【Get深一度】香农定理(Shannon Theory)

1.提出

  •        1948年,Shannon于《Mathmatical Theory of Communication》一文中首次提出。
  •        香农定理给出了信道信息传送速率的上限(比特每秒)和信道信噪比及带宽的关系。
  •        香农定理可以解释现代各种无线制式由于带宽不同,所支持的单载波最大吞吐量的不同。

2.Shannon Formula

  •           在连续信道中
  •         1、设输入信道噪声为高斯白噪声,功率N(W)
  •                                        【所谓高斯白噪声(White Gaussian Noise)中的高斯是指概率分布是正态函数,而白噪声是指它的二阶矩不相关,一阶矩为常数,是指先后信号在时间上的相关性。这是考查一个信号的两个不同方面的问题。
  •                                           高斯白噪声:如果一个噪声,它的瞬时值服从高斯分布,而它的功率谱密度又是均匀分布的,则称它为高斯白噪声。
  •                                           正态分布(Normal distribution),也称“常态分布”,又名高斯分布(Gaussian distribution),最早由A.棣莫弗在求二项分布的渐近公式中得到。C.F.高斯在研究测量误差时从另一个角度导出了它。P.S.拉普拉斯和高斯研究了它的性质。
  •                                          】                                                                                                                                                       
  •         2、设信道带宽为B(Hz);
  •         3、设信号功率为S(W);
  •         则!依据香农公式,信道容量为:

            【Get深一度】香农定理(Shannon Theory)_第1张图片

3.物理意义

  •      提高信号与噪声功率比(简称信噪比)S/N,能增加信道容量;
  •      当噪声功率N®0时,信道容量C®∞,这意味着无干扰信道容量为无限大;
  •      增加信道带宽(也就是信号频带)B,理论上无限,实际上并不能无限地使信道容量增大。

4、信道容量的极限

  •       当噪声为高斯白噪声时,随着B增大,噪声功率N=noB(这里no为噪声单边功率谱密度)也增大;
  •       在极限情况下:
  •       【Get深一度】香农定理(Shannon Theory)_第2张图片
  •       由此可见:即使信道带宽无限,信道容量依然有限。


5、举例:

  •          以LG Display研发的硬屏4K为例,面板物理分辨率达到3840*2160,假设每个像素点有256种色彩,64个亮度等级,要求每秒传送25帧图像,为保证图像质量,信噪比要求30dB,求硬屏4K正常显示所需带宽?

  •         分析:每像素点信息量I(Pixel)    =  log2(256*64)=14bit
  •                       每幅图信息量    I(Picture) = 14bit*(3840*2160)=116121600bit
  •                  由香农公式可知,信道容量必须大于或等于R,
  •                                               则最小信源信息速率   R(Picture)=  25*I(Picture)=2903040000bit
  •                  已知信噪比30dB,所以硬屏4K正常显示所需最小带宽为293M.
  •                                            
  •            

     





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