信息论与编码理论无失真信源编码历年考试解答

信息论与编码理论习题答案LG GROUP system office room 【LGA16H-LGYY-LGUA8Q8-LGA162】第二章 信息量和熵八元编码系统，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=61得到的信息量 =)(1loga p =6log = bit (2) 可能的唯一，为 {6，6})(b p =361得到的信息量=)(1logb p =36log = bit 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=)(1loga p =!52log = bit (b) ⎩⎨⎧⋯⋯⋯⋯花色任选种点数任意排列13413!13)(b p =1352134!13A ⨯=1352134C 信息量=1313524log log -C = bit 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= bit )|(X Z H =)(32x x H +=)(Y H=2⨯(361log 36+362log 18+363log 12+364log 9+365log 536)+366log 6= 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 = 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 = bit),|(Y X Z H =)|(Y Z H =)(X H = bit )|,(Y Z X H =)|(Y X H +)|(XY Z H =+= bit设一个系统传送10个数字，0，1，…，9。

第二章习题：补充题：掷色子，（1）若各面出现概率相同（2）若各面出现概率与点数成正比试求该信源的数学模型 解： （1）根据61()1ii p a ==∑，且16()()p a p a ==，得161()()6p a p a ===，所以信源概率空间为123456111111666666⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦P （2）根据61()1i i p a ==∑，且126(),()2,()6p a k p a k p a k ===，得121k =。

123456123456212121212121⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦P 2-2 由符号集{}0,1组成的二阶马尔可夫链，其转移概率为P(0/00)=0.8，P(0/11)=0.2，P(1/00)=0.2， P(1/11)=0.8，P(0/01)=0.5，P(0/10)=0.5，P(1/01)=0.5，P(1/10)=0.5。

画出状态图，并计算各状态的稳态概率。

解：由二阶马氏链的符号转移概率可得二阶马氏链的状态转移概率为： P(00/00)=0.8 P(10/11)=0.2 P(01/00)=0.2 P(11/11)=0.8 P(10/01)=0.5 P(00/10)=0.5 P(11/01)=0.5 P(01/10)=0.5二进制二阶马氏链的状态集S={,1S 432,,S S S }={00，01，10，11}0.80.20.50.50.50.50.20.8⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦P 状态转移图各状态稳定概率计算：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==∑∑==41411i jij i j j WP W W 即 ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=++++++=+++=+++=+++=143214443432421414434333232131342432322212124143132121111W W W W P W P W P W P W W P W P W P W P W W P W P W P W P W w P W P W P W P W W0.8得：14541==W W 14232==W W 即：P(00)=P(11)=145 P(01)=P(10)=1422-6掷两粒骰子，当其向上的面的小圆点数之和是3时，该消息所包含的信息量是多少？当小圆点数之和是7时，该消息所包含的信息量又是多少？ 解：2211111(3)(1)(2)(2)(1)666618(3)log (3)log 18()P P P P P I p ⎧=⋅+⋅=⨯+⨯=⎪⎨⎪=-=⎩比特 226(7)(1)(6)(2)(5)(3)(4)(4)(3)(5)(2)(6)(1)36(7)log (7)log 6()P P P P P P P P P P P P P I p ⎧=⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅=⎪⎨⎪=-=⎩比特2-72-7设有一离散无记忆信源,其概率空间为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=====⎥⎦⎤⎢⎣⎡81,41,41,833,2,1,04321x x x x P X该信源发出的消息符号序列为(202 120 130 213 001 203 210 110 321 010 021 032 011 223 210),求此消息的自信息量是多少及平均每个符号携带的信息量?解:消息序列中,“0”个数为1n =14,“1”个数为2n =13,“2”个数为3n =12,“3”个数为4n =6. 消息序列总长为N =1n +2n +3n +4n =45(个符号)(1) 消息序列的自信息量: =I ∑==41)(i iix I n -)(log 412i i ix p n∑== 比特81.87)3(log 6)2(log 12)1(log 13)0(log 142222=----p p p p(2) 平均每个符号携带的信息量为:)/(95.14571.87符号比特==N I 2-14 在一个二进制信道中，信息源消息集X={0，1}，且P(1)=P(0),信宿的消息集Y={0，1}，信道传输概率P（1/0）=1/4，P （0/1）=1/8。

信息论与编码理论课后答案【篇一：《信息论与编码》课后习题答案】式、含义和效用三个方面的因素。

2、 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。

3、按照信息的性质，可以把信息分成语法信息、语义信息和语用信息。

4、按照信息的地位，可以把信息分成客观信息和主观信息。

5、人们研究信息论的目的是为了高效、可靠、安全地交换和利用各种各样的信息。

6、信息的是建立信息论的基础。

7、8、是香农信息论最基本最重要的概念。

9、事物的不确定度是用时间统计发生概率的对数来描述的。

10、单符号离散信源一般用随机变量描述，而多符号离散信源一般用随机矢量描述。

11、一个随机事件发生某一结果后所带来的信息量称为自信息量，定义为其发生概率对数的负值。

12、自信息量的单位一般有比特、奈特和哈特。

13、必然事件的自信息是。

14、不可能事件的自信息量是15、两个相互独立的随机变量的联合自信息量等于两个自信息量之和。

16、数据处理定理：当消息经过多级处理后，随着处理器数目的增多，输入消息与输出消息之间的平均互信息量趋于变小。

17、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。

limh(xn/x1x2?xn?1)h?n???18、离散平稳有记忆信源的极限熵，。

19、对于n元m阶马尔可夫信源，其状态空间共有m个不同的状态。

20、一维连续随即变量x在[a，b] 。

1log22?ep21、平均功率为p的高斯分布的连续信源，其信源熵，hc（x）=2。

22、对于限峰值功率的n维连续信源，当概率密度均匀分布时连续信源熵具有最大值。

23、对于限平均功率的一维连续信源，当概率密度24、对于均值为0，平均功率受限的连续信源，信源的冗余度决定于平均功率的限定值p和信源的熵功率p25、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。

2728、同时掷两个正常的骰子，各面呈现的概率都为1/6，则“3和5同时出现”这件事的自信息量是 ?mn?ki?11?mp(x)?em29、若一维随即变量x的取值区间是[0，∞]，其概率密度函数为，其中：x?0，m是x的数学2期望，则x的信源熵c。

《信息论基础》参考答案一、填空题1、信源编码的主要目的是提高有效性,信道编码的主要目的是提高可靠性。

2、信源的剩余度主要来自两个方面，一是信源符号间的相关性,二是信源符号的统计不均匀性。

3、三进制信源的最小熵为0，最大熵为bit/符号。

4、无失真信源编码的平均码长最小理论极限制为信源熵（或H(S)/logr= H r （S））。

5、当R=C或（信道剩余度为0）时，信源与信道达到匹配.6、根据信道特性是否随时间变化,信道可以分为恒参信道和随参信道。

7、根据是否允许失真，信源编码可分为无失真信源编码和限失真信源编码。

8、若连续信源输出信号的平均功率为，则输出信号幅度的概率密度是高斯分布或正态分布或时，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和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)。

二、若连续信源输出的幅度被限定在【2，6】区域内，当输出信号的概率密度是均匀分布时，计算该信源的相对熵，并说明该信源的绝对熵为多少.=2bit/自由度该信源的绝对熵为无穷大.三、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）（4）计算编码后信息传输率；（2分）（5)计算编码效率。

(2分）(1)编码结果为：（2）（3）（4）其中，（5)四、某信源输出A、B、C、D、E五种符号，每一个符号独立出现,出现概率分别为1/8、1/8、1/8、1/2、1/8。

如果符号的码元宽度为0。

5。

计算:（1）信息传输速率。

（2）将这些数据通过一个带宽为B=2000kHz的加性白高斯噪声信道传输，噪声的单边功率谱密度为。

试计算正确传输这些数据最少需要的发送功率P。

解：（1）（2）五、一个一阶马尔可夫信源，转移概率为.（1) 画出状态转移图。

《信息论基础》参考答案一、填空题（共15分，每空1分）1、信源编码的主要目的是提高有效性，信道编码的主要目的是提高可靠性。

2、信源的剩余度主要来自两个方面，一是信源符号间的相关性，二是信源符号的统计不均匀性。

3、三进制信源的最小熵为0，最大熵为32log bit/符号。

4、无失真信源编码的平均码长最小理论极限制为信源熵（或H(S)/logr= H r (S)）。

5、当R=C 或（信道剩余度为0）时，信源与信道达到匹配。

6、根据信道特性是否随时间变化，信道可以分为恒参信道和随参信道。

7、根据是否允许失真，信源编码可分为无失真信源编码和限失真信源编码。

8、若连续信源输出信号的平均功率为2σ，则输出信号幅度的概率密度是高斯分布或正态分布或()222xf x σ-=时，信源具有最大熵，其值为值21log 22e πσ。

9、在下面空格中选择填入数学符号“,,,=≥≤〉”或“〈” （1）当X 和Y 相互独立时，H （XY ）=H(X)+H(X/Y)=H(Y)+H(X)。

（2）()()1222H X X H X =≥()()12333H X X X H X =（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)。

二、（6分）若连续信源输出的幅度被限定在【2,6】区域内，当输出信号的概率密度是均匀分布时，计算该信源的相对熵，并说明该信源的绝对熵为多少。

()1,2640,x f x ⎧≤≤⎪=⎨⎪⎩其它()()()62log f x f x dx ∴=-⎰相对熵h x=2bit/自由度 该信源的绝对熵为无穷大。

三、（16分）已知信源1234560.20.20.20.20.10.1S s s s s s s P ⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦（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L ;（4分）（3）计算编码信息率R ';（2分）（4）计算编码后信息传输率R ;（2分） （5）计算编码效率η。

信 息 论 与 编 码 考题与标准答案第一题 选择题1．信息是（ b ）a. 是事物运动状态或存在方式的描述b.是事物运动状态或存在方式的不确定性的描述c.消息、文字、图象d.信号 2．下列表达式哪一个是正确的（e ）a. H (X /Y )=H (Y /X )b. )();(0Y H Y X I <≤c.)/()(),(X Y H X H Y X I -=d. )()/(Y H Y X H ≤e. H (XY )=H (X )+H (Y /X )3．离散信源序列长度为L ，其序列熵可以表示为（ b ）a. )()(1X LH X H =b.c. ∑==Ll lXH X H 1)()(d. )()(X H X H L =4.若代表信源的N 维随机变量的取值被限制在一定的范围之内，则连续信源为（ c ），具有最大熵。

a. 指数分布b. 正态分布c. 均匀分布d. 泊松分布 5．对于平均互信息);(Y X I ，下列说法正确的是（ b ）a. 当)(i x p 一定时，是信道传递概率)(i j x y p 的上凸函数，存在极大值b. 当)(i x p 一定时，是信道传递概率)(i j x y p 的下凸函数，存在极小值c.当)(i j x y p 一定时，是先验概率)(i x p 的上凸函数，存在极小值d.当)(i j x y p 一定时，是先验概率)(i x p 的下凸函数，存在极小值 6．当信道输入呈（ c ）分布时，强对称离散信道能够传输最大的平均信息量，即达到信道容量 a. 均匀分布 b. 固定分布 c. 等概率分布 d. 正态分布7.当信道为高斯加性连续信道时，可以通过以下哪些方法提高抗干扰性（b d ） a. 减小带宽 b. 增大发射功率 c. 减小发射功率 d.增加带宽第二题 设信源 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡6.04.0)(21x x X p X 通过一干扰信道，接收符号为Y={y 1,y 2}，信道传递矩阵为⎥⎦⎤⎢⎣⎡43416165 求：(1) 信源 X 中事件 x 1 和 x 2 分别含有的自信息量。

最大熵值为组成一个马尔可夫链，且有，。

说明经数据处理后，一般只会增加信息的损失。

，它是高斯加性白噪声信道在单位时间内的信道容量，其值取决于由得，则解释无失真变长信源编码定理。

只要，当什么是保真度准则？对二元信源，其失真矩阵，求和？答：，所以有，而。

息出现前后没有关联，求熵；）假设黑白消息出现前后有关联，其依赖关系为：，，，，求其熵；）信源模型为）由得则）若，，求和；）），最佳输入概率分布为等概率分布。

信源空间为答：1）二元码的码字依序为：10，11，010，011，1010，1011，1000，1001。

平均码长，编码效率2）三元码的码字依序为：1，00，02，20，21，22，010，011。

平均码长，编码效率4.设有一离散信道，其信道传递矩阵为，并设，试分别按最小错误概率准则与最大似然译码准则确定译码规则，并计算相应的平均错误概率。

答：1）最小似然译码准则下，有，2）最大错误概率准则下，有，5.已知一（8，5）线性分组码的生成矩阵为。

求：1）输入为全00011和10100时该码的码字；2）最小码距。

6.设某一信号的信息传输率为5.6kbit/s，在带宽为4kHz的高斯信道中传输，噪声功率谱NO=5×10－6mw/Hz。

试求：（1）无差错传输需要的最小输入功率是多少？（2）此时输入信号的最大连续熵是多少？写出对应的输入概率密度函数的形式。

7.答：1）无错传输时，有即则2）在时，最大熵对应的输入概率密度函数为2）最大错误概率准则下，有，6.答：1）无错传输时，有即则2）在时，最大熵对应的输入概率密度函数为。

（一）一、判断题共 10 小题，满分 20 分.1. 当随机变量X 和Y 相互独立时，条件熵)|(Y X H 等于信源熵)(X H . （ ）2. 由于构成同一空间的基底不是唯一的，所以不同的基底或生成矩阵有可能生成同一码集.（ ） 3.一般情况下，用变长编码得到的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，可以以所要求的任意小的误差概率实现可靠的通信.（ ） 5. 各码字的长度符合克拉夫特不等式，是唯一可译码存在的充分和必要条件. （ ） 6. 连续信源和离散信源的熵都具有非负性.（ ）7. 信源的消息通过信道传输后的误差或失真越大，信宿收到消息后对信源存在的不确 定性就越小，获得的信息量就越小. 8. 汉明码是一种线性分组码. （ ） 9. 率失真函数的最小值是0.（ ）10.必然事件和不可能事件的自信息量都是0.（ ）二、填空题共 6 小题，满分 20 分.1、码的检、纠错能力取决于 .2、信源编码的目的是 ；信道编码的目的是 .3、把信息组原封不动地搬到码字前k 位的),(k n 码就叫做 .4、香农信息论中的三大极限定理是 、 、 . 5、设信道的输入与输出随机序列分别为X 和Y ，则),(),(Y X NI Y X I N N =成立的条件 .6、对于香农-费诺编码、原始香农-费诺编码和哈夫曼编码，编码方法惟一的是 .7、某二元信源01()1/21/2X P X ⎡⎤⎧⎫=⎨⎬⎢⎥⎣⎦⎩⎭，其失真矩阵00a D a ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦，则该信源的max D = . 三、本题共 4 小题，满分 50 分.1、某信源发送端有2种符号i x )2,1(=i ,a x p =)(1；接收端有3种符号iy )3,2,1(=j ，转移概率矩阵为1/21/201/21/41/4P ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦. （1） 计算接收端的平均不确定度()H Y ； （2） 计算由于噪声产生的不确定度(|)H Y X ； （3） 计算信道容量以及最佳入口分布. 2、一阶马尔可夫信源的状态转移图如右图所示， 信源X 的符号集为}2,1,0{. （1）求信源平稳后的概率分布； （2）求此信源的熵；（3）近似地认为此信源为无记忆时，符号的概率分布为平稳分布.求近似信源的熵)(X H 并与H ∞进行比较. 4、设二元)4,7(线性分组码的生成矩阵为⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=1000101010011100101100001011G . （1）给出该码的一致校验矩阵，写出所有的陪集首和与之相对应的伴随式；（2）若接收矢量)0001011(=v ，试计算出其对应的伴随式S 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、信源编码的主要目的是 ，信道编码的主要目的是 。

一、概念简答题（每题5分，共40分）1.什么是平均自信息量与平均互信息，比较一下这两个概念的异同？平均自信息为：表示信源的平均不确定度，表示平均每个信源消息所提供的信息量。

平均互信息：表示从Y获得的关于每个X的平均信息量；表示发X前后Y的平均不确定性减少的量；表示通信前后整个系统不确定性减少的量。

2.简述最大离散熵定理。

对于一个有m个符号的离散信源，其最大熵是多少？最大离散熵定理为：离散无记忆信源，等概率分布时熵最大。

最大熵值为3.解释信息传输率、信道容量、最佳输入分布的概念，说明平均互信息与信源的概率分布、信道的传递概率间分别是什么关系？信息传输率R指信道中平均每个符号所能传送的信息量。

信道容量是一个信道所能达到的最大信息传输率。

信息传输率达到信道容量时所对应的输入概率分布称为最佳输入概率分布。

平均互信息是信源概率分布的∩型凸函数，是信道传递概率的U型凸函数。

4.对于一个一般的通信系统，试给出其系统模型框图，并结合此图，解释数据处理定理。

数据处理定理为：串联信道的输入输出X、Y、Z组成一个马尔可夫链，且有，。

说明经数据处理后，一般只会增加信息的损失。

5.写出香农公式，并说明其物理意义。

当信道带宽为5000Hz，信噪比为30dB时求信道容量。

香农公式为，它是高斯加性白噪声信道在单位时间内的信道容量，其值取决于信噪比和带宽。

由得，则6.解释无失真变长信源编码定理。

只要，当N足够长时，一定存在一种无失真编码。

7.解释有噪信道编码定理。

答：当R＜C时，只要码长足够长，一定能找到一种编码方法和译码规则，使译码错误概率无穷小。

8.什么是保真度准则？对二元信源，其失真矩阵，求a>0时率失真函数的和？答：1）保真度准则为：平均失真度不大于允许的失真度。

2）因为失真矩阵中每行都有一个0，所以有，而。

二、综合题（每题10分，共60分）1.黑白气象传真图的消息只有黑色和白色两种，求：1）黑色出现的概率为0.3，白色出现的概率为0.7。

一填空题（本题20分，每小题2分）1、平均自信息为表示信源的平均不确定度，也表示平均每个信源消息所提供的信息量。

平均互信息表示从Y获得的关于每个X的平均信息量，也表示发X前后Y的平均不确定性减少的量，还表示通信前后整个系统不确定性减少的量。

2、最大离散熵定理为：离散无记忆信源，等概率分布时熵最大。

3、最大熵值为。

4、通信系统模型如下：5、香农公式为为保证足够大的信道容量，可采用（1）用频带换信噪比；（2）用信噪比换频带。

6、只要，当N足够长时，一定存在一种无失真编码。

7、当R＜C时，只要码长足够长，一定能找到一种编码方法和译码规则，使译码错误概率无穷小。

8、在认识论层次上研究信息的时候，必须同时考虑到形式、含义和效用三个方面的因素。

9、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。

按照信息的性质，可以把信息分成语法信息、语义信息和语用信息。

按照信息的地位，可以把信息分成客观信息和主观信息。

人们研究信息论的目的是为了高效、可靠、安全地交换和利用各种各样的信息。

信息的可度量性是建立信息论的基础。

统计度量是信息度量最常用的方法。

熵是香农信息论最基本最重要的概念。

事物的不确定度是用时间统计发生概率的对数来描述的。

10、单符号离散信源一般用随机变量描述，而多符号离散信源一般用随机矢量描述。

11、一个随机事件发生某一结果后所带来的信息量称为自信息量，定义为其发生概率对数的负值。

12、自信息量的单位一般有比特、奈特和哈特。

13、必然事件的自信息是 0 。

14、不可能事件的自信息量是∞。

15、两个相互独立的随机变量的联合自信息量等于两个自信息量之和。

16、数据处理定理：当消息经过多级处理后，随着处理器数目的增多，输入消息与输出消息之间的平均互信息量趋于变小。

17、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。

18、离散平稳有记忆信源的极限熵，。

19、对于n元m阶马尔可夫信源，其状态空间共有 nm 个不同的状态。

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/s2.3 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=61得到的信息量 =)(1loga p =6log =2.585 bit (2) 可能的唯一，为 {6，6})(b p =361得到的信息量=)(1logb 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=)(1loga p =!52log =225.58 bit (b) ⎩⎨⎧⋯⋯⋯⋯花色任选种点数任意排列13413!13)(b p =1352134!13A ⨯=1352134C 信息量=1313524log 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)+366log 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 bit2.10 设一个系统传送10个数字，0，1，…，9。

《信息论与编码》期末复习题B 答案一、填空题（每小题4 分，共 24 分）1.根据信息论的各种编码定理和通信系统的指标，编码问题可分解为3类 信源 编码、 信道 编码和 加密 编码 。

为了提高通信系统的传输效率，应该采用 信源编码 。

2. 限峰功率最大熵定理指出，对于定义域被限定在[a,b]的随机变量X ，当它是 平均 分布时具有最大熵，其值为 log(b-a) 。

3.根据信道参数与时间的关系不同，信道可分为 固定参数 信道和 连续参数 信道，根据信道中噪声种类的不同，可分为 随机差错 信道和 突发差错 信道。

4.最常用的失真函数有 均方失真 、 绝对失真 、 相对失真 和 误码失真 。

5.常用信源编码方法有 游程编码 、 算术编码 、 预测编码 和 变换编码 等。

6.在信道编码中，按照构码理论来分，有 代数码 、 几何码 、 算术码 和组合码等。

二、简答题（每小题 8 分，共 32 分）1.简述自信息的性质。

答：（1） ； （2） ； （3）非负性 ； （4）单调递减性：若 则 ； （5）可加性。

评分标准：前2条每条1分，后3条每条2分。

2.什么是二进制对称信道（BSC ）？答：二进制对称信道（BSC ）是二进制离散信道的一个特例，如果描述二进制离散信道的转移概率对称，即则称这种二进制输入、二进制输出的信道为二进制对称信道。

评分标准：前2条每条2分，最后结论4分。

3.简述哈弗曼编码方法。

答：(1)将q 个信源符号按概率分布的大小，以递减次序排列起来，设(2)用“0”和“1”码符号分别代表概率最小的两个信源符号，并将这两个概率最小的符号合并成一个符号，合并的符号概率为两个符号概率之和，从而得到只包含q-1个符号的新信源，称为缩减信源。

(3)把缩减信源的符号仍旧按概率大小以递减次序排列，再将其概率最小的两个信源符号分别用“0”和“1”表示，并将其合并成一个符号，概率为两符号概率之和，这样又形成了q-2个符号的缩减信源。

B 卷答案一、设有一离散无记忆信源，其概率空间为⎥⎦⎤====⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡8141418343213210x x x x P X （1）求每个符号的自信息量；（2）信源发出一消息符号序列为{202 120 130 213 001 203 210 110 321 010 021 032 011 22 3 210}，求该消息序列的自信息量及平均每个符号携带的信息量。

解：（1）每个符号携带的自信息量：I(0)=－log3/8=1.42bit, I(1)=－log1/4=2bit I(2)=－log1/4=2bit, I(3)=－log1.8=3bit （2）消息序列的自信息量：I=14I(0)+13I(1)+12I(2)+6I(3)=87.8bit 平均每个符号携带的信息量为 I/n=87.8/45=1.95比特/符号 二、某信源有8个符号{1u ，···，8u }，概率分别为21，41，81，161，321，641，1281，1281，试编成000,001,010,011,100,101,110,111的码。

（1）求信源的符号熵H(U)； （2）求这种码的编码效率；（3）求出相应的香农码和费诺码； （4）求该码的编码效率。

解： （1）H(U)=i i ip p261log ∑=-=1.984（bit/符号）（2）编码效率LU H )(=η=66.15﹪平均码长∑==81i ii Lp L =1.984编码效率LX H )(=η=100﹪平均码长∑==81i ii Lp L =1.984编码效率LX H )(=η=100﹪ 三、有四个符号a ，b ，c ，d 对应概率分别为p(a)=21，p(b)=41，p(c)=81，p(d)=81，对序列S=abda 做算术编码。

解：设起始状态为空序列φ，则A(φ)=1，C(φ)=0，递推得 C(a,b,d,a)=0.010111 A(a,b,d,a)=0.0000001 因此编码的码字为010111 四、某线性二进制码的生成矩阵为G=⎢⎢⎢⎣⎡011100111100101011100⎥⎥⎥⎦⎤，求： （1）用系统码[I ︱P]的形式表示G ；（2）计算该码的校验矩阵H ；（3）列出该码的伴随式表； （4）计算该码的最小距离。

4.1某离散无记忆信源概率空间为分别使用长度为10和100的序列进行等长无失真编码，分别计算最短平均码长和编码效率。

解：信源的熵为881.03.03.07.07.0)(H =--=lb lb X 比特/符号当N=10时，序列码长应当满足 81.81881.0102)(L 1=⨯=>lb X NH 比特/序列考虑到序列码长应该为整数，取L1=9比特/符号，平均每个符号的码长为9.0NL L 11==比特/符号 所以编码效率为%9.97L )(H 11==X η 当N=100时，序列码长为1.881881.01002)(L 1=⨯=>lb X NH 比特/100符号取L1=89比特/符号，平均每个符号的码长为89.0NL L 22==比特/符号 编码效率为%99L )(H 22==X η 4.2设离散无记忆信源为如果要求编码效率为，允许错误概率为，求编码序列的长度。

解：信源的熵为722.02.02.08.08.0)(H =--=lb lb X 比特/符号自信息量方差为64.0722.0-）2.0（2.0）8.0（8.0D 222=+=lb lb采用二进制码进行等长编码，序列长度应当满足72221062.1)1)((D N ⨯=-≥δηηX H4.3设离散无记忆信源的概率空间为要求编码效率为(1) 如果采用序列等长编码，而允许译码错误概率为，求编码序列的长度。

(2) 如果采用序列变长编码，求编码序列的长度，并且与(1)比较，说明为什么会有这样的结果。

解1）信源的熵为811.025.025.075.075.0)(H =--=lb lb X 比特/符号自信息量方差为471.0811.0-）25.0（25.0）75.0（75.0D 222=+=lb lb采用二进制编码，序列长度为62221029.1)1)((D N ⨯=-≥δηηX H2）对信源进行二次扩展，并采用下列编码方式构成唯一可译码平均码长为6875.13161316321631169L =⨯+⨯+⨯+⨯=比特/2符号 每个符号码长为84375.026875.12L L ===比特/符号 编码效率为%95%1.9684375.0811.0L H(X)=>===δη 由于变长编码能够更好利用不同序列的概率分布进行编码，概率越大，序列的码长越短，概率越小，序列的码长越长，所以相对等长编码而言，变长编码的平均码长很短。

4-1 设有一个二元等该率信源{}1,0∈X ,2/110==p p ，通过一个二进制对称信道（BSC ）。

其失真函数ij d 与信道转移概率ij p 分别定义为j i j i d ij =≠⎩⎨⎧=,0,1 ，j i j i p ij =≠⎩⎨⎧-=,1,εε 试求失真矩阵d 和平均失真D 。

解：由题意得，失真矩阵为d ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=0110d ，信道转移概率矩阵为P ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=εεεε11)(i j 平均失真为εεεεε=⨯-+⨯+⨯+⨯-==∑0)1(211211210)1(21),()()(,j i d i j p i p D ji 4-3 设输入符号与输出符号X 和Y 均取值于{0,1,2,3}，且输入符号的概率分布为P(X=i)=1/4,i=0,1,2,3,设失真矩阵为⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=0111101111011110d 求)(),(,,max min max min D R D R D D 以及相应的编码器转移概率矩阵。

解：由题意，得 0min =D.则symbol bit X H R D R /24log )()0()(2min ====这时信源无失真，0→0,1→1,2→2,3→3，相应的编码器转移概率矩阵为⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=1000010*********)j (i P ∑===303,2,1,0max ),()(min i j j i d i p D，，141141041141141141141041min{⨯+⨯+⨯+⨯⨯+⨯+⨯+⨯=}041141141141141041141141⨯+⨯+⨯+⨯⨯+⨯+⨯+⨯， 43}43,43,43,43min{== 则0)(max =D R此时输出概率分布可有多种，其中一种为：p(0)=1,p(1)=p(2)=p(3)=0 则相应的编码器转移概率矩阵为⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=0001000100010001)(i j P]4-5 具有符号集{}10,u u U =的二元信源，信源发生概率为：2/10,1)(,)(10≤<-==p p u p p u p 。

一、概念简答题（每题5分，共40分）1.什么是平均自信息量与平均互信息，比较一下这两个概念的异同？2.简述最大离散熵定理。

对于一个有m个符号的离散信源，其最大熵是多少？3.解释信息传输率、信道容量、最佳输入分布的概念，说明平均互信息与信源的概率分布、信道的传递概率间分别是什么关系？4.对于一个一般的通信系统，试给出其系统模型框图，并结合此图，解释数据处理定理。

5.写出香农公式，并说明其物理意义。

当信道带宽为5000Hz，信噪比为30dB时求信道容量。

6.解释无失真变长信源编码定理。

7.解释有噪信道编码定理。

　8.什么是保真度准则？对二元信源，其失真矩阵，求a>0时率失真函数的和？二、综合题（每题10分，共60分）1.黑白气象传真图的消息只有黑色和白色两种，求：1）黑色出现的概率为0.3，白色出现的概率为0.7。

给出这个只有两个符号的信源X的数学模型。

假设图上黑白消息出现前后没有关联，求熵；2）假设黑白消息出现前后有关联，其依赖关系为：，，，，求其熵；2.二元对称信道如图。

；1）若，，求和；2）求该信道的信道容量和最佳输入分布。

3.信源空间为，试分别构造二元和三元霍夫曼码，计算其平均码长和编码效率。

4.设有一离散信道，其信道传递矩阵为，并设，试分别按最小错误概率准则与最大似然译码准则确定译码规则，并计算相应的平均错误概率。

5.已知一（8，5）线性分组码的生成矩阵为。

求：1）输入为全00011和10100时该码的码字；2）最小码距。

6.设某一信号的信息传输率为5.6kbit/s，在带宽为4kHz的高斯信道中传输，噪声功率谱NO=5×10－6mw/Hz。

试求：（1）无差错传输需要的最小输入功率是多少？（2）此时输入信号的最大连续熵是多少？写出对应的输入概率密度函数的形式。

一、概念简答题（每题5分，共40分）1.答：平均自信息为表示信源的平均不确定度，也表示平均每个信源消息所提供的信息量。