信源及信源熵习题答案

5.1设有信源⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛01.01.015.017.018.019.02.0)(7654321a a a a a a a X P X （1）求信源熵H(X)（2）编二进制香农码（3）计算其平均码长及编码效率解：(1)H(X)=-)(log )(21i ni i a p a p ∑=H(X)=-0.2log 20.2-0.19log 20.19-0.18log 20.18-0.17log 20.17-0.15log 20.15-0.log 20.1-0.01log 20.01H(X)=2.61(bit/sign)(2)ia i P(ai)jP(aj)ki码字a 001a 10.210.0030002a 20.1920.2030013a 30.1830.3930114a 40.1740.5731005a 50.1550.7431016a 60.160.89411107a 70.0170.9971111110（3）平均码长：-k =3*0.2+3*0.19+3*0.18+3*0.17+3*0.15+4*0.1+7*0.01=3.14(bit/sign)编码效率：η=R X H )(=-KX H )(=14.361.2=83.1%5.2对习题5.1的信源二进制费诺码，计算器编码效率。

⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛0.01 0.1 0.15 0.17 0.18 0.19 2.0 )(7654321a a a a a a a X P X 解：Xi)(i X P 编码码字ik 1X 0.2000022X 0.191001033X 0.18101134X 0.17101025X 0.151011036X 0.110111047X 0.01111114%2.9574.2609.2)()(74.2 01.0.041.0415.0317.0218.0319.032.02 )(/bit 609.2)(1.5=====⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯===∑KX H R X H X p k K sign X H ii i η已知由5.3、对信源⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛01.01.015.017.018.019.02.0)(7654321x x x x x x x X P X 编二进制和三进制赫夫曼码，计算各自的平均码长和编码效率。

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，先用转移概率求稳固状态下二个状态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431)(=x p 412)(=x p马尔可夫信源熵H = ∑∑-IJi j i jix x p x xp x p )(log )()( 得 H=0.689bit/符号2．设有一个无经历信源发出符号A 和B ，已知4341)(.)(==B p A p 。

求：①计算该信源熵；②设该信源改成发出二重符号序列消息的信源，采纳费诺编码方式，求其平均信息传输速度； ③又设该信源改成发三重序列消息的信源，采纳霍夫曼编码方式，求其平均信息传输速度。

解：①∑-=Xiix 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别离为1614141)(=⨯=AA p 1634341)(=⨯=AB p1634143)(=⨯=BA p 1694343)(=⨯=BB p用费诺编码方式 代码组 b i BB 0 1 BA 10 2 AB 110 3 AA 111 3无经历信源 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BX H R )(22==0.963 bit/码元时刻③三重符号序列消息有8个,它们的概率别离为641)(=AAA p 643)(=AAB p 643)(=BAA p 643)(=ABA p 649)(=BBA p 649)(=BAB p 649)(=ABB p 6427)(=BBB p用霍夫曼编码方式 代码组 b iBBB 6427 0 0 1 BBA 649 0 )(6419 1 110 3BAB 649 1 )(6418 )(644 1 101 3ABB 649 0 0 100 3AAB 6431 )(6461 11111 5 BAA 643 0 1 11110 5ABA6431 )(6440 11101 5 AAA641 0 11100 5)(3)(3X H X H ==2.436 bit/三重符号序列 3B =2.469码元/三重符号序列3R =BX H )(3=0.987 bit/码元时刻3．已知符号集合{ 321,,x x x }为无穷离散消息集合，它们的显现概率别离为 211)(=x p ，412)(=x p 813)(=x p ···ii x p 21)(=···求： ① 用香农编码方式写出各个符号消息的码字（代码组）； ② 计算码字的平均信息传输速度； ③ 计算信源编码效率。

第五章课后习题【5.1】某信源按43)0(=P ，41)1(=P 的概率产生统计独立的二元序列。

（1）试求0N ，使当0N N >时有01.005.0)()(≤≥−S H N I P i α 式中，)(S H 是信源的熵。

（2）试求当0N N =时典型序列集N G ε中含有的信源序列个数。

解：（1）该信源的信源熵为811.0)(log )()(=−=∑i i s p s p S H 比特/符号自信息的方差为4715.0811.04log 4134log 43)()]([)]([22222=−+=−=S H s I E s I D i i 根据等长码编码定理，我们知道δεα−≤≥−1)()(S H N I P i 根据给定条件可知，05.0=ε，99.0=δ。

而[]2)(εδN s I D i =因此[]5.19099.0*05.04715.0)(220==≥δεi s I D N 取1910=N 。

（2）ε典型序列中信源序列个数取值范围为：])([])([22)1(εεεδ+−<<−S H N N S H N G代入上述数值得451.164351.1452201.0<<×N G ε【5.2】有一信源，它有六个可能的输出，其概率分布如下表所示，表中给出了对应的码A 、B 、C 、D 、E 和F 。

表5.2消息 )(i a P A B C D E F 1a 1/2 000 0 0 0 0 0 2a 1/4 001 01 10 10 10 100 3a 1/16 010 011 110 110 1100 101 4a 1/16 011 0111 1110 1110 1101 110 5a 1/16 100 01111 11110 1011 1110 111 6a1/1610101111111111011011111011（1） 求这些码中哪些是惟一可译码； （2） 求哪些码是非延长码（即时码）； （3） 求对所有惟一可译码求出其平均码长L 。

第1讲2、信息论创始人是谁？香农。

3、信息和消息、信号有什么联系与区别？从信息理论角度上看，信号是消息的载体，信息含藏在消息之中，有信号有消息不一定有信息。

4、通信系统的主要性能指标是什么？ 有效性、可靠性和安全性。

5、举例说明信息论有哪些应用？为信息传送和处理系统提供数学模型和评估方法，在通信和信息处理领域是一门基础理论，在其它领域如语言学、生物学、医学、神经网络、经济学方面的应用也很成功。

具体应用实例有：语音、图像和数据信息的压缩，通信信道有效性和可靠性的提高，或信道传输功率指标要求的降低，通信或计算机系统可靠性和安全性的提高，信息处理领域的信号重建和模式识别等。

2.4 （求车牌自信息量）某车牌号的概率是(1/26)3×(1/10)3，24bit/牌，后一种概率为(1/36)6，31bit/牌， 第2讲设二元对称信道的传递矩阵(条件概率矩阵)为⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡32313132若P(0) = 3/4, P(1) = 1/4，求H(X), H(Y), H(X/Y), H(Y/X)和I(X;Y)；先求P(Y)=∑X P(XY)和P(XY)=P(X)P(Y|X)，再得各种熵和互信息。

H(X)=H(3/4,1/4), H(Y)=H(7/12,5/12);H(XY)=H(1/2,1/4,1/12,1/6); H(X/Y)=H(XY)-H(Y)H(Y/X)=H(XY)-H(X)；或H(Y/X)=∑P(X=a)H(Y/a)=H(3/4,1/4) I(X;Y)=H(X)-H(X/Y)=H(X)+H(Y)-H(XY)； 2.2（求条件信息量）1.6米以上女孩是条件，某个1.6米以上的女大学生是概率事件，得条件概率为：P=0.25×0.75/0.5=0.375=3/8，信息量为I= -log0.375=1.42比特。

2.52.10(1)(2)（由联合概率分布求熵、联合熵和条件熵）（1）思路：先求出X 、Y 、Z 、XZ 、YZ 、XYZ 的概率或联合分布，再求其熵。

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431)(=x p 412)(=x p 马尔可夫信源熵H = ∑∑-IJi j i jix x p x xp 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4341)(.)(==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∑-=Xiix 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1614141)(=⨯=AA p 1634341)(=⨯=AB p 1634143)(=⨯=BA p 1694343)(=⨯=BB p 用费诺编码方法 代码组 b iBB 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BX 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641)(=AAA p 643)(=AAB p 643)(=BAA p 643)(=ABA p 649)(=BBA p 649)(=BAB p 649)(=ABB p 6427)(=BBB p用霍夫曼编码方法 代码组 b i BBB 6427 0 0 1 BBA 649 0 )(6419 1 110 3 BAB 649 1 )(6418)(644 1 101 3 ABB 649 0 0 100 3AAB 643 1 )(646 1 11111 5 BAA 643 0 1 11110 5ABA 643 1 )(6440 11101 5AAA 6410 11100 5)(3)(3X H X H ==2.436 bit/三重符号序列 3B =2.469码元/三重符号序列3R =BX H )(3=0.987 bit/码元时间 3．已知符号集合{ 321,,x x x }为无限离散消息集合，它们的出现概率分别为 211)(=x p ，412)(=x p 813)(=x p ···i i x p 21)(=···求： ① 用香农编码方法写出各个符号消息的码字（代码组）； ② 计算码字的平均信息传输速率； ③ 计算信源编码效率。

3-1 设有一离散无记忆信源，其概率空间为12()0.60.4X x x P x ⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦，信源发出符号通过一干扰信道，接收符号为12{,}Y y y =，信道传递矩阵为51661344P ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦，求： （1） 信源X 中事件1x 和2x 分别含有的自信息量；（2） 收到消息j y （j ＝1，2）后，获得的关于i x （i ＝1，2）的信息量； （3） 信源X 和信宿Y 的信息熵；（4） 信道疑义度(/)H X Y 和噪声熵(/)H Y X ； （5） 接收到消息Y 后获得的平均互信息量(;)I X Y 。

解：（1）12()0.737,() 1.322I x bit I x bit ==（2）11(;)0.474I x y bit =，12(;) 1.263I x y bit =-，21(;) 1.263I x y bit =-，22(;)0.907I x y bit =（3）()(0.6,0.4)0.971/H X H bit symbol ==()(0.6,0.4)0.971/H Y H bit symbol ==（4）()(0.5,0.1,0.1,0.3) 1.685/H XY H bit symbol ==(/) 1.6850.9710.714/H X Y bit symbol =-= (/)0.714/H Y X bit symbol =（5）(;)0.9710.7140.257/I X Y bit symbol =-=3-2 设有扰离散信道的输入端是以等概率出现的A 、B 、C 、D 四个字母。

该信道的正确传输概率为0.5，错误传输概率平均分布在其他三个字母上。

验证在该信道上每个字母传输的平均信息量为0.21比特。

证明：信道传输矩阵为：11112666111162661111662611116662P ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦，信源信宿概率分布为：1111()(){,,,}4444P X P Y ==， H(Y/X)=1.79（bit/符号），I(X;Y)=H(Y)- H(Y/X)=2-1.79=0.21（bit/符号）3-3 已知信源X 包含两种消息：12,x x ，且12()() 1/2P x P x ==，信道是有扰的，信宿收到的消息集合Y 包含12,y y 。

1、 熵 是香农信息论最基本最重要的概念。

2、 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。

3、 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 。

4、 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 。

5、 对于n 元m 阶马尔可夫信源，其状态空间共有 n m 个不同的状态。

6、 若一离散无记忆信源的信源熵H （X ）等于4.2，对信源进行等长的无失真二进制编码，则编码长度至少为 5 。

7、 同时掷两个正常的骰子，各面呈现的概率都为1/6，则“3和6同时出现”这件事的自信息量是 log 218或（1+2 log 23）。

8、 一副充分洗乱的扑克牌（52张），从中任意抽取1张，然后放回，若把这一过程看作离散无记忆信源，则其信源熵为 52log 2 。

9、 具有一一对应关系的无噪信道的信道容量C= log 2n 。

10、 信道编码定理是一个理想编码的存在性定理，即：信道无失真传递信息的条件是 信息率小于信道容量 。

11、 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 越大 ，获得的信息量就越小12、 平均失真度的下限取0的条件是失真矩阵的 每一行至少有一个零元素 。

13、 率失真函数对允许的平均失真度是 单调递减和连续的 。

14、 对于离散无记忆信源的率失真函数的最大值是 log 2n 。

15、 信源编码的目的是： 提高通信的有效性 。

16、 对具有8个消息的单符号离散无记忆信源进行4进制哈夫曼编码时，为使平均码长最短，应增加 2 个概率为0的消息。

17、 对于香农编码、费诺编码和哈夫曼编码，编码方法惟一的是 香农编码 。

18、 游程序列的熵 等于 原二元序列的熵。

19、 n 位重复码的编码效率是 1/n 。

20、 若纠错码的最小距离为d min ，则可以纠正任意小于等于t= ⎥⎦⎥⎢⎣⎢-21min d 个差错。

第1章 绪论1-2 设信源X 由4个符号a,b,c,d 组成，各符号出现概率分别为3/8，1/4，1/8，1/4，每个符号的出现是独立的，求（1）信源熵H(X)；(2)一个消息babcacaddabbcdcaabdcb 的信息量I 。

解：（1）符号/bit .log log log log )x (p log )x (p )x (H i i i 906141418181414183832222241=----=-=∑= （2）4148154168362222412log log log log )x (p log N I i i i ----=-=∑=bit ..494381512498=+++=若 bit ..)x (H 0264021906121=⨯=⨯个符号 是统计平均，与题意不符，为错的。

1-4 八进制数字信号在3分钟内共传送72000个码元，求码元速率和每个码元所含的信息量。

解：码元速率： B R B 40060372000=⨯=每个码元所含的信息量：bit log I 382==1-5 已知信源X 含有两个符号x 1，x 2，它们的出现概率分别为p(x 1)=q ，p(x 2)=1-q ，设信源每秒向信道发出1000个符号，求此无扰离散信道的信道容量。

解：符号/bit )q (log )q (q log q )x (p log)x (p )x (H i i i----=-=∑=1122212当21=q 时，信源熵有最大值：符号/bit H max 1= 每秒发送1000个符号，所以最大信息速率：s /bit R max b =⨯=10001信道容量：s /bit R C max b 1000==第2章 预备知识2-4 （a ）试写出图P2-3（a ）所示方波波形的复数傅里叶级数表示式；（b ）用（a ）中所得结果写出图P2-3（b ）所示三角形波的复数傅里叶级数表示式。

解：（a ）t n j n e n Aj t f 0)12(1)12(2)(ωπ+∞-∞=∑⋅+= （b ）∑∞-∞=+⋅++=n t n j e n AT AT t f 0)12(22002)12(4)(ωπ2-9 已知)(t f 的频谱函数如图P2-5所示，画出t t fcos )(ω的频谱函数图，设τωω50=。

4。

1 某集源按P （0)=3/4，P(1）=1/4的概率产生统计独立的二元序列.(1) 试求N 0，使当N>N 0时有： P ｛｜I(a i )/N －H(S ）｜ ≥0.05}≤0.01其中H （S)是信源的熵。

(2)试求当N= N 0时典型序列集G εN 中含有的信源序列个数.解：(1) H(S)= —∑Pi ㏒Pi= -3/4㏒(3/4)—1/4㏒(1/4） =0.811 比特/符号根据契比雪夫不等式，对于任意ε＞0，当N ＞N0时，P ｛∣I(αi)/N – H(S ）∣≥ε｝≤D[I(Si ）］/N ε2现有ε=0.05,欲证原式，只要 D ［I(Si ）]/N ε2≤0。

01根据信源，D ［I （Si)]=∑P （Si ）［㏒P(Si)］2– H 2（S)=3/4（㏒3/4)2+1/4（㏒1/4)2—(0。

811)2=0。

471∴N0= D[I(Si)]/0。

01ε2=0.471/0。

01×（0.05)2=18840(2) 序列G εN 是所有N 长的ε典型序列集合，（1-δ）2N ［H （S ）—ε]≤‖G εN ‖≤2N[H （S ）-ε]0.99×214342。

5≤‖G εN ‖≤216226。

54。

2 设无记忆二元信源，其概率为P1=0.005, P0=0。

995.信源输出N ＝100的二元序列.在长为N ＝100的信源序列中只对含有3个或小于3个“1”的各信源序列构成一一对应的一组等长码。

（1）求码字所需的最小长度。

（2）计算式（4.27a ）中的ε。

(3）考虑没有给予编码的信源序列出现的概率，该等长码引起的错误概率PE 是多少？若从契比雪夫不等式（4。

22）考虑，PE 应是多少？试加以比较。

解：（1）无记忆二元信源()⎢⎣⎡⎥⎦⎤=⎢⎣⎡⎥⎦⎤005.0995.01,0i s P S N=100的扩展信源()()()()()⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⨯⨯=====⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤--N N N N NN N N i N N N P S 005.0,005.0995.0005.0995.0,995.0111,1011010001121221，，，，，－ ααααα 现只对含有3个或小于3个“1”的各信源序列构成一一对应的一组二元等长码。

5.1 设信源⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡01.01.015.017.018.019.02.0)(7654321x x x x x x x X P X (1) 求信源熵H(X)； (2) 编二进制香农码；(3) 计算平均码长和编码效率。

解： (1)symbolbit x p x p X H i i i /609.2)01.0log 01.01.0log 1.015.0log 15.017.0log 17.018.0log 18.019.0log 19.02.0log 2.0()(log )()(2222222712=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯-=-=∑=%1.8314.3609.2)()(14.301.071.0415.0317.0318.0319.032.03)(=====⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑KX H R X H x p k K ii i η5.2 对信源⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡01.01.015.017.018.019.02.0)(7654321x x x x x x x X P X 编二进制费诺码，计算编码效率。

%2.9574.2609.2)()(74.201.041.0415.0317.0218.0319.032.02)(=====⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑KX H R X H x p k K ii i η5.3 对信源⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡01.01.015.017.018.019.02.0)(7654321x x x x x x x X P X 编二进制和三进制哈夫曼码，计算各自的平均码长和编码效率。

解：%9.9572.2609.2)()(72.201.041.0415.0317.0318.0319.022.02)(=====⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑KX H R X H x p k K ii i η%4.913log 8.1609.2log )()(8.1)01.01.015.017.018.019.0(22.01)(22=⨯====+++++⨯+⨯==∑m LK X H R X H x p k K ii i η5.4 设信源⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡12811281641321161814121)(87654321x x x x x x x x X P X (1) 求信源熵H(X)；(2) 编二进制香农码和二进制费诺码；(3) 计算二进制香农码和二进制费诺码的平均码长和编码效率； (4) 编三进制费诺码；(5) 计算三进制费诺码的平均码长和编码效率；解： (1)symbolbit x p x p X H i i i /984.1128log 1281128log 128164log 64132log 32116log 1618log 814log 412log 21)(log )()(22222222812=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯=-=∑==127/64 bit/symbol (2)二进制费诺码：香农编码效率：%100984.1984.1)()(64/127984.17128171281664153214161381241121)(======⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑KX H R X H x p k K ii i η费诺编码效率：%100984.1984.1)()(984.17128171281664153214161381241121)(=====⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑KX H R X H x p k K ii i η(5)%3.943log 328.1984.1log )()(328.14128141281364133212161281141121)(22=⨯=⋅===⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑m K X H R X H x p k K ii i η5.5 设无记忆二进制信源⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡1.09.010)(X P X先把信源序列编成数字0，1，2，……，8，再替换成二进制变长码字，如下表所示。