1.3　通信系统的基本模型

香农信息论研究的问题主要来自通信系统。目前较为常见和完整的通信系统模型如图1-1所示。

由图1-1可知，通信过程可归结为，首先将信源发出的消息（又称为原始信息）经编码变换为信号，并进入信道成为信道的输入信号（简称输入信号或入口信号）。输入信号经信道的传输，到达通信的另一端，形成输出信号（或出口信号）。输出信号经译码处理把输出信号转变为消息，这种消息是原始消息的还原，所以又称为还原消息。还原消息最终由接收者接收，从而实现整个通信过程。通信系统模型主要包括5部分，下面逐一介绍。

1．信源

信源是产生消息的源头，是消息运动的出发点。信源消息有多种形式，可以是离散的或连续的，也可以是时间序列。它们分别可用离散型随机变量、连续型随机变量及随机过程等数学模型表示。

2．编码器

编码是对消息符号进行编码处理的过程。编码可分为信源编码、加密编码和信道编码三大类，香农信息论研究得较为深入的是信源编码和信道编码两类。信源编码对信源输出的消息进行适当的变换和处理，以尽可能提高信息传输的效率；而信道编码以提高信息传输的可靠性为目的对信息进行变换和处理。香农信息论用3个重要的定理给出了编码的理论性极限，这3个定理分别是无失真信源编码定理、限失真信源编码定理和信道编码定理。当然，对于各种实际的通信系统，编码器还应能够完成调制和发射等各种变换处理。另外，在保密通信系统中，还应该包括加密编码，以保证信息传输的安全性和真实性。

3．信道

信道是信息的传输媒介。实际的信道有明线、电缆、波导、光纤和无线电波传播空间等。信息的传输不可避免地会引入噪声和干扰，为了分析方便，我们把系统所有其他部分的干扰和噪声都等效地折合成信道干扰，看作是一个噪声源产生的，并叠加于所传输的信号上。这样，信道输出的已经是叠加了干扰的信号。由于干扰和噪声均具有随机性，所以信道的特性同样可以用概率空间描述，而且噪声源的统计特性也是划分信道类型的主要依据。

信道除了传送信号以外，还有存储信号的作用，如磁带和光盘等。

4．译码器

译码是把信道输出的编码信号进行反变换，以尽可能准确地恢复出原始信源符号。译码器有信源译码器和信道译码器。若在保密通信系统中，应还包括解密译码器。

5．信宿

信宿是信息传输的目的地、接收消息的对象，即接收消息的人或机器。信源和信宿可处于不同地点和不同时刻。

香农信息论在解决了信息的度量之后，主要致力于研究如何提高通信系统中信息传输的可靠性和有效性。图1-1给出的模型只适用于收发两端单向通信的情况。它只有一个信源和一个信宿，信道传输也是单向的。更一般的情况是：信源和信宿各有若干个，即信道有多个输入和多个输出，此外信息传输也可以双向进行。例如，广播通信是单个输入、多个输出的单向传输通信；而卫星通信则是多个输入、多个输出的多向传输的通信系统。这些复杂的通信模型都可以在图1-1所示模型的基础上做适当修正获得，因此，图1-1所示的通信系统模型是最基本的，在信息论中，我们一般以此模型进行说明。

在信道中，信号的产生、发射、传送与接收实际上是一个很复杂的过程。如果输入是脉冲信号，那么它还要转变成具有不同振幅的电磁波才能发射。因此，信道终端最初接收到的信号是电磁振荡信号，再由电磁振荡信号转变为信道输出的脉冲信号，由译码运算把输出信号还原成消息。由脉冲信号变为电磁振荡信号称为调制；由电磁振荡信号变为信道输出的脉冲信号称为解调。由于干扰的存在，信道的输出信号可能与输入信号不同，从而造成还原消息与原始消息的不同，这种现象称为通信误差，是通信系统中需要克服的问题。通信误差一般可通过硬件与软件两个途径解决。所谓硬件就是改造通信系统的物理条件，如元器件的改进，信号功率与频带的加大以及噪声干扰的降低等，但这种改进是有限度的，而且会增加设备成本。软件的改进就是编码方式的改进，它可在外部硬件环境基本不变的条件下，通过编码与译码方法来实现通信速度的提高和通信误差的降低，这正是信息论所要讨论的基本内容。因此，信息论又称为信息编码理论。在代数编码理论中，编码问题归结为纠错码的构造与设计问题，同时也要考虑编码的算法问题，尤其是译码算法的可计算性问题，即所构造的译码算法必须在通信工程实施中可同步实现。