信道、信道容量、数据传输速率

信道、信道容量、数据传输速率

简介：信道、信道容量、数据传输速率（⽐特率）、电脑装置带宽列表

⼀、信道的概念

信道，是信号在通信系统中传输的通道，是信号从发射端传输到接收端所经过的传输媒质，这是狭义信道的定义。⼴义信道的定义除了包括传输媒质，还包括信号传输的相关设备。

信道容量是在通信信道上可靠地传输信息时能够达到的最⼤速率。根据有噪信道编码定理，给定信道的信道容量是其以任意⼩的差错概率传输信息的极限速率。信道容量的单位为⽐特每秒、奈特每秒等等。⾹农在第⼆次世界⼤战期间发展出信息论，并给出了信道容量的定义和计算信道容量的数学模型。他指出，信道容量是信道的输⼊与输出的互信息量的最⼤值，这⼀最⼤取值由输⼊信号的概率分布决定。

⼆、信道的分类

（⼀）狭义信道的分类

狭义信道，按照传输媒质来划分，可以分为有线信道、⽆线信道和存储信道三类。1. 有线信道

有线信道以导线为传输媒质，信号沿导线进⾏传输，信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。这⼀类信道使⽤的传输媒质包括⽤电线传输电信号的架空明线、电话线、双绞线、对称电缆和同轴电缆等等，还有传输经过调制的光脉冲信号的光导纤维。2. ⽆线信道

⽆线信道主要有以辐射⽆线电波为传输⽅式的⽆线电信道和在⽔下传播声波的⽔声信道等。

⽆线电信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信，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信道和对流层形成的散射信道进⾏传播。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，电波信号经过这些路径在接收端形成相长或相消的叠加，使得接收信号的幅度和相位呈随机变化，这就是多径信道的衰落，这种信道被称作衰落信道。

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。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。光信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信道进⾏传输。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，使得⽔声信道也是多径衰落信道。

⽆线信道在⾃由空间（对于⽆线电信道来说是⼤⽓层和太空，对于⽔声信道来说是⽔体）上传播信号，能量分散，传输效率较低，并且很容易被他⼈截获，安全性差。但是通过⽆线信道的通信摆脱了导线的束缚，因此⽆线通信具有有线通信所没有的⾼度灵活性。3. 存储信道

在某种意义上，磁带、光盘、磁盘等数据存储媒质也可以被看作是⼀种通信信道。将数据写⼊存储媒质的过程即等效于发射机将信号传输到信道的过程，将数据从存储媒质读出的过程即等效于接收机从信道接收信号的过程。

（⼆）⼴义信道的分类

⼴义信道，按照其功能进⾏划分，可以分为调制信道和编码信道两类。

调制信道是指信号从调制器的输出端传输到解调器的输⼊端经过的部分。对于调制和解调的研究者来说，信号在调制信道上经过的传输媒质和变换设备都对信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，通常⽤多端⼝时变⽹络作为调制信道的数学模型进⾏描述。编码信道是指数字信号由编码器输出端传输到译码器输⼊端经过的部分。对于编译码的研究者来说，编码器输出的数字序列经过编码信道上的⼀系列变换之后，在译码器的输⼊端成为另⼀组数字序列，研究者只关系这两组数字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，甚⾄并不关⼼信号在调制信道上的具体变化。编码器输出的数字序列与到译码器输⼊的数字序列之间的关系，通常⽤多端⼝⽹络的转移概率作为编码信道的数学模型进⾏描述。

三、信道的数学模型

（⼀）调制信道模型

调制信道模型描述的是调制信道的输出信号和输⼊信号之间的数学关系。调制信道、输⼊信号、输出信号存在以下特点：1.信道总具有输⼊信号端和输出信号。

2.信道⼀般是线性的，即输⼊信号和对应的输出信号之间满⾜叠加原理。

3.信道是因果，即输⼊信号经过信道后，相应的输出信号的响应有延时。

4.信道使通过的信号发⽣畸变，即输⼊信号经过信道后，相应的输出信号会发⽣衰减。

5.信道中存在噪声，即使输⼊信号为零，输出信号仍然会具有⼀定功率

因此，调制信道可以被描述为⼀个多端⼝线性系统。如果信号通过信道发⽣的畸变是时变的，那么这是⼀个线性时变系统，这样的信道被称作"随机参数信道"；如果畸变与时间⽆关，那么这是⼀个线性时不变系统，这种信道被称作"恒定参数信道"。

调制信道的数学模型为：y(t) = x(t) * h(t;τ) + n(t)

其中x(t)是调制信道在时刻t的输⼊信号，即已调信号。y(t)是调制信道在时刻t的输出信号。h(t;τ)是信道的冲激响应，τ代表时延，h(t;τ)表⽰在时刻t、延时为τ时信道对冲激函数δ(t)的响应，描述了信道对输⼊信号的畸变和延时。*为卷积算⼦。n(t) 是调制信道上存在的加性噪声，与输⼊信号x(t)⽆关，⼜被称为"加性⼲扰"。由于信道的线性性质，并且考虑信道噪声，x(t) * h(t;τ)+ n(t)就是x(t)通过由信道响应h(t;τ)描述的调制信道的输出。调制信道可以同时有多个输⼊信号和多个输出信号，这时的x(t)和y(t)是⽮量信号。

h(t)使得调制信道的输出信号y(t)的幅度随着时间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，受到信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，这种信道被称作"随机参数信道"。不过也有信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，这种信道被称作"恒定参数信道"。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制信道属于随参信道。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制信道属于恒参信道。n(t)是信道的加性噪声，它独⽴于输⼊信号x，因此也独⽴于输出信号y。即使信道的输⼊信号为零，信道仍然有来⾃噪声的能量输出。加性噪声的来源主要有：电路内部的热噪声和散弹噪声，来⾃外部的宇宙噪声等等。

（⼆）编码信道模型

数字通信将信息通过编码器以数量有限的码元表⽰。这些码元信号通过编码信道后，由于信道对信号的畸变和噪声⼲扰，在编码信道输出端由译码器重建的码元信号会发⽣错误。编码信道模型描述了编码信道的输⼊码元信号与输出码元信号之间变换的数学关系。

编码信道模型描述了编码信道输⼊和输出码元信号之间的转移概率。设编码信道的使⽤码元集合为，M为码本⼤⼩。编码器输出信号为，解码器的输出信号为。则转移概率P(Yj | Xi)就描述了输⼊信号Xi经过编码信道之后被检测为Yj的概率。

四、信道容量

信道是传输信息的通道，信道容量描述了信道⽆差错地传输信息的最⼤能⼒，可以⽤来衡量信道的好坏。⾹农在他的著名论⽂《通信的数学原理》中给出了信道容量的定义和计算，即信道容量是信道输⼊信号与输出信号互信息量的上界。

对于信噪⽐为 S/N、带宽为B的加性⾼斯⽩噪声信道，其信道容量为log2(1 + S / N)为信道传输信息的频谱效率，即单位时间、单位带宽上能够传输的信息量，单位为。增⼤信噪⽐可以提⾼信道的容量，这可以通过抑制噪声或者增加发射功率实现。假若信噪⽐⽆穷⼤，则信道容量也趋于⽆穷。不过由于信道中总存在噪声，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。增加信道带宽也可以增加信道容量，但是这种增加不是⽆限制的。设信道的噪声功率谱密度为N0，则随着信道带宽 B 的增加，噪声功率N = BN0也随之增加。记信号功率最⼤为Es，则带宽⽆穷⼤时，信道容量的极限为

可见，增加带宽并不是提⾼信道容量的好⽅法。信道容量是理论上信道传输信息的能⼒的极限，在⽬前的各种通信技术中，实际能够达到的信道吞吐量远⼩于这⼀极限。

五、带宽列表的说明

这是⼀个电脑装置带宽列表，列出⼀般电脑装置的信道容量，即转输数据的 (理论上) 最⾼转送速度，以千位元每秒(kbit/s/kbps)、百万位元每秒(Mbit/s/Mbps)、⼗亿位元每秒(Gbit/s/Gbps)或兆位元每秒(Tbit/s/Tbps)表⽰。以下每按装置的功能分组，按信道容量由⼩⾄⼤排列。

为分便⾮技术⼈员⽐较带宽的⼤⼩，每类带宽都有⼀个公⽤单位，例如电话带宽为 1.2 kbit/s，其中⼀种旧式调制解调器的带宽为 56 kbit/s。使⽤位元每秒 (bit/sec) 或字节每秒(Byte/sec) 则视乎⼀般⼈惯⽤哪⼀个。惯⽤的单位在列表中以粗体表⽰。⼀般来说，平⾏通讯接⼝⽤字节每秒 (bit/sec)，序列通讯则⽤字节每秒 (Byte/sec)。⾄于类似调制解调器的装置中，基于⽤作分隔每⼀字节 (Byte) 的和 Stop bit，⼀字节可能含有超过⼋个位元 (bit)，以下的列表已经有考虑这⼀点。⽽如果有像以太⽹路、SATA，与PCI Express等使⽤到调变技术的通道，列出的带宽速度则是表⽰调变后的讯号速度。

很多以下的数据只是例出理论上最快的传送速度，有很多的因素都会令传送速度减低。同时以下数据只表⽰半双⼯传送速度，可能与⽣产商声称的全双⼯度有所出⼊。

附注：以下所有数据单位以公制 (以10为基数) 表⽰：1 kbit = 1,000 bits

1 kB = 1,000 Bytes

1 MB = 1,000,000 Bytes

1 GB = 1,000,000,000 Bytes

1 TB = 1,000,000,000,000 Bytes

如此类推(详情请参阅⼆进制乘数词头)

六、电脑装置带宽列表

连线⽅式⽐特率（位元）字节

（⼀）电传打印机或是听障⼈使⽤的通讯设备TTY (V.18) 0.045 kbit/s[1] 6 characters/sec

TTY (V.18) 0.050 kbit/s 6.6 characters/sec

NTSC Line 21 Closed Captioning 1 kbit/s 0.1 kB/s (~100 cps)

（⼆）调制解调器/家⽤⽹络连线

需要注意的是这些数据是理论上能提供的最⾼速度，⽽实际上会因为像噪声⼲扰等因素⽽会⽐较慢⼀些。[2]如果有出现两个带宽，前者表⽰下载带宽，后者则是表⽰上传带宽。110 鲍率调制解调器 0.11 千位元/秒 0.010 kB/s (~10 cps)[3]

300 调制解调器 (300 鲍率) (Bell 103 或 V.21) 0.3 千位元/秒 0.03 kB/s (~30 cps)[3] 1200 调制解调器 (600 鲍率) (Bell 212A 或V.22) 1.2 千位元/秒 0.12 kB/s (~120 cps)[3] 2400 调制解调器 (600 鲍率) (V.22bis) 2.4 千位元/秒 0.24 kB/s[3]