美两国间）需经由两个卫星的转发器与双方地球站沟通信息，因此远达15万km的距离，通信延迟则高达将近0.5秒，双方对话均有明显延时的感觉。目前国内卫星通信已开办大量业务，如卫星电视节目、远程教育等。

　　信道是信息论中的一个主要概念。它是用来传送信息的，所以理论上应解决它能无错误地传送的最大信息率，也就是计算信道容量问题，并证明这样的信息率是能达到或逼近的,最好还能知道如何实现，这就是信道编码问题。这些是C.E.仙农建立信息论时提出的关于信道的理论问题。他自己回答了一些，以后许多学者又使之不断完善。可以说信息论的发展史，有相当一部分是解决这些理论问题的历史。一般而论，对于无记忆信道，这些问题已基本解决，但具体编码方法，如采用代数码来纠错还不能达到要求。无记忆多用户信道中，只有多址接入信道和退化型广播信道才可以说基本解决了这些理论问题。

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