Intro
信息论在科学、通信和日常生活中的基础性作用。
长难句
它一直是通信科学发展的核心,该学科使数据能够以电子方式发送,从而对我们的生活产生了重大影响。
A
旅行者1号的案例研究展示了信息论在深空修复中的应用。
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2002年4月发生了一件事,展示了信息论众多应用中的一个。
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1977年发射的太空探测器旅行者1号传回了木星和土星的壮观图像,然后飞出太阳系,执行前往恒星的单程任务。
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传感器和电路处于故障边缘,NASA专家意识到他们必须采取行动,否则将永远失去与探测器的联系。
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解决方案是向旅行者1号发送一条信息,指示它使用备件来更换故障部件。
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由于探测器距离地球120亿公里,这并非易事。
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即使以光速传播,它也花了超过11个小时才到达远在冥王星轨道之外的目标。
B
克劳德·香农的生平背景及其在创立通信科学中的关键作用。
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但这同时也凸显了由美国通信工程师克劳德·香农开发的技术的惊人力量,他在仅仅一年前刚刚去世。
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香农1916年出生于密歇根州的佩托斯基,很早就表现出数学和制造小发明的才能,并在学生时代就在计算机技术的基础上取得了突破。
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在贝尔实验室工作期间,香农发展了信息论,但却避开了随之而来的赞誉。
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在20世纪40年代,他单枪匹马创造了一整套通信科学,自那以后,这门科学已巧妙地渗透进众多应用中,从DVD到卫星通信再到条形码——简而言之,任何需要快速且准确传输数据的领域。
C
香农将“比特”定义为信息的基本单位以及噪音干扰的概念。
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这似乎与香农最初对其工作的实际用途相去甚远,这项工作始于1939年,当时他是著名的麻省理工学院一名22岁的工程系研究生。
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香农认为,最基本的信息形式是某事是真还是假——这可以用二进制单位,即“比特”(形式为1或0)来捕捉。
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确定了这一基本单位后,香农开始定义关于信息以及如何将其从一地传送到另一地的原本模糊的概念。
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在这个过程中,他发现了一件令人惊讶的事情:总是可以保证信息能够完好无损地穿过随机干扰——“噪音”。
D
噪音、带宽与无误差数据传输最大速率之间的关系(香农极限)。
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噪音通常指干扰真实信息的不想要的声音。
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信息论通过能够以数学精度捕捉噪音影响的定理,将这一概念普遍化。
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特别是,香农表明,噪音对信息在保持无误的情况下通过通信信道的速率设定了一个限制。
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这个速率取决于沿通信信道传输的信号和噪音的相对强度,以及信道的容量(其“带宽”)。
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由此产生的限制(以每秒比特数为单位)是在给定信号强度和噪音水平下无误差通信的绝对最大速率。
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香农指出,诀窍在于找到打包——“编码”——信息的方法,以应对噪音的破坏,同时保持在所用通信系统的信息承载能力——“带宽”——之内。
E
编码方法在技术中的实际应用,从旅行者号的传输到条形码和移动电话。
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旅行者号航天器使用一种为每一比特信息增加一个额外比特的编码来传输数据;结果是误差率仅为万分之一,并且获得了令人惊叹的清晰行星图片。
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其他编码已成为日常生活的一部分——例如通用产品代码(条形码),它使用一种简单的错误检测系统,确保超市收银台的激光甚至能读取(比如)一包皱巴巴的薯片上的价格。
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就在1993年,工程师们取得了一项重大突破,发现了所谓的“涡轮码”——它非常接近香农关于数据可靠传输最大速率的极限,并且现在在移动视频电话革命中发挥着关键作用。
F
香农关于通过去除冗余信息进行数据压缩的奠基性工作。
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香农还通过从数据中剥离出贡献很少实际信息的多余(“冗余”)比特,奠定了更高效信息存储方法的基础。
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正如像“I CN C U”(我看得到你)这样的手机短信所显示的,往往可以在不丢失太多含义的情况下省略大量数据。
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然而,就像纠错一样,存在一个限度,超过这个限度,信息就会变得过于模棱两可。
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香农展示了如何计算这个极限,为设计将最大信息塞入最小空间的压缩方法开辟了道路。