有噪信道编码定理是信息论的一项基本结论,确定了信息通过有噪通信信道可靠传输时所能达到的最高速率。对于离散无记忆信道,只要速率严格低于其信道容量,就存在随码长增加而使译码错误概率趋于零的编码;严格高于容量的速率则无法做到这一点。克劳德·香农在1948年的论文《通信的数学理论》中提出了这一结论。该定理表明,即使噪声存在,也可以实现可靠通信,而不要求噪声本身消失。(web.njit.edu)
信道模型与编码
该定理的标准表述针对输入字母表 和输出字母表 均为有限集的离散无记忆信道。信道的行为由条件概率 描述。“无记忆”意味着,在给定发送序列的条件下,各次输出相互独立,且每次输出仅取决于对应的输入:
每次使用信道时,都遵循相同的转移规律。这一假设并不要求码字内部的各个符号相互独立。(ocw.mit.edu)
一个 码由编码器和译码器组成:编码器将 个消息中的每一个映射为长度为 的输入序列,称为码字;译码器则将每个接收序列映射为一个估计消息。其速率为
单位为每次信道使用传输的比特数。若消息 按均匀分布选取,则平均块错误概率为 。块错误关注的是整个消息是否被正确译码,而非译码错误的比特所占比例。纠错码通过牺牲一部分潜在的消息传输速率,使不同消息在经过信道传输后仍可区分。(ocw.mit.edu)
数学表述
对于上述有限字母表信道,容量为
其中,最大化是在所有输入概率分布上进行的,输入和输出随机变量的联合分布为 。二者的互信息为
等价地,,即输入的信息熵减去观测输出后剩余的条件熵。(ocw.mit.edu)
该定理包含两部分:
- 可达性: 对每个 ,都存在一列码,其极限速率至少为 ,且 。
- 逆定理: 任何错误概率趋于零的码序列,都必须满足 。
因此,容量是所有可可靠实现的速率的上确界。这一基本表述并不声称某个固定正码长的码能够完全无错,也不声称恰好以速率 工作时,错误概率总能趋于零。对于有限字母表的离散无记忆信道,强逆定理进一步指出:如果速率始终比容量高出一个固定的正值,那么错误概率将趋于一。(ocw.mit.edu)
证明原理
可达性可以通过随机编码来证明。先选择一个满足 的输入分布,再按照其乘积分布,独立生成约 个码字。译码器寻找与接收序列在统计意义上相容的唯一码字。大数定律保证,实际发送的输入与输出序列对通常是相容的,而无关码字看似与接收序列相容的概率则大致按 衰减。由于 ,对整个随机码集合取平均得到的错误概率趋于零。因此,至少存在一个错误概率很小的确定性码本;在实际运行中,无须不断生成新的随机码本。(ocw.mit.edu)
逆定理的证明使用法诺不等式和数据处理不等式。对于均匀分布的消息,
经过编码器和信道处理后,有 。结合这些界限可得
如果错误概率趋于零,极限速率就不能超过容量。这一论证证明的是弱逆定理,单凭它还不能证明强逆定理。(ocw.mit.edu)
典型信道
二元对称信道以概率 独立地翻转每个传输的比特。其容量为
当 时,输出与输入相互独立,容量为零。当 时,容量为每次使用一比特。二元擦除信道以概率 将每个比特替换为可识别的擦除标记,其容量为 。与位置未知的比特翻转不同,擦除会明确显示信息丢失的位置。(ocw.mit.edu)
对于理想的带限加性白高斯噪声信道,相关的香农–哈特利定理给出
比特每秒,其中 为带宽, 为平均信号功率, 为该带宽内的噪声功率。其连续信道假设和功率约束,使其不同于有限字母表信道的表述。(web.njit.edu)
适用范围与局限
该定理是一个渐近的存在性结论,而不是高效的编码或译码算法。它不具体说明达到目标错误概率所需的码长、译码成本或可接受的时延。有限码长理论研究这些额外的速率与可靠性之间的权衡;信道色散量化了相对于容量的一项重要二阶偏离。(ocw.mit.edu)
在标准的点对点无记忆假设下,信道编码与信源编码定理共同支持信源–信道分离:无损数据压缩去除信源冗余,而信道编码引入冗余以保护信息。当每次信道使用所对应的信源熵严格低于容量时,这两个阶段可以实现渐近可靠的传输。在短时延约束下,或在一般的多用户场景中,这种分离未必是最优的。(ocw.mit.edu)
参考来源
- A Mathematical Theory of Communicationweb.njit.edu
- Lecture Notes — Information Theory, Spring 2016ocw.mit.edu
- Information Theory Reviewweb.mit.edu