2.5 信道的极限容量

本节课我们介绍信道极限容量的有关问题。

我们都知道信号在传输过程中会受到各种因素的影响。

何为信道:

运输货物，需要公路、铁路、空中航道或水域等

传输信号，需要电缆、光纤、自由空间或水体等

信道是以传输媒质为基础的信号通道
- 传输媒质：能够传输电、光信号、无线电波、声波的各种物理介质
根据传输媒质(狭义信道)分类：
- 有线信道：明线、对称电缆、同轴电缆、光纤
- 无线信道：超短波及微波视距传播、卫星中继
广义信道定义是为了方便研究问题是人为定义的
- 调制信道：调制信道的范围是从调制器的输出到解调器的输入，它可以用来方便研究调制解调问题。
- 编码信道：编码信道的定义范围是从编码器输出到译码器的输入，方便研究编译码问题。
注：无论何种广义信道，其核心都是传输媒质，即广义信道的性能在很大程度上取决于传输媒质

如图所示，左上角是一个数字信号，当它通过实际的信道后，波形会产生失真。
- 当失真不严重时，在输出端还可根据以失真的波形还原出发送的码元。
- 但当失真严重时，在输出端就很难判断这个信号在什么时候是1和在什么时候是0。
信号波形失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫做“码间串扰”。
产生失真的原因主要有：
- 码源传输速率
- 信号传输距离
- 噪声干扰
- 传输媒体质量

早在1924年，奈奎斯特就推导出了著名的奈氏准则。
他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率的上限。
- 理想低通信道的最高码元传输速率等于 2W 波特。
- 理想待通信道的最高码元传输速率等于 W 波特。
  - 这里的 W 是信道带宽，单位为Hz。
  - 单词 “Baud”的意思是波特也就是码元/秒。
- 因此上述公式可进一步写为 2W 码元/秒和 W 码元/秒
码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。它与比特率有一定的关系：
- 当一个码元只携带1比特的信息量时，波特率（也就是单位为码元每秒）与比特率（也就是单位为比特每秒）在数值上是相等的。
- 当1个码元携带 n 比特的信息量时，则波特率转换成比特率时，数值要乘以 n。
要提高信息的传输速率就必须设法使每一个码元能够携带更多个比特的信息量。这需要采用多元制。
还记得我们上节课中介绍的调幅、调频以及调相这三种基本调制方法吗。如右上角图所示。
它们属于二元调制，只能产生两种不同的码元也就是两种不同的基本波形。因此每个码元只能携带1比特的信息量。

注：理想条件下=没有任何干扰的情况下

混合调制属于多元调制：
- 例如， QAM16可以调制出16种不同的码元。如右上角图所示。因此每个码元可以携带4比特的信息量。
需要说明的是：实际的信道所能传输的最高码元速率要明显低“奈氏准则”给出的这个上限值。这是因为那是准则

是在假定的理想条件下推导出来的，它不考虑其他因素。

例如传输距离、噪声干扰、传输媒体质量等。

仅从公式来看，只要采用更好的调制方法，让码元可以携带更多的比特，岂不是可以无限制的提高信息的传入速率吗？
- 答案是否定的。
- 信道的极限信息传输速率还要受限于实际的信号在信道中传输时的信噪比。
- 因为信道中的噪声也会影响接收端对码元的识别。并且噪声功率相对信号功率越大，影响就越大。

1948年，香农用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。
具体公式如图所示：
- 其中 C 是信道的极限信息传输速率（单位是比特每秒）
- W 是信道带宽（单位为Hz）
- S 是信道内所传送信号的平均功率
- N 是信道内的高斯噪声功率
- S 比 N 是信噪比，使用分贝作为度量单位
从香农公式可以看出，信道带宽或信道中信噪比越大。

需要说明的是：在实际信道上能够达到的信息传输速率，要比该公式的极限传输速率低不少。
- 这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，例如各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等，这些因素在相同公式中并未考虑。

综合来看奈氏准则和香农公式，在信道带宽一定的情况下，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制并努力提高信道中的信噪比。
自从香农公式发表以后，各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了尽可能的接近香农公式所给出的传输速率极限。
接下来，我们来做几个与这两个公式有关的练习题。

从香农公式可知：
- 信噪比和频率带宽都会影响信道数据传输速率。
从奈氏准则可知：
- 调制速度（也就是码元传输速度）和码元所携带的比特数量都会影响信道数据传输速率。而信号的传播速度不影响数据传输速率。

我们在之前的课程中曾建议同学们记住电磁波在不同传输媒体的传播速率，不知大家是否还记得？如图所示

我们一起来做这道题：
- （1）根据奈氏准则可知，该通讯链路的最高码元传输速率等于2x3k=6k(Baud)也就是6k(码元每秒)。
- （2）采用4个相位，每个相位4种振幅的 QAM 调制技术可以调制出16个不同的基本波形也就是16个不同的码元。
- 采用二进制对这16个不同的码元进行编码需要使用4个比特。换句话说，每个码元可以携带的信息量为4比特。
综合1和2可知，该通信链路的最大数据传输速率等于6k(码元每秒)x4(比特每码元)=24k(比特每秒)，也就是24kbps。
- 因此本题的正确答案是选项B
实际上，对于这种类型的题目不管题目给出的调制技术多么“牛”或者对于我们而言多么陌生。这都不会影响我们解题。我们只需关心这种调制技术可以调制出多少个不同的基本波形即可。

我们来看解题过程：
- (1)采用4相位调制,可以调制出4种相位不同的基本波形（码元）。采用二进制对这4种不同的波形（码元）进行编码，需要使用2个比特。换句话说每个码元可以携带的信息量为2个比特。
- (2)数据传输速率 = 波特率（也就是码元传输速率）x 每个码元所携带的信息量；代入本题的相关数值，也就是2400（比特每秒）= 波特率 X 2（比特每码元）
- 解得：波特率 = 1200（码元每秒）也就是1200波特。

我们一起来做这道题：
- 根据香农公式可知，本题中的理论最大数据传输速率为 8000Hz x log2(1+S/N) 的对数。信噪比采用分贝表示。
- 题目所给信噪比为30dB（分贝）可计算出信噪比为1000 代入上式，可计算出结果约等于80kbps。
- 根据题意，该链路的实际数据传输速率是理论值的50%，计算结果为40 kbps。
- 因此选项 c 正确

我们来看解题过程：
- 设信号状态数（也就是可调制出的不同基本波形或码元数量）为 X，则每个码元可携带的比特数量为log以2为底 x 的对数。
- 信道在无噪声情况下的极限数据传输速率（用奈氏准则来计算）= 2W(码元每秒) = 2W log以2为底 x 的对数（比特每秒）。
- 信道在无噪声情况下的极限数据传输速率（用香农公式来计算）= W x log以2为底1加1000的对数单位为（比特每秒）。
- 其中的1000是30dB（分贝）信噪比换算出来的比值。
- 根据题意列出不等式，解得 X>=32。

在本节课中，我们介绍了与信道极限容量相关的两个公式。
- 一个是奈氏准则，另一个是香农公式。
它们为提高信息传输速率提供了理论依据。希望同学们能够掌握并利用这两个公式进行一些简单的相关计算。

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