数据通信的信道概念详解

信道（Channel）是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。从双方信息交互的通信方式来看，可以有以下三种基本通信方式：

（1）单向通信：又称单工通信，即只允许一个方向传送而不能进行反向传送。有线广播（一点对多点）、公共广播系统（PA）和闭路电视系统就属于这种类型。

（2）双向交替通信：又称半双工通信，即通信双方既可以发送也可以接收信息，但双方不能同时发送（当然也不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，通过人工收发切换再反过来。

（3）双向同时通信：又称全双工通信，即通信双方同时可以发送和接收信息。

单向通信和双向交替通信只需要一条信道，双向同时通信（全双工通信）则需要两条通道，正如火车行驶的单轨铁路和双轨铁路那样。显然，双工通信的传输效率最高。

信道中传送的信号有基带（base band）信号和宽带（broad band）信号两类。基带信号（例如PCM数据信号）是将数字信号的0或1直接送到线路上去传输。宽带信号则是指将基带信号进行某种调制后形成多路复用的、占有较宽频带的模拟信号，如图4-4所示FDM信号，然后送到线路上去传输。这样做的目的是可以在一条通信线路上同时传送多路复用模拟信号，提高了传输线路的利用率。

通信线路用来传送模拟信号时，衡量通信线路传输模拟信号带宽的能力称为线路带宽，基本单位为Hz。

通信线路用来传送数据信号时，再用模拟通信系统的线路带宽来表达就不确切了。因为数字信号以数据最高传送速率来表达通信线路的传输能力，为了与模拟信号的线路带宽相区别，称为网络带宽，基本单位为每秒传送的比特数，即bit/s。

常用的数据传送单位为千比特（kbit/s）、兆比特（Mbit/s）、吉比特（Gbit/s）和太比特（Tbit/s）。现在人们常用更简单的但很不严格的记法来描述网络链路的带宽，如100k、10M或10G等，常常会省略了后面的bit/s单位。

网络带宽有时称为“吞吐量”。在实际应用中，吞吐量常用每秒发送的比特数或字节数或帧数来表示。

通信线路的线路带宽和网络带宽存在一定的关系，线路带宽越宽，数据传输的最高速率也越高，但两者的概念不同，基本单位也不同，不能混淆，更不能直接替代。

实际工作中，传输网络的最高数据传输速率必须以接收端能正确恢复全部数据信号为前提。因此，网络带宽除与通信线路的线路宽有关外，还需考虑传输线路长度对数据信号的衰减和外部干扰等因素的影响。信道距离越长，信号受到的衰减越大，因此数据信号传输速率的上限值也就越低。这些因素使输出端的波形质量变差，直至很难判断出信号是1还是0，如图4-2所示。

1948年，香农（Shannon）用信息理论推导出了受传输线路带宽的限制，而且存在高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率C（bit/s）为

C=Wlog₂（1+S/N） （4-1）

图4-2 数据信号通过传输线路的实际输出波形

式中 W——信道的线路带宽（Hz）；(www.xing528.com)

S——信道内传输信号的平均功率（mW）；

N——信道内部的白噪声功率（mW）。

香农公式表明，信道的线路带宽W越宽和信道中的信噪比S/N越高，则信道的极限传输速率也就越高。此外，公式还表明，只要信息的最高数据率低于信道的极限传输速率（网络带宽），就一定可以获得无差错传输。

由于香农公式没有考虑信号传输过程中的各种电磁脉冲干扰和传输过程中产生的失真等因素，因此实际信道中传输的信息速率比式（4-1）计算出来的极限传输速率更低。例如，频响特性为300～3400Hz带宽的一个标准电话信道，在这个频带中，接近理想带宽的是中间一段，即W=2400Hz左右。如果要让传输系统输出信号的信号噪声比S/N=30倍，那么按式（4-1）可计算出该信道的最高信息传输速率为

C=2400log₂（1+30）bit/s=2400×log₂31bit/s=8400bit/s

1942年奈奎斯特（Nyquist）推导出理想矩形带通滤波器特性的信道最高传输速率为

理想带通特性信道的最高数据传输速率（Baud）=W （4-2）

式中 W——信道的线路带宽（Hz）；

Baud（波特）——电报的传输速率单位，又称调制速率、波形速率或符号率。即每秒钟可传送的bit（比特）数量。

1 Baud（波特）可携带n bit的信息量。当n=1时，1 Baud=1bit/s。要提高信息传输速率，必须设法（通过调制方法）使每个Baud（波特）能携带更多bit的信息量。例如，上述电话信道如果采用调制方法使1 Baud携带4bit的信息量，那么在有效线络带宽为2400Hz的电话信道中可传输的最高速率（网络带宽）=2400Baud=2400×4bit/s=9600bit/s。

提高Baud携带bit的信息量可采用把数字基带信号对模拟载波进行调幅、调频或调相等方法实行波形变换或者频谱变换，如图4-3所示。

图4-3 数字信号对模拟载波调制

a）幅移键控法 b）频移键控法 c）相移键控法

例如我们要传送的基带信号是：101011000-110111010……如果希望1 Baud要携带3bit信息量，那么可把每3bit编为一组（简称码组），即101，011，000，110，111，010……3bit码组可表达8个不同的二进制数值，并把这些数值进行调相φ，共有8个调相数值：（000）₂=0（φ₀），（001）₂=1（φ₁），（010）₂=2（φ₂），（011）₂=3（φ₃），（100）₂=4（φ₄），（101）₂=5（φ₅），（110）₂=6（φ₆），（111）₂=7（φ₇）。上述基带信号调相后的正弦波相位分别为：φ₅（101），φ₃（011），φ₀（000），φ₆（110）φ₇（111），φ₂（010）……也就是说如果基带信号不进行码组调相处理，每个码元只携带1bit的信息量，共要发送18个码元。用3bit码组调相后，每个码组携带3bit信息量，此时只要发送φ₅φ₃φ₀φ₆φ₇φ₂6个调相码元，但发送出去的信息量仍为3bit×6码元=18bit/s，也就提高了码流的传输速率。