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## 信道编码中的编码定理

信道容量是信道能传送的最大信息率。编码定理就是解决达到这个最大值的可能性和超过这个最大值时的传输问题。一般的编码定理是：若信道容量为，在信道中传送的信息率为（均以每信道符号计），如，只要输入符号的数目足够大，总有一种使接收端译码差错概率任意小的编码方法。反之，如，必定不存在能使接收端译码差错概率任意小的编码方法；当，差错概率将接近1。对于多用户信道，其容量是一个区域的外界面，则须把上述的换成矢量在界面的内部，把换成矢量在界面的外部，其他情况不变。因此，信道容量是一个界限，在这个界限之内可以几乎无错误地传输，而在这个界限之外就不可能。在这个界限上的情况则是不明确的。有时把上述定理中的称为编码定理，而把称为其反定理。不是所有信道的编码定理都已被证明。只有无记忆单用户信道和多用户信道中的特殊情况的编码定理已有严格的证明；其他信道也有一些结果，但尚不完善。其实，当信道的编码定理未被证明之前，信道容量的概念也并不明确。证明信道编码定理通常采用随机编码的概念。所谓编码，实际上是从各种输入符号序列中选取种作为码字来传递信息。例如，输入个符号，每个符号，若中有个元，则一共有种序列，从中任选种作为码字，就有种选法，也就是有种编码方法。然后计算每种编码在接收端检测时出错概率的上界，再对每种编码赋予一个概率测度，也就是说采用一种编码是随机的，但却可计算所有编码的平均差错概率的上界。经过复杂的运算可得到这个平均差错概率的上界为：…（1）式中为所传送的信息率；称为可靠性函数。当小于信道容量时，大于零。因此当，的上界将为零。既然所有编码的平均差错率将逼近于零，则必有一种较好的编码，差错概率也将逼近于零，这就证明了能无错误地传送的编码方法的存在性。反定理也可相仿地证明，只是此时应求正确概率的上界，并证明它的平均值逼近于零。关于多用户信道编码定理的证明，基本上仍用单用户理论，只是引入了时分内插原理。例如，在二址接入信道中，把一个输入作为干扰，就成为单用户问题，这样可得到一种编码方法；再把另一个输入作为干扰，又得到另一种编码方法；然后这两种编码方法按时间来分配，也就是某段时间用前一种编码，而另一段时间用后一种编码，这样就扩展了容量区域，成为原来两种编码的区域的凸包，从而证明二址接入信道的编码定理，因为分别位于两个二维区域中和两点的连线上的任一内点就是时间分配的结果。可靠性函数指出了差错概率与信息率和序列长度的关系，但这是上界公式，还不能确切指出最佳编码的实际差错值。人们试图计算差错概率的下界，以得到相仿的指数关系，只是所得到的与上述不完全相同，还不能得到差错概率的确切值或确切的逼近零的速度，因此这也是编码定理中尚存的问题之一。
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