通信设计中信息论的应用

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从11年大学毕业至今，我已经在电子通信设计行业工作了两年。平时工作中的信息论主要体现于信息论在计算机网络方面的应用。在此我想将平时工作中遇到的总结、分析一下，既是对信息论这门课的理论应用，也是对自己平时工作的一种总结。

1.概念

信息论是研究信息的产生、获取、变换、传输、存贮、处理识别及利用的学科，两外研究信道的容量、消息的编码与调制的问题以及噪声与滤波的理论等方面也是。信息论有狭义和广义之分。狭义信息论即香农早期的研究成果，它以编码理论为中心，主要研究信息系统模型、信息的度量、信息容量、编码理论及噪声理论等。广义信息论又称信息科学，主要研究以计算机处理为中心的信息处理的基本理论，包括评议、文字的处理、图像识别、学习理论及其各种应用。广义信息论则把信息定义为物质在相互作用中表征外部情况的一种普遍属性，它是一种物质系统的特性以一定形式在另一种物质系统中的再现。广义信息论包括了狭义信息论的内容，但其研究范围却比通讯领域广泛得多，是狭义信息论在各个领域的应用和推广，因此，它的规律也更一般化，适用于各个领域，所以它是一门横断学科。广义信息论，人们也称它为信息科学。计算机网络通信是我们日常生活中不可或缺的一部分，信息论在计算机网络通信中起到了至关重要的作用而信息论中的编译码技术是计算机网络通信得以实现不可或缺的一部分。

2.信息论中的编译码技术在计算机网络通信中的应用

2.1 计算机通信及其网络体系结构概述

ISO 7498标准定义了网络体系结构的对象的类型、关系和约束，及7层开放系统互连参考模型，如图2.1所示。

图2.1  OSI参考模型中的体系结构

TCP/IP参考模型是计算机网络的祖父ARPANET和其后继的因特网使用的参考模型。TCP/IP是一组用于实现网络互连的通信协议。Internet网络体系结构以TCP/IP为核心。基于TCP/IP的参考模型将协议分成四个层次，它们分别是：网络访问层、网际互连层、传输层（主机到主机）、和应用层，如图2.2所示。

图2.2  TCP/IP模型原理

2.3数据链路控制规程中的差错控制技术

数据链路通过数据链路控制规程，在不太可靠且有外来干扰的物理链路上实现可靠的、基本无差错的数据传输。

数据链路层的主要功能：

（1）帧同步。指收方能从收到的比特流中准确地判断出一帧的开始和结束。

（2）寻址。在多点链接情况下，用于保证每一帧都能送到正确的地址，收方也应当知道数据是从哪一个节点发出的。

（3）流量控制。为了保证发方的发送数据速率不超过收方及时接收和处理的能力，当接收方来不及接收时，就必须采取措施来控制发方发送数据的速率。

（4）差错控制。主要有纠错编码和检错编码两种。纠错编码即前向纠错，由于开销较大，适用于卫星中继的计算机通信。检错编码即检错重发，这种方法在计算机通信中最为常用。

（5）数据和控制信息的识别。用于区分同一帧中的数据信息和控制信息。

（6）透明传输。即保证数据传输的各种比特组合都能够在物理链路上传送。

（7）链路管理。即数据链路的建立、维持和释放过程。

数据链路层中的差错控制用于提高数据传输的可靠性及传输效率，主要的方式有以下3种：

（1）自动请求重发；

（2）前向纠错；

（3）混合纠错。

在计算机通信中，差错控制的基本任务是在确定的信道条件下，采取简单高效的方式保证系统的可靠性。采用的编码方法可分为分组码和卷积码。常用的分组码包括循环冗余校验码（CRC）、恒比码、垂直水平奇偶校验码等。其中循环冗余校验码在数据链路控制规程中应用最为普遍。卷积码则在前向纠错系统中应用较多。

2.4    网络电话系统中的关键技术

网络电话也称IP电话，是以因特网为传输媒介的电话系统。具有占用频带小、成本低的特点，并且可以与图像、视频等结合起来，进行传真、广播、电视等通信。网络电话系统由网关、网闸和多点接入控制单元组成。网关是IP网和PSTN之间的接入设备，其接入服务模块提供IP网接口的PSTN接口。在PSTN一侧，输入端对用户语音进行编码和压缩，在通话过程中，接入服务模块将语音流转换为IP数据报的格式，即打包，然后通过因特网接口送入因特网。同样，在IP网一侧，接入服务模块将IP数据报进行解包，还原为语音流格式，然后进行解压缩和语音还原，进入PSTN一侧的通过输出端。网闸是服务控制模块，用于用户的注册和管理。多点接入控制则用于支持IP网上的多点通信，可实现网络电话会议、可视电话等多媒体功能。

图2.3  H.323　语音编码和视频编码标准体系

混合编码算法兼有波形编码的高质量和参数编码的低速率的优点，因此在音频编解码算法的国际标准中广泛采用。语音信号压缩编码的标准建议为G.7XX系列，见表2.1。由于语音通信对实时性的要求较高，因此在网络电话中采用资源预留协议（RSVP）对语音优先处理。在WAN中传输速率小于512 kb/s时，IP网的路由器应设定语音包的优先级为最高。在全双工电话通信过程中，仅有40%左右的信号是有效的，因此，在网络电话通信系统中采用静音抑制技术，以减少占用的网络带宽。   

表2.1  语音编码的主要国际标准

IP网中迟到或持续出错的语音包将被丢弃处理，造成语音失真，因此在IP电话中需采用语音抖动处理技术，以克服IP数据报传输时间不同造成的抖动。方法是在收端设置缓冲区暂存语音包，用稳定平滑的速率从缓冲区中取出语音包，经解压缩和还原语音后传送给用户。

前向纠错编码也是网络电话中与语音处理相关的一项技术。网关采用两级前向纠错，Intra-Packet在同一数据报内加入冗余数据，使收端能纠错并还原语音数据；Extra-Packet在每个语音数据报中包含后续包的冗余数据，确保收端能检测出差错或丢失的数据报并恢复。采取FEC技术可以弥补10%~20%的数据报丢失率，其代价是需要占用一定的网络带宽。

网络电话以分组的形式在因特网中传输，要求网关在语音终端和因特网之间将连续的语音信号划分成确定长度的多个语音分组，然后将压缩编码后的数据封装到IP数据报中，以实现在IP交换网中的传输。

封装方法为在语音数据报前面加上总长度为40字节的报头。因此在IP网络中实际传送的码流并非编码后的净码流，即语音包，而是经封装后的码流。封装的效率取决于一个RTP报中所加封的语音数据报的数量。显然加封的语音报越多，封装效率越高，但是全网传输延迟也就增大。 网络电话经编码压缩后，对IP网进一步进行统计复用，则可以提高网络的线路利用率，代价是增加了网络的全程延迟。由于语音业务对实时性的要求较高，对语音的全程往返延迟应控制在450 ms较为合适。因此，编码打包后形成的单位码流通常为20 kb/s，与基于64 kb/s的G.711 PSTN交换相比，带宽压缩了约2/3。网络电话是计算机技术与电信相结合的成果，具有良好的发展前景，但是目前还存在一些需要解决的问题，例如由于目前因特网的TCP/IP协议体系不提供任何服务质量保证，因此影响了IP电话的通话质量，解决的方法可以通过拓展因特网的带宽和制定下一代的IP协议即IPv6来加以改进。

结束语

科技发展日新月异，对信息论中的编译码技术的要求也越来越高，这要求我们在基于原有的基础上进一步创新、完善，充分利用信息论技术，更好地服务于现实需求。