第五章：信道与信道容量-z

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§4.2信道容量的计算这里,我们介绍一般离散信道的信道容量计算方法,根据信道容量的定义，就是在固定信道的条件下，对所有可能的输入概率分布)(x P 求平均互信息的极大值。

前面已知()Y X I ;是输入概率分布的上凸函数，所以极大值一定存在。

而);(Y X I 是r 个变量)}(),(),({21r x p x p x p 的多元函数。

并且满足1)(1=∑=ri i x p 。

所以可用拉格朗日乘子法来计算这个条件极值。

引入一个函数：∑-=ii x p Y X I )();(λφ解方程组0)(])();([)(=∑∂-∂∂∂i ii i x p x p Y X I x p λφ1)(=∑iix p （4.2。

1）可以先解出达到极值的概率分布和拉格朗日乘子λ的值，然后在解出信道容量C .因为 )()(log)()();(11i i i i i ri sj i y p x y Q x y Q x p Y X I ∑∑===而)()()(1i i ri i i x y Q x p y p ∑==，所以e e y p y p i i i i i x y Q i x p i x p log log ))(ln ()(log )()()(==∂∂∂∂。

解（4.2。

1）式有0log )()()()()()(log )(111=--∑∑∑===λe y p x y Q x y Q x p y p x y Q x y Q ii i ii r i s j i i i i sj i i (对r i ,,2,1 =都成立） 又因为)()()(1j k k rk k y p x y Q x p =∑=ri x y Q sj i j,,2,1,1)(1==∑=所以（4.2.1）式方程组可以转化为 ),,2,1(log )()(log)(1r i e y p x y Q x y Q j i j sj i j =+=∑=λ1)(1=∑=ri i x p假设使得平均互信息);(Y X I 达到极值的输入概率分布},,{21r p p p 这样有 e y p x y Q x y Q x p j i j i j ri sj i log )()(log)()(11+=∑∑==λ从而上式左边即为信道容量，得 e C log +=λ 现在令)()(log)();(1j i j sj i j i y p x y Q x y Q Y x I ∑==式中，);(Y x I i 是输出端接收到Y 后获得关于i x X =的信息量，即是信源符号i x X =对输出端Y 平均提供的互信息。

信道带宽和信道容量信道是通信双方之间以传输介质为基础传递信号的通路，由传输介质及其两端的信道设备共同构成。

信号带宽是信号频谱的宽度。

信道带宽则限定了允许通过该信道的信号下限频率和上限频率，也就是限定了一个通频带。

信道容量表示一个信道的最大数据传输速率。

信道容量与数据传输速率的区别是，前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输速率。

它们的关系可以比喻为高速公路上的最大限速与汽车实际速度的关系。

带宽:一般用来描述两种对象，一个是信道（Channel），另一个是信号（signal）。

对于信道来说，又可分为两种，模拟信道和数字信道。

对信号来说，也可分为两种，数字信号和模拟信号。

信道的带宽:对信道来说，带宽是衡量其通信能力的大小的指标。

对模拟信道，使用信道的频带宽度来衡量。

如果一个信道，其最低可传输频率为f1的信号，最高可传输频率为f2的信号，则该模拟信道的带宽是:模拟信道的带宽＝f2－f1（f2 > f1）描述模拟信道带宽时，带宽的单位是Hz。

对于数字信道的通信能力，使用信道的最大传输速率来衡量。

如果一个数字信道，其最大传输速率是100Mbps，我们称其带宽为100Mbps。

描述数字信道带宽时，带宽的单位是bps（bit per second）信号的带宽：模拟信号的带宽是指信号的波长或频率的范围，用于衡量一个信号的频率范围，单位是Hz（每秒种电波的重复震动次数）。

一般的电信号（模拟信号），都是由各种不同频率的电磁波所组成，对于这个电信号来说，其包含的电磁波的频率范围，称为这个电信号的带宽。

比如人的声波信号，其绝大部分的能量，集中在300Hz ~3400Hz这个范围，因此我们称语音信号的带宽是3.1Khz（3400-300）。

模拟信号的带宽单位与模拟信道带宽相同。

数字信号的带宽使用数字信号的传输速度来表示。

数字信号一般传输速率是可变的。

在传输数字信号时，可以用最大信号速率（峰值速率）、平均信号速率或最小信号速率来描述数字信号。

信道知识点总结一、信道的定义与分类1. 信道的定义信道是信息传输的媒介，在通信系统中起到传输信息的作用。

它可以是电磁波、光波、声波等形式的媒介，用来传输信号或数据。

2. 信道的分类根据不同的标准，信道可以分为多种类型，常见的有以下几种：（1）按传输方式分类：有线信道和无线信道。

（2）按传输方向分类：单向信道和双向信道。

（3）按传输介质分类：光纤信道、微波信道、声波信道等。

二、信道的特性与参数1. 信道的特性信道的特性包括带宽、传输速率、传输距离、信噪比、误码率等。

- 带宽：信道能够传输的频率范围，带宽越大，传输速率越高。

- 传输速率：信道能够传输的数据量，通常以每秒传输的比特数表示。

- 传输距离：信道能够传输数据的最远距离。

- 信噪比：信号与噪声的比值，反映了信号传输的质量。

- 误码率：在传输过程中产生错误的比率。

2. 信道的参数信道的参数有很多，主要包括衰减、延迟、频谱容量、多径效应等。

- 衰减：信号在传输过程中逐渐减弱的现象。

- 延迟：信号在传输中所需要的时间。

- 频谱容量：信道传输数据的最大能力。

- 多径效应：信号在传输过程中遇到多条路径，产生干扰和衰减。

三、信道传输技术1. 信道编码信道编码是指在信息传输过程中为了提高信道传输质量而对信息进行编码的过程。

常见的信道编码方式包括奇偶校验码、循环冗余校验码、汉明码、卷积码等。

2. 调制与解调调制是指将数字信号转换成模拟信号的过程，解调是指将模拟信号转换成数字信号的过程。

调制技术有幅度调制、频率调制、相位调制等。

3. 多路复用多路复用是指将多个信号通过同一信道传输的技术，包括频分复用、时分复用、码分复用等。

4. 故障检测与纠正在信道传输中，常常会出现传输错误的情况，故障检测与纠正技术可以帮助我们发现和纠正传输错误，提高传输可靠性。

四、信道建模与传输性能分析1. 信道建模信道建模是指对信道进行描述和抽象，以便对信道进行分析和仿真。

常用的信道建模方式包括概率模型、时域模型、频域模型等。

通信基础知识｜信道容量写在前面：关于信道容量相关的定义与理论，最经典的是与AWGN信道相关的香农公式，随着移动通信系统的发展，通信信道越来越复杂，在香农公式研究的基础上实际上又有很多展开的研究，包括平坦衰落信道、频率选择性等信道的容量、又包括收发端是否已知信道信息条件下的容量。

本篇文章将相关的资料加以记录整理，供个人学习使用。

1 相关定义•香农容量（各态历经容量、遍历容量）：系统无误传输（误码率为0）下，能够实现的最大传输速率；香农定义该容量为在某种输入分布\(p_X(x)\)下，信息传递能够获得的最大平均互信息\(I(X;Y)\)，也即\(C_{\rmergodic}=\max_{p_X(x)}I(X;Y)\)；如果信道衰落变化很快，在一个编码块内，所有的信息会经历所有可能的衰落，那么此时通常用各态历经容量来定义capacity，为每种可能衰落下，信道容量的统计平均值•中断容量：系统在某个可接受的中断概率下的最大传输速率（注意信噪比越小，中断概率越大，于是可接受的最大中断概率对应着一个最小的信噪比），有\(P_{\rm outage}=P(\gamma<\gamma_{\min})\)；如果信道衰落变化较慢，在一个编码块内，信息经历相同的衰落，而不同编码块内信息经历不同的衰落，此时通常用中断容量来讨论capacity2 影响信道容量的因素•信道种类：AWGN信道、平坦衰落信道、频率选择性衰落信道、时间选择性衰落信道等•信道信息对于收发端是否已知：收发端已知信道衰落分布信息CDI、接收端已知信道实时的状态信息CSIR、收发端都已知信道实时的状态信息CSIRT3 SISO信道容量AWGN信道：最简单的加性高斯白噪声AWGN信道的（香农）信道容量，即是经典的香农公式：\(C=B\log(1+\frac{S}{N})\)，其推导见通信基础知识 | 信息熵与香农公式，注意两个条件：高斯分布的信源熵最大、信号与噪声不相关平坦衰落信道：对于平坦衰落信道模型\(y=hx+n\)来说，信道的抽头系数可以写为\(\sqrt{g[i]}\)，其中\(g[i]\)为每时刻的功率增益系数，信噪比此时考虑信道的衰落作用，为\(\gamma=\frac{S|h|^2}{N}\)•CDI：求解困难•CSIR：经过衰落的信道\(h\)的作用，相比AWGN信道，平坦衰落信道的信噪比会随之随机下降o各态历经容量：\(C_{\rmergodic}=B\int_0^{\infty}\log(1+\gamma)p(\gamma)d\gamma\)，由于平坦衰落信道中的信噪比\(\gamma\)相比AWGN信道都是下降的，不难判断有\(C_{\rm fading}<C_{\rm AWGN}\)o中断容量：\(C_{\rmoutage}=B\log(1+\gamma_{\min})\)，平均正确接受的信息速率为\(C_{\rm right}=(1-P_{\rmoutage})B\log(1+\gamma_{\min})\)•CSIRT：根据香农公式，信道容量与接收信号功率、噪声功率、信号带宽相关。

第5章 信道及信道容量教学内容包括：信道模型及信道分类、单符号离散信道、多符号离散信道、多用户信道及连续信道5．1信道模型及信道分类教学内容：1、一般信道的数学模型2、信道的分类3、信道容量的定义1、 一般信道的数学模型影响信道传输的因素：噪声、干扰。

噪声、干扰：非函数表述、随机性、统计依赖。

信道的全部特性：输入信号、输出信号，以及它们之间的依赖关系。

信道的一般数学模型：2、 信道的分类输出随机信号输入、输出随机变量个数输入和输出的个数信道上有无干扰有无记忆特性3、信道容量的定义衡量一个信息传递系统的好坏，有两个主要指标：图5.1.1 一般信道的数学模型离散信道、连续信道、半离散或半连续信道 单符号信道和多符号信道 有干扰信道和无干扰信道有记忆信道和无记忆信道单用户信道和多用户信道 速度指标质量指标速度指标：信息（传输）率R ，即信道中平均每个符号传递的信息量；质量指标：平均差错率e P ，即对信道输出符号进行译码的平均错误概率；目标：速度快、错误少，即R 尽量大而e P 尽量小。

信道容量：信息率R 能大到什么程度； )/()()/()();(X Y H Y H Y X H X H Y X I R -=-==若信道平均传送一个符号所需时间为t 秒，则);(1Y X I t R t =（bit/s ）称t R 为信息（传输）速率。

分析：对于给定的信道，总存在一个信源（其概率分布为*)(X P ），会使信道的信息率R 达到最大。

（);(Y X I 是输入概率)(X P 的上凸函数，这意味着);(Y X I 关于)(X P 存在最大值）每个给定的信道都存在一个最大的信息率，这个最大的信息率定义为该信道的信道容量，记为C ，即);(max max Y X I R C XXP P ==bit/符号 （5.1.3）信道容量也可以定义为信道的最大的信息速率，记为t C⎭⎬⎫⎩⎨⎧==);(1max max Y X I t R C XX P t P t （bit /s ） （5.1.4） 解释：(1)信道容量C 是信道信息率R 的上限，定量描述了信道（信息的）最大通过能力； (2)使得给定信道的);(Y X I 达到最大值（即信道容量C ）的输入分布，称为最佳输入（概率）分布，记为*)(X P ；(3)信道的);(Y X I 与输入概率分布)(X P 和转移概率分布)/(X Y P 两者有关，但信道容量C 是信道的固有参数，只与信道转移概率)/(X Y P 有关。

3. 信道容量信道容量指信道所能承受的最大数据传输速率，单位为bps或b/s。

信道容量受信道的带宽限制，信道带宽越宽，一定时间内信道上传输的信息就越多。

带宽指物理信道的频带宽度，即信道允许的最高频率和最低频率之差。

按信道频率范围的不同，通常可将信道分为窄带信道（0～300Hz）、音频信道（300～3400Hz）和宽带信道（3400Hz以上）三类。

信道容量有两种衡量的方法：奈奎斯特公式和香农公式。

(1) 奈奎斯特公式（Nyquist）对有限带宽无噪声信道，信道容量可用如下公式计算：其中，C —最大数据速率（信道容量）H —信道的带宽（Hz）N —一个脉冲所表示的有效状态数，即调制电平数例如，若某信道带宽为4kHz，任何时刻信号可取0、1、2和3四种电平之一，则信道容量为：奈奎斯特公式表明，对某一有限带宽无噪声信道，带宽固定，则调制速率也固定。

通过提高信号能表示的不同的状态数，可提高信道容量。

(2) 香农公式（Shannon）对有限带宽随机噪声（服从高斯分布）信道，信道容量可用如下公式计算：其中，H —信道的带宽（Hz）S —信道内信号的功率N —信道内服从高斯分布的噪声的功率S/N是信噪比，通常用表示，单位dB（分贝）例如，计算信噪比为30dB，带宽为4kHz的信道最大容量：由，得出S/N=1000 则，C=4k×log2(1+1000)≈40kbps表示无论采用何种调制技术，信噪比为30dB，带宽为4kHz的信道最大的数据速率约为40kbps。

4. 三个指标之间的关系从上面的分析可以看出，数据速率用于衡量信道传输数据的快慢，是信道的实际数据传输速率；信道容量用于衡量信道传输数据的能力，是信道的最大数据传输速率；而误码率用于衡量信道传输数据的可靠性。

信道带宽与信道容量的区别是什么？增加带宽是否一定能增加信道容量？带宽:信道可以不失真地传输信号的频率范围。

为不同应用而设计的传输媒体具有不同的信道质量，所支持的带宽有所不同。

信道容量的基本概念信道容量的概念:信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率。

在信道模型口，我们定义了两种广义信道:调制信道和编码信道。

调制信道是一种连续信道，可以用连续信道的信道容量米表征:编码信道是一种离散信道，可以用离散信道。

的信道容量来表征。

在此处，我们只讨论连续信道的信道容量。

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。

对于多用户信道，当信源和信宿都是两个时，它是平面上的一条封闭线。

什么是信道容量？信道容量：信息论不研究信号在信道中传输的物理过程，它假定信道的传输特性是已知的，这样信道就可以用抽象的数学模型来描述。

在信息论中，信道通常表示成：{X,P(Y|X),Y}，即信道输入随机变量X、输出随机变量Y以及在输入已知的情况下，输出的条件概率分布P(Y|X)。

根据信道的统计特性是否随时间变化分为：①恒参信道（平稳信道）：信道的统计特性不随时间变化。

卫星通信信道在某种意义下可以近似为恒参信道。

②随参信道（非平稳信道）：信道的统计特性随时间变化。

如短波通信中，其信道可看成随参信道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。

对于多用户信道，当信源和信宿都是两个时，它是平面上的一条封闭线。

我们将这个最大值定义为信道的容量。

信道带宽模拟信道：模拟信道的带宽W=f2-f1其中f1是信道能够通过的最低频率，f2是信道能够通过的最高频率，两者都是由信道的物理特性决定的。

当组成信道的电路制成了，信道的带宽就决定了。

为了是信号的传输的失真小些，信道要有足够的带宽。

数字信道：数字信道是一种离散信道，它只能传送离散值的数字信号，信道的带宽决定了信道中能不失真的传输脉序列的最高速率。

一个数字脉冲称为一个码元，我们用码元速率表示单位时间内信号波形的变换次数，即单位时间内通过信道传输的码元个数。

若信号码元宽度为T秒，则码元速率B=1/T。

码元速率的单位叫波特(Baud)，所以码元速率也叫波特率。

早在1924年，贝尔实验室的研究员亨利·尼奎斯特就推导出了有限带宽无噪声信道的极限波特率，称为尼奎斯特定理。

若信道带宽为W，则尼奎斯特定理指出最大码元速率为B=2W(Baud)尼奎斯特定理指定的信道容量也叫尼奎斯特极限，这是由信道的物理特性决定的。

超过尼奎斯特极限传送脉冲信号是不可能的，所以要进一步提高波特率必须改善信道带宽。

码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定。

若码元取两个离散值，则一个码元携带1比特(bit)信息。

若码元可取四种离散值，则一个码元携带2比特信息。

总之一个码元携带的信息量n(bit)与码元的种类数N有如下关系:n=log2N单位时间内在信道上传送的信息量(比特数)称为数据速率。

在一定的波特率下提高速率的途径是用一个码元表示更多的比特数。

如果把两比特编码为一个码元，则数据速率可成倍提高。

我们有公式:R=B log2N=2W log2N(b/s)其中R表示数据速率，单位是每秒比特，简写为bps或b/s数据速率和波特率是两个不同的概念。

仅当码元取两个离散值时两者才相等。

对于普通电话线路，带宽为3000HZ，最高波特率为6000Baud。

而最高数据速率可随编码方式的不同而取不同的值。

这些都是在无噪声的理想情况下的极限值。