信道

信道

信道(information channels)是信號的傳輸媒質,可分為有線信道和無線信道兩類。有線信道包括明線、對稱電纜、同軸電纜及光纜等。無線信道有地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造衛星中繼以及各種散射信道等。如果我們把信道的範圍擴大,它還可以包括有關的變換裝置,比如:傳送設備、接收設備、饋線與天線、調製器、解調器等,我們稱這種擴大的信道為廣義信道,而稱前者為狹義信道。

基本信息

概述

信道是信息傳輸的通道,即信息進行傳輸時所經過的一條通路。一條傳輸介質上可以有多條信道(多路復用)。與信號分類相對應,信道可以分為用來傳輸數位訊號的數字信道和用來傳輸模擬數據的模擬信道。數位訊號經過數——模轉換後可以在模擬信道上傳輸;模擬信號經過模——數轉換後可以在數字信道上傳輸。

結構

信道信道結構
傳送信息的物理性通道。信息是抽象的,但傳送信息必須通過具體的媒質。例如二人對話,靠聲波通過二人間的空氣來傳送,因而二人間的空氣部分就是信道。郵政通信的信道是指運載工具及其經過的設施。無線電話的信道就是電波傳播所通過的空間,有線電話的信道是電纜。每條信道都有特定的信源和信宿。在多路通信,例如載波電話中,一個電話機作為發出信息的信源,另一個是接收信息的信宿,它們之間的設施就是一條信道,這時傳輸用的電纜可以為許多條信道所共用。在理論研究中,一條信道往往被分成信道編碼器、信道本身和信道解碼器。人們可以變更編碼器、解碼器以獲得最佳的通信效果,因此編碼器、解碼器往往是指易於變動和便於設計的部分,而信道就指那些比較固定的部分。但這種劃分或多或少是隨意的,可按具體情況規定。例如數據機和糾錯編解碼設備一般被認為是屬於信道編碼器、解碼器的,但有時把含有數據機的信道稱為調製信道;含有糾錯編碼器、解碼器的信道稱為編碼信道。
所有信道都有一個輸入集A,一個輸出集B以及兩者之間的聯繫,如條件機率P(y│x),x∈A,y∈B。這些參量可用來規定一條信道。
輸入集就是信道所容許的輸入符號的集。通常輸入的是隨機序列,如X1,X2,…,Xn,…,各X信道∈A(r=1,2,…)。隨機過程在限時或限頻的條件下均可化為隨機序列。在規定輸入集A時,也包括對各隨機變數X信道的限制,如功率限制等。輸出集是信道可能輸出的符號的集。若輸出序列為Y1,Y2,…,Yn,…,各Y信道∈B。這些X信道和Y信道可以是數或符號,也可以是一組數或矢量
按輸入集和輸出集的性質,可劃分信道類型。當輸入集和輸出集都是離散集時,稱信道為離散信道。電報信道和數據信道就屬於這一類。當輸入集和輸出集都是連續集時,稱信道為連續信道。電視和電話信道屬於這一類。當輸入集和輸出集中一個是連續集、另一個是離散集時,則稱信道為半離散信道或半連續信道。連續信道加上數字調製器或數字解調器後就是這類信道。
輸入和輸出之間有一定的機率聯繫。信道中一般都有隨機干擾,因而輸出符號和輸入符號之間常無確定的函式關係,須用條件機率P(y1,y2,…,yn|x1,x2,…,xn)來表示。其中各x信道和 y信道(r=1,2,…,n)分別是輸入隨機序列和輸出隨機序列的樣,且x信道∈A,y信道∈B。當這條件機率可分解成

P(y1,y2,…,yn│x1,x2,…,xn)
  =P1(y1│x1)P2(y2│x2)…Pn(yn│xn)

的形式時,信道稱為無記憶信道,否則就是有記憶信道。無記憶意味著某個輸出樣y信道只與相應的輸入樣x信道有關,而與前後的輸入樣無關。當只與前面有限個輸入樣有關時,可稱為有限記憶信道;當與前面無限個輸入樣有關,但關聯性隨間隔加大而趨於零時,可稱為漸近有記憶信道。此外,當上式中的P1,P2,…等條件機率是同樣的函式時,稱為平穩信道。這也適用於有記憶信道,即變數的下標順序推移時,條件機率的函式形式不變。
輸入和輸出都是單一的情況,這類信道是單用戶信道,或簡稱為信道。當輸入和(或)輸出不止一個時,稱為多用戶信道,也就是幾個用戶合用一個信道。但當幾個用戶的信息通過復用設備合併後再送入信道時,這個信道仍為單用戶信道。只有當這個信源分別用編碼器變換後再一起送入信道,或在信道的輸出上接有幾個解碼器分別提取信息給信宿,也就是信道的輸入端或輸出端不止一個時,才稱為多用戶信道。當有幾個輸入如Xa,Xb,…而輸出只有一個Y時,習慣上稱為多址接入信道。它可用條件機率P(y|Xa,Xb,…)來規定;當只有一個輸入X,而輸出有幾個Ya,Yb,…時,就稱為廣播信道,可用條件機率P(ya│x),P(yb│x),…來規定。廣播信道還有一個特例稱為退化型廣播信道,此時各條件機率應滿足下列各式:

信道

就是說,x,ya,yb,yc,…組成馬爾可夫鏈。一般的多用戶信道可以有幾個輸入和幾個輸出。當然多用戶信道也有離散和連續,無記憶和有記憶之分。
其實,上述分類是可以組合的,例如平穩無記憶離散信道,正態無記憶平穩連續信道等。後者是指P(y│x)為常態分配,這種信道常簡稱為高斯信道。

無線信道

信道無線信道
無線信道也就是常說的無線的“頻段(Channel)”,其是以無線信號作為傳輸媒體的數據信號傳送通道。
大家知道,在進行無線網路安裝,一般使用無線網路設備自帶的管理工具,設定連線參數,無論哪種無線網路的最主要的設定項目都包括網路模式(集中式還是對等式無線網路)、SSID、信道、傳輸速率四項,只不過一些無線設備的驅動或設定軟體將這些步履簡化了,一般使用默認設定(也就是不需要任何設定)就能很容易的使用無線網路。
但很多問題,也會因為追求便利而產生,大家知道,常用的IEEE802.11b/g工作在2.4~2.4835GHz頻段,這些頻段被分為11或13個信道。當在無線AP無線信號覆蓋範圍內有兩個以上的AP時,需要為每個AP設定不同的頻段,以免共用信道發生衝突。而很多用戶使用的無線設備的默認設定都是Channel為1,當兩個以上的這樣的無線AP設備相“遇”時衝突就在所難免。
為什麼現在無線信道的衝突如此讓人關注,這除了家用或辦公無線設備因為價格的不斷走低而呈幾何級數增長外,無線標準的天生缺撼也是造成目前這種窘境的重要原因:
眾所周知,目前主流的無線協定都是由IEEE(美國電氣電工協會)所制定,在IEEE認定的三種無線標準IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11a中,其信道數是有差別的。

IEEE802.11b


採用2.4GHz頻帶,調製方法採用補償碼鍵控(CKK),共有“3”個不重疊的傳輸信道。傳輸速率能夠從11Mbps自動降到5.5Mbps,或者根據直接序列擴頻技術調整到2Mbps和1Mbps,以保證設備正常運行與穩定。

IEEE802.11a

擴充了標準的物理層,規定該層使用5GHz的頻帶。該標準採用OFDM調製技術,共有“12”個非重疊的傳輸信道,傳輸速率範圍為6Mbps-54Mbps。不過此標準與IEEE802.11b標準並不兼容。支持該協定的無線AP及無線網卡,在市場上較少見。

IEEE802.11g

該標準共有“3”個不重疊的傳輸信道。雖然同樣運行於2.4GHz,但向下兼容IEEE802.11b,而由於使用了與IEEE802.11a標準相同的調製方式OFDM(正交頻分),因而能使無線區域網路達到54Mbps的數據傳輸率。
從上我們可以看出,無論是IEEE802.11b還是IEEE802.11g標準其都只支持3個不重疊的傳輸信道信道,只有信道1、6、11或13是不衝突的,但使用信道3的設備會干擾1和6,使用信道9的設備會干擾6和13……。
在802.11b/g情況下,可用信道在頻率上都會重疊交錯,導致網路覆蓋的服務區只有三條非重疊的信道可以使用,結果這個服務區的用戶只能共享這三條信道的數據頻寬。這三條信道還會受到其它無線電信號源的干擾,因為802.11b/gWLAN標準採用了最常用的2.4GHz無線電頻段。而這個頻段還被用於各種套用,如藍牙無線連線、手機甚至微波爐,這些套用在這個頻段產生的干擾可能會進一步限制WLAN用戶的可用頻寬。

信道編碼

信道CDMA信道
信道編碼的實質是在信息碼中增加一定數量的多餘碼元(稱為監督碼元),使它們滿足一定的約束關係,這樣,由信息碼元和監督碼元共同組成一個由信道傳輸的碼字

一旦傳輸過程中發生錯誤,則信息碼元和監督碼元間的約束關係被破壞。在接收端按照既定的規則校驗這種約束關係,從而達到發現和糾正錯誤的目的。

信息通過信道傳輸,由於物理介質的干擾和無法避免噪聲,信道的輸入和輸出之間僅具有統計意義上的關係,在做出唯一判決的情況下將無法避免差錯,其差錯機率完全取決於信道特性。因此,一個完整、實用的通信系統通常包括信道編解碼模組。視頻信號在傳輸前都會經過高度壓縮以降低碼率,傳輸錯誤會對最後的圖像恢復產生極大的影響,因此信道編碼尤為重要。

信道編碼的作用:

一是使碼流的頻譜特性適應通道的頻譜特性,從而使傳輸過程中能量損失最小,提高信號能量與噪聲能量的比例,減小發生差錯的可能性;

二是增加糾錯能力,使得即便出現差錯也能得到糾正。

信道容量

信道信道容量
信道容量是信道的一個參數,反映了信道所能傳輸的最大信息量,其大小與信源無關。對不同的輸入機率分布,互信息一定存在最大值。我們將這個最大值定義為信道的容量。一但轉移機率矩陣確定以後,信道容量也完全確定了。儘管信道容量的定義涉及到輸入機率分布,但信道容量的數值與輸入機率分布無關。我們將不同的輸入機率分布稱為試驗信源,對不同的試驗信源,互信息也不同。其中必有一個試驗信源使互信息達到最大。這個最大值就是信道容量。
信道容量有時也表示為單位時間內可傳輸的二進制位的位數(稱信道的數據傳輸速率,位速率),以位/秒(b/s)形式予以表示,簡記為bps。

信道頻寬

信道信道頻寬
信道頻寬是限定允許通過該信道的信號下限頻率和上限頻率,也就是限定了一個頻率通帶。比如一個信道允許的通帶為1.5kHz至15kHz,其頻寬為13.5kHz,上面這個方波信號的所有頻率成分當然能從該信道通過,如果不考慮衰減、時延以及噪聲等因素,通過此信道的該信號會毫不失真。

信道頻寬:W=f2—f1
f1是信道能通過的最低頻率,f2是信道能通過的最高頻率。兩者都是由信道的物理特性決定的。

信道頻寬限定了允許通過該信道的信號下限頻率和上限頻率,也就是限定了一個頻率通帶。比如一個信道允許的通帶為1.5kHz至15kHz,其頻寬為13.5kHz,上面這個方波信號的所有頻率成分當然能從該信道通過,如果不考慮衰減、時延以及噪聲等因素,通過此信道的該信號會毫不失真。同樣,只要最低頻率分量和最高頻率分量都在該頻率範圍內的任意複合信號都能通過該信道。此外,頻率為1.5kHz、4kHz、6kHz、9kHz、12kHz,15kHz以及
任意在該頻帶範圍內的各種單頻波也可以通過該信道。然而,如果一個基頻為1kHz的方波,通過該信道肯定失真會很嚴重;方波信號若基頻為2kHz,但最高諧波頻率為18kHz,頻寬超出了信道頻寬,其9次諧波會被信道濾除,通過該信道接收到的方波沒有傳送的質量好;那么,如果方波信號基頻為500Hz,最高頻率分量是11次諧波的頻率為5.5kHz,其頻寬只需要5kHz,遠小於信道頻寬,是否就能很好地通過該信道呢?其實,該信號在信道上傳輸
時,基頻被濾掉了,僅各次諧波能夠通過。

信道理論

信道信道
信道是資訊理論中的一個主要概念。它是用來傳送信息的,所以理論上應解決它能無錯誤地傳送的最大信息率,也就是計算信道容量問題,並證明這樣的信息率是能達到或逼近的,最好還能知道如何實現,這就是信道編碼問題。這些是C.E.仙農建立資訊理論時提出的關於信道的理論問題。他自己回答了一些,以後許多學者又使之不斷完善。可以說資訊理論的發展史,有相當一部分是解決這些理論問題的歷史。一般而論,對於無記憶信道,這些問題已基本解決,但具體編碼方法,如採用代數碼來糾錯還不能達到要求。無記憶多用戶信道中,只有多址接入信道和退化型廣播信道才可以說基本解決了這些理論問題。

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