通信系统之信道（四）

通信系统之信道（三）

上篇博文讲到信道（三），有关噪声以及扩频通信的知识，下面继续了解通信系统之信道的相关知识；

对话信道容量：

这便是香农公式；

C是信道容量，也就是信道所能传输的最大信息速率，单位为bit/s，B是信道的带宽，S是信号的平均功率，N是白噪声的平均功率，S/N称为信噪比；

这个公式说明了什么样的通信系统是理想的；

首先是当给定信号带宽B和信噪比时，信道的极限传输能力，或者说信道容量也就确定了，如果信道实际传输的信息速率小于或等于信道容量，那么可以做到无差错传输，或者说差错率可以任意小；

但如果传输速率大于等于等于信道容量，那么信道就不可能无差错的传输了；

其次增加信道带宽B，或者提高信噪比，可以增加信道的容量，但如果不想要增加信道容量，而是保持信道容量恒定，哪款带宽和信噪比之间是可以互换的，比如增加带宽可以换取信噪比的下降，CDMA和扩频通信的灵感，就是这么来的；

通过扩频使信号功率与噪声功率的比值得以降低，从而可以使信号淹没在噪声中；

问：要是不停的增加带宽，是不是可以实现超高速通信了？

首先，频带十分宝贵；

其次就算频带可以无限制的增加，信道容量也不会跟着无限制的增大，这是因为这里面存在着高斯白噪声，随着带宽的增加，噪声的功率也会增大，那么信噪比同时也会降低，当信噪比低到一定程度时，再怎么增加带宽也不能无差错的传输信息了；

这就是说即使信道带宽无线增大，信道容量也只能达到一个有限的数值了；

理论上推算出来的结论是，当信道带宽很大时，或信噪比很小时，信道容量趋近于信号功率和噪声功率谱密度之比的1.44倍；

由香农公式又是怎么得到4G的一个关键技术呢？

要提高信道容量，香农公式指出了两条明路：

（1）增加信道带宽；

（2）提高信噪比；

由于频带资源有限，增加50倍的带宽太奢侈，不现实，因此技术研究的落脚点是在提高频谱的利用率上，这点OFDM能够提供最佳的频谱利用率，但光这，还远远不能达到4G的容量要求，因此还得双管齐下，在提高信噪比上下一番功夫；

提高信噪比，是否可以加大信号的发射功率呢？

加大信号的发射功率对人体健康的影响是最大的问题，所以不能指望提高信号的发射功率来提高信道的容量，那要怎么样才行呢？

前面，在比喻多径衰落的影响时，用到了空间分集，也就是使用多面天线也接收或发送信号；

使用空间分集后，接收端合并接收多路信号，或者选择其中最强的一路接收，其信号功率当然比只接收一路的强，而噪声功率又基本是没变的，所以信噪比自然就提高了；

空间分集只在一边使用了多面天线，或是在发射端，或者是在接收端，就已经提高了信道的信噪比，那么如果两边都同时使用多面天线，会提高多少呢？

这个问题难不倒通信大师，他们通过理论推算，得到了一个近似的容量公式；

这个信噪比是每条接收天线上的信噪比；

和香农公式对比发现多了一个M；

M是发送端或接收端的天线数；

哪一端的天线数少一点，M就代表那一端的天线数，比如发送端的天线数是2，接收端的天线数是3，则M= 2；

M的意义是什么？

M的意义是即使信噪比，和信道带宽，都不增加，单独增加天线对的数目，也可以直线增加信道容量；

这就是说信道的容量除了增加带宽和信噪比以外，还可以通过增加天线的数量向空间索要，维特比，CDMA的创始人之一，他也说过，在多用户接入系统中，空间处理仍然是最有前途的。

多面天线发送，多面天线接受的情形，称为MIMO，MIMO是多输入多输出的简称，是当前无线接入研究的热点。

什么是极化分集？

极化分集是在接收端分别接收水平极化波，和垂直极化波的一种分集方法；

极化是描述电磁波场强方向变化的一个概念，简单的了解，就是水平极化波，和垂直极化波在信道中的衰落是独立的，相关性很小，而即使发射天线只发射单一的极化波，在传输过程中也会演变成两种极化的波，因此在接收端，就可以在垂直极化和水平极化上进行接收；

除了空间分集，极化分集，还有频率分集，时间分集，角度分集等等，其实不同分集的原理是相同的，它们的前提都是要保证不同路信号之间，互相独立，而接收时，则把不同路信号进行合并，选择其中信噪比最大的一个作为接收信号，或者直接合并所有路的信号。

香农公式给出了极限的信息传输速率，我们都知道极限的东西当然是不容易超越的，只能不断接近，那么在实际的通信系统中，都采用什么方法接近这种极限的呢？

归纳起来，就两个办法，编码和调制。

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