第7章 限失真信源编码
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第七章 信源编码7-1已知某地天气预报状态分为六种:晴天、多云、阴天、小雨、中雨、大雨。
① 若六种状态等概出现,求每种消息的平均信息量及等长二进制编码的码长N 。
② 若六种状态出现的概率为:晴天—;多云—;阴天—;小雨—;中雨—;大雨—。
试计算消息的平均信息量,若按Huffman 码进行最佳编码,试求各状态编码及平均码长N 。
解: ①每种状态出现的概率为6,...,1,61==i P i因此消息的平均信息量为∑=-===6122/58.26log 1log i ii bit P P I 消息 等长二进制编码的码长N =[][]316log 1log 22=+=+L 。
②各种状态出现的概率如题所给,则消息的平均信息量为6212222221log 0.6log 0.60.22log 0.220.1log 0.10.06log 0.060.013log 0.0130.007log 0.0071.63/i i iI P P bit -== = ------ ≈ ∑消息Huffman 编码树如下图所示:由此可以得到各状态编码为:晴—0,多云—10,阴天—110,小雨—1110,中雨—11110, 大雨—11111。
平均码长为:6110.620.2230.140.0650.01350.0071.68i ii N n P == =⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯ =∑—7-2某一离散无记忆信源(DMS )由8个字母(1,2,,8)i X i =⋅⋅⋅组成,设每个字母出现的概率分别为:,,,,,,,。
试求:① Huffman 编码时产生的8个不等长码字; ② 平均二进制编码长度N ; ③ 信源的熵,并与N 比较。
解:①采用冒泡法画出Huffman 编码树如下图所示可以得到按概率从大到小8个不等长码字依次为:0100,0101,1110,1111,011,100,00,1087654321========X X X X X X X X②平均二进制编码长度为8120.2520.2030.1530.1240.140.0840.0540.052.83i ii N n P == =⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯ =∑ ③信源的熵∑=≈-=81279.2log)(i i i P P x H 。
信息论的旅程本章将着重讨论允许一定失真的条件下可把信源信 息压缩到什么程度。
第七章 限失真信源编码三、信源的输出中含 有多少信息?四、传输信息的最高速 率(信道容量)2009-12-22五、无失真信源编码 六、有噪信道编码 九、实际信道编码方法七、限失真信源编码2主要内容1.1 概述 失真产生的原因信道噪声的干扰使得信息传输过程会产生差错; 当信息传输率超过信道容量时,必然产生差错; 信源熵是信源无失真压缩的极限,若再继续压缩 则会带来失真。
基本概念1. 概述 1. 概述 2. 系统模型 2. 系统模型失真测度 信息率失真函数 限失真信源编码定理3失真存在的合理性信宿的灵敏度和分辨率是有限的,不要求绝对无 失真; 允许失真的存在,可以提高信息传输率,从而降 低通信成本。
41.1 概述(续)1.2 系统模型 – 只讨论信源编码问题信源 编码 信道 编码 信道 干扰 信道 译码 信源 译码无失真信源压缩的极限:信源的信息熵 本章的研究内容在允许一定程度失真的条件下,能够把信 源信息压缩到什么程度,即最少需要多少 比特才能描述信源。
研究方法用研究信道的方法,来研究有失真信源压 缩问题。
5信源X 试验信道P(Y | X )Y 失真信源无失真 信源编码信道 编码61主要内容失真函数 d (x, y )2.1 失真测度 – 失真函数基本概念非负函数;函数形式可根据需要定义 1. 失真函数 1. 失真函数 2. 平均失真 2. 平均失真 定量描述发出符号与接收符号之间的差异 (失真)x2 L ⎡ X ⎤ ⎡ x1 ⎢ P ⎥ = ⎢ p(x ) p(x ) L ⎣ ⎦ ⎣ 1 2 xn ⎤ p(xn )⎥ ⎦失真测度信息率失真函数 限失真信源编码定理7Y : {y1 , y 2 , L , y m }失真矩阵⎡ d (x1,y1 ) d ( x1,y2 ) L d ( x1,ym )⎤ ⎢d ( x ,y ) d ( x ,y ) L d ( x ,y )⎥ 2 2 2 m ⎥ D=⎢ 2 1 ⎢ M ⎥ M M ⎢ ⎥ d (xn ,y1 ) d ( xn ,y2 ) L d ( xn ,ym )⎦ ⎣82.1 失真测度 – 失真函数(续)常用的失真函数有: (1) 汉明失真2.1 失真测度 – 失真函数 – 例题例7.1 设信道输入 X = {0,1},输出 Y = {0, ?,1} ,规定失 真函数 d(0, 0) = d(1, 1) = 0, d(0, 1) = d(1, 0) = 1, d(0, ?) = d(1, ?) = 0.5,求 D 。
7.1 设输入符号集为}1 ,0{=X ,输出符号集为}1 ,0{=Y 。
定义失真函数为
1
)0,1()1,0(0)1,1()0,0(====d d d d
试求失真矩阵D 。
解:
041
041041041),(min )(43
0411********),()(min min min max =⨯+⨯+⨯+⨯===
⨯+⨯+⨯+⨯===∑∑i j i j i i
j i i j j y x d x p D y x d x p D D
7.2 设输入符号集与输出符号集为}3 ,2 ,1 ,0{==Y X ,且输入信源的分布为
)3 ,2 ,1 ,0( 4
1
)(===i i X p
设失真矩阵为
[]⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢
⎢⎣⎡=01
11
101111011110d 求D max 和D min 及R(D)。
解:
041
041041041),(min )(43
0411********),()(min min min max =⨯+⨯+⨯+⨯===
⨯+⨯+⨯+⨯===∑∑i
j i j i i
j i i j j y x d x p D y x d x p D D
因为n 元等概信源率失真函数:
⎪⎭
⎫
⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-+=a D a D n a D a D n D R 1ln 11ln ln )(
其中a = 1, n = 4, 所以率失真函数为:
()()D D D
D D R --++=1ln 13
ln
4ln )( 7.3 利用R(D)的性质,画出一般R(D)的曲线并说明其物理含义?试问为什么R(D)是非负且非增的? 解:
函数曲线:
D
其中:
sym bol
nat D R D sym bol
nat D R D sym bol
nat D R D sym bol
nat R D /0)(,4
3
/12ln 21
4ln )(,21/3
16ln 214ln )(,41/4ln )0(,0==-==-==== 7.4 设二元信源为
⎭⎬⎫⎩
⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2/12/110
P X
其失真矩阵为
[]⎥⎦
⎤⎢
⎣⎡=a a d 00 求这个信源的D min 和D max 及率失真函数R(D)。
解:
021
021),(min )(202121),()(min min min max =⨯+⨯===
⨯+⨯===∑∑i
j i j i i
j i i j j y x d x p D a
a y x d x p D D
因为二元等概信源率失真函数:
⎪⎭
⎫
⎝⎛-=a D H n D R ln )(
其中n = 2, 所以率失真函数为:
⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=a D a D a D a D D R 1ln 1ln 2ln )(。