信道

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  信道拼音:xìn dào;英语:Information Channels),信息传输的媒质或渠道。在电信或光通信(光也是一种电磁波)场合,信道可以分为两大类:一类是电磁波的空间传播渠道,如短波信道、超短波信道、微波信道、光波信道等;另一类是电磁波的导引传播渠道。如明线信道、电缆信道、波导信道、光纤信道等。前一类信道是具有各种传播特性的自由空间,所以习惯上称为无线信道;后一类信道是具有各种传输能力的导引体,习惯上就称为有线信道。信道的作用是把携有信息的信号(电的或光的)从它的输入端传递到输出端,因此,它的最重要特征参数是信息传递能力(也叫信息通过能力)。在典型的情况(即所谓高斯信道)下,信道的信息通过能力与信道的通过频带宽度、信道的工作时间、信道的噪声功率密度(或信道中的信号功率与噪声功率之比)有关:频带越宽,工作时间越长,信号与噪声功率比越大,则信道的通过能力越强。

  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。

信道编码

  为克服信道非理想性和提高信道传输的可靠性,在将信号送入信道之前对信号实施的编码(coding)。C.E.香农的理论表明,只要信息传输率R小于信道容量C,则总能找到一种编码方法,使信宿给出的最小平均错误译码概率任意小。香农的编码定理对某些信道已有严格证明,但不是所有信道的编码定理都已被证明。编码定理本身和证明过程并未给出信道编码的具体做法。因此,从香农创立信息论到现在,信道编码的发展和研究都是围绕着如何构造更有效的、纠错和检错能力更强的编码方法,并且使信道传输效率达到性能界限。

  信道编码的中心内容是研究纠错编码和译码方法。差错控制编码的基本实现方法是在发送端将被传输的信息附上一些监督码元,这些多余的码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联(约束)。接收端按照既定的规则校验信息码元与监督码元之间的关系,一旦传输发生差错,则信息码元与监督码元的关系就受到破坏,从而接收端可发现错误乃至纠正错误。如所有码字加起来为奇数(偶数),则这种校验方式就称为奇校验(偶校验)。差错控制的主要方式有三种:检错重发(ARQ)、前项纠错(FEC)和混合纠错(HEC)。比较重要的编码方法有前向纠错编码、线性分组码(汉明码、循环码)、里德–索洛蒙码、BCH码、FIRE码、交织码、卷积码、TCM编码、Turbo码等。实际信道可能是有线的(如双绞线、同轴线、光纤)或无线的,具有有限带宽,适合于传送连续信号,而不是数字信号。通信系统中,把信号送入信道之前需要将信号进行调制,以适应于信道。而调制的更重要目的是提高信息传输的有效性。如脉冲编码调制(PCM)、正交相移键控(QPSK)、正交幅度调制(QAM),配合以余弦滚降滤波器,可提高数字传送的数据率同时压缩信号的占用带宽。由于压缩信号带宽是面向信道的,有研究者将调制列入信道编码。但调制提高了信息表达和传输的有效性(如一个符号可表达需要几个二进制比特表达的信息),通常又把调制列入信源编码。

信道容量

  信道能无错误传送的最大信息率。对于只有一个信源和一个信宿的单用户信道,它是一个数,单位是比特每秒或比特每符号。它代表每秒或每个信道符号能传送的最大信息量,或者说小于这个数的信息率必能在此信道中无错误地传送。

  信道容量是信道的一个参数,反映了信道所能传输的最大信息量,其大小与信源无关。对不同的输入概率分布,互信息一定存在最大值。我们将这个最大值定义为信道的容量。一但转移概率矩阵确定以后,信道容量也完全确定了。尽管信道容量的定义涉及到输入概率分布,但信道容量的数值与输入概率分布无关。我们将不同的输入概率分布称为试验信源,对不同的试验信源,互信息也不同。其中必有一个试验信源使互信息达到最大。这个最大值就是信道容量。信道容量有时也表示为单位时间内可传输的二进制位的位数(称信道的数据传输速率,位速率),以位/秒(b/s)形式予以表示,简记为bps。