Unit 04 译文.doc

Unit 4 通信和信息论
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第一部分：远程通信
远程通信是远距离通信的信号传输，在现代，通常这个过程需要电子发射机发射电磁波，但是在早期远程通信包括使用烟火信号，鼓或旗语或日光仪。今天，远程通信很普遍的，助推这一过程的设备如电视，无线电和电话在世界的许多地区都已很普遍。还有连接这些设备的许多网络，包括计算机网络，公共电话网，无线电网和电视网络。互联网上的计算机通信是众多通信的一个例子。
通信系统通常由通信工程师设计。在这个领域中早期的发明家有Alexander Graham Bell, Guglielmo Marconi 和John Logie Baird。通信在当今的世界经济发展中起着举足轻重的作用，通信产业的税收在世界总产值的比例已接近百分之三。
基本要素
每个通信系统包括三个基本要素：采集信息并能将其转换为信号的发射机，传输信号的传输媒介，接收信号并能将其还原为有用信息的接收机。
考虑一个无线电广播的例子。广播塔是发射机，收音机是接收机，传输媒介是自由空间。通常通信系统都是双向的，一个设备既做发射机又做接收机，即收发器。例如，移动手机就是一个收发器。
电话线上的通信称为点对点通信，因为只在一个发射机和一个接收机之间。通过无线电广播的通信称为广播（一对多）通信，因为通信是在一个大功率的发射机和许多接收机之间。
模拟或数字
信号可以是模拟的，也可以是数字的。在模拟信号中，信号根据信息而连续变化。在数字信号信息被编码为一组离散值（如，1和0）。在传输过程中，模拟信号中的信息会因噪声而退化。相反，只要噪声不超过一定的阈值，数字信号中的信息是不会丢失的。这是数字信号相对于模拟信号一个关键的优点。
网络
网络是由一个相互通信的发射机、接收机或收发机的集合。数字网络由一个或多个路由器组成，路由器正确地将数据发送给用户。模拟网路由一个或多个交换器组成，交换器在两个或多个用户间建立连接。这两种网络都需要中继器，用于远距离传输时的放大或重建信号。（中继器）用来抗击衰减，再现噪声中难以分辨的信号。
信道
信道在传输媒介中分隔区域，以用于使传输媒介传送多个信息流。例如，一个广播站可以工作在96 MHz，而另一个广播站可以工作在94.5 MHz。这时，传输媒介被频率分隔，每个信道接收一个单独的广播频率。另一种方法是给每个信道分配重复的时间段，在这种时间段中进行广播，称为时分多路技术，有时用于数字通信中。
调制
传输信息的信号的形成称为调制。调制可将数字信息表示为模拟波形，称为键控法，键控法有几种技术，包括相移键控，频移键控和振幅键控。例如，蓝牙就是通过相移键控在不同设备之间交换信息的。
调制也可用来以更高的频率传送模拟信号的信息。这一点非常有用，因为低频的模拟信号不能在自由空间中有效地传输。所以，低频模拟信号中的信息在发送之前必须叠加在高频载波上。这种调制也有几种不同的方法，最基本的两种是幅度调制和频率调制。例如，电台主持人的声音就是通过频率调制加载在96 MHz 的载波中发送的（收音机的96 FM台可以收到这个声音）。
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第二部分：数据传输
数据传输就是将信息从一个地方传送到另一个地方。在历史上人们依靠信使，篝火连或日光仪传送信息，后来用铜线传送莫尔斯电码。
在近代的计算机时期，数据传输是运用许多技术将比特流或字节流从一个位置传送到另一个位置，这些技术如铜线，光纤，激光或者红外光。实际的应用包括数据在不同存储设备之间的传输及网络连接，网络连接实现数据在网络服务商和用户浏览器之间的传送。
与数据传输有关的一个概念是数据传输协议，使得传输的数据清晰可懂。目前协议都支持基于分组的网络通信。
数据传输类型
串行传送：在一根线路上一位一位地传送比特。尽管一次只传送一个比特，仍可实现很高的传输速率。这种方式可用于较远距离传输，因为一个校验数字或奇偶校验位很容易在数据线上传输。
并行传送：多条线路同时传送多个比特。由于传送一个字节（8个比特）而不是1个比特，所以比串行传输快得多。这种传输方式适用于计算机内部，比如内部总线，有时也用于外部例如对打印机这样的外设。然而这种传输模式只适用于近距离传输。在远距离传输时，由于多条线路之间的干扰比一条线路中干扰更严重，信号会恶化而无法读出。
异步和同步数据传输
异步传输使用开始位和结束位来表示传送的开始和结束。这就意味着一个8个比特的ASCII字符实际上要用10个比特来传输，比如，A “0100 0001”，传送时变为“1 0100 0001 0”。传输开始和结束时附加的1（或 0，根据奇偶校验位）告诉接收机字符来了，以及字符结束了。当数据是间歇地发送而不是连续流时，使用这种传输方式。在之前的例子中开始位和结束位以黑体标注。开始位和结束位必须是相反的。这样接收机就能辨别发送的第二组信息。
同步传输不使用起始和结束位，而是用插入各数据单元中的时钟信号使接收端和发送端传输速度同步。在两个节点之间可以发送一个连续的数据流。由于没有起始和结束位，传输速率较快，尽管会出现更多差错。差错的产生是因为时钟最后会失去同步，由发送/接受协议所规定的时间关系会在接收时发生错误，一些字节因丢失比特而被破坏。解决这个问题的办法包括时钟的再同步，以及使用校验位以确保正确解释字节和正确接收。
协议和握手
协议：协议是两台设备之间为传输数据而达成一致的格式，比如，计算机和打印机之间。设备之间的所有通信都需要设备达成一致的数据格式。定义格式的一组规则称为协议。
协议规定如下内容：
－ 使用的差错检测类型，如果有的话。如校验数字（使用什么类型/规则）。
－ 数据压缩的方法，如果有的话。如Zip压缩文件，如果文件很大，想要在因特网、局域网和广域网上传输。
－ 发送设备如何表示已完成一个消息的发送，例如在通信端口可用一根空闲的导线，对于串行传输用开始和结束字来表示。
－ 接收设备如何标志其已接收信息。
－ 传输速率（波特率或比特率）。
－ 是同步传送还是异步传送。
另外，协议还可以包括从传送错误中进行检测和恢复的复杂的技术，以及数据的编解码技术。
握手是两个设备开始建立通信的过程，例如沿控制总线送给处理器的某个ASCII字符或是中断信号/请求总线信号。当一个设备向另一个设备发送信息时握手便开始了，表明要建立一个通信信道。然后这两个设备来回发送信息，最终达成一个通信协议。握手必须在数据传输之前建立，因为它允许协议达成一致。
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第三部分：信息论
信息论是应用数学和工程学的一个分支，涉及信息的定量，用以确定数据压缩和可靠通信的基本界限。信息论中信息的一个重要的量度是信息熵，熵通常用存储或通信时所需要的平均比特数来表示。直观地说，熵定量地表示一个随机变量所包含的不确定性。例如，掷硬币比掷骰子的熵小。
信息论中的基本主题的应用包括无损数据压缩（如ZIP文件），有损数据压缩（如MP3文件）以及信道编码（如为DSL线路编码）。该领域处于数学、统计学、计算机科学、物理学、神经生物学、电气工程的交叉地位。其影响对“探索者”探索外层空间的成功，CD的发明，移动电话的实现，互联网的发展，语言和人类感知的学习，黑洞的研究，以及许多别的领域是极其重要的。信息论中重要的子领域包括信源编码，信道编码，算法的复杂性理论，算法的信息理论以及信息的度量。
综述
我们可以从人类通信最普遍的方式：语言来理解信息论的主要概念。一种好的语言包括两个重要的方面：第一，最常用的字（如a, the, I）长度应该比不常用的字（如benefit, generation, mediocre）短，这样句子就不会很长。字长的折中考虑和数据压缩是类似的，是信源编码的重要方面。第二，如果因为噪声影响（如一辆车经过）使一部分句子未能听到或听错了，受话者应该仍能够收集语音里包含的意思。这样的鲁棒性对于一个电子通信系统而言是非常重要的，就像对语言一样。通过信道编码来实现通信的鲁棒性。信源编码和信道编码是信息论中最基本的问题。
注意这些问题与消息的重要性毫无关系。例如，一句老生常谈“Thank you; come again”与一句紧急呼叫“Call an ambulance!”在说与写方面占用的长度差不多，但是很显然后者更重要更有意义。然而，信息论不涉及消息的重要性或者意义，因为这些是关于数据的质而不是数据的量，数据的量完全取决于概率。
通常认为信息论是1948年由香农创立的，他发表了开创性论文《通信的数学理论》。经典信息论的一个核心思想是含噪信道中的信息传输的工程问题。信息论的最基本的成果是香农信源编码定理：表示一个不确定事件的结果所需平均比特数由其熵给出；以及香农有噪信道编码定理：只要通信速率低于某个阈值，即信道容量，就可能在有噪信道上进行可靠通信。利用合适的编码和解码系统能接近信道容量。
信息论与人们过去半个多世纪里在全世界范围内研究，并以各种形式转化为工程实践的一系列纯科学和应用科学领域有关，包括：自适应系统，预测系统，人工智能，复杂系统，复杂性科学，控制论，信息学，机器学习，以及许多种类的系统科学。信息论是一个广泛而深刻的数学理论，有同样广泛而深刻的应用，编码理论是其中重要的领域。
编码理论是要寻找一些称之为编码的明确方法，以提高效率，降低有噪信道数据通信中的净误码率，以接近香农所证明的该信道最大可能达到的极限。这些编码大体可以分为数据压缩（信源编码）和纠错（信道编码）技术。对于后一种纠错技术，花了很多年才找到香农已证明是可能的方法。信息论编码的第三分类是密码算法（包括代码和密码）。编码理论和信息论的概念方法和成果被广泛用于密码术和密码分析术。
信息论也可以用于信息检索，情报收集，博彩，数据统计甚至是作曲等方面。
信息量
信息论的基础是概率论和统计学。最重要的信息量是熵，即随机变量中的信息，以及互信息，即两个随机变量之间的共有信息量。前者（信息熵）指出消息数据压缩的难易程度，而后者（互信息）确定信道的通信速率。
对数底的选择决定信息熵的单位。最常见的信息单位是基于以2为底对数的比特。
编码理论
编码理论是信息论最重要和最直接的应用。它可分为信源编码理论和信道编码理论。通过采用数据的统计描述，信息论确定了描述数据所需要的比特数即信源的信息熵。
数据压缩（信源编码）有两个压缩方法：
– 无损数据压缩——数据必须能够精确重建
– 有损数据压缩是在给定保真度条件下分配重建数据所需比特数，保真度由失真函数来度量。信息论的这个分支称为率－失真理论。
纠错编码（信道编码）。数据压缩是尽可能地除去冗余度，而纠错编码则是增加适当的冗余度，使数据在含噪信道中更有效更准确地传输。
将编码理论分为压缩和传输两方面这一做法的正确性被信息传输原理或信源－信道分离的理论所证明。这些理论也证明了在许多不同应用中用比特作为统一单位的正确性。但是，这些理论只有在一个发送用户和一个接收用户通信的情况下才成立。当有一个以上的发射机（多址信道），一个以上的接收器（广播信道）或中介帮助者（中继信道），或更一般的网络，压缩后再传送可能不再是最优的。网络信息理论适用于这些多代理通信模型的问题。

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