Предел шеннона хартли. Смотреть что такое "Теорема Шеннона" в других словарях. Понятие о теоремах шеннона

1. При любой производительности источника сообщений, меньшей пропускной способности канала, существует способ кодирования, позволяющий передавать по каналу все сообщения, вырабатываемые источником.

2. Не существует способа кодирования, обеспечивающего передачу сообщений без их неограниченного накопления, если производительность источника сообщений больше пропускной способности канала.

Кодирование, о котором идет речь в этой формулировке, называется эффективным (безызбыточным) кодированием.

Пример эффективного кода

Источник

Сообщения

Вероятности

Эффективный

Множество сообщений – X = {x 1 , ... , x 8 }.

Энтропия множества сообщений – H (X ) = 2,76 бит.

Максимальная энтропия источника – H max = 3,00 бит.

Избыточность источника – R = (3,00– 2,76)/3 = 0,08 .

Среднее число символов на сообщение–l i p i = 2,84 .

Избыточность (остаточная) кода – R к = (3,00– 2,84)/3 =0,05 .

Основная теорема Шеннона о кодировании для канала с помехами

1. При любой производительности источника сообщений, меньшей, чем пропускная способность канала, существует такой способ кодирования, который позволяет обеспечить передачу всей информации, создаваемой источником, со сколь угодно малой вероятностью ошибки.

2. Не существует способа кодирования, позволяющего вести передачу информации со сколь угодно малой вероятностью ошибки, если производительность источника сообщений больше пропускной способности канала.

Здесь речь идет о помехоустойчивом кодировании. Помехоустойчивость достигается за счет специальным образом введеннойизбыточности . Это означает, что количество возможных кодовых комбинаций в коде превышает количество сообщений, которые требуется представить (закодировать) в коде. При этом можно построить коды, обнаруживающие ошибки заданной кратности, исправляющие ошибки заданной кратности, а также и то, и другое вместе. Простейшим кодом, обнаруживающим одиночные ошибки, является код спроверкой на четность (добавляется один дополнительный разряд таким образом, чтобы общее число единиц в каждой кодовой комбинации было четным).

Пример помехоустойчивого кода

Исходный неизбыточный код

Помехоустойчивый избыточный код с проверкой на чётность

Разрешённые кодовые комбинации

Запрещённые (избыточные) кодовые комбинации

Основным практическим следствием теорем Шеннона является построение системы передачи данных с использованием двух ступеней кодирования‑декодирования: для устранения избыточности источника и для повышения помехоустойчивости, как это показано на Error: Reference source not found.

9.Эксперимент по нахождению модели объекта.

Теория кодирования информации является одним из разделов теоретической информатики. К основным задачам, решаемым в данном разделе, необходимо отнести следующие:

    разработка принципов наиболее экономичного кодирования информации;

    согласование параметров передаваемой информации с особенностями канала связи;

    разработка приемов, обеспечивающих надежность передачи информации по каналам связи, т.е. отсутствие потерь информации.

Две последние задачи связаны с процессами передачи информации - они будут рассмотрены в гл. 5. Первая же задача - кодирование информации - касается не только передачи, но и обработки, и хранения информации, т.е. охватывает широкий круг проблем; частным их решением будет представление информации в компьютере. С обсуждения этих вопросов и начнем освоение теории кодирования.

3.1. Постановка задачи кодирования. Первая теорема Шеннона

Как отмечалось при рассмотрении исходных понятий информатики, для представления дискретных сообщений используется некоторый алфавит. Однако однозначное соответствие между содержащейся в сообщении информацией и его алфавитом отсутствует.

В целом ряде практических приложений возникает необходимость перевода сообщения хода из одного алфавита к другому, причем, такое преобразование не должно приводить к потере информации.

Введем ряд с определений.

Будем считать, что источник представляет информацию в форме дискретного сообщения, используя для этого алфавит, который в дальнейшем условимся называть первичным. Далее это сообщение попадает в устройство, преобразующее и представляющее его в другом алфавите - этот алфавит назовемвторичным .

Код - (1) правило, описывающее соответствие знаков или их сочетаний первичного алфавита знакам или их сочетаниям вторичного алфавита .

(2) набор знаков вторичного алфавита, используемый для представления знаков или их сочетаний первичного алфавита .

Кодирование - перевод информации, представленной сообщением в первичном алфавите, в последовательность кодов .

Декодирование - операция, обратная кодированию, т.е. восстановление информации в первичном алфавите по полученной последовательности кодов .

Кодер - устройство, обеспечивающее выполнение операции кодирования .

Декодер - устройство, производящее декодирование .

Операции кодирования и декодирования называются обратимыми, если их последовательное применение обеспечивает возврат к исходной информации без каких-либо ее потерь .

Примером обратимого кодирования является представление знаков в телеграфном коде и их восстановление после передачи. Примером кодирования необратимого может служить перевод с одного естественного языка на другой - обратный перевод, вообще говоря, не восстанавливает исходного текста. Безусловно, для практических задач, связанных со знаковым представлением информации, возможность восстановления информации по ее коду является необходимым условием применения кода, поэтому в дальнейшем изложении ограничим себя рассмотрением только обратимого кодирования.

Кодирование предшествует передаче и хранению информации. При этом, как указывалось ранее, хранение связано с фиксацией некоторого состояния носителя информации, а передача - с изменением состояния с течением времени (т.е. процессом). Эти состояния или сигналы будем называть элементарными сигналами - именно их совокупность и составляет вторичный алфавит.

Не обсуждая технических сторон передачи и хранения сообщения (т.е. того, каким образом фактически реализованы передача-прием последовательности сигналов или фиксация состояний), попробуем дать математическую постановку задачи кодирования.

Пусть первичный алфавитА состоит из N знаков со средней информацией на знакI (A) , а вторичный алфавитВ- изМ знаков со средней информацией на знакI (В) . Пусть также исходное сообщение, представленное в первичном алфавите, содержитп знаков, а закодированное сообщение -т знаков. Если исходное сообщение содержитI st (A) информации, а закодированное - I fin (B),то условие обратимости кодирования, т.е.неисчезновения информации при кодировании, очевидно, может быть записано следующим образом:

смысл которого в том, что операция обратимого кодирования может увеличить количество информации в сообщении, но не может его уменьшить. Однако каждая из величин в данном неравенстве может быть заменена произведением числа знаков на среднее информационное содержание знака, т.е.:

Отношение т/n, очевидно, характеризуетсреднее число знаков вторичного алфавита, которое приходится использовать для кодирования одного знака первичного алфавита - будем называть егодлиной кода илидлиной кодовой цепочки и обозначимК(А,В). Следовательно

Обычно N>M и I(А) > I(B), откуда К(А,В) > 1 , т.е. один знак первичного алфавита представляется несколькими знаками вторичного. Поскольку способов построения кодов при фиксированных алфавитахА и Б существует множество, возникает проблема выбора (или построения) наилучшего варианта - будем называть егооптимальным кодом. Выгодность кода при передаче и хранении информации - это экономический фактор, так как более эффективный код позволяет затратить на передачу сообщения меньше энергии, а также времени и, соответственно, меньше занимать линию связи; при хранении используется меньше площади поверхности (объема) носителя. При этом следует сознавать, что выгодность кода не идентична временной выгодности всей цепочки кодирование-передача-декодирование; возможна ситуация, когда за использование эффективного кода при передаче придется расплачиваться тем, что операции кодирования и декодирования будут занимать больше времени и иных ресурсов (например, места в памяти технического устройства, если эти операции производятся с его помощью).

Как следует из β.1), минимально возможным значением средней длины кода будет:

Данное выражение следует воспринимать как соотношение оценочного характера, устанавливающее нижний предел длины кода, однако, из него неясно, в какой степени в реальных схемах кодирования возможно приближение К(А,В) кK min (A,B). По этой причине для теории кодирования и теории связи важнейшее значение имеют две теоремы, доказанные Шенноном. Первая - ее мы сейчас рассмотрим - затрагивает ситуацию с кодированием при отсутствии помех, искажающих сообщение. Вторая теорема относится к реальным линиям связи с помехами и будет обсуждаться в гл. 5.

Первая теорема Шеннона, которая называется основной теоремой о кодировании при отсутствии помех, формулируется следующим образом:

При отсутствии помех всегда возможен такой вариант кодирования сообщения, при котором среднее число знаков кода, приходящихся на один знак первичного алфавита, будет сколь угодно близко к отношению средних информации на знак первичного и вторичного алфавитов .

Приведенное утверждение является теоремой и, следовательно, должно доказываться. Мы опустим его, адресовав интересующихся именно доказательной стороной к книге А. М. Яглома и И. М. Яглома . Для нас важно, что теорема открывает принципиальную возможность оптимального кодирования, т.е. построения кода со средней длиной К min (А,В). Однако необходимо сознавать, что из самой теоремы никоим образом не следует, как такое кодирование осуществить практически - для этого должны привлекаться какие-то дополнительные соображения, что и станет предметом нашего последующего обсуждения.

Из (3.2) видно, что имеются два пути сокращения K min (A,B):

    уменьшение числителя - это возможно, если при кодировании учесть различие частот появления разных знаков в сообщении, корреляции двухбуквенные, трехбуквенные и т.п. (в п.2.3. было показано, что I 0 >I 1 >I 2 >…>I ∞);

    увеличение знаменателя - для этого необходимо применить такой способ кодирования, при котором появление знаков вторичного алфавита было бы равновероятным, т.е. I (B) =log 2 M.

В частной ситуации, рассмотренной подробно К. Шенноном, при кодировании сообщения в первичном алфавите учитывается различная вероятность появления знаков (то, что в п.2.3. мы назвали "первым приближением"), однако, их корреляции не отслеживаются - источники подобных сообщений называютсяисточниками без памяти. Если при этом обеспечена равная вероятность появления знаков вторичного алфавита, то, как следует из β.2), для минимальной средней длины кода оказывается справедливым соотношение:

В качестве меры превышения К(А,В) над K min (A, B) можно ввестиотносительную избыточность кода (Q(A,B):

Данная величина показывает, насколько операция кодирования увеличила длину исходного сообщения. Очевидно, Q(A,B) → 0 приК(А,В) К min (А,В). Следовательно, решение проблемы оптимизации кода состоит в нахождении таких схем кодирования, которые обеспечили бы приближение средней длины кода к значению K min (AB),равному отношению средних информации на знак первичного и вторичного алфавитов. Легко показать, что чем меньшеQ(A,B), тем I fin (B) ближе к Ist(A)) ,т.е. возникает меньше информации, связанной с кодированием, более выгодным оказывается код и более эффективной операция кодирования.

Используя понятие избыточности кода, можно построить иную формулировку теоремы Шеннона:

При отсутствии помех всегда возможен такой вариант кодирования сообщения, при котором избыточность кода будет сколь угодно близкой к нулю .

Наиболее важной для практики оказывается ситуация, когдаМ = 2, т.е. для представления кодов в линии связи используется лишь два типа сигналов - технически это наиболее просто реализуемый вариант (например, существование напряжения в проводе (будем называть этоимпульсом) или его отсутствие (пауза); наличие или отсутствие отверстия на перфокарте или намагниченной области на дискете); подобное кодирование называетсядвоичным. Знаки двоичного алфавита принято обозначать "О" и "1", но нужно воспринимать их как буквы, а не цифры. Удобство двоичных кодов и в том, что при равных длительностях и вероятностях каждый элементарный сигнал (0 или 1) несет в себе 1 бит информации (log 2 M = 1); тогда из β.3)

и первая теорема Шеннона получает следующую интерпретацию:

При отсутствии помех средняя длина двоичного кода может быть сколь угодно близкой к средней информации, приходящейся на знак первичного алфавита .

Применение формулы (3.4) для двоичных сообщений источника без памяти при кодировании знаками равной вероятности дает:

При декодировании двоичных сообщений возникает проблема выделения из потока сигналов (последовательности импульсов и пауз) кодовых слов (групп элементарных сигналов), соответствующих отдельным знакам первичного алфавита. При этом приемное устройство фиксирует интенсивность идлительность сигналов, а также может соотносить некоторую последовательность сигналов с эталонной (таблицей кодов ).

Возможны следующие особенности вторичного алфавита, используемого при кодировании:

    элементарные сигналы (0 и 1) могут иметь одинаковые длительности (τ 0 =τ 1) или разные (τ 0 ≠τ 1);

    длина кода может быть одинаковой для всех знаков первичного алфавита (в этом случае код называется равномерным) или же коды разных знаков первичного алфавита могут иметь различную длину (неравномерный код);

    коды могут строиться для отдельного знака первичного алфавита (алфавитное кодирование) или для их комбинаций (кодирование блоков, слов ).

Комбинации перечисленных особенностей определяют основу конкретного способа кодирования, однако, даже при одинаковой основе возможны различные варианты построения кодов, отличающихся своей эффективностью. Нашей ближайшей задачей будет рассмотрение различных схем кодирования для некоторых основ.

  • 5. Понятие условной вероятности
  • 6. Общая формула для вероятности произведения событий
  • 7. Общая формула для вероятности суммы событий
  • Лекция 3. Понятие энтропии
  • 1. Энтропия как мера неопределенности
  • 2. Свойства энтропии
  • 3. Условная энтропия
  • Лекция 4. Энтропия и информация
  • 1. Объемный подход к измерению количества информации
  • 2. Энтропийный подход к измерению количества информации
  • Лекция 5. Информация и алфавит
  • Лекция 6. Постановка задачи кодирования. Первая теорема Шеннона.
  • Лекция 7. Способы построения двоичных кодов. Алфавитное неравномерное двоичное кодирование сигналами равной длительности. Префиксные коды.
  • 1. Постановка задачи оптимизации неравномерного кодирования
  • 2. Неравномерный код с разделителем
  • 3. Коды без разделителя. Условие Фано
  • 4. Префиксный код Шеннона–Фано
  • 5. Префиксный код Хаффмана
  • Лекция 8. Способы построения двоичных кодов. Другие варианты
  • 1. Равномерное алфавитное двоичное кодирование. Байтовый код
  • 2. Международные системы байтового кодирования текстовых данных. Универсальная система кодирования текстовых данных
  • 3. Алфавитное кодирование с неравной длительностью элементарных сигналов. Код Морзе
  • 4. Блочное двоичное кодирование
  • 5. Кодирование графических данных
  • 6. Кодирование звуковой информации
  • Лекция 9. Системы счисления. Представление чисел в различных системах счисления. Часть 1
  • 1. Системы счисления
  • 2. Десятичная система счисления
  • 3. Двоичная система счисления
  • 4. 8- И 16-ричная системы счисления
  • 5. Смешанные системы счисления
  • 6. Понятие экономичности системы счисления
  • Лекция 10. Системы счисления. Представление чисел в различных системах счисления. Часть 2.
  • 1. Задача перевода числа из одной системы счисления в другую
  • 2. Перевод q  p целых чисел
  • 3. Перевод p  q целых чисел
  • 4. Перевод p  q дробных чисел
  • 6. Перевод чисел между 2-ичной, 8-ричной и 16-ричной системами счисления
  • Лекция 11. Кодирование чисел в компьютере и действия над ними
  • 1. Нормализованные числа
  • 2. Преобразование числа из естественной формы в нормализованную
  • 3. Преобразование нормализованных чисел
  • 4. Кодирование и обработка целых чисел без знака
  • 5. Кодирование и обработка целых чисел со знаком
  • 6. Кодирование и обработка вещественных чисел
  • Лекция 12. Передача информации в линии связи
  • 1. Общая схема передачи информации в линии связи
  • 2. Характеристики канала связи
  • 3. Влияние шумов на пропускную способность канала
  • Лекция 13. Обеспечение надежности передачи информации.
  • 1. Постановка задачи обеспечения надежности передачи
  • 2. Коды, обнаруживающие одиночную ошибку
  • 3. Коды, исправляющие одиночную ошибку
  • Лекция 14. Способы передачи информации в компьютерных линиях связи
  • 1. Параллельная передача данных
  • 2. Последовательная передача данных
  • 3. Связь компьютеров по телефонным линиям
  • Лекция 15. Классификация данных. Представление данных в памяти компьютера
  • 1. Классификация данных
  • 2. Представление элементарных данных в озу
  • Лекция 16. Классификация структур данных
  • 1. Классификация и примеры структур данных
  • 2. Понятие логической записи
  • Лекция 17. Организация структур данных в оперативной памяти и на внешних носителях
  • 1. Организация структур данных в озу
  • 2. Иерархия структур данных на внешних носителях
  • 3. Особенности устройств хранения информации
  • Контрольные вопросы
  • Список литературы
  • Лекция 6. Постановка задачи кодирования. Первая теорема Шеннона.

    Теория кодирования информации является одним из разделов теоретической информатики. К основным задачам, решаемым в данном разделе информатики, необходимо отнести следующие:

      разработка принципов наиболее экономичного кодирования информации;

      согласование параметров передаваемой информации с особенностями канала связи;

      разработка приемов, обеспечивающих надежность передачи информации по каналам связи, то есть отсутствие потерь информации.

    Как отмечалось при рассмотрении исходных понятий информатики, для представления дискретных сообщений используется некоторый алфавит. Однако часто однозначное соответствие между содержащейся в сообщении информацией и его (сообщения) алфавитом отсутствует.

    В целом ряде практических приложений возникает необходимость перевода сообщения из одного алфавита в другой, причем такое преобразование не должно приводить к потере информации.

    Введем ряд определений.

    Будем считать, что источник информации представляет информацию в форме дискретного сообщения, используя для этого алфавит, который мы условимся называть первичным алфавитом . Далее это сообщение попадает в устройство, преобразующее и представляющее сообщение в другом алфавите – этот алфавит мы назовемвторичным алфавитом .

    Код – это правило, описывающее соответствие знаков или сочетаний знаков первичного алфавита знакам или сочетаниям знаков вторичного алфавита.

    При этом существует и другое определение:

    Код – это набор знаков или сочетаний знаков вторичного алфавита, используемый для представления знаков или сочетаний знаков первичного алфавита.

    Кодирование – это перевод информации, представленной сообщением в первичном алфавите, в последовательность кодов.

    Декодирование – это операция, обратная кодированию, то есть восстановление информации в первичном алфавите по полученной последовательности кодов.

    Кодер – это устройтство, обеспечивающее выполнение операции кодирования.

    Декодер – это устройство, производящее декодирование.

    Операции кодирования и декодирования называются обратимыми , если их последовательное применение обеспечивает возврат к исходной информации без каких-либо ее потерь.

    Примером обратимого кодирования является представление знаков в телеграфном коде и их восстановление (получателем) после передачи.

    Примером необратимого кодирования может служить перевод с одного естественного языка на другой. При этом обратный перевод, вообще говоря, не восстанавливает исходного текста. Здесь важно понимать, что исходная информация восстанавливается с потерями как в смысловом отношении, так и в смысле искажения в форме представления (полученная после обратного перевода последовательность знаков первичного алфавита практически всегда уже другая по сравнению с исходным текстом).

    Безусловно, для практических задач, связанных со знаковым представлением информации, возможность восстановления информации по ее коду является необходимым условием применимости кода, поэтому в дальнейшем мы ограничимся только рассмотрением обратимого кодирования.

    Кодирование информации предшествует передаче и хранению информации. При этом хранение информации связано с фиксацией некоторого состояния носителя информации, а передача информации связана с процессом изменения состояния носителя информации (среды), то есть с сигналами. Эти состояния или сигналы мы будем называть элементарными сигналами .Совокупность элементарных сигналов и составляет вторичный алфавит .

    Сейчас мы не будем обсуждать технические стороны передачи и хранения сообщения, то есть не будем обсуждать то, каким образом технически реализованы передача и прием последовательности сигналов или фиксация состояний носителя информации (запись информации).

    Попробуем сделать математическую постановку задачи кодирования информации.

    Пусть первичный алфавит состоит из

    , а вторичный алфавитсостоит из
    знаков со средней информацией на знак
    . Пусть также исходное сообщение, представленное в первичном алфавите, содержитзнаков, а закодированное сообщение (представленное во вторичном алфавите) содержит
    знаков. Таким образом, исходное сообщение содержит
    информации, а закодированное сообщение содержит
    информации.

    Операция обратимого кодирования может увеличить количество информации в сообщении, но не может его уменьшить :

    .

    Это неравенство можно переписать как
    или

    .

    Отношение
    характеризует среднее число знаков вторичного алфавита, которое приходится использовать для кодирования одного знака первичного алфавита
    .

    Величину будем называть длиной кода или длиной кодовой цепочки :

    .

    Из предыдущего неравенства
    следует, что
    , поэтому:

    . (7.1)

    Обычно на практике процедуру кодирования реализуют таким образом, что выполняется условие

    ,

    поэтому
    , то есть один знак первичного алфавита представляется несколькими знаками вторичного алфавита.

    Способов построения кодов при фиксированных алфавитах исуществует множество. Поэтому возникает проблема выбора (или построения) наилучшего варианта кода – будем называть егооптимальным кодом .

    Выгодность применения оптимального кода при передаче и хранении информации – это экономический фактор, так как более эффективный код может позволить затратить на передачу сообщения меньше энергии и времени. В случае применения оптимального кода при передаче информации может меньшее время заниматься линия связи. Применение оптимального кода при хранении информации может позволить использовать меньше площади поверхности (объема) носителя информации.

    При этом следует осознавать, что выгодность кода не всегда идентична временной выгодности всего процесса «кодирование–передача– декодирование». Возможна ситуация, когда за использование эффективного кода при передаче информации придется расплачиваться тем, что операции кодирования и декодирования будут занимать больше времени и/или иных ресурсов (памяти технического устройства, если эти операции производятся с его помощью).

    Как следует из условия (7.1), минимально возможное значение средней длины кода равно:

    . (7.2)

    Данное выражение следует воспринимать как соотношение оценочного характера, устанавливающее нижний предел длины кода. Однако, из (7.2) неясно, в какой степени в реальных схемах кодирования возможно приближение величины
    к значению
    .

    По этой причине для теории кодирования и теории связи важное значение имеют теоремы, доказанные Шенноном. Первая теорема Шеннона затрагивает ситуацию с кодированием при отсутствии помех, искажающих сообщение. Вторая теорема Шеннона относится к реальным линиям связи с помехами и будет обсуждаться нами позже.

    Первая теорема Шеннона , илиосновная теорема о кодировании при отсутствии помех , формулируется так:

    При отсутствии помех всегда возможен такой вариант кодирования, при котором среднее число знаков кода, приходящихся на один знак первичного алфавита, будет сколь угодно близко к отношению средних информаций на знак первичного и вторичного алфавитов.

    Данная теорема утверждает принципиальную возможность оптимального кодирования, то есть построения кода со средней длиной, имеющей значение
    .

    Однако необходимо сознавать, что из самой этой теоремы никоим образом не следует, как такое кодирование осуществить практически. Для разработки практической реализации оптимального кодирования должны привлекаться дополнительные соображения, которые мы обсудим далее.

    Из (7.2) видно, что имеются два пути сокращения величины
    :


    К. Шеннон подробно рассмотрел следующую частную ситуацию. В этой ситуации при кодировании сообщения учитывается различная вероятность появления знаков в первичном алфавите, то есть величина информации, приходящейся на знак первичного алфавита, рассчитывается в первом приближении:
    . Однако корреляции знаков первичного алфавита не учитываются. Источники подобных сообщенийназываются источниками без памяти (на корреляции знаков первичного – своего – алфавита). Если при этом обеспечена равная вероятность появления знаков вторичного алфавита, то, как следует из (7.2), для минимальной средней длины кода
    оказывается справедливым соотношение:

    . (7.3)

    В качестве меры превышения
    над
    можно ввестиотносительную избыточность кода
    :

    С учетом (7.2) последнюю формулу можно переписать в виде

    причем
    .

    Величина
    показывает, как сильно операция кодирования увеличила длину исходного сообщения. Очевидно, что
    при .

    Таким образом, решение проблемы оптимизации кодирования состоит в нахождении таких схем кодирования, которые обеспечили бы приближение средней длины кода к значению
    , а относительной избыточности
    кода – к нулю. Чем меньше значение
    , тем возникает меньше избыточной информации, то есть информации, связанной с кодированием; более выгодным оказывается код и более эффективной становится операция кодирования.

    Используя понятие избыточности кода, можно построить иную формулировку первой теоремы Шеннона :

    При отсутствии помех всегда возможен такой вариант кодирования сообщения, при котором избыточность кода будет сколь угодно близкой к нулю.

    Наиболее важной для практики оказывается ситуация, когда во вторичном алфавите
    , то есть когда для представления кодов в линии связи используется лишь два типа сигналов. Такое кодирование называетсядвоичным кодированием . Технически это наиболее просто реализуемый вариант. Например, существование напряжения в проводе (импульс) или его отсутствие (пауза); наличие или отсутствие отверстия на перфокарте; наличие или отсутствие намагниченной области на дискете и так далее

    Знаки двоичного алфавита принято обозначать «0» и «1», эти знаки нужно воспринимать как буквы. Удобство двоичных кодов также и в том, что при равных длительностях и вероятностях каждый элементарный сигнал (0 или 1) несет в себе ровно 1 бит информации ().

    В случае двоичного вторичного алфавита (обозначим
    ) из формулы (7.3) получаем:

    ,

    и первая теорема Шеннона получает еще одну (третью) формулировку :

    При отсутствии помех средняя длина двоичного кода может быть сколь угодно близкой к средней информации, приходящейся на знак первичного алфавита.

    Таким образом, при кодировании сообщений источника без памяти двоичными знаками равной вероятности по формуле (7.4) находим:

    . (7.5)

    При декодировании двоичных сообщений возникает проблема выделения из потока сигналов (последовательности импульсов и пауз) кодовых слов (групп элементарных сигналов), соответствующих отдельным знакам первичного алфавита. При этом приемное устройство фиксируетинтенсивность идлительность сигналов, а также может соотносить последовательность поступающих сигналов с эталонными последовательностями (стаблицей кодов ).

    Отметим следующие особенности двоичного вторичного алфавита, используемого при кодировании:


    Комбинации перечисленных особенностей вторичного алфавита определяют основу конкретного способа кодирования сообщений. Однако, даже при одинаковой основе возможны различные варианты построения кодов, которые будут отличаться своей эффективностью.

    одна из основных теорем теории информации о передаче сигналов по каналам связи при наличии помех, приводящих к искажениям. Пусть надлежит передать последовательность символов, появляющихся с определёнными вероятностями, причём имеется некоторая вероятность того, что передаваемый символ в процессе передачи будет искажён. Простейший способ, позволяющий надёжно восстановить исходную последовательность по получаемой, состоит в том, чтобы каждый передаваемый символ повторять большое число (N ) раз. Однако это приведёт к уменьшению скорости передачи в N раз, т. е. сделает её близкой к нулю. Ш. т. утверждает, что можно указать такое, зависящее только от рассматриваемых вероятностей положительное число v , что при сколько угодно малом ε>0 существуют способы передачи со скоростью v" (v"), сколь угодно близкой к v , дающие возможность восстанавливать исходную последовательность с вероятностью ошибки, меньшей ε. В то же время при скорости передачи v" , большей v , это уже невозможно. Упомянутые способы передачи используют надлежащие «помехоустойчивые» коды. Критическая скорость v определяется из соотношения Hv = C , где Н - Энтропия источника на символ, С - ёмкость канала в двоичных единицах в секунду.

    • - ...

      Физическая энциклопедия

    • - см Теорема CPT. ...

      Физическая энциклопедия

    • - 1) Ли т. - одна из трех классич. теорем теории групп Ли, описывающих связь Ли. локальной группы с ее алгеброй Ли. Ли т. составляют фундамент теории, развитой в 19 в. С. Ли и его школой...

      Математическая энциклопедия

    • - математическое утверждение, истинность к-рого установлена путем доказательства. Понятие Т. развивалось и уточнялось вместе с понятием математич. доказательства...

      Математическая энциклопедия

    • - утверждение, устанавливаемое при помощи доказательства. обычно состоит из условий и заключения; научное положение...

      Начала современного Естествознания

    • - см. Уравнение Шеннона...

      Экологический словарь

    • - утверждение или предложение, которое доказывается логическими рассуждениями, основанными на фактах и АКСИОМАХ. см. также ВЕЛИКАЯ ФЕРМА...

      Научно-технический энциклопедический словарь

    • - научное положение...

      Философская энциклопедия

    • - англ. theorem; нем. Theorem. Утверждение, истинность к-рого устанавливается с помощью системы бесспорных доказательств...

      Энциклопедия социологии

    • - см. Уравнение Шеннона...

      Экологический словарь

    • - см. Теорема СРТ....
    • - предложение некоторой дедуктивной теории, устанавливаемое при помощи Доказательства. Каждая дедуктивная теория состоит из Т., доказываемых одна за другой на основании ранее уже доказанных Т....

      Большая Советская энциклопедия

    • - предложение, устанавливаемое при помощи доказательства...

      Современная энциклопедия

    • - в математике - предложение, устанавливаемое при помощи доказательства. Теорема обычно состоит из условия и заключения...

      Большой энциклопедический словарь

    • - Заимств. в XVIII в. из франц. яз., где théorème < лат. theorema, передающего греч. theōrēma «зримое» > «» ...

      Этимологический словарь русского языка

    • - ...

      Орфографический словарь-справочник

    "Шеннона теорема" в книгах

    Теорема Понтрягина

    Из книги Звезды и немного нервно автора Жолковский Александр Константинович

    Теорема Понтрягина Одновременно с Консерваторией папа учился в МГУ, на мехмате. Он с успехом его окончил и даже некоторое время колебался в выборе профессии. Победило музыковедение, в результате выигравшее от его математического склада ума.Одним из папиных сокурсников

    Теорема

    Из книги Своими глазами автора Адельгейм Павел

    Теорема Теорема о праве религиозного объединения выбирать священника нуждается в доказательстве. Читается она так: "Православная община создается… под духовным руководством избранного общиной и получившего благословение епархиального архиерея священника".

    3.3. Теорема Коуза

    Из книги Институциональная экономика автора Одинцова Марина Игоревна

    3.3. Теорема Коуза 3.3.1. Внешние эффектыПри использовании собственности одним человеком могут возникать негативные или благоприятные последствия для других людей. Если действия одной стороны влияют или могут с определенной вероятностью повлиять на изменение

    12.4.3. Теорема Коуза

    Из книги Экономическая теория: учебник автора Маховикова Галина Афанасьевна

    12.4.3. Теорема Коуза Еще один путь устранения внешних эффектов – установление прав собственности на ресурсы. Будучи установленными, права собственности могут быть проданы. Ясно, что цена, которую человек готов уплатить за получение права собственности, зависит от

    «АШ-ТЕОРЕМА»

    Из книги 100 великих научных открытий автора Самин Дмитрий

    «АШ-ТЕОРЕМА» Людвиг Больцман, автор «аш-теоремы», без сомнения, был величайшим ученым и мыслителем, которого дала миру Австрия. Еще при жизни Больцман, несмотря на положение изгоя в научных кругах, был признан великим ученым, его приглашали читать лекции во многие страны.

    1938 г. телецентр на Шаболовке - 343 строки, телецентр в Ленинграде - 240 строк, работы Клода Шеннона, триггер Шмитта

    автора Кучин Владимир

    1938 г. телецентр на Шаболовке - 343 строки, телецентр в Ленинграде - 240 строк, работы Клода Шеннона, триггер Шмитта В 1938 году, 25 марта, показом кинофильма «Великий гражданин» режиссера Эрмлера начал свою работу телецентр на Шаболовке в Москве. Телецентр был оборудован

    1949 г. новое ТВ с Шаболовки, теория связи и 1-я игра на ЭВМ Клода Шеннона, умер Джеветт - президент компании Bell

    Из книги Популярная история - от электричества до телевидения автора Кучин Владимир

    1949 г. новое ТВ с Шаболовки, теория связи и 1-я игра на ЭВМ Клода Шеннона, умер Джеветт - президент компании Bell В 1949 году, 16 июня, телецентр на Шаболовке в Москве после почти 2-х летней реконструкции возобновил передачи в новом стандарте в 625 строк, который сохраняется до

    Теорема

    БСЭ

    Теорема СРТ

    Из книги Большая Советская Энциклопедия (ТЕ) автора БСЭ

    СРТ-теорема

    Из книги Большая Советская Энциклопедия (СР) автора БСЭ

    Шеннона теорема

    Из книги Большая Советская Энциклопедия (ШЕ) автора БСЭ

    Кодирование Шеннона-Фано

    Из книги Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi автора Бакнелл Джулиан М.

    Кодирование Шеннона-Фано Первый алгоритм сжатия, который мы рассмотрим - кодирование Шеннона-Фано, названное так по имени двух исследователей, которые одновременно и независимо друг от друга разработали этот алгоритм: Клода Шеннона (Claude Shannon) и Р. М. Фано (R. М. Fano). Алгоритм

    Глава 2. Теорема Пифагора и теорема Ферма

    Из книги Апология математики, или О математике как части духовной культуры автора Успенский Владимир Андреевич

    Глава 2. Теорема Пифагора и теорема Ферма В кажущемся противоречии с настойчивым подчёркиванием, что в данном очерке нас интересует именно непрактический, неприкладной аспект математики, мы предполагаем весьма и весьма поучительным включение в «джентльменский набор»

    ТЕОРЕМА

    Из книги Конец четырехвекового заблуждения о Христе автора Логинов Дмитрий

    ТЕОРЕМА Здесь Коннер не совсем прав. Ведь из его текста можно понимать так, что версия еврейского происхождения Девы менее достоверна, нежели какая-либо иная. На деле же такая версия вовсе недостоверна. Предположение о еврейском происхождении Матери Христа не имеет

    Теорема

    Из книги Понять Россию умом автора Калюжный Дмитрий Витальевич

    Теорема Под свободным мировым рынком понимается ситуация, когда товары и капиталы могут свободно перемещаться по всему миру, валюты свободно конвертируются, пошлины на границах невелики, или вообще ни пошлин, ни границ нет, и предприятия, независимо от формы

    Основное значение результатов Шеннона в этой области состоит в том, что они дают универсальный критерий, позволяющий сравнивать технически различные устройства и системы с точки зрения их возможностей по передаче информации. Технически источники сообщений и каналы связи могут быть существенно разными устройствами по используемым сигналам, способам кодирования сообщений, форматам данных, скоростным характеристикам. В этих условиях информационная мера Шеннона и теоремы идеального кодирования позволяют оценить, в какой степени технически различные системы соответствуют друг другу для решения задачи передачи сообщений. Для этого требуется, исходя из технических показателей источника и канала, оценить их информационные показатели: информационную производительность и информационную пропускную способность. Соотношение информационных показателей и является той идеальной мерой, по которой можно судить о степени соответствия реальных систем.

    Особая заслуга Шеннона состоит в том, что он первым осознал действительную картину влияния случайных помех на процесс передачи сообщений. Принципиальное действие помех выражается в той степени, в какой они влияют на информационные показатели системы. Поэтому каналы с одинаковой пропускной способностью эквивалентны по возможности безошибочной передачи сообщений не зависимо от того, действуют ли в них помехи или нет.

    Для наглядного пояснения роли теоремы Шеннона прибегнем к следующему сравнению. Пусть имеется трубопровод для доставки от источника некоторого жидкого продукта. Технические возможности трубопровода определяются количеством жидкости, которое можно передать по нему в единицу времени. Производительность источника определим количеством чистого продукта, поступающего от него в единицу времени, а пропускную способность трубопровода - как максимально возможную скорость передачи чистого продукта, соответствующую условию, что от источника поступает чистый продукт без примесей. Аналогом канала с помехами может служить трубопровод с утечкой. Пропускная его способность будет меньше. Чем в трубопроводе без утечки, на величину утечки продукта за единицу времени. Можно теперь представить, какой эффект вызвало бы утверждение, что существует такой способ введения примеси («избыточности») в продукт, при котором, введя количество примеси, равное утечке в трубопроводе, можно по нему доставлять продукт без потерь со скоростью, отвечающей пропускной способности трубопровода с утечкой. Именно такой смысл имеет теорема Шеннона применительно к задаче передачи информации. Продолжая аналогию этого примера, можно сказать, что такой способ введения примеси требует наличия некоего «отстойника», в котором примесь будет отстаиваться в течении определенного времени перед подачей в трубопровод (в идеале - бесконечное время). После такого «отстоя» при движении жидкости по трубопроводув утечку будет уходить только примесь.

    Интерпретация результатов Шеннона для задач хранения и поиска информации. Результаты теорем Шеннона, традиционно формулируемые для задачи передачи сообщений, легко распространяются на задачи хранения и поиска информации.

    Рассмотрим задачу хранения данных в следующей обобщенной форме. Пусть данные в виде последовательности записей размещаются в ячейках запоминающего устройства (ЗУ); каждая запись помещается в отдельную ячейку. Записи, предназначенные для хранения, характеризуются некоторой совокупностью технических особенностей: размерами, способами кодирования данных, форматами кодов и т.п. Ячейки ЗУ, в которых размещаются записи, также характеризуются некоторой совокупностью своих технических особенностей: внутренним представлением данных, способом доступа, системой меток и рядом технических ограничений на процесс размещения данных. Кроме того, информация, размещаемая в ячейках ЗУ, может подвергаться воздействию помех, из-за чего в записях появляются ошибки.

    Возникает вопрос, при каких условиях возможно достоверное хранение информации, т.е. получение из ЗУ данных в том виде, в каком они были туда помещены.

    Для ответа на этот вопрос в соответствии с шенноновским подходом необходимо перейти от технических характеристик к информационным:

    Для запоминаемых данных определить среднюю энтропию записи;

    Для ЗУ определить максимальное количество информации, которое может быть размещено в ячейке с учетом ее технических ограничений и действующих в ней помех, то есть определить информационную емкость ячейки.

    Тогда для информационных пользователей будет справедлива следующая формулировка теоремы Шеннона для задачи хранения информации: для запоминающего устройства (с помехами и без помех) существует способ сколь угодно достоверного кодирования и декодирования хранимых данных, если только средняя энтропия записи меньше информационной емкости ячейки.

    Если рассмотреть применение идеального кодирования к задаче хранения информации, то станет ясно, что для этого потребуется ЗУ с потенциально бесконечным числом ячеек, чтобы разместить в нем типичные последовательности записей сколь угодно большой длины. В этом проявляется техническая нереализуемость идеального кодирования применительно к задаче хранения информации.

    К идеальному результату можно приблизиться, укрупняя хранимые записи. На практике в устройствах хранения данных для ЭВМ (например, в накопителях на магнитных лентах и дисках) широко применятся так называемое блокирование записей. При этом группы записей объединяются в блоки, которые размещаются в ЗУ как некоторые единые укрупненные записи. Этим достигается более экономное использование информационной емкости ячеек.

    Практическая реализация помехоустойчивого хранения информации основана на методах помехоустойчивого кодирования. Перед помещением записей в ЗУ искусственно увеличивается их избыточность за счет введения дополнительных контрольных символов. После считывания записей из ЗУ производится обнаружение и коррекция ошибок.

    Рассмотрим теперь задачу поиска в следующей обобщенной форме. Пусть имеется файл, записи которого идентифицируются ключами. Множество запросов записей образуют последовательность аргументов поиска. Знания ключей и аргументов поиска могут подвергаться искажением из-за действия случайных помех при формировании файла и при подготовке запросов.

    Возникает вопрос, при каких условиях возможен достоверный поиск информации, т.е. получение на каждый запрос именно тех записей которые требуются.

    В соответствии с шенноновским подходом перейдем к информационным характеристикам:

    Для последовательностей аргументов поиска определим среднюю энтропию аргументов. Если на аргументы действуют ошибки, то необходимо учесть увеличение средней энтропии вследствие ошибок;

    Для множества записей файла определим информационную емкость ключа - максимальное количество информации, которое может содержаться в ключе файла. Если ключи файла могут содержать случайные ошибки, то необходимо учесть уменьшение информационной емкости ключа вследствие ошибок.

    Тогда для информационных показателей будет справедлива следующая формулировка теоремы Шеннона для задачи поиска информации:

    Для поиска в файле (с помехами и без помех) существует способ сколь угодно достоверного поиска нужных записей, если только средняя энтропия аргумента меньше информационной емкости ключа.

    Применение алгоритма идеального кодирования в данной задаче потребует потенциально бесконечного укрупнения файла, чтобы производить поиск в качестве аргумента выступают типичные последовательности исходных аргументов. В этом проявляется техническая нереализуемость идеального кодирования применительно к задаче поиска информации.

    Как упоминалось во второй главе, разработка технически реализуемых способов помехоустойчивого поиска в настоящее время находится в зачаточном состоянии своего развития. Имеющиеся здесь результаты существенно скромнее, чем, например, в помехоустойчивом кодировании, где создана обширная и глубокая математическая теория кодирования. В чем здесь дело? Почему бы не воспользоваться результатами теории кодирования для решения родственной задачи поиска.

    Основная идея помехоустойчивого кодирования состоит в искусственном введении избыточности в сообщения по подачи их в канал с помехами. В большинстве задач поиска мы имеем дело с естественной избыточностью сообщений, на которую мы не можем активно воздействовать. Мы получаем уже искаженный аргумент поиска, например, невнятно произнесенную по телефону фамилию клиента, и можем рассчитывать только на естественную избыточность языка (естественная избыточность русского языка, как и большинства европейских языков, оставляет примерно 60 %).

    Однако, учитывая принципиальную разрешимость этой задачи в свете результатов Шеннона, а также последние публикации по проблемам помехоустойчивого поиска можно надеяться, что эта проблема будет решена и технически.

    Сжатие данных.

    Закодированные сообщения передаются по каналам связи, хранятся в запоминающих устройствах, обрабатываются процессором. Объемы данных, циркулирующих в АСУ, велики, и поэтому в о многих случаях важно обеспечить такое кодирование данных, которое характеризуется минимальной длиной получающихся сообщений. Эта проблема сжатия данных. Решение её обеспечивает увеличение скорости передачи информации и уменьшение требуемой памяти запоминающих устройств. В конечном итоге это ведет к повышению эффективности системы обработки данных.

    Существует два подхода (или два этапа) сжатия данных:

    Сжатие, основанное на анализе конкретной структуры и смыслового содержания данных;

    Сжатие, основанное на анализе статистических свойств кодируемых сообщений. В отличие от первого второй подход носит универсальный характер и может использоваться во всех ситуациях, где есть основания полагать, что сообщения подчиняются вероятностным законам. Далее мы рассмотрим оба этих подхода.

    4.1. Сжатие на основе смыслового содержания данных

    Эти методы носят эвристический, уникальный характер, однако основную идею можно пояснить следующим образом. Пусть множество содержит элементов. Тогда для кодирования элементов множества равномерным кодом потребуется двоичных знаков. При этом будут использованы все двоичные кодовые комбинации. Если используются не все комбинации, код будет избыточным. Таким образом, для сокращения избыточности следует попытаться очертить множество возможных значений элементов данных и с учетом этого произвести кодирование. В реальных условиях это не всегда просто, некоторые виды данных имеют очень большую мощность множества возможных значений. Посмотрим, как же поступают в конкретных случаях.

    Переход от естественных обозначений к более компактным. Значения многих конкретных данных кодируются в виде, удобном для чтения человеком. При этом они содержат обычно больше символов, чем это необходимо. Например, дата записывается в виде «26 января 1982 г.» или в самой краткой форме: «26.01.82». при этом многие кодовые комбинации, например «33.18.53» или «95.00.11», никогда не используются. Для сжатия таких данных день можно закодировать пятью разрядами, месяц - четырьмя, год - семью, т.е. вся дата займет не более двух байтов. Другой способ записи даты, предложенный еще в средние века состоит в том, чтобы записывать общее число дней, прошедших к настоящему времени с некоторой точки отсчета. При этом часто ограничиваются четырьмя последними цифрами этого представления. Например, 24 мая 1967 года записывается в виде 0000 и отсчет дней от этой даты требует, очевидно, два байта в упакованном десятичном формате.

    КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ.

    АБСТРАКТНЫЙ АЛФАВИТ

    Информация передается в виде сообщений. Дискретная информация записывается с помощью некоторого конечного набора знаков, которые будем называть буквами, не вкладывая в это слово привычного ограниченного значения (типа «русские буквы» или «латинские буквы»). Буква в данном расширенном понимании - любой из знаков, которые некоторым соглашением установлены для общения. Например, при привычной передаче сообщений на русском языке такими знаками будут русские буквы - прописные и строчные, знаки препинания, пробел; если в тексте есть числа - то и цифры. Вообще, буквой будем называть элемент некоторого конечного множества (набора) отличных друг от друга знаков. Множество знаков, в котором определен их порядок, назовем алфавитом (общеизвестен порядок знаков в русском алфавите: А, Б,..., Я).

    Рассмотрим некоторые примеры алфавитов.

    1, Алфавит прописных русских букв:

    А Б В Г Д Е Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я

    2. Алфавит Морзе:

    3. Алфавит клавиатурных символов ПЭВМ IBM (русифицированная клавиатура):

    4. Алфавит знаков правильной шестигранной игральной кости:

    5. Алфавит арабских цифр:

    6. Алфавит шестнадцатиричных цифр:

    0123456789ABCDEF

    Этот пример, в частности, показывает, что знаки одного алфавита могут образовываться из знаков других алфавитов.

    7. Алфавит двоичных цифр:

    Алфавит 7 является одним из примеров, так называемых, «двоичных» алфавитов, т.е. алфавитов, состоящих из двух знаков. Другими примерами являются двоичные алфавиты 8 и 9:

    8. Двоичный алфавит «точка, «тире»:. _

    9. Двоичный алфавит «плюс», «минус»: + -

    10. Алфавит прописных латинских букв:

    ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

    11. Алфавит римской системы счисления:

    I V Х L С D М

    12. Алфавит языка блок-схем изображения алгоритмов:

    13. Алфавит языка программирования Паскаль (см. в главе 3).
    ^

    КОДИРОВАНИЕ И ДЕКОДИРОВАНИЕ

    В канале связи сообщение, составленное из символов (букв) одного алфавита, может преобразовываться в сообщение из символов (букв) другого алфавита. Правило, описывающее однозначное соответствие букв алфавитов при таком преобразовании, называют кодом. Саму процедуру преобразования сообщения называют перекодировкой. Подобное преобразование сообщения может осуществляться в момент поступления сообщения от источника в канал связи (кодирование) и в момент приема сообщения получателем (декодирование). Устройства, обеспечивающие кодирование и декодирование, будем называть соответственно кодировщиком и декодировщиком. На рис. 1.5 приведена схема, иллюстрирующая процесс передачи сообщения в случае перекодировки, а также воздействия помех (см. следующий пункт).

    Рис. 1.5. Процесс передачи сообщения от источника к приемнику

    Рассмотрим некоторые примеры кодов.

    1. Азбука Морзе в русском варианте (алфавиту, составленному из алфавита русских заглавных букв и алфавита арабских цифр ставится в соответствие алфавит Морзе):

    2. Код Трисиме (знакам латинского алфавита ставятся в соответствие комбинации из трех знаков: 1,2,3):

    А 111 D 121 G 131 J211 M221 P231 S311 V321 Y331
    В 112 E 122 H 132 K212 N222 Q232 T312 W322 Z332
    С 113 F 123 I 133 L213 О223 R233 U313 X323 .333

    Код Трисиме является примером, так называемого, равномерного кода (такого, в котором все кодовые комбинации содержат одинаковое число знаков - в данном случае три). Пример неравномерного кода - азбука Морзе.

    3. Кодирование чисел знаками различных систем счисления см. §3.

    ПОНЯТИЕ О ТЕОРЕМАХ ШЕННОНА

    Ранее отмечалось, что при передаче сообщений по каналам связи могут возникать помехи, способные привести к искажению принимаемых знаков. Так, например, если вы попытаетесь в ветреную погоду передать речевое сообщению человеку, находящемуся от вас на значительном расстоянии, то оно может быть сильно искажено такой помехой, как ветер. Вообще, передача сообщений при наличии помех является серьезной теоретической и практической задачей. Ее значимость возрастает в связи с повсеместным внедрением компьютерных телекоммуникаций, в которых помехи неизбежны. При работе с кодированной информацией, искажаемой помехами, можно выделить следующие основные проблемы: установления самого факта того, что произошло искажение информации; выяснения того, в каком конкретно месте передаваемого текста это произошло; исправления ошибки, хотя бы с некоторой степенью достоверности.

    Помехи в передачи информации - вполне обычное дело во всех сферах профессиональной деятельности и в быту. Один из примеров был приведен выше, другие примеры - разговор по телефону, в трубке которого «трещит», вождение автомобиля в тумане и т.д. Чаще всего человек вполне справляется с каждой из указанных выше задач, хотя и не всегда отдает себе отчет, как он это делает (т.е. неалгоритмически, а исходя из каких-то ассоциативных связей). Известно, что естественный язык обладает большойизбыточностью (в европейских языках - до 7%), чем объясняется большая помехоустойчивость сообщений, составленных из знаков алфавитов таких языков. Примером, иллюстрирующим устойчивость русского языка к помехам, может служить предложение «в словох всо глосноо зомононо боквой о». Здесь 26% символов «поражены», однако это не приводит к потере смысла. Таким образом, в данном случае избыточность является полезным свойством.

    Избыточность могла бы быть использована и при передаче кодированных сообщений в технических системах. Например, каждый фрагмент текста («предложение») передается трижды, и верным считается та пара фрагментов, которая полностью совпала. Однако, большая избыточность приводит к большим временным затратам при передаче информации и требует большого объема памяти при ее хранении. Впервые теоретическое исследование эффективного кодирования предпринял К.Шеннон.

    ^ Первая теорема Шеннона декларирует возможность создания системы эффективного кодирования дискретных сообщений, у которой среднее число двоичных символов на один символ сообщения асимптотически стремится к энтропии источника сообщений (в отсутствии помех).

    Задача эффективного кодирования описывается триадой:

    Х = {X 4i } - кодирующее устройство - В.

    Здесь X, В - соответственно входной и выходной алфавит. Под множеством х i можно понимать любые знаки (буквы, слова, предложения). В - множество, число элементов которого в случае кодирования знаков числами определяется основанием системы счисления (например, т = 2). Кодирующее устройство сопоставляет каждому сообщению х i изХ кодовую комбинацию, составленную из п i символов множества В. Ограничением данной задачи является отсутствие помех. Требуется оценить минимальную среднюю длину кодовой комбинации.

    Для решения данной задачи должна быть известна вероятность Р i появления сообщения х i , которому соответствует определенное количество символов п i алфавита В. Тогда математическое ожидание количества символов из В определится следующим образом:

    n cр = п i Р i (средняя величина).

    Этому среднему числу символов алфавита В соответствует максимальная энтропия Нтаx = n ср log т. Для обеспечения передачи информации, содержащейся в сообщениях Х кодовыми комбинациями из В, должно выполняться условие H4mах ≥ Н(х), или п cр log т - Р i log Р i . В этом случае закодированное сообщение имеет избыточность п cр H(x) / log т, n min = H(x) / log т.

    Коэффициент избыточности

    К u = (H max – H (x )) / H max = (n cp – n min) / n cp

    Выпишем эти значения в виде табл. 1.8. Имеем:

    N min = H (x ) / log2 = 2,85, K u = (2,92 - 2,85) / 2,92 = 0,024,

    Т.е. код практически не имеет избыточности. Видно, что среднее число двоичных символов стремится к энтропии источника сообщений.

    ^ Таблица 1.8 Пример к первой теореме Шеннона

    N Рх i x i Код n i п i - Р i Рх i ∙ log Рх i
    1 0,19 X 1 10 2 0,38 -4,5522
    2 0,16 X 2 001 3 0,48 -4,2301
    3 0.16 X 3 011 3 0,48 -4,2301
    4 0,15 X 4 101 3 0,45 -4,1054
    5 0,12 X 5 111 3 0,36 -3,6706
    6 0,11 X 6 111 3 0,33 - 3,5028
    7 0,09 X 7 1011 4 0,36 -3,1265
    8 0,02 X 8 1001 4 0,08 -3,1288
    Σ=1 Σ=2,92 Σ=2,85

    ^ Вторая теорема Шеннона гласит, что при наличии помех в канале всегда можно найти такую систему кодирования, при которой сообщения будут переданы с заданной достоверностью. При наличии ограничения пропускная способность канала должна превышать производительность источника сообщений. Таким образом, вторая теорема Шеннона устанавливает принципы помехоустойчивого кодирования. Для дискретного канала с помехами теорема утверждает, что, если скорость создания сообщений меньше или равна пропускной способности канала, то существует код, обеспечивающий передачу со сколь угодно мглой частотой ошибок.

    Доказательство теоремы основывается на следующих рассуждениях. Первоначально последовательность Х = {xi} кодируется символами из В так, что достигается максимальная пропускная способность (канал не имеет помех). Затем в последовательность из В длины п вводится r символов и по каналу передается новая последовательность из п + r символов. Число возможных последовательностей длины и + т больше числа возможных последовательностей длины п. Множество всех последовательностей длины п + r может быть разбито на п подмножеств, каждому из которых сопоставлена одна из последовательностей длины п. При наличии помехи на последовательность из п + r выводит ее из соответствующего подмножества с вероятностью сколь угодно малой.

    Это позволяет определять на приемной стороне канала, какому подмножеству принадлежит искаженная помехами принятая последовательность длины п + r, и тем самым восстановить исходную последовательность длины п.

    Эта теорема не дает конкретного метода построения кода, но указывает на пределы достижимого в создании помехоустойчивых кодов, стимулирует поиск новых путей решения этой проблемы.