2、信號(hào)的基本信息：信號(hào)變化的隨機(jī)性的描述
通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)的任務(wù)主要是把信號(hào)按照原樣（包含的信息量不變，或者信息的損失在可允許的范圍內(nèi)）進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳遞。至于這些信息是否能夠反映運(yùn)動(dòng)的真實(shí)，那個(gè)不是通信系統(tǒng)解決的問(wèn)題。信息的進(jìn)一步處理（提?。┦菍儆诹硗獾南到y(tǒng)的工作。目前的科學(xué)技術(shù)在通信網(wǎng)絡(luò)的性能上研究比較深入，可以比較好地滿足信息利用的傳輸需要。而信息的進(jìn)一步處理，還處于研究階段。從應(yīng)用技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，科學(xué)技術(shù)關(guān)心的是從信號(hào)中如何獲取更多的為環(huán)境反應(yīng)所需要的內(nèi)容——信息。
（2.1）信息量的定義
深入研究信息的數(shù)字定量含義是從通信技術(shù)開(kāi)始的。1948年香農(nóng)發(fā)表的《通信的數(shù)學(xué)理論》被認(rèn)為是信息論的奠基性論文。香農(nóng)的信息描述中，首先對(duì)信息量進(jìn)行數(shù)學(xué)定義?？紤]到人類最感興趣的信息是信號(hào)中包含的未知內(nèi)容，也就是信號(hào)中能量變化的無(wú)法預(yù)知的不確定的東西。物理學(xué)中對(duì)不確定性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述有一個(gè)很好的量，就是“熵”。類似的，借用這個(gè)物理學(xué)中熵的數(shù)學(xué)描述方式，香農(nóng)給出了信息熵的描述：
其中X為信號(hào)可能的隨機(jī)狀態(tài)事件集合，x是定義在X上的隨機(jī)變量。p（x）為變量x的出現(xiàn)概率。
信息熵是隨機(jī)事件不確定性的度量，這里就定義為信號(hào)所具有的信息量。信息熵與物理學(xué)中的熱力學(xué)熵有著緊密的聯(lián)系:
其中S(X)為熱力學(xué)熵，H(X)為信息熵，
信號(hào)變化的隨機(jī)性的描述為通信技術(shù)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)知識(shí)。上面介紹的從通信技術(shù)的應(yīng)用出發(fā)把信號(hào)的信息表達(dá)成信號(hào)中不可預(yù)知的隨機(jī)性（信息熵）作為信號(hào)的信息量。那么通信系統(tǒng)的一個(gè)最根本的性能就是比較輸入與輸出信號(hào)的隨機(jī)性信息量的變化（一般認(rèn)為是信息丟失產(chǎn)生的誤差）。如果這個(gè)變化在應(yīng)用允許的范圍內(nèi)，就可以認(rèn)為通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信息傳輸?shù)墓ぷ鳌?/p>
（2.2）通信系統(tǒng)的信息傳輸工作：
通信系統(tǒng)的工作信號(hào)可以有不同的物理性質(zhì)：可以是電磁波能量，如空間激光光信號(hào)、光導(dǎo)纖維中的光信號(hào)、導(dǎo)體中的電信號(hào)、空間傳輸?shù)臒o(wú)線電信號(hào)；也可以是機(jī)械振動(dòng)能量，如水中的聲波信號(hào)、超聲波信號(hào)；或者物質(zhì)微粒的運(yùn)動(dòng)能量，如中微子流；也可以是其他形式的信號(hào)，如量子糾纏的狀態(tài)改變等等。人們需要的信息是包含在信號(hào)的變化中，而不是信號(hào)能量本身的物理性質(zhì)。信息載于這些不同物理信號(hào)的變化之上來(lái)完成應(yīng)用需要的傳輸過(guò)程。信號(hào)是通過(guò)通信系統(tǒng)的“通道”來(lái)進(jìn)行信號(hào)（實(shí)際上是需要信號(hào)能量來(lái)傳輸）傳遞的。
通信系統(tǒng)中資訊在通道中的傳輸?shù)乃俾适且粋€(gè)重要的性能指標(biāo)。一個(gè)通道能夠承擔(dān)的信息傳輸能力是有限的，首先它取決于通道傳輸信號(hào)的物理特性。因?yàn)樾畔⑹怯尚盘?hào)的變化來(lái)承載的。信號(hào)變化越快（物理上表達(dá)為信號(hào)變化的頻率越高，信號(hào)的頻帶寬度越大）可以承載的信息越多。
通道能夠承載的傳輸信息量稱為通道容量C。假定通道傳輸?shù)男盘?hào)的物理帶寬為W，則通道容量應(yīng)該與W有關(guān)。一個(gè)理想無(wú)噪音，無(wú)干擾的通道，可能傳輸?shù)男盘?hào)變化率（單位時(shí)間的信號(hào)變化數(shù)）不應(yīng)該超過(guò)W。實(shí)際通道內(nèi)是有噪聲干擾的，香農(nóng)推導(dǎo)出，在一個(gè)平均傳送功率不超過(guò)P，帶寬為W的通道受功率為N的白色熱噪聲干擾時(shí)，其通道容量C可以表示為:
一般來(lái)說(shuō)信號(hào)的頻率越高，通道的物理帶寬也越寬，通道傳輸信息的能力也越大。所以在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中廣泛采用激光信號(hào)（信號(hào)頻率在約3x10^11--3x10^15 Hz），高頻無(wú)線電信號(hào)（微波信號(hào)頻率在約3x10^6--3x10^10 Hz）可以獲得很高的信息傳輸速率。
（2.3）數(shù)字通信系統(tǒng)：
為了實(shí)現(xiàn)可靠的高速，高效率的信息傳輸，現(xiàn)代通信系統(tǒng)采用二進(jìn)制的信息編碼方式來(lái)完成通信。因?yàn)槎M(jìn)制符號(hào)只有兩種狀態(tài)0和1，這樣接收方可以比較簡(jiǎn)單地確定每一位信號(hào)的信息。從這個(gè)原理出發(fā)，構(gòu)成了被廣泛采用的數(shù)字通信系統(tǒng)。數(shù)字通信具有設(shè)備簡(jiǎn)單，信息傳輸可靠性高的特點(diǎn)，而且與采用二進(jìn)制運(yùn)行的數(shù)字計(jì)算機(jī)能夠順利地配合。所以現(xiàn)代通信系統(tǒng)中廣泛采用了數(shù)字通信的方式，采用數(shù)字通信技術(shù)的手機(jī)，數(shù)字電視到數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)都得到快速發(fā)展。
數(shù)字通道的通道容量可以表達(dá)為：
其中n為白噪音功率密度?？梢宰C明當(dāng)物理通道帶寬非常大時(shí)（W趨于無(wú)窮大），通道容量C的上限為1.44倍的信噪比（P/n）。
為了應(yīng)用數(shù)字通信系統(tǒng)來(lái)傳輸信息，要對(duì)所傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行二進(jìn)制的編碼，以一定位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)字來(lái)代表某個(gè)信息。這個(gè)過(guò)程稱為信源編碼。比如英文字符的ASCII編碼；中文文字的編碼（常見(jiàn)的漢字字符集編碼包括GB2312、BIG5、GBK、GB18030、Unicode等）；聲音的采樣編碼；圖像的數(shù)字化編碼等。信源編碼的使用關(guān)鍵是通信網(wǎng)絡(luò)中的編碼的標(biāo)準(zhǔn)化，保證通信雙方對(duì)編碼標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。當(dāng)然在實(shí)際的實(shí)時(shí)通信工程中，還需要解決編碼和解碼的實(shí)時(shí)完成的技術(shù)問(wèn)題。這些技術(shù)都已經(jīng)被現(xiàn)代電子技術(shù)完全實(shí)現(xiàn)了。所以數(shù)字通信系統(tǒng)在各種信息傳輸中廣泛應(yīng)用。
一般在數(shù)字通信系統(tǒng)中已經(jīng)經(jīng)過(guò)信源編碼的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)傳輸前還需要進(jìn)行進(jìn)一步的編碼（通道編碼）。這次編碼的目的是為了解決信號(hào)傳輸過(guò)程中可能發(fā)生的錯(cuò)誤而丟失信息。通道編碼主要是通過(guò)一定的算法在信息編碼中插入一些冗余碼位（對(duì)信息來(lái)說(shuō)是多余的碼位），然后在接收方通過(guò)檢驗(yàn)計(jì)算來(lái)核對(duì)信息編碼中是否發(fā)生了與發(fā)送編碼不同的錯(cuò)誤。如果有錯(cuò)誤就進(jìn)行糾錯(cuò)（需要比較多的冗余碼位）或者重新發(fā)送（需要比較少的冗余碼位）。從而提高信息傳輸?shù)恼_性。一般采用什么樣具體的通道編碼要依據(jù)具體的傳輸通道的干擾情況和信息差錯(cuò)的允許程度來(lái)決定。這種通道編碼技術(shù)在計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳遞過(guò)程中也被廣泛應(yīng)用來(lái)提高數(shù)據(jù)的可靠性。
對(duì)信息在傳輸過(guò)程中的這些問(wèn)題的深入研究和數(shù)字通信技術(shù)的成熟，人類大大地?cái)U(kuò)展了信息接收的范圍。通過(guò)這些技術(shù)的應(yīng)用和可靠的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)（數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)）可以比較好地滿足社會(huì)中的信息遠(yuǎn)距離傳輸要求。這個(gè)情況大家已經(jīng)從日常使用中深刻地體會(huì)到。每時(shí)每刻都有大量的各式各樣的信息通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)迅速、可靠地傳輸?shù)轿挥谑澜绺鞯氐男畔⑹褂谜吣抢?。人們獲取信息的便利已經(jīng)大大地改變了這個(gè)人類的生活?？梢哉f(shuō)，通信網(wǎng)絡(luò)是地球變成緊密聯(lián)系的地球村的信息基礎(chǔ)。
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