第四章信道率失真函数后续习题课

第四章（数字基带传输系统）习题及其答案【题4－1】设二进制符号序列为，试以矩形脉冲为例，分别画出相应的单极性码型，双极性码波形，单极性归零码波形，双极性归零码波形，二进制差分码波形。

【答案4－1】【题4－2】设随机二机制序列中的0和1分别由()g t 和()g t -组成，其出现概率分别为p 和(1)p -：1）求其功率谱密度及功率；2）若()g t 为图（a ）所示的波形，s T 为码元宽度，问该序列存在离散分量1s f T =否？3）若()g t 改为图（b ）所示的波形，问该序列存在离散分量1s f T =否？【答案4－2】1）随机二进制序列的双边功率谱密度为221212()(1)()()[()(1)()]()s s s s s s m P f P P G f G f f PG mf P G mf f mf ωδ∞-∞=--++--∑由于12()()()g t g t g t =-=可得：2222()4(1)()(12)()()s s ss s m P f P P G f f P G mf f mf ωδ∞=-∞=-+--∑式中：()G f 是()g t 的频谱函数。

在功率谱密度()s P ω中，第一部分是其连续谱成分，第二部分是其离散谱成分。

随机二进制序列的功率为222222221()2 [4(1)()(12)()()] 4(1)()(12)()() 4(1)()(12)()s s s s s m s s s s m s ss m S P d f P P G f f P G mf f mf df f P P G f df f P G mf f mf dff P P G f df f P G mf ωωπδδ∞∞∞∞∞=-∞∞∞∞∞∞=-∞∞∞∞=-∞==-+--=-+--=-+-⎰∑⎰∑⎰⎰∑⎰－－－－－2）当基带脉冲波形()g t 为1 (){20 else sTt g t t ≤=()g t 的付式变换()G f 为()()s s G f T Sa T f π=因此sin ()()0s s s s sG f T Sa T f T πππ===式中：1s s f T =。

《信息论与编码》习题解答第四章 信息率失真函数-习题答案4.1解：依题意可知：失真矩阵：⎥⎦⎤⎢⎣⎡=0110d ，转移概率⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=εεεε11)|(i j a b p 平均失真：εεεεε=⨯-⨯+⨯⨯+⨯⨯+⨯-⨯==∑∑==0)1(2/112/112/10)1(2/1),()|()(2121j i i j i j i b a d a b p a p D4.2解：依题意可知：失真矩阵：⎥⎦⎤⎢⎣⎡=0210d ， 0min =D ,∑=⨯+⨯=⨯+⨯===ij i i j j y x d x p D D )102/122/1(2/112/102/1),()(min min max 舍去当0min =D ，bit X H R D R 12log )()0()(min ====因为没有失真，此时的转移概率为⎥⎦⎤⎢⎣⎡=1001P当2/1max =D ，0)(max =D R因为取的是第二列的max D 值，所以输出符号概率:,1)(,0)(21==b p b p ,,2221b a b a →→因此编码器的转移概率为⎥⎦⎤⎢⎣⎡=1010P 4.3解：0min =D0041041041041),(min )(43041141141141),()(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 当0min =D ，bit X H R D R 24log )()0()(min ==== 因为没有失真，此时的转移概率为⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=1000010000100001P 当4/3max =D ，0)(max =D R因为任何一列的max D 值均为3/4，所以取输出符号概率:0)(,0)(,0)(,1)(4321====b p b p b p b p ，即14131211,,,b a b a b a b a →→→→因此编码器的转移概率为⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=0001000100010001P 4.4解： 依题意可知：失真矩阵：⎥⎦⎤⎢⎣⎡=4/1014/110d ， 0min =D∑=⨯+⨯===ij i i j j y x d x p D D )2/12(4/1)4/12/14/12/1min(),()(min min max 个均为其它当0min =D ，bit X H R D R 12log )()0()(min ====因为没有失真，此时的转移概率为⎥⎦⎤⎢⎣⎡=010001P 当4/1max =D ，0)(max =D R因为取的是第三列的max D 值为1/4，所以取输出符号概率:1)(,0)(,0)(321===b p b p b p ，即3231,b a b a →→因此编码器的转移概率为⎥⎦⎤⎢⎣⎡=100100P 4.5解：(1)依题意可知：失真矩阵：⎥⎦⎤⎢⎣⎡=0110d ，转移概率为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=q q P 101 )1(0)1()1(1)1(1001),()|()(11p q q p q p p p y x d x y p x p D n i mj j i i j i -⨯=⨯-⨯-+⨯⨯-+⨯⨯+⨯⨯==∑∑==(2) 0min =D因为)(D R 是D 的递减函数，所以)1log()1(log )()()())(m ax (min min p p p p D H p H D R D R ----=-==当0=q 时可达到))(max(D R ，此时0=D(3) ∑-=⨯+⨯===iji i j j ，p p p p y x d x p D D )1(10),()(min min max 舍去更大另一个 因为)(D R 是D 的递减函数，所以0)()()())(m in(max max =-==D H p H D R D R当1=q 时可达到))(min(D R ，此时p D -=1(图略，见课堂展示)4.6解：依题意可知：失真矩阵：⎥⎦⎤⎢⎣⎡∞∞=1010d ，信源⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2/12/110)(u p u 0min =D ，∑⨯+⨯⨯+∞⨯∞⨯+⨯===iji i j j y x d x p D D )12/112/1,02/12/1,2/102/1min(),()(min min max )(1]1,,m in[舍去另二个，∞=∞∞=10≤≤D因为二元等概信源率失真函数：⎪⎭⎫ ⎝⎛-=a D H n D R ln )( 其中1,2==a n ，所以率失真函数为：D D R -=1)(4.7解：失真矩阵为⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=011101110d ，按照P81页方法求解。

通信原理课后习题答案思考题1-1 什么是通信？常见的通信⽅式有哪些？1-2 通信系统是如何分类的？1-3 何谓数字通信？数字通信的优缺点是什么？1-4 试画出模拟通信系统的模型，并简要说明各部分的作⽤。

1-5 试画出数字通信系统的⼀般模型，并简要说明各部分的作⽤。

1-6 衡量通信系统的主要性能指标是什么？对于数字通信具体⽤什么来表述？1-7 何谓码元速率?何谓信息速率?它们之间的关系如何?习题1-1 设英⽂字母E出现的概率=0.105，X出现的概率为＝0.002，试求E和X的信息量各为多少？1-2 某信源的符号集由A、B、C、D、E、F组成，设每个符号独⽴出现，其概率分别为1/4、1/4、1/16、1/8、1/16、1/4，试求该信息源输出符号的平均信息量。

1-3 设⼀数字传输系统传送⼆进制信号，码元速率RB2=2400B，试求该系统的信息速率Rb2=？若该系统改为传送16进制信号，码元速率不变，则此时的系统信息速率为多少？1-4 已知某数字传输系统传送⼋进制信号，信息速率为3600b/s，试问码元速率应为多少？1-5 已知⼆进制信号的传输速率为4800b/s，试问变换成四进制和⼋进制数字信号时的传输速率各为多少（码元速率不变）？1-6 已知某系统的码元速率为3600kB，接收端在l⼩时内共收到1296个错误码元，试求系统的误码率=？1-7 已知某四进制数字信号传输系统的信息速率为2400b/s，接收端在0.5⼩时内共收到216个错误码元，试计算该系统=？l-8 在强⼲扰环境下，某电台在5分钟内共接收到正确信息量为355Mb，假定系统信息速率为1200kb/s。

（l）试问系统误信率=？（2）若具体指出系统所传数字信号为四进制信号，值是否改变？为什么？（3）若假定信号为四进制信号，系统传输速率为1200kB，则＝？习题答案第⼀章习题答案1-1 解：1-2 解：1-3 解：1-4 解：1-5 解：1-6 解：1-7 解：1-8 解：思考题2-1 什么是狭义信道？什么是⼴义信道？（答案）2-2 在⼴义信道中，什么是调制信道？什么是编码信道？2-3 试画出调制信道模型和⼆进制⽆记忆编码信道模型。

《信息论与编码》第四章习题解答4.1 计算如下所示离散无记忆信道的容量： 习题4.1图［解］　（a ）信道概率转移矩阵为−−−−=δεδεεδδε11P ， 信道是准对称信道，因此在输入为等概分布时达到信道容量，即5.0)1()0(====X P X P 时达到信道容量。

这时δ5.05.0)0(−==Y P δ==)1(Y Pδ5.05.0)2(−==Y P相应的信道容量为);1();0(Y X I Y X I C ====∑==2)()0|(log)0|(j j p j p j p 0111-ε1-δε δ 00 121-ε-δ εδδ 1-ε-δ1ε0 221 0.5 δ 110.250.25 0.50.50 2 21-ε ε ε 1-ε1ε 11-ε 0 0 223/41/4 111/3 1/31/3 1/43/40 2 311/3 211/31/3 1/31/31/3 1/3 1/31/3 (c)(a)(b) (e)(f)(d)δεεδδδδδεδε5.05.0log log 5.05.01log)1(−++−−−−−=)5.05.0log()1(log )1log()1(δδεεδεδε−−−+−−−−= （b ）信道概率转移矩阵为=5.05.0025.025.05.0001P当5.0)2()0(====X P X P ，0)(=X P 时，5.0)0(==Y P ，25.0)1(==Y P ，25.0)2(==Y P1)()0|(log )0|();0(2===∑=j j p j p j p Y X I bit∑===2)()2|(log)2|();2(j j p j p j p Y X I 125.05.0log 5.025.05.0log 5.0=+= bit10);1(≤==Y X I ； 所以满足定理4.2.2条件，由达到信道容量充要条件可知，信道容量C =1 bit/次（c ）信道转移概率矩阵为−−−=εεεεεε101001P ，信道是对称信道，当输入为均匀分布时，即31)2()1()0(======X P X P X P 时，达到信道容量。

4.1 当率失真函数R （D ）取什么值的时候，表示不允许有任何失真。

解：当D=0时，表示不允许有任何失真，此时R （D ）= H （X ）， 即R max （（D ）= H （X ）4.2 说明信源在不允许失真时，其信息率所能压缩到的极限值是什么？当允许信源存在一定的失真时，其信息率所能压缩到的极限值又是什么？解：不允许失真时，信息率压缩极限值R （D ）= H （X ）；不允许失真时，信息率压缩极限值 R （D ）= 04.3 在例4.8中，当允许D= 0.5δ时，请问每个信源符号至少需要几个二进制符号来对其编码？解：因为二元信源率失真函数：⎪⎭⎫⎝⎛-=a D H p H D R )()(其中a = 1（汉明失真）, 所以二元信源率失真函数为：)()()(D H p H D R -=当D= 2P 时[]symbol nat p p p p p p p p p H p H p R /21ln 212ln 2)1ln()1(ln 2)(2⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-++--+-=⎪⎭⎫⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛4.4 给定信源分布⎥⎦⎤⎢⎣⎡)(q X X = ⎥⎦⎤⎢⎣⎡25.025.05.0x 321x x ，失真测度矩阵[d]=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡011302120，求率失真函数R （D ）。

解：定义域：D min =0×0.5+0×0.25+0×0.25=0D max =min{2×0.25+1×0.25,2×0.5+1×0.25,1×0.5+3×0.25}=0.75值域：R （D min ）= －0.5log0.5－0.25log0.25－0.25log0.25=0.45 R （D max ）= 04.5 给定二元信源⎥⎦⎤⎢⎣⎡)(q X X = ⎥⎦⎤⎢⎣⎡5.05.0x x 21, 失真测度矩阵为[d]=⎥⎦⎤⎢⎣⎡00αα,求率失真函数R(D)。