信道

信道、频道或波道，是讯号在通讯系统中传输的通道，由讯号从发射端传输到接收端所经过的传输媒质所构成。广义的频道定义除了包括传输媒质，还包括传输讯号的相关设备。

频道的分类

狭义频道的分类

狭义频道，按照传输媒质来划分，可以分为有线频道、无线频道和存储频道三类。

有线频道

有线频道以导线为传输媒质，讯号沿导线进行传输，讯号的能量集中在导线附近，因此传输效率高，但是部署不够灵活。这一类频道使用的传输媒质包括用电线传输电讯号的架空明线、电话线、双绞线、对称电缆和同轴电缆等等，还有传输经过调变的光脉波讯号的光导纤维。

无线频道

无线频道主要有以辐射无线电波为传输方式的无线电频道和在水下传播声波的水声频道等。

无线电讯号由发射机的天线辐射到整个自由空间上进行传播。不同频段的无线电波有不同的传播方式，主要有：

地波传输：地球和电离层构成波导，中长波、长波和甚长波可以在这天然波导内沿着地面传播并绕过地面的障碍物。长波可以应用于海事通讯，中波调幅广播也利用了地波传输。
天波传输：短波、超短波可以通过电离层形成的反射频道和对流层形成的散射频道进行传播。短波电台就利用了天波传输方式。天波传输的距离最大可以达到400千米左右。电离层和对流层的反射与散射，形成了从发射机到接收机的多条随时间变化的传播路径，电波讯号经过这些路径在接收端形成相长或相消的叠加，使得接收讯号的振幅和相位呈随机变化，这就是多径频道的衰落，这种频道被称作衰落频道。
视距传输：对于超短波、微波等更高频率的电磁波，通常采用直接点对点的直线传输。由于波长很短，无法绕过障碍物，视距传输要求发射机与接收机之间没有物体阻碍。由于地球曲率的影响，视距传输的距离有限，最远传输距离 d 与发射天线距地面的高度 h 满足 $d={\sqrt {15h}}\ {\mbox{km}}$ 。如果要进行远距离传输，必须设立地面中继站或卫星中继站进行接力传输，这就是微波视距中继和卫星中继传输。光讯号的视距传输也属于此类。

由于电磁波在水体中传输的损耗很大，在水下通常采用声波的水声频道进行传输。不同密度和盐度的水层形成的反射、折射作用和水下物体的散射作用，使得水声频道也是多径衰落频道。

无线通讯在自由空间（对于无线电频道来说是大气层和太空，对于水声频道来说是水体）上传播讯号，因此能量分散、传输效率较低，并且很容易被他人截获，安全性差。但是，无线通讯摆脱了对导线的依赖，因此具有有线通讯所没有的高度灵活性。

存储频道

在某种意义上，磁带、光碟、磁碟等数据存储媒质也可以被看作是一种通讯频道。将数据写入存储媒质的过程即等效于发射机将讯号传输到频道的过程，将数据从存储媒质读出的过程即等效于接收机从频道接收讯号的过程。

广义频道的分类

广义频道，按照其功能进行划分，可以分为调变频道和编码频道两类。

调变频道是指讯号从调变器的输出端传输到解调器的输入端经过的部分。对于调变和解调的研究者来说，讯号在调变频道上经过的传输媒质和变换设备都对讯号做出了某种形式的变换，研究者只关心这些变换的输入和输出的关系，并不关心实现这一系列变换的具体物理过程。这一系列变换的输入与输出之间的关系，通常用多埠时变网路作为调变频道的数学模型进行描述。

编码频道是指数位讯号由编码器输出端传输到解码器输入端经过的部分。对于编解码的研究者来说，编码器输出的数位序列经过编码频道上的一系列变换之后，在解码器的输入端成为另一组数位序列，研究者只关心这两组数位序列之间的变换关系，而并不关心这一系列变换发生的具体物理过程，甚至并不关心讯号在调变频道上的具体变化。编码器输出的数位序列与到解码器输入的数位序列之间的关系，通常用多埠网路的转移概率作为编码频道的数学模型进行描述。

频道的数学模型

调变频道模型

加性杂讯频道模型。由同轴电缆、光纤等媒质构成的频道符合这一模型。

线性时变频道模型。

线性时不变频道模型。

调变频道模型描述的是调变频道的输出讯号和输入讯号之间的数学关系。调变频道、输入讯号、输出讯号存在以下特点：

频道总具有输入讯号端和输出讯号。
频道一般是线性的，即输入讯号和对应的输出讯号之间满足叠加原理。
频道是因果，即输入讯号经过频道后，相应的输出讯号的响应有延时。
频道使通过的讯号发生畸变，即输入讯号经过频道后，相应的输出讯号会发生衰减。
频道中存在杂讯，即使输入讯号为零，输出讯号仍然会具有一定功率

因此，调变频道可以被描述为一个多埠线性系统。如果讯号通过频道发生的畸变是时变的，那么这是一个线性时变系统，这样的频道被称作「随机参数频道」；如果畸变与时间无关，那么这是一个线性时不变系统，这种频道被称作「恒定参数频道」。

调变频道的数学模型为：

$y(t)=x(t)*h(t;\tau )+n(t)$

其中 $x(t)$ 是调变频道在时刻t的输入讯号，即已调讯号。 $y(t)$ 是调变频道在时刻t的输出讯号。 $h(t;\tau )$ 是频道的冲激响应， $\tau$ 代表时延， $h(t;\tau )$ 表示在时刻t、延时为 $\tau$ 时频道对冲激函数 $\delta(t)$ 的响应，描述了频道对输入讯号的畸变和延时。*为卷积算子。 $n(t)$ 是调变频道上存在的加性杂讯，与输入讯号 $x(t)$ 无关，又被称为「加性干扰」。由于频道的线性性质，并且考虑频道杂讯， $x(t)*h(t;\tau )+n(t)$ 就是 $x(t)$ 通过由频道响应 $h(t;\tau )$ 描述的调变频道的输出。调变频道可以同时有多个输入讯号和多个输出讯号，这时的 $x(t)$ 和 $y(t)$ 是矢量讯号。

$h(t)$ 使得调变频道的输出讯号y(t)的振幅随着时间t发生变化，因此被称作「乘性干扰」。乘性干扰 $h(t)$ 是 $t$ 的函数，受到频道特性的影响通常随着时间随机变化，因此一般只能用随机过程描述其统计特性，这种频道被称作「随机参数频道」。不过也有频道的乘性干扰基本不随着时间变化，可以认为其 $h(t)$ 为一常量，这种频道被称作「恒定参数频道」。由短波电离层反射、超短波及微波电离层散射、超短波视距绕射等媒质构成的调变频道属于随参频道。由架空明线、对称电缆、同轴电缆、光缆、微波视距传播、光波视距传播等媒质构成的调变频道属于恒参频道。

$n(t)$ 是频道的加性杂讯，它独立于输入讯号 $x$ ，因此也独立于输出讯号 $y$ 。即使频道的输入讯号为零，频道仍然有来自杂讯的能量输出。加性杂讯的来源主要有：电路内部的热杂讯和霰弹杂讯，来自外部的宇宙杂讯等等。

编码频道模型

数位通讯将资讯通过编码器以数量有限的码元表示。这些码元讯号通过编码频道后，由于频道对讯号的畸变和杂讯干扰，在编码频道输出端由解码器重建的码元讯号会发生错误。编码频道模型描述了编码频道的输入码元讯号与输出码元讯号之间变换的数学关系。

编码频道模型描述了编码频道输入和输出码元讯号之间的转移概率。设编码频道的使用码元集合为 $\{c_{1},c_{2},\ldots ,c_{M}\}$ ， $_{M}$ 为码本大小。编码器输出讯号为 $X_{i},i=1,2,3,\ldots$ ，解码器的输出讯号为 $Y_{i},i=1,2,3,\ldots$ 。则转移概率 $P(Y_{j}|X_{i})$ 就描述了输入讯号 $X_{i}$ 经过编码频道之后被检测为 $Y_{j}$ 的概率。

频道容量

频道是传输资讯的通道，频道容量描述了频道无差错地传输资讯的最大能力，可以用来衡量频道的好坏。夏农在他的著名论文《通讯的数学原理》中给出了频道容量的定义和计算，即频道容量是频道输入讯号与输出讯号互资讯量的上界。

$C=\sup _{{p_{X}}}I(X;Y)\,$

对于讯号杂讯比为 $S/N$ 、带宽为 $B$ 的加性高斯白杂讯频道，其频道容量为

$C=B\ \log _{2}(1+S/N)$

$\log _{2}(1+S/N)$ 为频道传输资讯的频谱效率，即单位时间、单位带宽上能够传输的资讯量，单位为 ${\mbox{bit}}\cdot {\mbox{Hz}}^{{-1}}\cdot {\mbox{s}}^{{-1}}$ 。增大讯号杂讯比可以提高频道的容量，这可以通过抑制杂讯或者增加发射功率实现。假若讯号杂讯比无穷大，则频道容量也趋于无穷。不过由于频道中总存在杂讯，而且发射机的功率不可能没有限制，因此这种情况不会出现。增加频道带宽也可以增加频道容量，但是这种增加不是无限制的。设频道的杂讯功率谱密度为 $N_{0}$ ，则随着频道带宽 $B$ 的增加，杂讯功率 $N=BN_{0}$ 也随之增加。记讯号功率最大为 $E_{s}$ ，则带宽无穷大时，频道容量的极限为

$\lim _{{B\rightarrow \infty }}B\log _{2}\left(1+{\frac {E_{s}}{BN_{0}}}\right)\approx 1.44{\frac {E_{s}}{N_{0}}}$

可见，增加带宽并不是提高频道容量的好方法。

频道容量是理论上频道传输资讯的能力的极限，在目前的各种通讯技术中，实际能够达到的频道吞吐量远小于这一极限。

参考文献

樊昌信：《通讯原理》. 北京：国防工业出版社. 2001年
JG Proakis. Digital Communications. McGraw-Hill. 1992
B Sklar. Digital Communications: Fundamentals and Applications. Prentice-Hall. 1988

参见

通讯
杂讯
频道容量
衰落频道、多径频道
同轴电缆、双绞线、对称电缆、光纤、波导
电离层
水声频道
调变／解调
编码／解码