1、信息論的廣泛應(yīng)用，信息論在安全通信中的應(yīng)用，多媒體通信中的編碼和解碼技術(shù)，計算機網(wǎng)絡(luò)通信中的編碼和解碼技術(shù)，信息論在寬帶無線接入系統(tǒng)中的應(yīng)用，信息論在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用，圖14.1加密信道模型，信息論在安全通信中的應(yīng)用，語言的實際碼率或?qū)嶋H熵被定義為長度為n的消息中每個字符的平均信息比特數(shù)， 其表示為(14.4)當(dāng)n大時，估計中文的R值不超過5位/漢字，而英文的R值在1.0和1.5位/字符之間。 語言的絕對比特率或最大熵被定義為在假設(shè)所有可能的字符序列的情況下，每個字符中包含的最大信息比特數(shù)，用R: r=lbL (14.5)表示，其中L是語言中包含的字符數(shù)。漢語的絕對比特率或最大熵約為13.9比

2、特/漢字，而對于英文字母，r=lb 26=4.7比特/字符。代碼的冗余度由實際碼率和絕對碼率定義，英語中：D=r(14.6)r=4.7比特/字符，r=1.5比特/字符，D=3.2，比率D/r=68%是英語中冗余度的度量。漢語中的冗余度約為80%。懷疑度定義為給定y條件下x的條件熵。條件熵的定義是：(14.7)懷疑度可視為收到Y(jié)后消息X的不確定性。密碼學(xué)家希望隨著截獲密文Y的增加，H(X|Y)將接近于零。從應(yīng)用角度來看，多媒體是文本、音頻、視頻、圖形、圖像和動畫等多種不同信息表達形式的有機合成。隨著應(yīng)用的增長，“多媒體”一詞的內(nèi)涵也在擴大。它不僅指信息本身，還指一系列處理和應(yīng)用信息的技術(shù)，包括與

3、多媒體計算機、通信和應(yīng)用有關(guān)的技術(shù)。多媒體應(yīng)用的基本目的是以一種自然的方式高效、安全地接收來自計算機世界的信息，并通過計算機生成的媒體進行顯示。數(shù)據(jù)壓縮是多媒體發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。多媒體數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)有多種分類方法，其中有損編碼和無損編碼可以根據(jù)信號質(zhì)量的損失進行分類。無損編碼，也稱為冗余壓縮，主要用于文本數(shù)據(jù)壓縮。該算法的基本原理是消除或減少數(shù)據(jù)中的冗余。數(shù)據(jù)中包含的信息在壓縮期間不能被破壞，并且解碼的數(shù)據(jù)必須與原始數(shù)據(jù)相同。典型的無損壓縮算法包括霍夫曼編碼、費諾-香農(nóng)編碼、算術(shù)編碼、流編碼、倫佩爾-澤夫編碼等。有損壓縮，也稱為熵壓縮，適用于圖像和聲音壓縮。在壓縮過程中，數(shù)據(jù)中包含的數(shù)據(jù)量減少，即

4、產(chǎn)生一定的失真，從而獲得較高的壓縮比。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。圖15.1多媒體數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)分類與多媒體通信相關(guān)的壓縮編碼國際標(biāo)準(zhǔn)主要包括音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)G系列、靜止圖像壓縮編碼國際標(biāo)準(zhǔn)JPEG、視頻圖像壓縮編碼國際標(biāo)準(zhǔn)H.261和H.263以及運動圖像壓縮編碼國際標(biāo)準(zhǔn)MPEG系列。目前，多媒體編碼技術(shù)發(fā)展的一個重要方向是整合現(xiàn)有的編碼技術(shù)，制定全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使信息管理系統(tǒng)能夠互操作，保證未來的兼容性。多媒體會議系統(tǒng)是一種將聲音、圖像和文本等各種信息從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方的通信系統(tǒng)。關(guān)鍵技術(shù)包括：多媒體數(shù)據(jù)處理技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；分布式處理技術(shù)；以

5、及支持更多媒體處理的終端技術(shù)。典型的多媒體會議系統(tǒng)由終端設(shè)備、通信鏈路、多點控制單元和相應(yīng)的軟件部分組成。終端設(shè)備完成數(shù)據(jù)處理、多媒體通信協(xié)議處理、音視頻信號接收、存儲和播放，并記錄和檢索大量會議相關(guān)數(shù)據(jù)和文件；單片機通常設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上，用于處理多個地點的同時通信。軟件包括協(xié)議、會議服務(wù)、音頻和視頻信號處理等。通信鏈路有多種選擇，包括公共交換電話網(wǎng)、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)、異步傳輸模式等。媒體通信技術(shù)是多媒體會議系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖像信息壓縮后，信息的相關(guān)性大大降低，因此誤碼對圖像質(zhì)量的影響不容忽視。BCH(511，493)糾錯編碼用于視頻會議系統(tǒng)，以確保圖像信息的可靠傳輸。多媒體

6、會議系統(tǒng)的圖像糾錯編碼原理如圖15.6所示。當(dāng)執(zhí)行糾錯編碼時，圖像數(shù)據(jù)被分成493位數(shù)據(jù)分組，然后被發(fā)送到BCH糾錯編碼單元，并且根據(jù)BCH(511，493)算法計算18位奇偶校驗位。延遲單元的功能是補償BCH編碼時間，使得編碼后的校驗位正好與相應(yīng)的數(shù)據(jù)包對齊，然后它們被組合并發(fā)送到復(fù)用單元。在接收端，解碼器對圖像執(zhí)行BCH解碼。如果存在隨機錯誤代碼，可以使用該糾錯系統(tǒng)的位奇偶校驗位進行糾正。圖15.6多媒體會議系統(tǒng)中的圖像糾錯編碼，ISO 7498標(biāo)準(zhǔn)定義了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中對象的類型、關(guān)系和約束，以及7層開放系統(tǒng)互連，如圖15.7所示。圖15.7 OSI參考模型中的體系結(jié)構(gòu)，圖15.8 TCP

7、/IP模型的原理，數(shù)據(jù)鏈路通過數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)則，在有外部干擾的不可靠物理鏈路上實現(xiàn)可靠和無錯的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能是：(1)幀同步。接收機可以從接收到的比特流中準(zhǔn)確地判斷幀的開始和結(jié)束。(2)尋址。在多點鏈路的情況下，它用于確保每個幀都可以發(fā)送到正確的地址，并且接收器還應(yīng)該知道數(shù)據(jù)是從哪個節(jié)點發(fā)送的。(3)流量控制。為了確保發(fā)送方的發(fā)送數(shù)據(jù)速率不超過接收方及時接收和處理的能力，必須采取措施在接收方來不及接收時控制發(fā)送方的發(fā)送數(shù)據(jù)速率。(4)誤差控制。主要有糾錯編碼和檢錯編碼。糾錯編碼，即前向糾錯，因其開銷大，適用于衛(wèi)星中繼的計算機通信。檢錯編碼是檢錯和重傳，是計算機通信中最常用的編碼

8、。(5)數(shù)據(jù)和控制信息的識別。用于區(qū)分同一幀中的數(shù)據(jù)信息和控制信息。(6)透明傳輸。也就是說，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鞣N比特組合都可以在物理鏈路上傳輸。(7)鏈接管理。即建立、維護和釋放數(shù)據(jù)鏈路的過程。數(shù)據(jù)鏈路層的差錯控制用于提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院托省Ｖ饕腥N方式：(1)自動重傳請求；(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(wù)是在一定的信道條件下以簡單有效的方式保證系統(tǒng)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(huán)冗余校驗碼、恒比碼、垂直和水平奇偶校驗碼等。其中，循環(huán)冗余校驗碼被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)鏈路控制過程。卷積碼廣泛用于前向糾錯系統(tǒng)?；ヂ?lián)網(wǎng)電話，也稱為IP電

9、話，是一種以互聯(lián)網(wǎng)為傳輸媒介的電話系統(tǒng)。它具有占用頻帶小、成本低的特點，可與圖像和視頻結(jié)合用于傳真、廣播、電視等通信。VoIP系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)關(guān)和多點接入控制單元組成。網(wǎng)關(guān)是連接IP網(wǎng)絡(luò)和PSTN的接入設(shè)備，其接入服務(wù)模塊提供IP網(wǎng)絡(luò)接口的PSTN接口。在PSTN端，輸入終端對用戶的語音進行編碼和壓縮。在呼叫期間，接入服務(wù)模塊將語音流轉(zhuǎn)換成IP數(shù)據(jù)報格式，類似地，在IP網(wǎng)絡(luò)側(cè)，接入服務(wù)模塊將IP數(shù)據(jù)報解包，將其恢復(fù)為語音流格式，然后解壓縮并恢復(fù)語音，并進入PSTN側(cè)的輸出終端。網(wǎng)關(guān)是一個服務(wù)控制模塊，用于用戶注冊和管理。多點接入控制用于支持IP網(wǎng)絡(luò)上的多點通信，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)電話會議、可視電話等多

10、媒體功能。圖15.11 H.323語音編碼和視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)體系，該混合編碼算法具有波形編碼質(zhì)量高、參數(shù)編碼率低的優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于音頻編解碼算法的國際標(biāo)準(zhǔn)中。G.7XX系列是語音信號壓縮編碼的推薦標(biāo)準(zhǔn)，如表15.2所示。由于語音通信的實時性要求很高，所以在網(wǎng)絡(luò)電話中采用響應(yīng)面優(yōu)先的語音處理方式。當(dāng)廣域網(wǎng)中的傳輸速率小于512 kb/s時，IP網(wǎng)絡(luò)的路由器應(yīng)將語音包的優(yōu)先級設(shè)置為最高。在全雙工電話通信過程中，只有大約40%的信號是有效的，因此在VoIP通信系統(tǒng)中采用靜音抑制技術(shù)來減少占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬。表15.2語音編碼的主要國際標(biāo)準(zhǔn)，在IP網(wǎng)絡(luò)中延遲或連續(xù)出錯的語音包將被丟棄和處理，導(dǎo)致語音失真

11、。因此，IP電話應(yīng)采用語音抖動處理技術(shù)，以克服IP數(shù)據(jù)報不同傳輸時間引起的抖動。該方法是在接收端建立一個緩沖區(qū)來臨時存儲語音包，以穩(wěn)定平滑的速率從緩沖區(qū)中取出語音包，解壓縮并恢復(fù)語音，然后發(fā)送給用戶。前向糾錯編碼也是一種與語音處理相關(guān)的技術(shù)。網(wǎng)關(guān)采用兩級前向糾錯，分組內(nèi)在同一數(shù)據(jù)報中增加冗余數(shù)據(jù)，使接收方能夠糾錯和恢復(fù)語音數(shù)據(jù)；額外數(shù)據(jù)包包含每個語音數(shù)據(jù)報中后續(xù)數(shù)據(jù)包的冗余數(shù)據(jù)，確保接收器能夠檢測并恢復(fù)錯誤或丟失的數(shù)據(jù)報。前向糾錯技術(shù)可以彌補10%的數(shù)據(jù)報丟失率，但代價是占用一定的網(wǎng)絡(luò)帶寬。網(wǎng)絡(luò)電話在互聯(lián)網(wǎng)中以包的形式傳輸，這就要求網(wǎng)關(guān)在語音終端和互聯(lián)網(wǎng)之間將連續(xù)的語音信號分成若干個具有一定長

12、度的語音包，然后將壓縮編碼后的數(shù)據(jù)封裝成IP數(shù)據(jù)報，實現(xiàn)在IP交換網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。封裝方法是在語音數(shù)據(jù)報前面添加一個總長度為40字節(jié)的報頭。因此，在IP網(wǎng)絡(luò)中實際傳輸?shù)拇a流不是編碼后的網(wǎng)絡(luò)碼流，即語音包，而是封裝后的碼流。封裝效率取決于封裝在一個RTP數(shù)據(jù)報中的語音數(shù)據(jù)報的數(shù)量。顯然，語音消息越密封，封裝效率越高，但整個網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲增加。在對IP電話進行編碼和壓縮后，對IP網(wǎng)絡(luò)進行進一步的統(tǒng)計復(fù)用后，可以以增加網(wǎng)絡(luò)的整體延遲為代價來提高網(wǎng)絡(luò)的線路利用率。由于語音業(yè)務(wù)的實時性要求很高，控制語音的往返延遲在450 ms內(nèi)比較合適，因此，編碼打包后形成的單位碼流通常為20 kb/s，與基于64 kb

13、/s的711 PSTN交換相比，帶寬減少了2/3左右。網(wǎng)絡(luò)電話是計算機技術(shù)和電信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，具有良好的發(fā)展前景。然而，目前仍有一些問題需要解決。例如，因特網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議系統(tǒng)不提供任何服務(wù)質(zhì)量保證，這影響了IP電話的呼叫質(zhì)量。可以通過擴展互聯(lián)網(wǎng)帶寬和制定下一代IP協(xié)議(即IPv6)來改進解決方案。在甚高頻和超高頻波段工作的移動通信系統(tǒng)，其中無線電波主要由空間波發(fā)射，即直接波、折射波、散射波及其復(fù)合波。復(fù)雜和惡劣的傳播條件是移動信道的特征。地面移動無線信道中信號的衰落深度可達30dB，大大提高了數(shù)字傳輸?shù)恼`碼率。為了保證在如此惡劣的傳播條件下接收信號的傳輸質(zhì)量，有必要采用各種抗衰落技術(shù)和

14、數(shù)字傳輸技術(shù)接收信號功率可以表示為(15.10)。信道對信號的影響可歸因于：自由空間傳播損耗|d| n，其中n通常為34；陰影衰落s(d)；和多徑衰落。從系統(tǒng)工程的角度來看，傳播損耗和陰影衰落主要影響無線區(qū)域的覆蓋，而多徑衰落嚴(yán)重影響信號傳輸質(zhì)量。將多徑傳播環(huán)境簡化為某種模型。對于具有n條路徑的衰落信道，多徑傳播模型中的接收功率可以表示為：Pt是發(fā)射功率，gb和gm是基站和移動臺的天線增益，Ri是每條路徑的地面反射系數(shù)，I是路徑之間的相位差。在實際移動環(huán)境中，接收信號的幅度服從瑞利分布，因此多徑衰落也稱為瑞利衰落。(15.11)，多徑傳播對數(shù)字傳輸?shù)挠绊?1)延遲擴展延遲擴展，即一系列接收脈沖

15、中最大傳輸延遲和最小傳輸延遲之間的差值，實際上是脈沖擴展的時間。如果發(fā)射的窄脈沖寬度為t，則接收信號的寬度為t。延遲擴展將導(dǎo)致符號間串?dāng)_。為了避免符號間串?dāng)_，符號周期應(yīng)該大于延遲擴展。延遲擴展可以用數(shù)學(xué)模型來描述。例如，在延遲頻譜模型中，接收信號由N個等距脈沖組成，脈沖幅度是指數(shù)函數(shù)，延遲概率函數(shù)是(15.12)。(2)相關(guān)帶寬相關(guān)帶寬是移動信道傳輸特定帶寬信號能力的統(tǒng)計度量。當(dāng)符號速率較低時，信號帶寬遠遠小于信道的相關(guān)帶寬。信號通過信道傳輸后，各頻率分量的變化是一致的，因此信號波形不會產(chǎn)生失真和符號間干擾，此時的衰落是非頻率選擇性衰落。如果符號速率高，信號帶寬大于相關(guān)帶寬，則信號通過信道傳輸

16、后各頻率分量的變化不一致，會導(dǎo)致波形失真和符號間串?dāng)_。此時的衰落是頻率選擇性衰落。相關(guān)帶寬通常用最大時延Tm的倒數(shù)來表示，即(3)時間選擇性衰落在移動環(huán)境中，移動臺的移動會使接收信號產(chǎn)生多普勒頻移，這將成為多徑信道中的多普勒頻移。如果將多普勒展寬的倒數(shù)定義為相干時間，則它代表時變信道的信號衰落差拍，這是由多普勒效應(yīng)引起的，并且發(fā)生在傳輸波形的特定時間段，這稱為時間選擇性衰落。時間選擇性衰落嚴(yán)重影響數(shù)字信號的誤碼率。為了減少其影響，要求符號速率比衰落拍速率高得多。全球移動通信系統(tǒng)(GSM)選擇RPE-LTP作為其語音編碼方案。RPE-LTP采用相位和幅度優(yōu)化的等間距規(guī)則脈沖作為激勵源，合成波形接

17、近原始語音信號。同時，結(jié)合長期預(yù)測，消除了信號冗余，從而降低了編碼率。RPE-LTP的凈編碼率為13 kb/s，語音質(zhì)量的MOS評分可達4.0。GSM系統(tǒng)的語音處理過程：發(fā)送方首先檢測語音，并將每個時間段分為有聲段和無聲段。在濁音段中執(zhí)行語音編碼以生成編碼語音幀，在清音段中估計背景噪聲以生成靜音描述(SID)幀。發(fā)射機采用非連續(xù)傳輸模式，即發(fā)射機僅在包含語音幀的時段開啟。在語音段結(jié)束時，發(fā)送樣本號幀，接收端根據(jù)接收到的樣本號幀中的信息在靜默期插入安慰噪聲。3G移動通信系統(tǒng)將提供廣泛的服務(wù)，可以訪問和漫游全球。CDMA2000系列標(biāo)準(zhǔn)是為滿足3G無線通信系統(tǒng)的要求而提出的。目標(biāo)是提供更高的數(shù)據(jù)速率以滿足IMT-2000的性能要求，即在車輛環(huán)境中至少144 kb/s，在步行環(huán)境中至少384 kb/s，在室內(nèi)辦公環(huán)境中至少2048 kb/s。CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)是cdmaOne無線系統(tǒng)的技術(shù)演進，其新特點主要包括：多信道帶寬，即帶寬可達n 1.2288 MHz快進功率控制：輔助導(dǎo)頻信道；靈活的幀長度，包括5毫秒、10毫秒、20毫秒、40毫秒、