信息論在信息與通信工程領域的應用第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日信息論在保密通信中的應用多媒體通信中的編譯碼技術計算機網絡通信中的編譯碼技術信息論在數字移動通信系統中的應用信息論在寬帶無線接入系統中的應用信息論在其他領域的應用第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日圖14.1加密信道模型

信息論在保密通信中的應用第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日代碼的實際碼率或語言的實際熵定義為長度為N的消息中每字符包含的平均信息比特數，表示為(14.4)

其中H(X)是消息熵，即最佳編碼消息的比特數。當N很大時，據估計，中文的r值不大于5比特/漢字，英文的r值約在1.0到1.5比特/字符之間。絕對碼率或語言的最大熵定義為假設所有可能字符序列等概情況下，每字符包含的最大信息比特數，用r’表示：r’=lbL(14.5)

其中L是語言包含的字符數。中文的絕對碼率或最大熵約為13.9比特/漢字，對英文字母，r’=lb

26=4.7比特/字符。信息保密技術的基礎知識基本度量

第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日代碼的冗余度用實際碼率和絕對碼率來定義：D=r’–r(14.6)

英語的r’=4.7比特/字符，r=1.5比特/字符，D=3.2，比率D/r’=68%就是英語冗余度的度量。中文的冗余度的度量約為80%。疑義度定義為在給定Y條件下X的條件熵。條件熵定義為：

(14.7)

疑義度可以認為是在收到Y后消息X的不確定度。密碼破譯者希望隨著截獲密文Y的增加，H(X|Y)接近于零。信息保密技術的基礎知識基本度量第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日多媒體通信中的編譯碼技術從應用的角度來看，多媒體就是文本、音頻、視頻、圖形、圖像、動畫等多種不同形式的信息表達方式的有機綜合。隨著應用的增長，術語“多媒體”的內涵也不斷擴大，它不僅指信息本身，更主要的是指處理和應用它的一系列技術，包括與多媒體計算機、通信和應用相關的技術。多媒體應用的根本目的是以自然習慣的方式，高效安全地接受計算機世界的信息，這些信息通過計算機生成的媒體來展現。第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日多媒體通信中的編譯碼技術多媒體通信簡介數據壓縮是多媒體發展的關鍵技術。多媒體數據壓縮技術的分類有多種方法，其中按照信號質量有無損失可分為有損編碼和無損編碼。無損編碼又稱為冗余壓縮，主要用于文本數據壓縮。算法的基本原理是去除或減小數據中的冗余，壓縮過程中不能破壞數據中包括的信息，解碼后的數據必須與原來的一樣。典型的無損壓縮算法有Huffman編碼、費諾-香農編碼、算術編碼、流程編碼、Lempel-Zev編碼等。有損壓縮又稱為熵壓縮，適用于圖像和聲音的壓縮。在壓縮過程中減小了數據中包含的數據量，即產生一定的失真，由此獲得較高的壓縮比。典型的有損編碼算法包括模型編碼、矢量量化、子帶編碼、變換編碼、小波編碼等。第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日圖15.1多媒體數據壓縮技術分類第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日多媒體通信中的編譯碼技術多媒體通信簡介與多媒體通信有關的壓縮編碼的國際標準主要有音頻編碼標準G系列、靜態圖像壓縮編碼國際標準JPEG、視頻圖像壓縮編碼的國際標準H.261和H.263、運動圖像壓縮編碼的國際標準MPEG系列。當前多媒體編碼技術發展的一個重要方向就是綜合現有的編碼技術，制定全球統一標準，使信息管理系統具有互操作性并確保未來的兼容性。第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日多媒體會議系統是一種將聲音、圖像、文本等多種信息從一處傳送到另一個處的通信系統，關鍵技術包括：多媒體數據處理技術；網絡技術；分布處理技術；以及支持更多媒體處理的終端技術。典型的多媒體會議系統由終端設備、通信鏈路、多點控制單元(MCU)及相應的軟件部分組成。終端設備完成數據處理、多媒體通信協議處理、音視頻信號的接收、存儲與播放，并記錄和檢索大量與會議相關的數據與文件；MCU通常設在網絡節點處，用于處理多個地點同時進行通信部分；軟件包括協議、會議服務、音頻與視頻信號處理等；通信鏈路有多種選擇，包括公共電話交換網(PSTN)、局域網(LAN)、廣域網(WAN)、ISDN、異步傳輸模式(ATM)等。多媒體通信中的編譯碼技術多媒體會議系統中的信道編碼技術第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日媒體通信技術是多媒體會議系統的關鍵技術之一。圖像信息經壓縮后，信息的相關度大大降低，因此誤碼對圖像質量的影響不可忽視。在視頻會議系統中采用BCH（511,493）糾錯編碼，以保證圖像信息的可靠傳輸。多媒體會議系統的圖像糾錯編碼原理如圖15.6所示。當進行糾錯編碼時，圖像數據被劃分為493比特的數據分組，然后送入BCH糾錯編碼單元，按照BCH（511,493）算法算出18比特的校驗位。延時單元的作用是補償BCH編碼所用的時間，使經編碼輸出的校驗比特和相應的數據分組剛好對齊，然后兩者復合起來送入多路利用單元。在接收端，解碼器對圖像進行BCH譯碼，如果出現隨機誤碼，利用此糾錯系統的比特校驗位就可以將其糾正。

多媒體通信中的編譯碼技術多媒體會議系統中的信道編碼技術第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日多媒體通信中的編譯碼技術多媒體會議系統中的信道編碼技術圖15.6多媒體會議系統中的圖像糾錯編碼

第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日計算機網絡通信中的編譯碼技術計算機通信及其網絡體系結構概述ISO7498標準定義了網絡體系結構的對象的類型、關系和約束，及7層開放系統互連參考模型，如圖15.7所示。圖15.7OSI參考模型中的體系結構第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日圖15.8TCP/IP模型原理第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日數據鏈路通過數據鏈路控制規程，在不太可靠且有外來干擾的物理鏈路上實現可靠的、基本無差錯的數據傳輸數據鏈路層的主要功能：（1）幀同步。指收方能從收到的比特流中準確地判斷出一幀的開始和結束。（2）尋址。在多點鏈接情況下，用于保證每一幀都能送到正確的地址，收方也應當知道數據是從哪一個節點發出的。（3）流量控制。為了保證發方的發送數據速率不超過收方及時接收和處理的能力，當接收方來不及接收時，就必須采取措施來控制發方發送數據的速率。計算機網絡通信中的編譯碼技術數據鏈路控制規程中的差錯控制技術第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日（4）差錯控制。主要有糾錯編碼和檢錯編碼兩種。糾錯編碼即前向糾錯，由于開銷較大，適用于衛星中繼的計算機通信。檢錯編碼即檢錯重發，這種方法在計算機通信中最為常用。（5）數據和控制信息的識別。用于區分同一幀中的數據信息和控制信息。（6）透明傳輸。即保證數據傳輸的各種比特組合都能夠在物理鏈路上傳送。（7）鏈路管理。即數據鏈路的建立、維持和釋放過程。計算機網絡通信中的編譯碼技術數據鏈路控制規程中的差錯控制技術第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日數據鏈路層中的差錯控制用于提高數據傳輸的可靠性及傳輸效率，主要的方式有以下3種：（1）自動請求重發；（2）前向糾錯；（3）混合糾錯。在計算機通信中，差錯控制的基本任務是在確定的信道條件下，采取簡單高效的方式保證系統的可靠性。采用的編碼方法可分為分組碼和卷積碼。常用的分組碼包括循環冗余校驗碼（CRC）、恒比碼、垂直水平奇偶校驗碼等。其中循環冗余校驗碼在數據鏈路控制規程中應用最為普遍。卷積碼則在前向糾錯系統中應用較多。計算機網絡通信中的編譯碼技術數據鏈路控制規程中的差錯控制技術第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日網絡電話也稱IP電話，是以因特網為傳輸媒介的電話系統。具有占用頻帶小、成本低的特點，并且可以與圖像、視頻等結合起來，進行傳真、廣播、電視等通信。網絡電話系統由網關、網閘和多點接入控制單元組成。網關是IP網和PSTN之間的接入設備，其接入服務模塊提供IP網接口的PSTN接口。在PSTN一側，輸入端對用戶語音進行編碼和壓縮，在通話過程中，接入服務模塊將語音流轉換為IP數據報的格式，即打包，然后通過因特網接口送入因特網。同樣，在IP網一側，接入服務模塊將IP數據報進行解包，還原為語音流格式，然后進行解壓縮和語音還原，進入PSTN一側的通過輸出端。網閘是服務控制模塊，用于用戶的注冊和管理。多點接入控制則用于支持IP網上的多點通信，可實現網絡電話會議、可視電話等多媒體功能。

計算機網絡通信中的編譯碼技術網絡電話系統中的關鍵技術第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日圖15.11H.323語音編碼和視頻編碼標準體系第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日混合編碼算法兼有波形編碼的高質量和參數編碼的低速率的優點，因此在音頻編解碼算法的國際標準中廣泛采用。語音信號壓縮編碼的標準建議為G.7XX系列，見表15.2。由于語音通信對實時性的要求較高，因此在網絡電話中采用資源預留協議（RSVP）對語音優先處理。在WAN中傳輸速率小于512kb/s時，IP網的路由器應設定語音包的優先級為最高。在全雙工電話通信過程中，僅有40%左右的信號是有效的，因此，在網絡電話通信系統中采用靜音抑制技術，以減少占用的網絡帶寬。

計算機網絡通信中的編譯碼技術網絡電話系統中的關鍵技術第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日ITU建議制定時間碼率(kb/s)編碼算法說明G.711197264(56)PCM(/A)3kHz語音帶寬，8kHz采樣G.7211984/198632ADPCM3kHz語音帶寬，8kHz采樣G.722198664/56/48SBC-ADPCM7kHz語音帶寬，16kHz采樣G.723198640/32/24ADPCM

G.723.1

6.3/5.27MP-MLQ/ACELP

G.726199016ADPCM

G.727199032/24/16ADPCM

G.728199216LD-CELP低時延CELPG.72919968CS-ACELP

G.729A19968

可用于DSVDG.729B1996

用于V.70終端，語音激活表15.2語音編碼的主要國際標準

第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日計算機網絡通信中的編譯碼技術網絡電話系統中的關鍵技術IP網中遲到或持續出錯的語音包將被丟棄處理，造成語音失真，因此在IP電話中需采用語音抖動處理技術，以克服IP數據報傳輸時間不同造成的抖動。方法是在收端設置緩沖區暫存語音包，用穩定平滑的速率從緩沖區中取出語音包，經解壓縮和還原語音后傳送給用戶。前向糾錯編碼也是網絡電話中與語音處理相關的一項技術。網關采用兩級前向糾錯，Intra-Packet在同一數據報內加入冗余數據，使收端能糾錯并還原語音數據；Extra-Packet在每個語音數據報中包含后續包的冗余數據，確保收端能檢測出差錯或丟失的數據報并恢復。采取FEC技術可以彌補10%~20%的數據報丟失率，其代價是需要占用一定的網絡帶寬。

第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日計算機網絡通信中的編譯碼技術網絡電話系統中的關鍵技術網絡電話以分組的形式在因特網中傳輸，要求網關在語音終端和因特網之間將連續的語音信號劃分成確定長度的多個語音分組，然后將壓縮編碼后的數據封裝到IP數據報中，以實現在IP交換網中的傳輸。封裝方法為在語音數據報前面加上總長度為40字節的報頭。因此在IP網絡中實際傳送的碼流并非編碼后的凈碼流，即語音包，而是經封裝后的碼流。封裝的效率取決于一個RTP報中所加封的語音數據報的數量。顯然加封的語音報越多，封裝效率越高，但是全網傳輸延遲也就增大。

第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日計算機網絡通信中的編譯碼技術網絡電話系統中的關鍵技術網絡電話經編碼壓縮后，對IP網進一步進行統計復用，則可以提高網絡的線路利用率，代價是增加了網絡的全程延遲。由于語音業務對實時性的要求較高，對語音的全程往返延遲應控制在450ms較為合適。因此，編碼打包后形成的單位碼流通常為20kb/s，與基于64kb/s的G.711PSTN交換相比，帶寬壓縮了約2/3。網絡電話是計算機技術與電信相結合的成果，具有良好的發展前景，但是目前還存在一些需要解決的問題，例如由于目前因特網的TCP/IP協議體系不提供任何服務質量保證，因此影響了IP電話的通話質量，解決的方法可以通過拓展因特網的帶寬和制定下一代的IP協議即IPv6來加以改進。

第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日信息論在數字移動通信中的應用移動信道對數字傳輸的影響工作在甚高頻(VHF)和超高頻(UHF)頻段的移動通信系統，電波傳播方式主要是空間波，即直射波、折射波、散射波及其合成波。復雜、惡劣的傳播條件是移動信道的特征，陸地移動無線信道中信號的衰落深度可達30dB，使得數字傳輸的誤碼率大大增加。為了保證在如此惡劣的傳播條件下接收信號的傳輸質量，就必須采用各種抗衰落技術和數字傳輸技術，例如分集技術、擴頻技術、均衡、交織和糾錯編碼等。第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日信號在移動信道傳播過程中會受到各種衰減的影響，接收信號功率可表示為(15.10)

信道對信號的作用可歸結為：自由空間傳播損耗|d|–n，其中n通常為3~4；陰影衰落S(d)；以及多徑衰落R(d)表示。從系統工程的角度看，傳播損耗和陰影衰落主要影響到無線區的覆蓋，而多徑衰落則嚴重影響信號傳輸質量。信息論在數字移動通信中的應用移動信道對數字傳輸的影響第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日將多徑傳播環境簡化為某種模型。對于具有N個路徑的衰落信道，多徑傳播模型中的接收功率可以表示為其中Pt為發射功率，gb和gm分別是基站和移動臺的天線增益，Ri是各路徑的地面反射系數，i是路徑間的相位差。實際移動環境中接收信號的幅度服從瑞利分布，因而多徑衰落也稱為瑞利衰落。

信息論在數字移動通信中的應用移動信道對數字傳輸的影響(15.11)第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日多徑傳播對數字傳輸的影響（1）時延擴展時延擴展，即在一串接收脈沖中，最大傳輸時延和最小傳輸時延的差值，記為，實際上就是脈沖展寬的時間。若發送的窄脈沖寬度為T，則接收信號的寬度變成T+。時延擴展會引起碼間串擾(ISI)。為避免碼間串擾，應使碼元周期大于時延擴展。時延擴展可以用數學模型來描述，例如在時延譜模型中，接收信號由N個等間隔的脈沖組成，脈沖的幅度為指數函數，延時概率函數為(15.12)信息論在數字移動通信中的應用移動信道對數字傳輸的影響第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日（2）相關帶寬相關帶寬是對移動信道傳輸一定帶寬信號的能力的統計度量。當碼元速率較低時，信號帶寬遠小于信道的相關帶寬，信號通過信道傳輸后各頻率分量的變化具有一致性，則信號波形不產生失真，無碼間串擾，此時的衰落為非頻率選擇性衰落；若碼元速率很高，信號帶寬大于相關帶寬，則信號通過信道傳輸后各個頻率分量的變化不一致，將引起波形失真，造成碼間串擾，此時的衰落為頻率選擇性衰落。相關帶寬通常用最大時延Tm的倒數來表示，即

信息論在數字移動通信中的應用移動信道對數字傳輸的影響第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日（3）時間選擇性衰落在移動環境中，移動臺的運動會使接收信號產生多普勒頻移，在多徑信道中這種頻移會成為多普勒頻展。將多普勒頻展的寬度的倒數定義為相干時間，則它表征了時變信道對信號衰落的節拍，這種衰落是由于多普勒效應引起的，并且發生在傳輸波形的特定時間段上，稱為時間選擇性衰落。時間選擇性衰落嚴重影響了數字信號的誤碼率，為了減小其影響，要求碼元速率遠大于衰落節拍的速率。信息論在數字移動通信中的應用移動信道對數字傳輸的影響第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日全球移動通信系統(GSM)選定規則脈沖激勵長期預測（RPE-LTP）編碼算法作為其語音編碼方案。RPE-LTP采用相位與幅度優化的等間距規則脈沖作為激勵源，合成波形接近于原始語音信號。同時，結合長期預測，去除信號冗余度，從而降低了編碼速率。RPE-LTP的凈編碼速率為13kb/s，語音質量MOS得分可達4.0。GSM系統的語音處理過程：發送端先進行語音檢測，將每個時間段分為有聲段和無聲段。在有聲段進行語音編碼產生編碼語音幀，在無聲段對背景噪聲進行估計，產生靜寂描述(SID)幀。發信機采用不連續發射方式，即僅在包含語音幀的時段內才開啟發信機。在語音段結束時發送SID幀，接收端根據收到的SID幀中的信息在無聲時段內插入舒適噪聲。

信息論在數字移動通信中的應用數字移動通信中的語音編碼技術第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日3G移動通信系統將提供能全球接入和漫游的廣泛業務。CDMA2000系列標準是為滿足3G無線通信系統的要求而提出的。目標是提供較高的數據速率以滿足IMT-2000的性能要求，即車輛環境下至少144kb/s，步行環境下384kb/s，室內辦公室環境下2,048kb/s的傳輸速率。CDMA2000標準是cdmaOne無線系統的技術演進，其新的特點主要包括：多種信道帶寬，即帶寬可以是N1.2288MHz；快速前向功率控制；輔助導頻信道；靈活的幀長，有5ms、10ms、20ms、40ms、80ms、160ms等多種；反向鏈路相干解調；前向發送分集；改進的媒體接入控制方案；可選擇較長的交織器；以及Turbo編碼。其中Turbo編碼是CDMA2000中的關鍵技術。信息論在數字移動通信中的應用Turbo碼在CDMA2000中的應用第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日隨著Internet技術的迅猛發展，現有的有線接入系統遠遠不能滿足人們的寬帶業務需求；另一方面隨著電信市場的不斷開放，新運營商不斷加入，形成了多方競爭的局面。在這種背景下，寬帶無線接入應運而生。寬帶無線接入主要有以下幾種技術

無線局域網(WLAN)、藍牙(Bluetooth)技術、本地多點分配系統(LMDS)、多點多信道分配系統(MMDS)及其他（如紅外等）。無線局域網主要技術有IEEE802.11b、IEEE802.11a、IEEE802.11g、HiperLAN等。當前最具代表性的是IEEE802.11b。未來無線局域網與3G存在一定的互補與競爭關系。

信息論在寬帶無線接入中的應用第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日信息論在寬帶無線接入中的應用藍牙是一種使用2.4GHz~2.483GHz無線頻段即工業、科學和醫療(ISM)頻段的通用無線接口技術，提供不同設備間的雙向短程通信。最高數據傳輸速率1Mbit/s、最大傳輸距離為10cm~10m，增加發射功率可達100m。藍牙的優勢是設備成本低、體積小。相對于802.11x系列和HiperLAN家族，藍牙的作用不是為了競爭而是相互補充。

固定無線接入系統已經從最初基于電話接入方式的窄帶系統演變為面向寬帶數據業務為主的寬帶固定無線接入系統。而且隨著接入網建設的持續升溫以及各種新的技術不斷被引入，寬帶固定無線接入系統仍是未來幾年內通信市場發展的一個熱點。第三十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日信息論在寬帶無線接入中的應用寬帶無線接入技術的一些新技術包括：寬帶OFDM技術、3.5GHz頻段的24扇區天線技術、軟件無線電技術、調制階數和覆蓋面大小可變的自適應技術、高效率頻譜成型技術、自適應動態時隙分配技術、自適應信道估值與碼間干擾對抗技術、自適應帶寬分配及流量分級管理技術、中頻與射頻集成組裝的緊湊型的戶外單元技術和高級編碼調制與收信檢測技術等。

第三十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日藍牙系統的最小傳輸單位是包，由接入碼、包頭和有效載荷3個部分組成。在信道中，數據以包的形式傳輸。每個包都有包頭檢查(HEC)來保證包的完整性，由線性移位反饋寄存器產生。生成多項式為

g(x)=(x+1)(x