第4章 信道容量1
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信息论与编码理论习题答案LG GROUP system office room 【LGA16H-LGYY-LGUA8Q8-LGA162】第二章 信息量和熵八元编码系统,码长为3,第一个符号用于同步,每秒1000个码字,求它的信息速率。
解:同步信息均相同,不含信息,因此 每个码字的信息量为 2⨯8log =2⨯3=6 bit因此,信息速率为 6⨯1000=6000 bit/s掷一对无偏骰子,告诉你得到的总的点数为:(a) 7; (b) 12。
问各得到多少信息量。
解:(1) 可能的组合为 {1,6},{2,5},{3,4},{4,3},{5,2},{6,1})(a p =366=61得到的信息量 =)(1loga p =6log = bit (2) 可能的唯一,为 {6,6})(b p =361得到的信息量=)(1logb p =36log = bit 经过充分洗牌后的一副扑克(52张),问:(a) 任何一种特定的排列所给出的信息量是多少?(b) 若从中抽取13张牌,所给出的点数都不相同时得到多少信息量?解:(a) )(a p =!521信息量=)(1loga p =!52log = bit (b) ⎩⎨⎧⋯⋯⋯⋯花色任选种点数任意排列13413!13)(b p =1352134!13A ⨯=1352134C 信息量=1313524log log -C = bit 随机掷3颗骰子,X 表示第一颗骰子的结果,Y 表示第一和第二颗骰子的点数之和,Z 表示3颗骰子的点数之和,试求)|(Y Z H 、)|(Y X H 、),|(Y X Z H 、)|,(Y Z X H 、)|(X Z H 。
解:令第一第二第三颗骰子的结果分别为321,,x x x ,1x ,2x ,3x 相互独立,则1x X =,21x x Y +=,321x x x Z ++=)|(Y Z H =)(3x H =log 6= bit )|(X Z H =)(32x x H +=)(Y H=2⨯(361log 36+362log 18+363log 12+364log 9+365log 536)+366log 6= bit )|(Y X H =)(X H -);(Y X I =)(X H -[)(Y H -)|(X Y H ]而)|(X Y H =)(X H ,所以)|(Y X H = 2)(X H -)(Y H = bit或)|(Y X H =)(XY H -)(Y H =)(X H +)|(X Y H -)(Y H 而)|(X Y H =)(X H ,所以)|(Y X H =2)(X H -)(Y H = bit),|(Y X Z H =)|(Y Z H =)(X H = bit )|,(Y Z X H =)|(Y X H +)|(XY Z H =+= bit设一个系统传送10个数字,0,1,…,9。
4.1 设有一离散无记忆信源,其概率空间为⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡4.06.0)(21x x X P X 它们通过一干扰信道,信道输出端的接收符号集为Y = { y1, y2 },信道转移概率如题图4.1所示。
求:(1) 信源X 中事件x 1和事件x 2分别含有的自信息; (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。
解:信道转移矩阵为:⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡414361651)bitx p x I bit x p x I 322.14.0log )(log )( 737.06.0log )(log )(2211=-=-==-=-=2)bity p x y p y x I bity p x y p y x I bity 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 322.02.04/3log )()/(log);( 093.08.04/1log )()/(log );( 263.02.06/1log )()/(log );( 059.08.06/5log )()/(log );(2.0414.0616.0)/()()/()()(8.0434.0656.0)/()()/()()(2222212112212211111122212122121111===-===-=======⨯+⨯=+==⨯+⨯=+=3)bity p y p Y H bitx p x p X H jj j ii i 722.0)2.0log 2.08.0log 8.0()(log )()( 971.0)4.0log 4.06.0log 6.0()(log )()(=+-=-==+-=-=∑∑4)∑∑-=iji j i j i x y p x y p x p X Y H )/(log )/()()/(5/61/4 3/4 1/6 1x2x 2y1y 题图 4.1bitY H X Y H X H Y X H Y X H Y H X Y H X H bit964.0722.0715.0971.0 )()/()()/()/()()/()( 715.0 43log 434.041log 414.061log 616.065log 656.0 =-+=-+=∴+=+=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⨯+⨯+⨯-=5)bit Y X H X H Y X I 0075.0964.0971.0)/()();(=-=-=4.2 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。
第4章信道一、选择题恒参信道的相频失真,对模拟通话质量影响()。
A.很大B.不显著C.显著D.不存在【答案】B【解析】恒参信道的相频失真,对语音信号影响不大,对视频信号影响大。
二、填空题1.根据信道特性参数随时间变化的快慢,可将信道分为______和______信道。
【答案】恒参信道;随参信道【解析】信道特性随时间变化的信道称为随参信道;信道特性基本上不随时间变化,或变化极慢极小的信道称为恒参信道。
2.调制信道分为______和______,短波电离层反射信道属于______信道。
【答案】恒参信道;随参信道;随参【解析】按照调制信道模型,信道可以分为恒参信道和随参信道两类。
短波电离层反射信道的特性随随时间、季节和年份不断变化,故其属于随参信道。
3.理想恒参信道的冲激响应为______。
【答案】h (t )=kδ(t -t d )【解析】理想恒参信道的幅频特性和相频特性为|()|()d H kt ωϕωω=⎧⎨=-⎩故恒参信道的传输函数为()()|()|d j t j H H e ke ωϕωωω-==根据傅里叶变换可知其冲激响应为(t)(t t )d h k δ=-4.调制信道的定义范围从______至______。
【答案】调制器输出端;解调器输入端【解析】调制器输出端至解调器输入端的范围被定义为调制信道。
5.信号在随参信道中传输时,产生频率弥散的主要原因是______。
【答案】多径效应【解析】信号的多径传播造成了信道的时间弥散性,产生了频率选择性衰落。
6.某电离层反射信道的最大多径时延差为30μs,为了避免频率选择性衰落,工程上认为在该信道上传输数字信号的码速率不应超过______Baud。
【答案】11kBaud【解析】信号的相关带宽为根据工程经验信号的带宽为R由于线性数字调制系统的最高频带利用率为1Baud/Hzη==BB故。
7.宽带信号在短波电离层反射信道中传输时,可能遇到的主要衰落类型是______。
第4章 离散信道及其容量4.1节离散无记忆信道(DMC, Discrete Memoryless Channel )什么是 “信道”?通信的基本目标是将信源发出的消息有效、可靠地通过“信道”传输到目的地,即信宿(sink )。
但什么是“信道”?Kelly 称信道是通信系统中“不愿或不能改变的部分”。
比如CDMA 通信中,设备商只能针对给定的频谱范围进行设备开发,而运营商可能出于成本的考虑,不愿意进行新的投资,仍旧采用老的设备。
通信是对随机信号的通信,因此信源必须具有可选的消息,因此不可能利用一个sin(·)信号进行通信,而是至少需要两个可供发射机进行选择。
一旦选择了信息传输所采用的信号,信道决定了从信源到信宿的过程中信号所受到的各种影响。
从数学上理解,信道指定了接收机接收到各种信号的条件概率(conditional probability),但输入信号的先念概念(prior probability )则由使用信道的接收机指定。
如果只考虑离散时间信道,则输入、输出均可用随机变量序列进行描述。
输入序列X 1,X 2,……是由发射机进行选择,信道则决定输出序列Y 1, Y 2,……的条件概率。
数学上考虑的最简单的信道是离散无记忆信道。
离散无记忆信道由三部分组成:(1) 输入字符集A ={a 1, a 2, a 3,…}。
该字符集既可以是有限,也可以是可数无限。
其中每个符号a i 代表发射机使用信道时可选择的信号。
(2) 输出字符集B={b 1, b 2, b 3,…}。
该字符集既可以是有限,也可以是可数无限。
其中每个符号bi 代表接收机使用信道时可选择的信号。
(3) 条件概率分布P Y |X (·|X ),该条件分布定义在B 上,其中X ∈A 。
它描述了信道对输入信号的影响。
离散无记忆的假设表明,信道在某一时刻的输出只与该时刻的输入有关,而与该时刻之前的输入无关。
或者:1111|(|,...,,,...,)(|)n n n Y X n n P y x x y y P y x --=,n =1,2,3….Remark: (1) n x 在信道传输时受到的影响与n 时刻以前的输入信号无关。