![信息论与编码[第二章离散信源及其信息测度]山东大学期末考试知识点复习](https://img.doczj.com/img29/0196q2tghztp8v3u593q-91.webp)
![信息论与编码[第二章离散信源及其信息测度]山东大学期末考试知识点复习](https://img.doczj.com/img29/0196q2tghztp8v3u593q-d2.webp)
第二章离散信源及其信息测度
2．1．1 信源的分类
信源是信息的来源，是产生消息或消息序列的源泉。
不同的信源输出的消息其随机性质不同。根据消息所具有的随机性质的不同，对信源进行如下分类：
按照消息取值集合以及取值时刻集合的离散性和连续性，信源可分为离散信源(数字信源)和波形信源(模拟信源)；
按照某取值时刻消息的取值集合的离散性和连续性，信源可分为离散信源和连续信源；
按照信源输出消息所对应的随机序列的平稳性，信源可分为平稳信源和非平稳信源；
按照信源输出的信息所对应的随机序列中随机变量前后之间有无统计依赖关系，信源可分为无记忆信源和有记忆信源。
2．1．2 基本信源的数学模型
根据信源输出消息所对应的不同的随机特性就有不同的信源数学模型。而基本的信源数学模型有以下几种。
1．离散信源
信源输出的是单个符号或代码的消息，信源符号集的取值是有限的，或可数的，可以用一维离散型随机变量来描述。信源的数学模型就是离散型随机变量x的概率空间，表示为
2．连续信源
信源输出的是单个符号或代码的消息，但信源符号集的取值是连续的，可以用一维连续型随机变量来描述。相应的信源的数学模型就是连续型随机变量的概率空间，表示为
其中(a，b)是连续随机变量X的取值区间，R表示全实数集，而p(x)是连续随机变量X的概率密度函数。
2．1．3 离散信源的信息熵
1．自信息
自信息即为某事件a i发生所含有的信息量。事件的自信息定义为
式中P(a i)是事件a i发生的概率。自信息的单位有几种：以2为底的对数时单位是比特(bit)；以e为底的自然对数时单位是奈特(nat)；以10为底的常用对数时单位是哈特(hart)。
2．信息熵
离散随机变量X的信息熵就是其概率空间中每个事件所含有的自信息量的数学期望，即
其单位是：以2为底的对数时是比特／符号(bit／symbol)；以e为底的对数时是奈特／符号(nat／symbol)；以10为底的对数时是哈特／符号(hart／symbol)。3．信息熵的物理含义
(1)信息熵H(X)表示了信源输出前，信源的平均不确定性；
(2)信息熵H(X)表示了信源输出后，每个消息或符号所提供的平均信息量；
(3)信息熵H(X)反映了随机变量X的随机性。
2．1．4 信息熵的基本性质
2．确定性
若信源符号集中，有一个符号几乎必然出现，其他符号几乎不可能出现，即该信源为一个确知信源，则信息熵等于零。
H(1，0)=H(1，0，0)=…=H(1，0，0，…，0)=0
3．非负性
信息熵是非负的，即
H(X)≥0
4．扩展性
若信源符号集中增加了若干符号，当这些符号出现的概率很小时，信源的熵不变。
5．可加性
统计独立的两个信源X和Y，有
H(XY)=H(X)+H(Y)
6．强可加性
任意两个相互关联的信源X和Y，其联合熵等于信源X的熵加上在X已知条件下信源Y的熵，或等于信源Y的熵加上在Y已知条件下信源X的熵。
H(XY)=H(X)+H(Y|X) 或H(XY)=H(Y)+H(X|Y)
7．递增性
若原信源中某一个符号划分成m个符号，这m个符号的概率之和等于原某一符号的概率，则由于符号个数增多而产生新的不确定性，新信源的熵增加了。
8．极值性(即最大离散熵定理)
2．1．5 离散无记忆扩展信源的信息熵
1．离散无记忆扩展信源的数学模型
若信源输出的消息是取值离散的平稳随机序列，并且序列中各随机变量之间彼此统计独立则此信源称为平稳离散无记忆信源。离散无记忆信源的数学模型与基本离散信源的数学模型相同，也用[X，P(x)]概率空间来描述。
离散无记忆信源X的N次扩展信源记为X N，它的输出消息由N个符号序列组成，并且前后符号的出现是彼此无依赖的、统计独立的。它的数学模型是[X，P(x)]的N重概率空间[X N，P(αi)]。
2．离散无记忆扩展信源的信息熵
信源X N的信息熵与信源X信息熵的关系为
H(X N)=NH(X)
2．1．6 离散平稳信源的信息熵
1．离散平稳信源的数学模型
若信源输出的消息是取值离散的随机序列，随机序列的任意有限维的概率分布不随时间平移而改变，则称为离散平稳信源。又根据随机序列中各随机变量有否依赖关系分有记忆信源和无记忆信源。
N维离散平稳无记忆信源就是离散无记忆的扩展信源X N。
而N维离散平稳有记忆信源X的数学模型为
2．离散平稳信源的信息测度
(1)联合熵
(2)平均符号熵
离散平稳信源输出N长的信源符号序列中平均每个信源符号所携带的信息量称为平均符号熵，记为H N(X)，则有
H N(X)=(1/N)H(X1X2…X N)
(3)条件熵
随机序列X1X2的联合符号集上的条件自信息量的数学期望为条件熵，记为H(X1|X2)，它表示已知前面一个符号(X1发出)时，信源将要输出下一个符号(X2发出)的平均不确定性。则有
2．1．7 马尔可夫信源及其信息熵
1．马尔可夫信源的定义
马尔可夫信源是一类有限长度记忆的非平稳离散信源，信源输出的消息是非平稳的随机序列，它们的各维概率分布可能会随时间的平移而改变。若信源输出的符号和信源所处的状态满足马尔可夫链的条件：
(1)某一时刻信源输出的符号只与此刻信源所处的状态有关，而与以前的状态和输出的符号无关；
(2)信源某l时刻所处的状态只由当前输出的符号和前一时刻信源的状态唯一决定。则此信源称为马尔可夫信源。
若上述两条件与时刻z无关，则具有时齐性(齐次性)，称为时齐马尔可夫信源。
2．时齐遍历马尔可夫信源的信息熵
时齐遍历马尔可夫信源，若状态的马尔可夫链的极限概率存在，它的信息熵为
3．m阶马尔可夫信源及其信息熵
该信源是常见的马尔可夫信源。此信源任一时刻符号发生的概率只与前面m个符号有关，而与更前面的符号无关，即依赖长度为m+1。
注意：
4．马尔可夫信源信息熵的求解步骤
一般求解马尔可夫信源信息熵分为三个步骤：
(1)根据题意画出状态转移图，判断是否为时齐遍历马尔可夫信源；
(2)根据状态转移图写出一步转移概率矩阵，计算信源的极限概率Q(E i)；
(3)根据一步转移概率矩阵和极限概率Q(E i)计算信源的信息熵。
2．1．8 信源剩余度
根据最大离散熵定理，离散信源的符号为等概率分布时，信息熵有最大值，记为H0。
对于离散信源有
H∞≤…≤H m+1≤H m≤…≤H2≤H1≤H0
为了衡量信源的相关性程度，引入信源剩余度的概念。
(1)熵的相对率η
η=H∞/H0
(2)信源剩余度
γ=1 - η=1 - H∞/H0
就越小，信源的剩信源输出符号之间依赖关系越长，相关性就越强，信息熵H
∞
余度也就越大。
信源剩余度是进行无失真信源压缩编码的理论依据。它表示了信源可以无失真压缩的程度。减少或消除信源剩余度可提高信息传输效率；而增加剩余度可提高信息传输抗干扰能力。
预备知识 一、矩阵处理 1）在MATLAB中矩阵的创建应遵循以下基本常规：矩阵元素应用方括号（[]）括住；每行内的元素间用逗号（,）或空格隔开；行与行之间用分号（;）或回车键隔开；元素可以是数值或表达式。 2）矩阵赋值 若A=[1 2 3; 4 5 6; 7 8 9;10 11 12] 若A=[1 2 3; 4 5 6; 7 8 9;10 11 12]，选出前3行构成矩阵B，B=A(1：3，:)选出前2列构成矩阵C，C=A(:，1:2) 3）矩阵删除 在MATLAB中可以对数组中的单个元素、子矩阵和所有元素进行删除操作，删除就是将其赋值为空矩阵（用[]表示）。 若将A的2,3行去除，则A([2,3],:)=[] 4）矩阵变换 A' %矩阵A的转置 A(:) %矩阵A按列展开形成一维数组 5）矩阵运算 点运算 两个矩阵之间的点运算是按照数组运算规则计算，矩阵的对应元素直接运算。要求参加运算的矩阵大小必须相同。有“.*”、“./”和“.\”三种运算符。 乘法运算 两个矩阵的维数相容时（A的列数等于B的行数），可以进行A乘B的乘法运算。二、M文件 if语句 最简单的选择结构语句，其基本格式为： if 表达式 语句组 end 说明：表达式多为关系或逻辑表达式。如果表达式为真（非零），就执行if和end之间的语句组，然后再执行end之后的语句；如果表达式为假（零），就直接执行end之后的语句。 for语句 for语句为计数循环语句，在许多情况下，循环条件是有规律变化的，通常把循环条件初值、终值和变化步长放在循环语句的开头，这种形式就是for语句的循环结构。for循环的一般形式是： for 循环变量名=表达式1：表达式2：表达式3 语句体 end
1、有一个二元对称信道，其信道矩阵如下图所示。设该信道以1500个二元符号/秒的速度传输输入符号。现有一消息序列共有14000个二元符号，并设在这消息中P(0)=P(1)=1/2。问从信息传输的角度来考虑，10秒钟内能否将这消息序列无失真地传送完？ 解答：消息是一个二元序列，且为等概率分布，即P(0)=P(1)=1/2，故信源的熵为H(X)=1(bit/symbol)。则该消息序列含有的信息量＝14000(bit/symbol)。 下面计算该二元对称信道能传输的最大的信息传输速率： 信道传递矩阵为： 信道容量（最大信息传输率）为： C=1-H(P)=1-H(0.98)≈0.8586bit/symbol 得最大信息传输速率为： Rt ≈1500符号/秒× 0.8586比特/符号 ≈1287.9比特/秒 ≈1.288×103比特/秒 此信道10秒钟内能无失真传输得最大信息量＝10× Rt ≈ 1.288×104比特 可见，此信道10秒内能无失真传输得最大信息量小于这消息序列所含有的信息量，故从信息传输的角度来考虑，不可能在10秒钟内将这消息无失真的传送完。 2、若已知信道输入分布为等概率分布，且有如下两个信道，其转移概率矩阵分别为： 试求这两个信道的信道容量，并问这两个信道是否有噪声？ 3 、已知随即变量X 和Y 的联合分布如下所示： 01100.980.020.020.98P ?? =?? ??11112222 1111222212111122221111222200000000000000000000000000000000P P ???????? ????==???? ????????11 2222111 22222log 4(00)1/()log 42/log 8(000000)2/(),H bit symbol H X bit symbol C C H bit symbol H X C =-===>=-==1解答：(1)由信道1的信道矩阵可知为对称信道故C 有熵损失，有噪声。(2)为对称信道，输入为等概率分布时达到信道容量无噪声
该信源发出的信息序列为(202 120 130 213 001 203 210 110 321 010 021 032 011 223 210)。求： (1)此消息的自信息量是多少？ (2)此消息中平均每符号携带的信息量是多少？ 解： (1) 此消息总共有14个0、13个1、12个2、6个3,因此消息发出的概率是： 此消息的信息量是：I二-log p =87.811 bit 3.2某一无记忆信源的符号集为｛0, 1｝，已知信源的概率空间为 ;x 口0 1: ]P(X)」J/4 3/4： (1)求信息符号的平均熵； ⑵ 由100个符号构成的序列，求某一特定序列(例如有m个“0”和(100 - m个“1”) 的自信息量的表达式； ⑶计算⑵中序列的熵。 解： (1) 丁"133、 H(X)二一p(X|) log p(X|) log log 0.811 bit i\_4 4 4 4 J 100 -m 3 —,100 4 3〔00 -m l(xj - -log p(xj - -log 10厂=41.5 1.585m bit 4 H(X100) =100H(X) =100 0.811 =81.1 bit 其概率空间为 ；X L X1 = 0 X2 =1 X3 = 2 X4 = 3 J P(X)J '、3/8 1/4 1/4 1/8 离散无记忆信源 ⑵ 此消息中平均每符号携带的信息量是: I /n =87.811/45=1.951 bit z-m 100 -m g盯(4〕
3.5某信源的消息符号集的概率分布和二进制代码如题表 3.2所列
(1)求信息的符号熵； (2)求每个消息符号所需要的平均二进制码的个数或平均代码长度。进而用这一结果求码序列中的一个二进制码的熵； (3)当消息是由符号序列组成时，各符号之间若相互独立，求其对应的二进制码序列中出现 0和1的无条件概率P o和P i，求相邻码间的条件概率P o/1、P l/0、P i/1、P o/o。 解： (1) 「1 1 1 1 1 1 1 1 \ H(X) - p(xjlogp(x) log log log log 1.75 bit i(2 2448888 丿 ⑵ - 丁1111 L =E(h)=為p(x)h 1 ——2 — 3 — 3=1.75 i 2 4 8 8 1 1 H N(X) H (X) H(X) =1 bit N L 设消息序列长为N，则u0、u1、u2、u3的个数分别为N/2, N/4, N /8, N/8个。 N N N N 7N 则0的个数为一1 — 1 — 1 — 0 =—— 2 4 8 8 8 N N N N 7N 而1的个数为0 1 2 3 = 2 4 8 8 8 因而p0 = p1 = 0.5 P0/1 二P10 / P1 =屮P 0/0 = P00 / P0 P1/0 二p 01 / p 1 二2__2 1 P1/1 二 p 11 / p 1
1． 有一个马尔可夫信源，已知p(x 1|x 1)=2/3，p(x 2|x 1)=1/3，p(x 1|x 2)=1，p(x 2|x 2)=0，试画出该信源的香农线图，并求出信源熵。 解：该信源的香农线图为： 1/3 ○ ○ 2/3 (x 1) 1 (x 2) 在计算信源熵之前，先用转移概率求稳定状态下二个状态x 1和 x 2 的概率)(1x p 和)(2x p 立方程：)()()(1111x p x x p x p =+)()(221x p x x p =)()(2132x p x p + )()()(1122x p x x p x p =+)()(222x p x x p =)(0)(2131x p x p + )()(21x p x p +=1 得4 3 1)(=x p 4 12)(=x p 马尔可夫信源熵H = ∑∑- I J i j i j i x x p x x p x p )(log )()( 得 H=0.689bit/符号 2．设有一个无记忆信源发出符号A 和B ，已知4 341)(.)(= =B p A p 。求： ①计算该信源熵； ②设该信源改为发出二重符号序列消息的信源，采用费诺编码方法，求其平均信息传输速率； ③又设该信源改为发三重序列消息的信源，采用霍夫曼编码方法，求其平均信息传输速率。 解：①∑- =X i i x p x p X H )(log )()( =0.812 bit/符号 ②发出二重符号序列消息的信源,发出四种消息的概率分别为 用费诺编码方法 代码组 b i BB 0 1 BA 10 2 AB 110 3 AA 111 3 无记忆信源 624.1)(2)(2 ==X H X H bit/双符号 平均代码组长度 2B =1.687 bit/双符号 B X H R )(22==0.963 bit/码元时间 ③三重符号序列消息有8个,它们的概率分别为 用霍夫曼编码方法 代码组 b i BBB 64 27 0 0 1 BBA 64 9 0 )(6419 1 110 3
1. 在无失真的信源中，信源输出由 H (X ) 来度量；在有失真的信源中，信源输出由 R (D ) 来度量。 2. 要使通信系统做到传输信息有效、可靠和保密，必须首先 信源 编码， 然后_____加密____编码，再______信道_____编码，最后送入信道。 3. 带限AWGN 波形信道在平均功率受限条件下信道容量的基本公式，也就是有名的香农公式是log(1)C W SNR =+；当归一化信道容量C/W 趋近于零时，也即信道完全丧失了通信能力，此时E b /N 0为 -1.6 dB ，我们将它称作香农限，是一切编码方式所能达到的理论极限。 4. 保密系统的密钥量越小，密钥熵H (K )就越 小 ，其密文中含有的关于明文的信息量I (M ；C )就越 大 。 5. 已知n ＝7的循环码4 2 ()1g x x x x =+++，则信息位长度k 为 3 ，校验多项式 h(x)= 3 1x x ++ 。 6. 设输入符号表为X ＝{0，1}，输出符号表为Y ＝{0，1}。输入信号的概率分布为p ＝(1/2，1/2)，失真函数为d (0，0) = d (1，1) = 0，d (0，1) =2，d (1，0) = 1，则D min ＝ 0 ，R (D min )＝ 1bit/symbol ，相应的编码器转移概率矩阵[p(y/x )]＝1001?? ???? ；D max ＝ 0.5 ，R (D max )＝ 0 ，相应的编码器转移概率矩阵[p(y/x )]＝1010?? ? ??? 。 7. 已知用户A 的RSA 公开密钥(e,n )=(3,55)，5,11p q ==,则()φn = 40 ，他的秘密密钥(d,n )＝(27,55) 。若用户B 向用户A 发送m =2的加密消息，则该加密后的消息为 8 。 二、判断题 1. 可以用克劳夫特不等式作为唯一可译码存在的判据。 （√ ） 2. 线性码一定包含全零码。 （√ ） 3. 算术编码是一种无失真的分组信源编码，其基本思想是将一定精度数值作为序列的 编码，是以另外一种形式实现的最佳统计匹配编码。 （×） 4. 某一信源，不管它是否输出符号，只要这些符号具有某些概率特性，就有信息量。 （×） 5. 离散平稳有记忆信源符号序列的平均符号熵随着序列长度L 的增大而增大。 （×） 6. 限平均功率最大熵定理指出对于相关矩阵一定的随机矢量X ，当它是正态分布时具 有最大熵。 （√ ） 7. 循环码的码集中的任何一个码字的循环移位仍是码字。 （√ ） 8. 信道容量是信道中能够传输的最小信息量。 （×） 9. 香农信源编码方法在进行编码时不需要预先计算每个码字的长度。 （×） 10. 在已知收码R 的条件下找出可能性最大的发码i C 作为译码估计值，这种译码方 法叫做最佳译码。 （√ ）
3.1 设有一离散无记忆信源，其概率空间为 ??? ? ??=====??????8/14/1324/18/310)(4321x x x x X P X 该信源发出的信息序列为(202 120 130 213 001 203 210 110 321 010 021 032 011 223 210)。 求： (1) 此消息的自信息量是多少？ (2) 此消息中平均每符号携带的信息量是多少？ 解： (1) 此消息总共有14个0、13个1、12个2、6个3，因此消息发出的概率是： 6 2514814183?? ? ?????? ?????? ??=p 此消息的信息量是：bit p I 811.87log =-= (2) 此消息中平均每符号携带的信息量是：bit n I 951.145/811.87/== 3.2 某一无记忆信源的符号集为{0, 1}，已知信源的概率空间为 ???? ??=??????4/34/110 )(X P X (1) 求信息符号的平均熵； (2) 由100个符号构成的序列，求某一特定序列（例如有m 个“0”和（100 - m ）个“1”）的自信息量的表达式； (3) 计算(2)中序列的熵。 解： (1) bit x p x p X H i i i 811.043log 4341log 41 )(log )()(=??? ??+-=-=∑ (2) bit m x p x I x p m i i m m m i 585.15.4143 log )(log )(4 34341)(100 100100 100100+=-=-==? ? ? ?????? ??=--- (3) bit X H X H 1.81811.0100)(100)(100=?== 3.5 某信源的消息符号集的概率分布和二进制代码如题表3.2所列。 题表 3.2
信息论与编码理论习题解 第二章-信息量和熵 解: 平均每个符号长为:154 4.0312.032= ?+?秒 每个符号的熵为9183.03log 3 1 23log 32=?+?比特/符号 所以信息速率为444.34 15 9183.0=?比特/秒 解: 同步信号均相同不含信息,其余认为等概, 每个码字的信息量为 3*2=6 比特； 所以信息速率为600010006=?比特/秒 解:(a)一对骰子总点数为7的概率是 36 6 所以得到的信息量为 585.2)366(log 2= 比特 (b) 一对骰子总点数为12的概率是36 1 所以得到的信息量为 17.536 1 log 2= 比特 解: (a)任一特定排列的概率为 ! 521 ,所以给出的信息量为 58.225! 521 log 2 =- 比特 (b) 从中任取13张牌,所给出的点数都不相同的概率为 1352 13 13 521344!13C A =? 所以得到的信息量为 21.134 log 1313 52 2=C 比特. 解:易证每次出现i 点的概率为 21 i ,所以
比特比特比特比特比特比特比特398.221 log 21)(807.1)6(070.2)5(392.2)4(807.2)3(392.3)2(392.4)1(6,5,4,3,2,1,21 log )(26 12=-==============-==∑ =i i X H x I x I x I x I x I x I i i i x I i 解: 可能有的排列总数为 27720! 5!4!3! 12= 没有两棵梧桐树相邻的排列数可如下图求得， Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y 图中X 表示白杨或白桦，它有???? ??37种排法，Y 表示梧桐树可以栽 种的位置，它有???? ??58种排法，所以共有???? ??58*???? ??37=1960种排法保证没有 两棵梧桐树相邻，因此若告诉你没有两棵梧桐树相邻时，得到关于树排列的信息为1960log 27720log 22-= 比特 解: X=0表示未录取，X=1表示录取； Y=0表示本市，Y=1表示外地； Z=0表示学过英语，Z=1表示未学过英语，由此得
信息论与编码期中试题答案 一、（10’）填空题 （1）1948年，美国数学家香农发表了题为“通信的数学理论”的长篇论文，从而创立了信息论。 （2）必然事件的自信息是0 。 （3）离散平稳无记忆信源X的N次扩展信源的熵等于离散信源X的熵的N倍。 （4）对于离散无记忆信源，当信源熵有最大值时，满足条件为__信源符号等概分布_。 （5）若一离散无记忆信源的信源熵H（X）等于2.5，对信源进行等长的无失真二进制编码，则编码长度至少为 3 。 二、（10?）判断题 （1）信息就是一种消息。（? ） （2）信息论研究的主要问题是在通信系统设计中如何实现信息传输、存储和处理的有效性和可靠性。（? ） （3）概率大的事件自信息量大。（? ） （4）互信息量可正、可负亦可为零。（? ） （5）信源剩余度用来衡量信源的相关性程度，信源剩余度大说明信源符号间的依赖关系较小。 （? ） （6）对于固定的信源分布，平均互信息量是信道传递概率的下凸函数。（? ） （7）非奇异码一定是唯一可译码，唯一可译码不一定是非奇异码。（? ） （8）信源变长编码的核心问题是寻找紧致码（或最佳码）。 （? ） （9）信息率失真函数R(D)是关于平均失真度D的上凸函数. ( ? ) 三、（10?）居住在某地区的女孩中有25%是大学生，在女大学生中有75%是身高1.6米以上的，而女孩中身高1.6米以上的占总数的一半。 假如我们得知“身高1.6米以上的某女孩是大学生”的消息，问获得多少信息量？ 解：设A表示“大学生”这一事件，B表示“身高1.60以上”这一事件，则 P(A)=0.25 p(B)=0.5 p(B|A)=0.75 （5分） 故p(A|B)=p(AB)/p(B)=p(A)p(B|A)/p(B)=0.75*0.25/0.5=0.375 （4分） I(A|B)=-log0.375=1.42bit （1分）
实验一：计算离散信源的熵 一、实验设备: 1、计算机 2、软件：Matlab 二、实验目的: 1、熟悉离散信源的特点； 2、学习仿真离散信源的方法 3、学习离散信源平均信息量的计算方法 4、熟悉 Matlab 编程； 三、实验内容: 1、写出计算自信息量的Matlab 程序 2、写出计算离散信源平均信息量的Matlab 程序。 3、掌握二元离散信源的最大信息量与概率的关系。 4、将程序在计算机上仿真实现，验证程序的正确性并完成习题。 四、实验报告要求 简要总结离散信源的特点及离散信源平均信息量的计算,写出习题的MATLAB 实现语句。 信息论基础： 自信息的计算公式 21()log a I a p = Matlab 实现：I=log2(1/p) 或I=-log2(p) 熵（平均自信息）的计算公式 22111()log log q q i i i i i i H x p p p p ====-∑∑ Matlab 实现：HX=sum(-x.*log2(x))；或者h=h-x(i)*log2(x(i)); 习题： 1. 甲地天气预报构成的信源空间为： 1111(),,,8482 X p x ??????=???????? 小雨 云 大雨晴 乙地信源空间为： 17(),88 Y p y ??????=???????? 小雨晴 求此两个信源的熵。求各种天气的自信息量。 案：() 1.75;()0.5436H X H Y ==
运行程序： p1=[1/2,1/4,1/8,1/8];%p1代表甲信源对应的概率p2=[7/8,1/8];%p2代表乙信源对应的概率 H1=0.0; H2=0.0; I=[]; J=[]; for i=1:4 H1=H1+p1(i)*log2(1/p1(i)); I(i)=log2(1/p1(i)); end disp('自信息量分别为：'); I disp('H1信源熵为：'); H1 for j=1:2 H2=H2+p2(j)*log2(1/p2(j)); J(j)=log2(1/p2(j)); end disp('自信息量分别为：'); J disp('H2信源熵为：'); H2
一个马尔可夫信源有3个符号{}1,23,u u u ，转移概率为：()11|1/2p u u =，()21|1/2p u u =， ()31|0p u u =，()12|1/3p u u =，()22|0p u u =，()32|2/3p u u =，()13|1/3p u u =，()23|2/3p u u =，()33|0p u u =，画出状态图并求出各符号稳态概率。 解：状态图如下 状态转移矩阵为： 1/21/2 01/302/31/32/30p ?? ?= ? ??? 设状态u 1，u 2，u 3稳定后的概率分别为W 1，W 2、W 3 由1231WP W W W W =??++=?得1231132231231 112331223 231W W W W W W W W W W W W ?++=???+=???=???++=? 计算可得1231025925625W W W ?=??? =?? ?=?? 由符号集{0，1}组成的二阶马尔可夫链，其转移概率为：(0|00)p =，(0|11)p =，(1|00)p =， (1|11)p =，(0|01)p =，(0|10)p =，(1|01)p =，(1|10)p =。画出状态图，并计算各状态 的稳态概率。 解：(0|00)(00|00)0.8p p == (0|01)(10|01)0.5p p == (0|11)(10|11)0.2p p == (0|10)(00|10)0.5p p == (1|00)(01|00)0.2p p == (1|01)(11|01)0.5p p == (1|11)(11|11)0.8p p == (1|10)(01|10)0.5p p ==
实验一 离散信源及其信息测度 一、[实验目的] 离散无记忆信源是一种最简单且最重要的信源，可以用完备的离散型概率空间来描述。本实验通过计算给定的信源的熵，加深对信源及其扩展信源的熵的概念的理解。 二、[实验环境] windows XP,MATLAB 三、[实验原理] 信源输出的各消息的自信息量的数学期望为信源的信息熵，表达式如下 1()[()]()log ()q i i i H X E I xi p x p x ===-∑ 信源熵是信源的统计平均不确定性的描述，是概率函数()p x 的函数。 四、[实验内容] 1、有条100字符英文信息，假定其中每字符从26个英文字母和1个空格中等概选取，那么每条信息提供的信息量为多少？若将27个字符分为三类，9个出现概率占2/7,13个出现概率占4/7，5个出现占1/7，而每类中符号出现等概，求该字符信源的信息熵。 2、二进制通信系统使用0、1,由于存在失真，传输会产生误码，用符号表示下列事件：u0:一个0发出；u1:一个1发出；v0:一个0收到；v1:一个1收到；给定下列概率：p(u0)=1/2,p(v0|u0)=3/4,p(v0|u1)=1/2。求：(a)已知发出一个0，求收到符号后得到的信息量；(b)已知发出的符号，求收到符号后得到的信息量； 3、给定离散无记忆信源X ，其概率空间为 010.70.3X P ????=???????? 求该信源的熵和其二次、三次扩展信源的熵。(编写一M 函数文件： function [H_X1,H_X2,H_X3]=t03(X1,P1) %t03 求信源和其二次、三次扩展信源的熵 %输入为X1,P1,分别为信源符号和概率阵 %输出为原离散信源的熵H_X1和二次、三次扩展信源的熵H_X2、H_X3
上海大学2011～2012学年度冬季学期试卷（A卷） 课程名:信息论与编码课程号: 07276033学分: 4 应试人声明： 我保证遵守《上海大学学生手册》中的《上海大学考场规则》，如有考试违纪、作弊行为，愿意接受《上海大学学生考试违纪、作弊行为界定及处分规定》的纪律处分。 应试人应试人学号应试人所在院系 题号 1 2 3 4 得分——————————————————————————————————————一：填空题(每空2分，共40分) 1：掷一个正常的骰子，出现‘5’这一事件的自信息量为________,同时掷两个正常的骰子，‘点数之和为5’这一事件的自信息量为___________.（注明物理单位） 2：某信源包含16个不同的离散消息，则信源熵的最大值为___________,最小值为_____________. 3：信源X经过宥噪信道后，在接收端获得的平均信息量称为______________. 4：一个离散无记忆信源输出符号的概率分别为p(0)=0.5,p(1)=0.25,p(2)=0.25,则由60个符号构成的消息的平均自信息量为__________. 5：信源编码可提高信息传输的___有效___性，信道编码可提高信息传输的___可靠_性. 6:若某信道的信道矩阵为 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 001 100 010 100 ，则该信道为具有____归并____性能的信道 7：根据香农第一定理（定长编码定理）若一个离散无记忆信源X的信源熵为H(X)，对其n个符号进行二元无失真编码时，其码字的平均长度必须大于____________ 8：若某二元序列是一阶马尔科夫链，P(0/0)=0.8，P(1/1)=0.7，则‘0’游程长度为4的概率为____________,若游程序列为312314，则原始的二元序列为_________. 9:若循环码的生成多项式为1 ) (2 3+ + =x x x g，则接收向量为（1111011）的伴随多项式为_______________ 10:对有32个符号的信源编4进制HUFFMAN码，第一次取_______个信源进行编码. 11:若一个线性分组码的所有码字为：00000,10101,01111,11010，则该码为（____,_____）,该码最多可以纠正_______位错误，共有________陪集. 12：码长为10的线性分组码若可以纠正2个差错,其监督吗至少有__5____位. 13：（7,4）汉明码的一致校验矩阵为 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1,0,1,0,1, ,1 0,1,1,0,0, ,1 0,0,0,1,1, ,1 3 2 1 r r r ，则3 2 1 r r r 为__________. _______________________________________________________________ 草稿纸 成绩
离散信源题与答案 Last revision date: 13 December 2020.
3.1 设有一离散无记忆信源，其概率空间为 该信源发出的信息序列为(202 120 130 213 001 203 210 110 321 010 021 032 011 223 210)。求： (1) 此消息的自信息量是多少？ (2) 此消息中平均每符号携带的信息量是多少？ 解： (1) 此消息总共有14个0、13个1、12个2、6个3，因此消息发出的概率是： 此消息的信息量是：bit p I 811.87log =-= (2) 此消息中平均每符号携带的信息量是：bit n I 951.145/811.87/== 3.2 某一无记忆信源的符号集为{0, 1}，已知信源的概率空间为 (1) 求信息符号的平均熵； (2) 由100个符号构成的序列，求某一特定序列（例如有m 个“0”和（100 - m ）个“1”）的自信息量的表达式； (3) 计算(2)中序列的熵。 解： (1) (2) (3) 3.5 某信源的消息符号集的概率分布和二进制代码如题表3.2所列。 (1) (2) 求每个消息符号所需要的平均二进制码的个数或平均代码长度。进而用这一结果求码序列中的一个二进制码的熵； (3) 当消息是由符号序列组成时，各符号之间若相互独立，求其对应的二进制码序列中出现0和1的无条件概率0p 和1p ，求相邻码间的条件概率1/0p 、0/1p 、1/1p 、0/0p 。 解： (1) (2) (3) 设消息序列长为N ，则0u 、1u 、2u 、3u 的个数分别为8/ ,8/ ,4/ ,2/N N N N 个。 则0的个数为 8 708181412N N N N N =?+?+?+? 而1的个数为8738281402N N N N N =?+?+?+?
信息论与编码理论习题答案全解
第二章 信息量和熵 2.2 八元编码系统，码长为3，第一个符号用于同步，每秒1000个码字，求它的 信息速率。 解：同步信息均相同，不含信息，因此 每个码字的信息量为 2?8log =2?3=6 bit 因此，信息速率为 6?1000=6000 bit/s 2.3 掷一对无偏骰子，告诉你得到的总的点数为：(a) 7; (b) 12。问各得到多少 信息量。 解：(1) 可能的组合为 {1，6},{2，5},{3，4},{4，3},{5，2},{6，1} )(a p =366=6 1 得到的信息量 =) (1 log a p =6log =2.585 bit (2) 可能的唯一，为 {6，6} )(b p =361 得到的信息量=) (1 log b p =36log =5.17 bit 2.4 经过充分洗牌后的一副扑克（52张），问： (a) 任何一种特定的排列所给出的信息量是多少？ (b) 若从中抽取13张牌，所给出的点数都不相同时得到多少信息量？ 解：(a) )(a p =! 521 信息量=) (1 log a p =!52log =225.58 bit (b) ???????花色任选 种点数任意排列 13413!13 )(b p =13 52134!13A ?=1352 13 4C 信息量=1313 52 4log log -C =13.208 bit
2.9 随机掷3颗骰子，X 表示第一颗骰子的结果，Y 表示第一和第二颗骰子的 点数之和，Z 表示3颗骰子的点数之和，试求)|(Y Z H 、)|(Y X H 、 ),|(Y X Z H 、)|,(Y Z X H 、)|(X Z H 。 解：令第一第二第三颗骰子的结果分别为321,,x x x ，1x ，2x ，3x 相互独立， 则1x X =，21x x Y +=，321x x x Z ++= )|(Y Z H =)(3x H =log 6=2.585 bit )|(X Z H =)(32x x H +=)(Y H =2?( 361log 36+362log 18+363log 12+364log 9+365log 536)+36 6 log 6 =3.2744 bit )|(Y X H =)(X H -);(Y X I =)(X H -[)(Y H -)|(X Y H ] 而)|(X Y H =)(X H ，所以)|(Y X H = 2)(X H -)(Y H =1.8955 bit 或)|(Y X H =)(XY H -)(Y H =)(X H +)|(X Y H -)(Y H 而)|(X Y H =)(X H ，所以)|(Y X H =2)(X H -)(Y H =1.8955 bit ),|(Y X Z H =)|(Y Z H =)(X H =2.585 bit )|,(Y Z X H =)|(Y X H +)|(XY Z H =1.8955+2.585=4.4805 bit 2.10 设一个系统传送10个数字，0，1，…，9。奇数在传送过程中以0.5的概 率错成另外一个奇数，其余正确接收，求收到一个数字平均得到的信息量。 解： 信道 X Y 9,7,5,3,1=i 8,6,4,2,0=i √Χ );(Y X I =)(Y H -)|(X Y H 因为输入等概，由信道条件可知，
" 1. 在无失真的信源中，信源输出由 H (X ) 来度量；在有失真的信源中，信源输出由 R (D ) 来度量。 2. 要使通信系统做到传输信息有效、可靠和保密，必须首先 信源 编码， 然后_____加密____编码，再______信道_____编码，最后送入信道。 3. 带限AWGN 波形信道在平均功率受限条件下信道容量的基本公式，也就是有名的香农公式是log(1)C W SNR =+；当归一化信道容量C/W 趋近于零时，也即信道完全丧失了通信能力，此时E b /N 0为 dB ，我们将它称作香农限，是一切编码方式所能达到的理论极限。 4. 保密系统的密钥量越小，密钥熵H (K )就越 小 ，其密文中含有的关于明文的信息量I (M ；C )就越 大 。 5. 已知n ＝7的循环码4 2 ()1g x x x x =+++，则信息位长度k 为 3 ，校验多项式 h(x)= 3 1x x ++ 。 6. ? 7. 设输入符号表为X ＝{0，1}，输出符号表为Y ＝{0，1}。输入信号的概率分布为p ＝(1/2，1/2)，失真函数为d (0，0) = d (1，1) = 0，d (0，1) =2，d (1，0) = 1，则D min ＝ 0 ，R (D min )＝ 1bit/symbol ，相应的编码器转移概率矩阵[p(y/x )]＝1001?? ???? ；D max ＝ ，R (D max )＝ 0 ，相应的编码器转移概率矩阵[p(y/x )]＝1010?? ? ??? 。 8. 已知用户A 的RSA 公开密钥(e,n )=(3,55)，5,11p q ==,则()φn = 40 ，他的秘密密钥(d,n )＝(27,55) 。若用户B 向用户A 发送m =2的加密消息，则该加密后的消息为 8 。 二、判断题 1. 可以用克劳夫特不等式作为唯一可译码存在的判据。 （ ） 2. 线性码一定包含全零码。 （ ） 3. 算术编码是一种无失真的分组信源编码，其基本思想是将一定精度数值作为序列的 编码，是以另外一种形式实现的最佳统计匹配编码。 （×） 4. " 5. 某一信源，不管它是否输出符号，只要这些符号具有某些概率特性，就有信息量。 （×） 6. 离散平稳有记忆信源符号序列的平均符号熵随着序列长度L 的增大而增大。 （×） 7. 限平均功率最大熵定理指出对于相关矩阵一定的随机矢量X ，当它是正态分布时具 有最大熵。 （ ） 8. 循环码的码集中的任何一个码字的循环移位仍是码字。 （ ） 9. 信道容量是信道中能够传输的最小信息量。 （×） 10. 香农信源编码方法在进行编码时不需要预先计算每个码字的长度。 （×） 11. ！ 12. 在已知收码R 的条件下找出可能性最大的发码i C 作为译码估计值，这种译码方
? ?? ???=====??????8/14/1324/18/310)(4321x x x x X P X 该信源发出的信息序列为(202 120 130 213 001 203 210 110 321 010 021 032 011 223 210)。 求： (1) 此消息的自信息量是多少 (2) 此消息中平均每符号携带的信息量是多少 解： (1) 此消息总共有14个0、13个1、12个2、6个3，因此消息发出的概率是： 6 2514814183?? ? ?????? ?????? ??=p 此消息的信息量是：bit p I 811.87log =-= (2) 此消息中平均每符号携带的信息量是：bit n I 951.145/811.87/== 某一无记忆信源的符号集为{0, 1}，已知信源的概率空间为 ???? ??=??????4/34/110 )(X P X (1) 求信息符号的平均熵； (2) 由100个符号构成的序列，求某一特定序列（例如有m 个“0”和（100 - m ）个“1”）的自信息量的表达式； (3) 计算(2)中序列的熵。 解： (1) bit x p x p X H i i i 811.043log 4341log 41 )(log )()(=??? ??+-=-=∑ (2) bit m x p x I x p m i i m m m i 585.15.414 3 log )(log )(4 34341)(100 100100 100100+=-=-==? ? ? ?????? ??=--- (3) bit X H X H 1.81811.0100)(100)(100=?== 某信源的消息符号集的概率分布和二进制代码如题表所列。 题表
I (X ;Y=1)= P(x/Y 1)I(x;Y 1) x P(x/Y 1)log P(x/Y 1) P(x) = P(X 0/Y 1)log P(X 0/Y 1) P(X 0) P(X 1/Y 1)log P(X 1/Y 1) P(X 1) 部分答案，仅供参考。 信息速率是指平均每秒传输的信息量点和划出现的信息量分别为log3Jog3， 2’ 一秒钟点和划出现的次数平均为 1 15 2 1 ~4 0.20.4 - 3 3 一秒钟点和划分别出现的次数平均为巴5 4 4 那么根据两者出现的次数，可以计算一秒钟其信息量平均为10 log 3 5 竺 5 4 2 4 4 2 解： ⑻骰子A和B，掷出7点有以下6种可能： A=1,B=6; A=2,B=5; A=3,B=4; A=4,B=3; A=5,B=2; A=6,B=1 概率为6/36=1/6，所以信息量 -log(1/6)=1+log3 ~ bit (b)骰子A和B,掷出12点只有1种可能： A=6,B=6 概率为1/36，所以信息量 -log(1/36)=2+log9 ~ bit 解： 出现各点数的概率和信息量： 1 点：1/21 , log21 ?bit ; 2 点：2/21 , log21-1 ?bit ; 3 点：1/7 , log7 4 点：4/21 , log21-2 5 点：5/21 , log (21/5 )~; 6 点：2/ 7 , log(7/2)? 平均信息量： (1/21) X +(2/21) X +(1/7) X +(4/21) X +(5/21) X +(2/7) 解： X=1:考生被录取；X=0考生未被录取； Y=1：考生来自本市；Y=0考生来自外地； Z=1:考生学过英语；z=o：考生未学过英语 P(X=1)=1/4, P( X=q=3/4; P( Y=1/ X=1)=1/2 ；P( Y=1/ X=0)=1/10 ；P(Z=1/ Y=1 )=1, P( Z=1/ X=0, Y=0 )=, P( Z=1/ X=1, Y=0 )=, P(Z=1/Y=0)= (a)P(X=0,Y=1)=P(Y=1/X=0)P(X=0)=, P(X=1,Y=1)= P(Y=1/X=1)P(X=1)= P(Y=1)= P(X=0,Y=1)+ P(X=1,Y=1)= P(X=0/Y=1)=P(X=0,Y=1)/P(Y=1)=, P(X=1/Y=1)=P(X=1,Y=1)/P(Y=1)=
第2章离散信源与信息熵 信号 信号+干扰 消息 干扰 消息 信源 编码器 信道 译码器 信宿 噪声源 通信系统模型 信息
2.1 信源的分类和描述 信源是信息的发源地，可以是人、生物、机器或其他事物。信源的输出是包含信息的消息。消息的形式可以是离散的或连续的。 信源输出为连续信号形式（如语音），可用连续随机变量描述。 连续信源←→模拟通信系统 信源输出是离散的消息符号（如书信），可用离散随机变量描述。 离散信源←→数字通信系统
离散信源…X i…X j… 离散无记忆信源：输出符号X i X j 之间相互无影响； 离散有记忆信源：输出符号X i X j 之间彼此依存。 3 离散信源 无记忆 有记忆发出单个符号发出符号序列马尔可夫信源 非马尔可夫信源
y j 将一粒棋子随意地放 在棋盘中的某列； 棋子放置的位置是一 个随机事件； 可看做一个发出单个 符号的离散信源。 x i
1212,,...,(),(),...,()m m x x x X P p x p x p x ????=???????? 就数学意义来讲，信源就是一个概率场，可用概率空间来描述信源。由离散随机变量X 表示棋子位置： 10()1,()1m i i i p x p x =≤≤=∑i x 其中，代表随机事件的某一结果。
2.2离散信源的信息熵信息的可度量性是信息论建立的基础； 香农的信息论用事件发生概率的对数来描述事件的不确定性，得到消息的信息量，建立熵的概念。 2.2.1自信息量 –定义2.1 任意随机事件x i 的自信息量定义为： i i i 1(x )log log (x )(x ) I P P ==-
设有一离散无记忆信源，其概率空间为 ??? ? ??=====??????8/14/1324/18/310)(4321x x x x X P X 该信源发出的信息序列为(202 120 130 213 001 203 210 110 321 010 021 032 011 223 210)。 求： (1) 此消息的自信息量是多少？ (2) 此消息中平均每符号携带的信息量是多少？ 解： (1) 此消息总共有14个0、13个1、12个2、6个3，因此消息发出的概率是： 6 2514814183?? ? ?????? ?????? ??=p 此消息的信息量是：bit p I 811.87log =-= (2) 此消息中平均每符号携带的信息量是：bit n I 951.145/811.87/== 某一无记忆信源的符号集为{0, 1}，已知信源的概率空间为 ???? ??=??????4/34/110 )(X P X (1) 求信息符号的平均熵； (2) 由100个符号构成的序列，求某一特定序列（例如有m 个“0”和（100 - m ）个“1”）的自信息量的表达式； (3) 计算(2)中序列的熵。 解： (1) bit x p x p X H i i i 811.043log 4341log 41 )(log )()(=??? ??+-=-=∑ (2) bit m x p x I x p m i i m m m i 585.15.4143 log )(log )(4 34341)(100 100100 100100+=-=-==? ? ? ?????? ??=--- (3) bit X H X H 1.81811.0100)(100)(100=?== 某信源的消息符号集的概率分布和二进制代码如题表所列。 题表
(一) 一、判断题共10 小题,满分20 分、 1、当随机变量与相互独立时,条件熵等于信源熵、( ) 2、由于构成同一空间得基底不就是唯一得,所以不同得基底或生成矩阵有可能生成同一码集、( ) 3、一般情况下,用变长编码得到得平均码长比定长编码 大得多、( ) 4、只要信息传输率大于信道容量,总存在一种信道编译 码,可以以所要求得任意小得误差概率实现可靠得通 信、 ( ) 5、各码字得长度符合克拉夫特不等式,就是唯一可译码存在得充分与必要条件、() 6、连续信源与离散信源得熵都具有非负性、( ) 7、信源得消息通过信道传输后得误差或失真越大,信宿收到消息后对信源存在得不确 定性就越小,获得得信息量就越小、 8、汉明码就是一种线性分组码、( ) 9、率失真函数得最小值就是、( ) 10、必然事件与不可能事件得自信息量都就是、( ) 二、填空题共 6 小题,满分20 分、 1、码得检、纠错能力取决 于、 2、信源编码得目得就是 ;信道编码 得目得就是、 3、把信息组原封不动地搬到码字前位得码就叫 做、 4、香农信息论中得三大极限定理就 是、、、 5、设信道得输入与输出随机序列分别为与,则成立得 条件、 6、对于香农-费诺编码、原始香农-费诺编码与哈夫曼编码,编码方法惟一得就是、 7、某二元信源,其失真矩阵,则该信源得=、 三、本题共 4 小题,满分50 分、 1、某信源发送端有2种符号,;接收端有3种符号,转移概率矩阵为、 （1）计算接收端得平均不确定度; （2）计算由于噪声产生得不确定度; （3）计算信道容量以及最佳入口分布、 2、一阶马尔可夫信源得状态转移图如右图所示, 信源得符号集为、 (1)求信源平稳后得概率分布; (2)求此信源得熵; (3)近似地认为此信源为无记忆时,符号得概率分布为平 稳分布、求近似信源得熵并与进行比较、 4、设二元线性分组码得生成矩阵为、 (1)给出该码得一致校验矩阵,写出所有得陪集首与与之相 对应得伴随式; (2)若接收矢量,试计算出其对应得伴随式并按照最小距离 译码准则 试着对其译码、 (二) 一、填空题(共15分,每空1分) 1、信源编码得主要目得就是 ,信道编码得主要目得就是。 2、信源得剩余度主要来自两个方面,一就是 ,二就是。 3、三进制信源得最小熵为 ,最大熵为。 4、无失真信源编码得平均码长最小理论极限制为。 5、当时,信源与信道达到匹配。 6、根据信道特性就是否随时间变化,信道可以分为与。 7、根据就是否允许失真,信源编码可分为与。 8、若连续信源输出信号得平均功率为,则输出信号幅度得概 率密度就是时,信源具有最大熵,其值为值。 9、在下面空格中选择填入数学符号“”或“” (1)当X与Y相互独立时,H(XY) H(X)+H(X/Y) H(Y)+H(X)。 (2) (3)假设信道输入用X表示,信道输出用Y表示。在无噪有损 信道中,H(X/Y) 0, H(Y/X) 0,I(X;Y) H(X)。 三、(16分)已知信源 (1)用霍夫曼编码法编成二进制变长码;(6 分) (2)计算平均码长;(4分) (3)计算编码信息率;(2分)