信息论与编码 信息论与编码,作为现代通信技术的基石,不仅深刻影响了我们的日常生活,还推动了信息技术的飞速发展。信息论起源于20世纪40年代,由克劳德·香农在其著名的论文《通信的数学理论》中首次提出。香农将信息定义为一种不确定性减少的量度,这一定义奠定了信息论的基础。信息论不仅关注信息的传输和接收,还研究信息的存储、处理和安全性。随着时代的发展,信息论逐渐发展成为一门独立的学科,涵盖了信息的度量、编码、传输、解码、存储和检索等多个方面。特别是在计算机技术、电子通信和互联网技术的推动下,信息论的应用领域不断拓展,成为现代信息技术的核心组成部分。 信息论的核心原理包括信息的度量、信源编码、信道编码和信道容量等。信息的度量,信息论采用熵(Entropy)作为度量信息不确定性的指标。熵越大,表示信息的不确定性越高;熵越小,表示信息的不确定性越低。熵的计算基于概率分布,反映了信息源中各个符号出现的概率分布。信源编码,信源编码是将信息源中的符号转换为适合信道传输的码字的过程。有效的信源编码可以减小信息的冗余度,提高信息的传输效率。常见的信源编码方法包括霍夫曼编码、算术编码等。信道编码,信道编码是为了提高信息的传输可靠性而进行的编码。信道编码通过在信息中添加冗余信息(如校验码)来检测并纠正传输过程中的错误。常见的信道编码方法包括卷积码、块码、Turbo码和LDPC码等。信道容量,信道容量是指信道在给定条件下能够可靠传输的最大信息量。信道容量是信息论中的一个重要概念,它决定了通信系统的性能上限。 编码技术在现代通信中扮演着至关重要的角色。它不仅提高了信息的传输效率和可靠性,还推动了通信技术的不断革新。编码技术广泛应用于移动通信、卫星通信、光纤通信等领域。未来,信息论与编码将呈现以下发展趋势。高效编码算法的研发,随着信息量的不断增长,对编码算法的效率要求越来越高。量子信息论与量子编码,量子信息论是信息论的一个新兴分支,它研究量子信息的传输、处理和存储等问题。量子编码则是量子信息论中的一个重要研究方向,它旨在提高量子通信系统的可靠性和安全性。信息安全与编码,编码技术在信息安全中发挥着重要作用,如加密编码、数字签名等。跨媒体信息论与编码,跨媒体信息论研究不同媒体形式之间的信息转换和传输问题。跨媒体编码则是跨媒体信息论中的一个重要研究方向,它旨在提高跨媒体通信系统的效率和可靠性。
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1948年10月,香农发表了一篇名为《通信的数学理论》的论文,开启了现代信息论的研究大门。对于所有从事信息科学技术相关领域的人来说,对“香农信息论”这个名词并不陌生。那香农信息论到底是什么?作为现代通信科学的基石,香农信息论实际上是回答了通信中的四个根本问题:一:什么是信息?二:如何去度量信息?三:怎么表达信息?四:如何高效可靠的去传输信息? 一:什么是信息以及如何度量信息。 香农首先回答了"信息是什么"这一哲学命题。信息源于通信过程中的不确定性:发送端(信源)与接收端(信宿)之间存在未知性,信息的作用正是消除这种未知。例如,抛硬币前结果的未知性(正或反)即为信息的存在,而抛硬币后结果的揭晓则意味着信息的传递。这一洞见将信息从抽象的"内容"转化为可数学化的对象。香农信息论始于对信息本质的理解。在通信中,信息是用来消除收端(信宿)对于发端(信源)所发送内容不确定性的手段。于是香农引入了信息熵的概念,它是系统随机性或不确定性的度量。熵H(X)定义为一个离散随机变量X所有可能值的概率加权平均的负对数:给出了如视频图中的公式: 这里p(x_i)是事件x_i发生的概率。熵越大,信息的不确定性越高,需要更多的比特来描述该信息。例如,抛一枚公平硬币的熵为1比特,而若硬币倾斜(如正面概率90%),熵则降低为0.47 七比特-﹣不确定性越小,信息量越少。熵的提出,使信息从定性描述迈入定量分析,成为信息论的基石。这解决了第一个问题——什么是信息以及如何度量信息。 二:信道容量与编码定理 第二个问题是关于信息传输的最大能力,即信道容量。香农引入了信道容量公式,它指出了在给定噪声水平和其他限制条件下,一个信道可以无误地传递的最大信息速率。信道容量如视频图中所示: 其中,B为带宽,S/N为信噪比。为实现这一极限,需通过信道编码(如Turbo码、LDPC码)向信息中添加冗余。冗余看似"浪费",却使接收端能检测并纠正传输错误,从而在噪声中实现"无误码通信"。现代5G、Wi-Fi等技术的高可靠性,正源于此。这是第三个问题的核心,即如何高效表达信息...... #信息论 #无线通信 #通信技术 #卫星通信 #射频微波
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66662月前
940年代克劳德香农提出的信息论表明 则为宇宙设定了信息传输的终极极限 更定义了知识和通信 因宇宙膨胀而远离 世界永远脱离我们的观测范围 范围不断缩小的时空泡泡中 生成高精度三维地图 都依赖于光的传播速度 这些技术都将无法实现 像螺旋桨一样旋转 也依然遵守宇宙速度极限 但这仅发生在量子不确定性的框架内 暗示在极小尺度上 光在水中的传播速度约为真空中的75% 实际上光子在戒指中 为相对论提供了直观的视觉证据 这相当于光学版本的声爆 但实际上并非如此 并因此获得了1958年诺贝尔物理学奖 贝内特罗萨用旋转镜法测量光速 最终发现了一处计算错误 科学的进步不仅源于成功 与普通物质相互作用 偶尔与新原子碰撞时 根本无法完成 可见光和近红外光 但携带的宇宙信息各不相同 而这一切都以光速的恒定性为基础 若所有观测者测得的光速都相同 时间膨胀长度收缩和智能等价 科学家能减缓单个光子的速度 甚至 在高频交易中 最终以光速恒定性为基础的精准计时 仅为光速的1/2,500,000 可能就与神经通信的时间延迟有关 2015年 威狗首次探测到引力波 科学家同时观测到来自中子星合并 进一步巩固了我们对光速 我们是善于寻找规律的生物 而是意识到需要更好的方法 每一代人都在前辈失败的基础上前行 利用单个光子传输加密密钥 这种安全性并非基于计算复杂度 将光速和量子力学 能发射数千条频率精准 通过恒星的微小晃动探测系外行星 变成了宇宙中最精准的测量工具 透镜探测那些已接近光速 绘制地球内部的密度分布图 光的有限速度还会产生宇宙错觉 土星的影像则来自一个多小时前 决定了我们能回溯到多久之前的宇宙 纠缠光子无论相距多远 已实现卫星与地面站之间的量子纠缠 却不允许超光速通信 时间膨胀 而这一切都以光的震荡为终极参考 采用零日法探测行星 可推算出行星的轨道周期和大小 或得出不可能的行星尺寸 利用微波光子控制和读取量子态 信息的传播速度也无法超过光速 埃德温哈伯观测到 如何通过多普勒效应影响光的波长 光学技术的发展 在高层大气中制造人工参考点 我们已将大气从观测障碍 通过精准控制激光的相位和强度 这些实验在常规条件下无法实现的 展现了进化的巧妙 萤火虫通过精准的闪光模式交流进化 将实现极高精度的测量 这些测量需要考虑所有因素 如今光速的测量精度已如此之高 如果光速在所有时空区域都恒定不变 光速的恒定性 我们尚未
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