信息论与编码理论-第3章信道容量-习题解答-071102

信息论与编码理论-第3章信道容量-习题解答-071102(总11页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--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：{，} 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。

3.1设信源()12345670.20.190.180.170.150.10.01X a a a a a a a P X ⎛⎫⎧⎫=⎨⎬ ⎪⎩⎭⎝⎭ (1) 求信源熵()H X (2) 编二进制香农码(3) 计算平均码长及编码效率。

答：(1)根据信源熵公式()()()()21log 2.6087bit/symbol i i i H X p a p a ==−=∑(2)利用到3个关键公式：①根据()()()100,0i a i k k p a p a p a −===∑计算累加概率；②根据()()*22log 1log ,i i i i p a k p a k N −≤<−∈计算码长；③根据()a i p a 不断地乘m 取整（m 表示编码的进制），依次得到的i k 个整数就是i a 对应的码字根据①②③可得香农编码为(3)平均码长公式为()13.14i i i K p a k ===∑单符号信源L =1，以及二进制m =2, 根据信息率公式()2log bit/symbol m KR K L==编码效率()83.08%H X Rη==3.2对习题3.1的信源编二进制费诺码，计算其编码效率答：将概率从大到小排列，且进制m=2,因此，分成2组（每一组概率必须满足最接近相等）。

根据平均码长公式为()12.74i iiK p a k===∑单符号信源L=1，以及二进制m=2, 根据信息率公式()2log bit/symbolmKR KL==编码效率（信源熵看题3.1）()95.21%H XRη==3.3对习题3.1的信源编二进制赫夫曼码，计算平均码长和编码效率答：将n个信源符号的概率从大到小排列，且进制m=2。

从m个最小概率的“0”各自分配一个“0”和“1”，将其合成1个新的符号，与其余剩余的符号组成具有n-1个符号的新信源。

排列规则和继续分配码元的规则如上，直到分配完所有信源符号。

必须保证两点：(1)当合成后的信源符号与剩余的信源符号概率相等时，将合并后的新符号放在靠前的位置来分配码元【注：“0”位表示在前，“1”表示在后】，这样码长方差更小；(2)读取码字时是从后向前读取，确保码字是即时码。

第三章 信道容量-习题答案3.1 设二元对称信道的传递矩阵为⎥⎦⎤⎢⎣⎡3/23/13/13/2 (1) 若P(0) = 3/4, P(1) = 1/4，求H(X), H(X/Y), H(Y/X)和I(X;Y)； (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；解： 1)symbolbit Y X H X H Y X I symbol bit X Y H Y H X H Y X H X Y H Y H Y X H X H Y X I symbol bit y p Y H x y p x p x y p x p y x p y x p y p x y p x p x y p x p y x p y x p y p symbolbit x y p x y p x p X Y H symbolbit x p X H jj iji j i j i i i / 062.0749.0811.0)/()();(/ 749.0918.0980.0811.0)/()()()/()/()()/()();(/ 980.0)4167.0log 4167.05833.0log 5833.0()()(4167.032413143)/()()/()()()()(5833.031413243)/()()/()()()()(/ 918.0 10log )32lg 324131lg 314131lg 314332lg 3243( )/(log )/()()/(/ 811.0)41log 4143log 43()()(222221212221221211112111222=-==-==+-=+-=-=-==⨯+⨯-=-==⨯+⨯=+=+==⨯+⨯=+=+==⨯⨯+⨯+⨯+⨯-=-==⨯+⨯-=-=∑∑∑∑2)21)(/ 082.010log )32lg 3231lg 31(2log log );(max 222==⨯++=-==i mi x p symbolbit H m Y X I C3.2 解：(1)αα-==1)(,)(21x p x p⎥⎦⎤⎢⎣⎡=4/14/12/102/12/1P ，⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=4/)1(4/)1(2/)1(02/12/1)(αααααj i y x P 4/)1()(,4/14/)(,2/1)(321αα-=+==y p y p y p接收端的不确定度：))1(41log()1(41)4141log()4141()2log(21)(αααα---++-=Y H)1log(41)1log(4123αααα---++-= (2))4log()1(41)4log()1(41)2log()1(210)2log(21)2log(21)|(ααααα-+-+-+++=X Y H α2123-= (3))|()();(X Y H Y H Y X I -=);(max )()(Y X C i x p =α,0)(=ααC d d,得到5/3=α 161.0)5/3();max(===C Y X C 3.3∑==⨯++=+=21919.001.0log 01.099.0log 99.02log log )log(j ij ij p p m C0.919*1000=919bit/s 3.4⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=εεεε-10-10001ij p2/1)()(0)(321===a p a p a p 0)(1=b p2/12/1)1(2/100)|()(),()(222=⨯+-⨯+⨯===∑∑εεi ii ii a b p a p b a p b p2/1-12/12/100)|()(),()(333=⨯+⨯+⨯===∑∑）（εεi ii ii a b p a p b a p b p)()|(log)|();(j i j ji j i b p a b p a b p Y a I ∑=0);(1=Y a Iεεεε2log )1(2log )1(0)()|(log)|();(222+--+==∑j j jj b p a b p a b p Y a I )1(2log )1(2log 0)()|(log)|();(333εεεε--++==∑j j jj b p a b p a b p Y a I当0=ε，1=C 当2/1=ε，0=C 3.5两个信道均为准对称DMC 信道设输入符号概率αα-==1)(,)(21a p a p ， （1） 对于第一种信道的联合概率的矩阵为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡---------)1(2)1)(1()1)((2)()1(αεαεαεεααεαεp p p p⎥⎦⎤⎢⎣⎡---)()1(εαεp p 3.6⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=2/1002/12/12/10002/12/10002/12/1P 121log 2121log 214log log )log(41=++=+=∑=ij j ij p p m C3.7解：(1)从已知条件可知：3,2,1,3/1)(==i x p i ，且转移概率⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=0109101103103525110321)|(i j x y p ，则联合概率⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡==010330110110115215110161)()|(i i j ij x p x y p p ，因为：),()(∑=ij i j y x p y p ，可计算得到31)(1=y p ，21)(2=y p ，61)(3=y p499.16log 612log 213log 31)(=++=Y H(2)175.1910log 10310log 301310log 101310log10125log 1525log 151310log 1012log 61)|(log )()|(=+++++++=-=∑iji j j i x y p y x p X Y H (3)当接收为2y ，发送为2x 时正确，如果发送为1x 和3x 为错误，各自的概率为： 5/1)|(21=y x p ，5/1)|(22=y x p ，5/3)|(23=y x p 它的错误概率为：5/4)|()|(2321=+=y x p y x p p e(4)从接收端看到的平均错误概率为：===∑∑≠≠ji ij ji j i j e p y x p y p p )|()(收733.010/115/110/310/130/115/2=+++++(5)从发送端看到的平均错误概率为：===∑∑≠≠ji ij ji i j i e p x y p x p p )|()(发733.010/115/110/310/130/115/2=+++++(6)此信道不好，因为信源等概率分布，从转移信道来看，正确发送的概率11y x >-为0.5，有一半失真；22y x >-为0.3，严重失真；33y x >-为0，完全失真。

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 。

3.1 设信源⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡4.06.0)(21x x X P X通过一干扰信道，接收符号为Y = { y1, y2 }，信道转移矩阵为⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡43416165，求： (1) 信源X 中事件x 1和事件x 2分别包含的自信息量；(2) 收到消息y j (j=1,2)后，获得的关于x i (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) 接收到信息Y 后获得的平均互信息量。

解： 1)bitx p x I bit x p x I 322.14.0log)(log)( 737.06.0log )(log )(22222121=-=-==-=-=2)bity p x y p y x I bit y p x y p y x I bit y p x y p y x I bity p x y p y x I x y p x p x y p x p y p x y p x p x y p x p y p 907.04.04/3log)()/(log);( 263.16.04/1log)()/(log );( 263.14.06/1log )()/(log );( 474.06.06/5log )()/(log );(4.0434.0616.0)/()()/()()(6.0414.0656.0)/()()/()()(222222221212122212221211121122212122121111===-===-=======⨯+⨯=+==⨯+⨯=+=3)symbolbit y p y p Y H symbolbit x p x p X H jj j ii i / 971.010log )4.0log 4.06.0log 6.0()(log )()(/ 971.010log )4.0log 4.06.0log 6.0()(log )()(22=+-=-==+-=-=∑∑4)symbolbit Y H X Y H X H Y X H Y X H Y H X Y H X H symbolbit x y p x y p x p X Y H iji j i j i / 715.0971.0715.0971.0 )()/()()/()/()()/()(/ 715.0 10log )43log434.041log414.061log616.065log656.0( )/(log )/()()/(2=-+=-+=∴+=+=⨯⨯+⨯+⨯+⨯-=-=∑∑5)symbol bit Y X H X H Y X I / 256.0715.0971.0)/()();(=-=-=3.2 设二元对称信道的传递矩阵为⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡32313132 (1) 若P(0) = 3/4, P(1) = 1/4，求H(X), H(X/Y), H(Y/X)和I(X;Y)； (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；解： 1)symbolbit Y X H X H Y X I symbol bit X Y H Y H X H Y X H X Y H Y H Y X H X H Y X I symbolbit y p Y H x y p x p x y p x p y x p y x p y p x y p x p x y p x p y x p y x p y p symbolbit x y p x y p x p X Y H symbolbit x p X H jj iji j i j i ii / 062.0749.0811.0)/()();(/ 749.0918.0980.0811.0)/()()()/()/()()/()();(/ 980.0)4167.0log4167.05833.0log5833.0()()(4167.032413143)/()()/()()()()(5833.031413243)/()()/()()()()(/ 918.0 10log )32lg 324131lg 314131lg 314332lg 3243()/(log )/()()/(/ 811.0)41log4143log43()()(222221212221221211112111222=-==-==+-=+-=-=-==⨯+⨯-=-==⨯+⨯=+=+==⨯+⨯=+=+==⨯⨯+⨯+⨯+⨯-=-==⨯+⨯-=-=∑∑∑∑2)21)(/ 082.010log)32lg 3231lg 31(2loglog );(max 222==⨯++=-==i mi x p symbolbit H m Y X I C3.3 设有一批电阻，按阻值分70%是2K Ω，30%是5 K Ω；按瓦分64%是0.125W ，其余是0.25W 。

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)。

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：{，}注意单位3-4 设BSC 信道的转移概率矩阵为112211Q εεεε-⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦1）写出信息熵()H Y 和条件熵(|)H Y X 的关于1()H ε和2()H ε表达式，其中()log (1)log(1)H εεεεε=----。

3.1 设信源⎥⎦⎤⎢⎣⎡)(x P X =⎥⎦⎤⎢⎣⎡4.06.021x x 通过一干扰信道，接收符号Y=[]21y y ,信道传递概率如图3.33所示。

求：（1） 信源X 中事件x1,和x2分别含有的自信息。

（2） 收到消息yj(j=1,2)后，获得的关于xi(i=1,2)的信息量。

（3） 信源X 和信源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。

解：（1）由定义得：I （X1）= －log0.6=0.74bitI （X2）= －log0.4=1.32bit（2）P （y1）= 0.6×5/6＋0.4×3/4=0.8 P （y2）= 0.6×1/6＋0.4×1/4=0.2I （xi ；xj ）= I （xi ）－I （xi|yj ）=log[P （xi|yj ）/p （xi ）]= log[P （yj|xi ）/p （yj ）]则 I （x1；y1）= log[P （y1|x1）/p （y1）]=log5/6/0.8=0.059bit I （x1；y2）= log[P （y2|x2）/p （y2）]=log1/6/0.2=-0.263bit I （x2；y1）= log[P （y1|x2）/p （y1）]=log3/4/0.8=-0.093bit I （x2；y2）= log[P （y2|x2）/p （y2）]=log1/4/0.2=0.322bit（3）由定义显然 H （X ）=0.97095bit/符号H （Y ）=0.72193bit/符号（4）H （Y|X ）=∑P （xy ）log[1/P （y|x ）]=2211i j ==∑∑p （xi ）P （yj|xi ）log[1/P （yj|xi ）]=0.6·5/6·log6/5+0.6·1/6·log6+0.4·3/4·log4/3+0.4·1/4·log4 =0.7145bit/符号H （X|Y ）= H （X ）+H （Y|X ）－H （Y ）=0.9635bit/符号(5) I （X ；Y ）= H （X ）－H （X|Y ）=0.00745 bit/符号图3.1 二元信道1/63/41/45/6x 1y 1y 2x 23.2设8个等概率分布的消息通过传递概率为p 的BSC 进行传送。

第三章习题参考答案3-1 离散无记忆信道如图3.10所示，输入X 取值空间为，信道干扰的概率空间为求信道容量和最佳分布。

图3.10解：设X 的概率分布为根据ZX ⊕=Y可以算出条件转移概率矩阵为⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=αααα11P X |Y这是一个完全对称的信道，信道容量为）-1（）-1（1)(2C αααααlb lb H lb ++=-= 最佳分布为等概率分布，即）5.0,5.0（3-2写出图3.11所示离散无记忆信道的条件转移矩阵，并求信道容量和最佳分布。

图3.11解：信道的条件转移概率为⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=4341031313104143P 观察1、3行，可以发现是相互置换的。

设信道输入为）5.0，0,5.0（，可以计算出相应概率p(bj),83)()(31==b p b p 41)(2=b p 平均互信息量为83)()|()|()()|()|()()|()|();(I 3131321212111111=++=b p a b p lb a b p b p a b p lb a b p b p a b p lb a b p Y a同理可以计算出3);(I2lb Y a -=，83);(I 3=Y a ，根据信道容量性质可知由于);(I );(I33Y a Y a =，且03);(I 2<-=lb Y a ，所以信道容量为83);(IC 1==Y a ，而最佳分布为）5.0，0,5.0（。

3-3 在某离散无记忆信道上传输二进制符号0和1，由于受到随机干扰影响，符号传输出现差错，每传输1000个符号会出现2个错误，假设每秒钟允许传输1000个符号，求该信道的信道容量。

解：信道的条件转移概率矩阵为⎥⎦⎤⎢⎣⎡=998.0002.0002.0998.0P信道容量为 98.0)002.0(2C =-=H lb 比特/符号，每秒钟的信道容量为9801000*98.0CN C t === 比特/秒3-4 如图3.12所示的信道，写出条件转移矩阵，求出信道容量和最佳分布，并且求出当和时的信道容量。

第三章 信道容量-习题答案3.1 设二元对称信道的传递矩阵为⎥⎦⎤⎢⎣⎡3/23/13/13/2 (1) 若P(0) = 3/4, P(1) = 1/4，求H(X), H(X/Y), H(Y/X)和I(X;Y)； (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；解： 1)symbolbit Y X H X H Y X I symbol bit X Y H Y H X H Y X H X Y H Y H Y X H X H Y X I symbol bit y p Y H x y p x p x y p x p y x p y x p y p x y p x p x y p x p y x p y x p y p symbolbit x y p x y p x p X Y H symbolbit x p X H jj iji j i j i i i / 062.0749.0811.0)/()();(/ 749.0918.0980.0811.0)/()()()/()/()()/()();(/ 980.0)4167.0log 4167.05833.0log 5833.0()()(4167.032413143)/()()/()()()()(5833.031413243)/()()/()()()()(/ 918.0 10log )32lg 324131lg 314131lg 314332lg 3243( )/(log )/()()/(/ 811.0)41log 4143log 43()()(222221212221221211112111222=-==-==+-=+-=-=-==⨯+⨯-=-==⨯+⨯=+=+==⨯+⨯=+=+==⨯⨯+⨯+⨯+⨯-=-==⨯+⨯-=-=∑∑∑∑2)21)(/ 082.010log )32lg 3231lg 31(2log log );(max 222==⨯++=-==i mi x p symbolbit H m Y X I C3.2 解：(1)αα-==1)(,)(21x p x p⎥⎦⎤⎢⎣⎡=4/14/12/102/12/1P ，⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=4/)1(4/)1(2/)1(02/12/1)(αααααj i y x P 4/)1()(,4/14/)(,2/1)(321αα-=+==y p y p y p接收端的不确定度：))1(41log()1(41)4141log()4141()2log(21)(αααα---++-=Y H)1log(41)1log(4123αααα---++-= (2))4log()1(41)4log()1(41)2log()1(210)2log(21)2log(21)|(ααααα-+-+-+++=X Y H α2123-= (3))|()();(X Y H Y H Y X I -=);(max )()(Y X C i x p =α,0)(=ααC d d,得到5/3=α 161.0)5/3();max(===C Y X C 3.3∑==⨯++=+=21919.001.0log 01.099.0log 99.02log log )log(j ij ij p p m C0.919*1000=919bit/s 3.4 3.5 3.6⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=2/1002/12/12/10002/12/10002/12/1P 121log 2121log 214log log )log(41=++=+=∑=ij j ij p p m C3.7(1)联合概率⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=010330110110115215110161ij p ，⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=0103101535152525121)|(j i y x p 31)(0=y p ，21)(1=y p ，61)(3=y p499.16log 612log 213log 31)(=++=Y H(2)175.1910log 30310log 301310log 101310log10152log 1525log 151310log 1012log 61)|(log )()|(=+++++++=-=∑ij i j j i x y p y x p X Y H (3)当接收为2y ，发送为2x 时正确，如果发送为1x 和3x 为错误，各自的概率为： 5/1)|(21=y x p ，5/1)|(22=y x p ，5/3)|(23=y x p它的错误概率为：5/4)|()|(2321=+=y x p y x p p e(4)平均错误概率为：733.010/115/110/310/130/115/2=+++++ (5)同样为0.733 (6)此信道不好，因为信源等概率分布，从转移信道来看，正确发送的概率11y x >-为0.5，有一半失真；22y x >-为0.3，严重失真；33y x >-为0，完全失真。

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 信道模型和信道容量3.1 基本要求通过本章学习，了解信道的模型和分类，掌握信道容量的定义，掌握无噪信道、对称信道的信道容量的计算，了解准对称信道信道容量的计算，了解一般离散无记忆信道（DMC ）达到信道容量的充要条件，掌握DMC 扩展信道的信道容量计算，了解加性高斯噪声信道的信道容量的结论，掌握香农信道容量公式。

3.2 学习要点3.2.1 信道的分类信道是信息传输的通道。

研究信道的目的，主要是为了描述和分析各种不同类型信道的特性，度量其信息的极限传输能力。

信息理论中常用的信道分类方法如下。

（1）根据信道输入/输出信号在时间和幅值上的取值是离散或连续来划分，可分为4类,如表3.1所示。

（2）根据信道的记忆特性划分，可分为2类：无记忆信道：信道当前的输出只与当前的输入有关。

有记忆信道：信道当前的输出不但与当前的输入有关，还与当前时刻以前的输入有关。

（3）根据信道的输入/输出关系是确定关系还是统计依存关系划分，可分为2类： 无噪声信道：信道的输入/输出关系是确定关系。

有噪声信道：信道的输入/输出关系是统计依存关系。

3.2.2 信道的数学模型3.2.2.1 离散无记忆信道（DMC ）的数学模型离散无记忆信道（DMC ）的数学模型如图3.1所示，记为|{,,}Y X X P Y 。

信道的输入X 取值于集合12{,,,}r A a aa = ，输出Y 取值于集合12{,,,}s Bb b b = 。

|{(|)|1,2,,;1,2,,}Y X j i P P b a i r j s === （3.1） 为分析计算方便，常常把所有转移概率排成矩阵：图3.1 离散无记忆信道（DMC ）模型示意图噪声干扰12112111122222|12(|)(|)(|)(|)(|)(|)[](|)(|)(|)ss s Y X r r s r rb b b P b a P b a P b a a P b a P b a P b a a P P b a P b a P b a a ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦（3.2） 转移矩阵中各行s 个转移概率自身是完备的：1(|)1,1,2,,sji j P ba i r ===∑ （3.3）3.2.2.2 扩展信道的数学模型图3.2所示的是N 次扩展信道的模型，其输入和输出均为N 元随机变量序列。

3.1 设信源⎥⎦⎤⎢⎣⎡)(x P X =⎥⎦⎤⎢⎣⎡4.06.021x x 通过一干扰信道，接收符号Y=[]21y y ,信道传递概率如图3.33所示。

求： （1） 信源X 中事件x1,和x2分别含有的自信息。

（2） 收到消息yj(j=1,2)后，获得的关于xi(i=1,2)的信息量。

（3） 信源X 和信源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。

解：（1）由定义得：I （X1）= －log0.6=0.74bitI （X2）= －log0.4=1.32bit（2）P （y1）= 0.6×5/6＋0.4×3/4=0.8 P （y2）= 0.6×1/6＋0.4×1/4=0.2I （xi ；xj ）= I （xi ）－I （xi|yj ）=log[P （xi|yj ）/p （xi ）]= log[P （yj|xi ）/p （yj ）]则 I （x1；y1）= log[P （y1|x1）/p （y1）]=log5/6/0.8=0.059bit I （x1；y2）= log[P （y2|x2）/p （y2）]=log1/6/0.2=-0.263bit I （x2；y1）= log[P （y1|x2）/p （y1）]=log3/4/0.8=-0.093bit I （x2；y2）= log[P （y2|x2）/p （y2）]=log1/4/0.2=0.322bit（3）由定义显然 H （X ）=0.97095bit/符号H （Y ）=0.72193bit/符号 （4）H （Y|X ）=∑P （xy ）log[1/P （y|x ）]=2211i j ==∑∑p （xi ）P （yj|xi ）log[1/P （yj|xi ）]=0.6·5/6·log6/5+0.6·1/6·log6+0.4·3/4·log4/3+0.4·1/4·log4 =0.7145bit/符号H （X|Y ）= H （X ）+H （Y|X ）－H （Y ）=0.9635bit/符号(5) I （X ；Y ）= H （X ）－H （X|Y ）=0.00745 bit/符号3.2设8个等概率分布的消息通过传递概率为p 的BSC 进行传送。