信息论-第3章多符号离散信源与信道

信息论基础知识主要内容：信源的数学模型 信源编码定理 信源编码算法 信道容量 通信的容限第 1 页 2011-2-21引言一、信息论的研究范畴 信息论是研究信息的基本性质及度量方法，研究信息的获取、传输、存储和处理的一般规律的科学。

狭义信息论：通信的数学理论，主要研究信息的度量方 法，各种信源、信道的描述和信源、信道的编码定理。

实用信息论：信息传输和处理问题，也就是狭义信息 论方法在调制解调、编码译码以及检测理论等领域的应用。

广义信息论，包括信息论在自然和社会中的新的应用， 如模式识别、机器翻译、自学习自组织系统、心理学、生物 学、经济学、社会学等一切与信息问题有关的领域。

第 2 页 2011-2-21二、信息论回答的问题通信信道中，信息能够可靠传 输的最高速率是多少？噪声信道编码定理 噪声信道编码定理信息进行压缩后，依然可以从已压 缩信息中以无差错或低差错恢复的 最低速率是多少？香农信源编码理论 香农信源编码理论最佳系统的复杂度是多少？第 3 页2011-2-21三、香农的贡献香农(Claude Elwood Shannon,1916～2001年)， 美国数学家，信息论的创始人。

创造性的采用概率论的方法来研究通信中的问题，并且对 信息给予了科学的定量描述，第一次提出了信息熵的概念。

1948年，《通信的数学理论》(A mathematical theory of communication ) 以及1949年，《噪声下的通信》标志了信息论的创立。

1949年，《保密通信的信息理论》，用信息论的观点对信息保密问题做了 全面的论述，奠定了密码学的基础。

1959年，《保真度准则下的离散信源编码定理》，它是数据压缩的数学基 础，为信源编码的研究奠定了基础。

1961年发表“双路通信信道”，开拓了多用户信息理论（网络信息论）的研 究；第 4 页 2011-2-21四、信息论发展历史1924年 奈奎斯特(Nyquist,H.)总结了信号带宽和信息速率之 间的关系。

Chap3 思考题与习题 参考答案3.1 设有一个信源，它产生0、1 序列的消息。

它在任意时间而且不论以前发生过什么符号，均按P(0)＝0.4，P(1)＝0.6 的概率发出符号。

(1) 试问这个信源是否平稳的? (2) 试计算H(X 2)，H(X 3/X 1X 2)及H ∞。

(3) 试计算H(X 4)，并写出X 4 信源中可能有的所有符号。

解：（1）根据题意，此信源在任何时刻发出的符号概率都是相同的，均按p(0)=0.4，p(1)=0.6，即信源发出符号的概率分布与时间平移无关，而且信源发出的序列之间也是彼此无信赖的。

所以这信源是平稳信源。

(2)23123121()2()2(0.4log 0.40.6log 0.6) 1.942(/)(|)()()log ()(0.4log 0.40.6log 0.6)0.971(/)lim (|)()0.971(/)i i iN N N N H X H X bit symbols H X X X H X p x p x bit symbol H H X X X X H X bit symbol ∞−→∞==−×+===−=−+====∑" (3)4()4()4(0.4log 0.40.6log 0.6) 3.884(/)H X H X bit symbols ==−×+=4X 的所有符号：0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 11113.2 在一个二进制的信道中，信源消息集X={0，1}且p(1)=p(0)，信宿的消息集Y={0，1}，信道传输概率(10)1/p y x ===4，(01)1/p y x ===8。

求：(1) 在接收端收到y=0后，所提供的关于传输消息x 的平均条件互信息I(X ；y=0)； (2) 该情况下所能提供的平均互信息量I(X ；Y)。

信息论与编码习题参考答案 第一章单符号离散信源信息论与编码作业是 74页，1.1的(1)(5)，1.3,1.4,1.6,1.13,1.14 还有证明熵函数的 连续性、扩展性、可加性1.1同时掷一对均匀的子，试求：(1) “2和6同时出现”这一事件的自信息量； (2) “两个5同时出现”这一事件的自信息量； (3) 两个点数的各种组合的熵； ⑷两个点数之和的熵；(5) “两个点数中至少有一个是 1”的自信息量。

解：样本空间：N =c ；c ； =6 X6 =36n 12(1) R =—”1(a) =—log R =log18=4.17bitN 36 n 2 1(2) F 2 N =36 I (a) = -log F 2 =log36 =5.17bit (3) 信源空间:2 36 1.H(x)=15 log 6 log 36 = 4.32bit36 2 36(4)log 36+ — l og 36 — log 36 — log 迸36 2 36 3 36 4 log 塑 + — log 36 =3.71bit5 36 6 (5) F 3 =匹 二11. 1(a) - Tog F 3 -log 36 =1.17bit N 36 111.2如有6行、8列的棋型方格，若有两个质点A 和B ，分别以等概落入任一方格内，且它2H(r.卫36们的坐标分别为(Xa，Ya) , (Xb，Yb),但A，B不能同时落入同一方格内。

(1)若仅有质点A，求A落入任一方格的平均信息量；(2)若已知A已落入，求B落入的平均信息量；(3)若A，B是可辨认的，求A，B落入的平均信息量。

解：1(1) 幕A落入任一格的概率:P(a i) I (aj =-log P(aJ = log 484848.H(a) - P(a j)log P(aJ = log 48 =5.58biti 41(2) ；在已知A落入任一格的情况下,B落入任一格的概率是：P(bJ = —47.I(b) - -logP(b i) =log4748.H(b) = -' P(b i)log P(b i) =log47 =5.55biti -11 1(3) AB同时落入某两格的概率是P(ABJ二一一48 47.I(ABJ =-log P(AB i)48 47H(AB」-八P(ABJIog P(ABJ =log(48 47)=11.14biti 二1.3从大量统计资料知道，男性中红绿色盲的发病率为7%,女性发病率为0.5%.如果你问一位男士：“你是否是红绿色盲？”他的回答可能是：“是”，也可能“不是”。

第3章 信道容量习题解答3-1 设二进制对称信道的转移概率矩阵为2/31/31/32/3⎡⎤⎢⎥⎣⎦解: (1) 若12()3/4,()1/4P a P a ==，求(),(),(|),(|)H X H Y H X Y H Y X 和(;)I X Y 。

i i 2i=13311H(X)=p(a )log p(a )log()log()0.8113(/)4444bit -=-⨯-=∑符号111121*********j j j=132117p(b )=p(a )p(b |a )+p(a )p(b |a )=43431231125p(b )=p(a )p(b |a )+p(a )p(b |a )=4343127755H(Y)=p(b )log(b )=log()log()0.9799(/)12121212bit ⨯+⨯=⨯+⨯=---=∑符号 22i j j i j i j i ,H(Y|X)=p(a ,b )logp(b |a )p(b |a )logp(b |a )2211log()log()0.9183(/)3333i jjbit -=-=-⨯-⨯=∑∑符号I(X;Y)=H(Y)H(Y|X)=0.97990.91830.0616(/)bit --=符号 H(X|Y)=H(X)I(X;Y)=0.81130.06160.7497(/bit --=符号)(2)求该信道的信道容量及其达到信道容量时的输入概率分布。

二进制对称信息的信道容量H(P)=-plog(p)-(1-p)log(1-p)1122C =1-H(P)=1+log()+log()=0.0817(bit/)3333符 BSC 信道达到信道容量时，输入为等概率分布，即：{0.5，0.5} 注意单位3-2 求下列三个信道的信道容量及其最佳的输入概率分布。

1b 2b 3b 3a 2a 1a Y X 1b 2b 3a 2a 1a Y X 1b 2b 2a 1a Y X 3b 11111110.70.3第一种：无噪无损信道，其概率转移矩阵为： 1 0 0P=0 1 00 0 1⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦信道容量：()max (;)P X C I X Y @ bit/符号()()()()max{(;)}max{()(|)}(|)0max{(;)}max{()}p x p x p x p x C I X Y H X H X Y H X Y C I X Y H X ==-∴=∴==离散无记忆信道(DMC)只有输入为等概率分布时才能达到信道容量，C=log3=1.5850 bit/符号输入最佳概率分布如下：111,,333⎧⎫⎨⎬⎩⎭第二种：无噪有损信道，其概率转移矩阵为： 1 0P=0 10 1⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦，离散输入信道， ()()()()max{(;)}max{()(|)}(|)0max{(;)}max{()}p x p x p x p x C I X Y H Y H Y X H Y X C I X Y H Y ==-∴=∴==H(Y)输出为等概率分布时可达到最大值，此值就是信道容量 此时最佳输入概率：123p(a )+p(a )=0.5,p(a )=0.5 信道容量：C=log(2)=1 bit/符号 第三种：有噪无损信道，由图可知：()()()()max{(;)}max{()(|)}(|)0max{(;)}max{()}p x p x p x p x C I X Y H X H X Y H X Y C I X Y H X ==-∴=∴==输入为等概率分布时可达到信道容量，此时信道容量p(x)C=max{H(X)}=log(2)=1 bit/符号 输入最佳概率分布：11,22⎧⎫⎨⎬⎩⎭3-3 设4元删除信道的输入量{1,2,3,4}X ∈，输出量{1,2,3,4,}Y E ∈，转移概率为(|)1(|)1-ε 0 0 0 ε0 1-ε 0 0 ε P=0 0 1-ε 0 ε0 0 0 1-ε ε1-ε 0 0 0 ε0 1-ε 0 0 ε p1= p2=0 0 1-ε 0 ε0 0 0 1-ε εP Y i X i P Y E X i εε===-===⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦其中1,2,3,4i = 1）该信道是对称DMC 信道吗？ 2）计算该信道的信道容量；3）比较该信道与两个独立并联的二元删除信道的信道容量。

第3章 信道容量习题解答3-1 设二进制对称信道的转移概率矩阵为2/31/31/32/3⎡⎤⎢⎥⎣⎦解: (1) 若12()3/4,()1/4P a P a ==，求(),(),(|),(|)H X H Y H X Y H Y X 和(;)I X Y 。

i i 2i=13311H(X)=p(a )log p(a )log()log()0.8113(/)4444bit -=-⨯-=∑符号111121*********j j j=132117p(b )=p(a )p(b |a )+p(a )p(b |a )=43431231125p(b )=p(a )p(b |a )+p(a )p(b |a )=4343127755H(Y)=p(b )log(b )=log()log()0.9799(/)12121212bit ⨯+⨯=⨯+⨯=---=∑符号 22i j j i j i j i ,H(Y|X)=p(a ,b )logp(b |a )p(b |a )logp(b |a )2211log()log()0.9183(/)3333i jjbit -=-=-⨯-⨯=∑∑符号I(X;Y)=H(Y)H(Y|X)=0.97990.91830.0616(/)bit --=符号 H(X|Y)=H(X)I(X;Y)=0.81130.06160.7497(/bit --=符号)(2)求该信道的信道容量及其达到信道容量时的输入概率分布。

二进制对称信息的信道容量H(P)=-plog(p)-(1-p)log(1-p)1122C =1-H(P)=1+log()+log()=0.0817(bit/)3333符 BSC 信道达到信道容量时，输入为等概率分布，即：{0.5，0.5} 注意单位3-2 求下列三个信道的信道容量及其最佳的输入概率分布。

1b 2b 3b 3a 2a 1a Y X 1b 2b 3a 2a 1a Y X 1b 2b 2a 1a Y X 3b 11111110.70.3第一种：无噪无损信道，其概率转移矩阵为： 1 0 0P=0 1 00 0 1⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦信道容量：()max (;)P X C I X Y @ bit/符号()()()()max{(;)}max{()(|)}(|)0max{(;)}max{()}p x p x p x p x C I X Y H X H X Y H X Y C I X Y H X ==-∴=∴==离散无记忆信道(DMC)只有输入为等概率分布时才能达到信道容量，C=log3=1.5850 bit/符号输入最佳概率分布如下：111,,333⎧⎫⎨⎬⎩⎭第二种：无噪有损信道，其概率转移矩阵为： 1 0P=0 10 1⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦，离散输入信道， ()()()()max{(;)}max{()(|)}(|)0max{(;)}max{()}p x p x p x p x C I X Y H Y H Y X H Y X C I X Y H Y ==-∴=∴==H(Y)输出为等概率分布时可达到最大值，此值就是信道容量 此时最佳输入概率：123p(a )+p(a )=0.5,p(a )=0.5 信道容量：C=log(2)=1 bit/符号 第三种：有噪无损信道，由图可知：()()()()max{(;)}max{()(|)}(|)0max{(;)}max{()}p x p x p x p x C I X Y H X H X Y H X Y C I X Y H X ==-∴=∴==输入为等概率分布时可达到信道容量，此时信道容量p(x)C=max{H(X)}=log(2)=1 bit/符号 输入最佳概率分布：11,22⎧⎫⎨⎬⎩⎭3-3 设4元删除信道的输入量{1,2,3,4}X ∈，输出量{1,2,3,4,}Y E ∈，转移概率为(|)1(|)1-ε 0 0 0 ε0 1-ε 0 0 ε P=0 0 1-ε 0 ε0 0 0 1-ε ε1-ε 0 0 0 ε0 1-ε 0 0 ε p1= p2=0 0 1-ε 0 ε0 0 0 1-ε εP Y i X i P Y E X i εε===-===⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦其中1,2,3,4i = 1）该信道是对称DMC 信道吗？ 2）计算该信道的信道容量；3）比较该信道与两个独立并联的二元删除信道的信道容量。

设信源输出符号集合，每次信源输
9
是⼀一个离散⽆无记忆信源，其概率空间为
其中
信源X的符号集合为
N次扩展信源X N符号集合为
15
的有记忆平稳信源（⼆二维平稳信源）输
23
当且仅当X 1和X 2统计独⽴立时等号成⽴立，此时信源相当于⼆二次⽆无记忆扩展；
当X 1和X 2之间相关时，联合熵⼩小于信息熵之和，即⼩小于单个消息符号X 熵的 2 倍。

由于
25
例：设某⼆二维离散信源X =的原始信源X 的信源模型为
中前后两个符号的条件概率
7/92/901/83/41/80
2/11
9/11
(1)若该信源为⼆二维⽆无记忆扩展信源，求信源的熵。

(2)若该信源为⼆二维平稳信源，如表，求信源的熵。

26
原始信源的熵为：
由条件概率确定的条件熵为：
由于符号之间的依赖性，条件熵⽐比信源熵减少了0.672bit
⼆二维离散⽆无记忆扩展信源的熵为：2H(X)=2*1.542=3.084(bit ）7/92/901/83/4
1/8
2/119/11
27
信源X=
平均每发⼀一个消息所能提供的信息量，即联合熵
则每⼀一个信源符号所提供的平均信息量
⼩小于信源X所提供的平均信息量H(X)=1.542bit，这是
由于符号之间的统计相关性所引起的。

28
维平稳信源输出序列每N个符号⼀一组；各
30
则有：
时：
随N的增加是⾮非递增的；
给定时，平均符号熵≥条件熵；
–平均符号熵随N增加是⾮非递增的；
34
解：
35
1,2,......,J 某时刻随机
……
43
44。