1.3　通信系統(tǒng)的基本模型

香農(nóng)信息論研究的問(wèn)題主要來(lái)自通信系統(tǒng)。目前較為常見(jiàn)和完整的通信系統(tǒng)模型如圖1-1所示。

由圖1-1可知，通信過(guò)程可歸結(jié)為，首先將信源發(fā)出的消息（又稱為原始信息）經(jīng)編碼變換為信號(hào)，并進(jìn)入信道成為信道的輸入信號(hào)（簡(jiǎn)稱輸入信號(hào)或入口信號(hào)）。輸入信號(hào)經(jīng)信道的傳輸，到達(dá)通信的另一端，形成輸出信號(hào)（或出口信號(hào)）。輸出信號(hào)經(jīng)譯碼處理把輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄ⅲ@種消息是原始消息的還原，所以又稱為還原消息。還原消息最終由接收者接收，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)通信過(guò)程。通信系統(tǒng)模型主要包括5部分，下面逐一介紹。

1．信源

信源是產(chǎn)生消息的源頭，是消息運(yùn)動(dòng)的出發(fā)點(diǎn)。信源消息有多種形式，可以是離散的或連續(xù)的，也可以是時(shí)間序列。它們分別可用離散型隨機(jī)變量、連續(xù)型隨機(jī)變量及隨機(jī)過(guò)程等數(shù)學(xué)模型表示。

2．編碼器

編碼是對(duì)消息符號(hào)進(jìn)行編碼處理的過(guò)程。編碼可分為信源編碼、加密編碼和信道編碼三大類，香農(nóng)信息論研究得較為深入的是信源編碼和信道編碼兩類。信源編碼對(duì)信源輸出的消息進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q和處理，以盡可能提高信息傳輸?shù)男剩欢诺谰幋a以提高信息傳輸?shù)目煽啃詾槟康膶?duì)信息進(jìn)行變換和處理。香農(nóng)信息論用3個(gè)重要的定理給出了編碼的理論性極限，這3個(gè)定理分別是無(wú)失真信源編碼定理、限失真信源編碼定理和信道編碼定理。當(dāng)然，對(duì)于各種實(shí)際的通信系統(tǒng)，編碼器還應(yīng)能夠完成調(diào)制和發(fā)射等各種變換處理。另外，在保密通信系統(tǒng)中，還應(yīng)該包括加密編碼，以保證信息傳輸?shù)陌踩院驼鎸?shí)性。

3．信道

信道是信息的傳輸媒介。實(shí)際的信道有明線、電纜、波導(dǎo)、光纖和無(wú)線電波傳播空間等。信息的傳輸不可避免地會(huì)引入噪聲和干擾，為了分析方便，我們把系統(tǒng)所有其他部分的干擾和噪聲都等效地折合成信道干擾，看作是一個(gè)噪聲源產(chǎn)生的，并疊加于所傳輸?shù)男盘?hào)上。這樣，信道輸出的已經(jīng)是疊加了干擾的信號(hào)。由于干擾和噪聲均具有隨機(jī)性，所以信道的特性同樣可以用概率空間描述，而且噪聲源的統(tǒng)計(jì)特性也是劃分信道類型的主要依據(jù)。

信道除了傳送信號(hào)以外，還有存儲(chǔ)信號(hào)的作用，如磁帶和光盤等。

4．譯碼器

譯碼是把信道輸出的編碼信號(hào)進(jìn)行反變換，以盡可能準(zhǔn)確地恢復(fù)出原始信源符號(hào)。譯碼器有信源譯碼器和信道譯碼器。若在保密通信系統(tǒng)中，應(yīng)還包括解密譯碼器。

5．信宿

信宿是信息傳輸?shù)哪康牡亍⒔邮障⒌膶?duì)象，即接收消息的人或機(jī)器。信源和信宿可處于不同地點(diǎn)和不同時(shí)刻。

香農(nóng)信息論在解決了信息的度量之后，主要致力于研究如何提高通信系統(tǒng)中信息傳輸?shù)目煽啃院陀行浴D1-1給出的模型只適用于收發(fā)兩端單向通信的情況。它只有一個(gè)信源和一個(gè)信宿，信道傳輸也是單向的。更一般的情況是：信源和信宿各有若干個(gè)，即信道有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出，此外信息傳輸也可以雙向進(jìn)行。例如，廣播通信是單個(gè)輸入、多個(gè)輸出的單向傳輸通信；而衛(wèi)星通信則是多個(gè)輸入、多個(gè)輸出的多向傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。這些復(fù)雜的通信模型都可以在圖1-1所示模型的基礎(chǔ)上做適當(dāng)修正獲得，因此，圖1-1所示的通信系統(tǒng)模型是最基本的，在信息論中，我們一般以此模型進(jìn)行說(shuō)明。

在信道中，信號(hào)的產(chǎn)生、發(fā)射、傳送與接收實(shí)際上是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程。如果輸入是脈沖信號(hào)，那么它還要轉(zhuǎn)變成具有不同振幅的電磁波才能發(fā)射。因此，信道終端最初接收到的信號(hào)是電磁振蕩信號(hào)，再由電磁振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樾诺垒敵龅拿}沖信號(hào)，由譯碼運(yùn)算把輸出信號(hào)還原成消息。由脈沖信號(hào)變?yōu)殡姶耪袷幮盘?hào)稱為調(diào)制；由電磁振蕩信號(hào)變?yōu)樾诺垒敵龅拿}沖信號(hào)稱為解調(diào)。由于干擾的存在，信道的輸出信號(hào)可能與輸入信號(hào)不同，從而造成還原消息與原始消息的不同，這種現(xiàn)象稱為通信誤差，是通信系統(tǒng)中需要克服的問(wèn)題。通信誤差一般可通過(guò)硬件與軟件兩個(gè)途徑解決。所謂硬件就是改造通信系統(tǒng)的物理?xiàng)l件，如元器件的改進(jìn)，信號(hào)功率與頻帶的加大以及噪聲干擾的降低等，但這種改進(jìn)是有限度的，而且會(huì)增加設(shè)備成本。軟件的改進(jìn)就是編碼方式的改進(jìn)，它可在外部硬件環(huán)境基本不變的條件下，通過(guò)編碼與譯碼方法來(lái)實(shí)現(xiàn)通信速度的提高和通信誤差的降低，這正是信息論所要討論的基本內(nèi)容。因此，信息論又稱為信息編碼理論。在代數(shù)編碼理論中，編碼問(wèn)題歸結(jié)為糾錯(cuò)碼的構(gòu)造與設(shè)計(jì)問(wèn)題，同時(shí)也要考慮編碼的算法問(wèn)題，尤其是譯碼算法的可計(jì)算性問(wèn)題，即所構(gòu)造的譯碼算法必須在通信工程實(shí)施中可同步實(shí)現(xiàn)。