信息论与编码技术 实验指导书

信息论与编码技术实验教案第一章：信息论基础1.1 信息的概念与度量介绍信息的基本概念，信息源的随机性，信息的不确定性。

讲解信息的度量方法，如香农熵、相对熵等。

1.2 信道模型与容量介绍信道的概念，信道的传输特性，信道的噪声模型。

讲解信道的容量及其计算方法，如单符号信道、多符号信道等。

第二章：信源编码与压缩2.1 信源编码的基本概念介绍信源编码的定义、目的和方法。

讲解信源编码的基本原理，如冗余度、平均冗余度等。

2.2 压缩算法与性能评价介绍无损压缩算法，如霍夫曼编码、算术编码等。

讲解有损压缩算法，如JPEG、MP3等。

分析各种压缩算法的性能评价指标，如压缩比、重建误差等。

第三章：信道编码与错误控制3.1 信道编码的基本概念介绍信道编码的定义、目的和方法。

讲解信道编码的基本原理，如纠错码、检错码等。

3.2 常见信道编码技术介绍常用的信道编码技术，如卷积码、汉明码、奇偶校验等。

分析各种信道编码技术的性能，如误码率、编码效率等。

第四章：数字基带传输4.1 数字基带信号与基带传输介绍数字基带信号的概念，数字基带信号的传输特性。

讲解数字基带信号的传输方法，如无编码调制、编码调制等。

4.2 基带传输系统的性能分析分析基带传输系统的性能指标，如误码率、传输速率等。

讲解基带传输系统的优化方法，如滤波器设计、信号调制等。

第五章：信号检测与接收5.1 信号检测的基本概念介绍信号检测的定义、目的和方法。

讲解信号检测的基本原理，如最大后验概率准则、贝叶斯准则等。

5.2 信号接收与性能分析分析信号接收的方法，如同步接收、异步接收等。

讲解信号接收性能的评价指标，如信噪比、误码率等。

第六章：卷积编码与Viterbi算法6.1 卷积编码的基本原理介绍卷积编码的定义、结构及其多项式。

讲解卷积编码的编码过程，包括初始状态、状态转移和输出计算。

6.2 Viterbi算法及其应用介绍Viterbi算法的原理，算法的基本步骤和性能。

讲解Viterbi算法在卷积编码解码中的应用，包括路径度量和状态估计。

信息理论与编码实验教学指导书(试用教材)电子信息工程系2019年4月实验1.1 汉明码的编译码实验板实验一、实验目的1． 学习汉明码编译码的基本概念； 2． 掌握汉明码的编译码方法； 3． 验证汉明码的纠错能力。

二、实验仪器1． RZ9681实验平台 2． 实验模块： ● 主控模块● 信道编码与频带调制模块-A4 ● 频带解调与信道译码模块-A5 3． 100M 双通道示波器 4． 信号连接线 5． PC 机（二次开发）三、实验原理3.1汉明编译码介绍汉明码（Hamming Code ）是一个可以有多个校验位，具有检测并纠正一位错误代码的纠错码，所以它也仅用于信道特性比较好的环境中，如以太局域网中，因为如果信道特性不好的情况下，出现的错误通常不是一位。

汉明码的检错、纠错基本思想是将有效信息按某种规律分成若干组，每组安排一个校验位进行奇偶性测试，然后产生多位检测信息，并从中得出具体的出错位置，最后通过对错误位取反（也是原来是1就变成0，原来是0就变成1）来将其纠正。

3.2汉明编译码原理汉明码编码采用()4,7汉明码，信息位数4=k ，监督位数3=-=k n r ，可以纠一位错码，生成矩阵⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=1101000101010001100101110001G ，编码情况见表 1。

表 1()4,7 Hamming 编码表汉明码译码计算校正子[]321,,S S S S =,其中24561a a a a S ⊕⊕⊕= 13562a a a a S ⊕⊕⊕= 03463a a a a S ⊕⊕⊕=校正子S 的值决定了接收码元中是否有错码，并且指出错码的位置，见表2。

表2 错码位置示意3.3 举例说明信息位10013456=a a a a ，根据表 1()4,7 Hamming 编码表，编码为1001100，如果在信道传输的过程中产生一位误码，编码接收时变为1101100，我们计算校正子：124561=⊕⊕⊕=a a a a S 113562=⊕⊕⊕=a a a a S 003463=⊕⊕⊕=a a a a S校正子110=S ，查找表2 错码位置示意，5a 产生误码，则译码输出信息位1001。

《信息论与编码》实验指导书前言当前，信息论与编码已经成为电子信息类专业高年级学生必修的专业基础课。

尽管各个院校开设课程名称有所不同，但都是以香农信息论为核心内容的。

这是一门理论性和系统性很强的课程。

涉及多个学科，需要广泛数学知识。

为了能透彻掌握信息论基本概念和分析方法，做实验进行实践练习是不可缺少的环节。

通过综合性、验证性实验，可以加深对理论和概念的理解，增强分析和解决实际问题的能力。

为此，河北工业大学信息学院编写了《信息论与编码实验指导书》，由于可供参考的实验指导书有限，本书的不妥和错误之处，恳请读者予以批评指正。

马杰2008年2月目录实验一信息熵与图像熵计算--------------------------------------- 1实验二 Huffman 编码实验------------------------------------------ 6实验三算术编码实验------------------------------------------------ 11 实验四 CRC校验编码实验------------------------------------------17实验一信息熵与图像熵计算（2学时）一、实验目的1．复习MATLAB的基本命令，熟悉MATLAB下的基本函数。

2．复习信息熵基本定义, 能够自学图像熵定义和基本概念。

二、实验内容1．能够写出MATLAB源代码，求信源的信息熵。

2．根据图像熵基本知识，综合设计出MATLAB程序，求出给定图像的图像熵。

三、实验仪器、设备1．计算机－系统最低配置 256M内存、P4 CPU。

2．Matlab仿真软件－ 7.0 / 7.1 / 2006a 等版本Matlab软件。

四、实验原理1． MATLAB中数据类型、矩阵运算、图像文件输入与输出知识复习。

2．利用信息论中信息熵概念，求出任意一个离散信源的熵（平均自信息量）。

自信息是一个随机变量,它是指某一信源发出某一消息所含有的信息量。

信息论与编码技术实验教案第一章：信息论基础1.1 实验目的1. 了解信息的基本概念及其度量方法；2. 掌握信息的熵、冗余度和信道容量等基本概念。

1.2 实验原理1. 信息的基本概念：信息、消息、信源等；2. 信息的度量：平均信息量、熵、冗余度等；3. 信道容量和编码定理。

1.3 实验设备与材料1. 计算机及投影仪；2. 相关实验软件。

1.4 实验步骤1. 讲解信息的基本概念及其度量方法；2. 分析实际例子，演示信息的熵、冗余度和信道容量的计算过程；3. 让学生通过实验软件进行相关计算和分析。

1.5 思考与讨论1. 信息量与消息长度的关系；2. 信道容量在实际通信系统中的应用。

第二章：数字基带编码2.1 实验目的1. 掌握数字基带编码的基本原理；2. 学会使用相关软件进行数字基带编码的仿真。

2.2 实验原理1. 数字基带编码的定义和分类；2. 常用数字基带编码方法：NRZ、RZ、曼彻斯特编码等；3. 数字基带编码的性能评估：误码率、带宽利用率等。

2.3 实验设备与材料1. 计算机及投影仪；2. 相关实验软件。

2.4 实验步骤1. 讲解数字基带编码的基本原理和方法；2. 演示常用数字基带编码的仿真效果；3. 让学生通过实验软件进行数字基带编码的仿真实验。

2.5 思考与讨论1. 数字基带编码的优缺点；2. 如何在实际通信系统中选择合适的基带编码方法。

第三章：信道编码与误码控制3.1 实验目的1. 了解信道编码的基本原理；2. 掌握常见的信道编码方法；3. 学会使用相关软件进行信道编码的仿真。

3.2 实验原理1. 信道编码的定义和作用；2. 常用信道编码方法：卷积编码、汉明编码、里德-所罗门编码等；3. 误码控制原理：检错、纠错等。

3.3 实验设备与材料1. 计算机及投影仪；2. 相关实验软件。

3.4 实验步骤1. 讲解信道编码的基本原理和方法；2. 演示常用信道编码的仿真效果；3. 让学生通过实验软件进行信道编码的仿真实验。

实验一 信道容量的迭代算法一、 实验目的1、掌握信道容量的概念。

2、了解迭代法计算信道容量的流程。

3、熟悉Matlab 程序的设计和调试方法。

二、 实验要求1、学习Matlab 软件编程和调试方法；2、输入：任意一个信道转移概率矩阵。

包括信源符号个数、信宿符号个数、信道转移概率，在程序运行时从键盘输入；3、输出：输入的信道矩阵、信道容量C 。

三、 算法描述1. 初始化信源分布),,,,,(21)0(r i p p p p p ⋅⋅⋅⋅⋅⋅= （一般初始化为均匀分布），置迭代计数器0=k ,设信道容量相对误差门限为,0,>δδ可设-∞=)0(C ； 2. r i p pp p i k i ij k i ij k ji ,,2,1)()()(⋅⋅⋅==∑ϕ；s j ,,1⋅⋅⋅= 3. r i p p p i j k ji ij j k ji ij k i ,,1ln exp ln exp )()()1(⋅⋅⋅=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=∑∑∑+ϕϕ 4. ⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡=∑∑+i j k ji ij k p C )()1(ln exp ln ϕ 5. 如果,)1()()1(δ≤-++k k k C C C 转向76. 置迭代序号k k →+1，转向27. 输出)1(+k i p 和)1(+k C 的结果8. 停止四、 实验报告内容1、画出信道容量迭代算法流程图；2、给出实验结果的截图（输入信道矩阵和信道容量计算结果）；3、对各种情况的实验结果进行分析和检验。

附：实验用Matlab 源程序。

（如果使用了非给定源程序）实验报告提交：电子文档（邮箱：yangxiaoping2004@ ）实验过程：结果出来时，请实验老师检查并做记录（1个结果即可）。

实验二 唯一可译码判决准则一、 实验目的1、了解唯一可译码的概念。

2、掌握唯一可译码判决准则。

3、掌握Matlab 程序调试方法。

信息理论与编码实验指导书电子与电气工程学院罗晓琴编实验要求1、实验前认真阅读实验指导书的内容，并完成预习任务。

2、复习Matlab的相关知识，完成仿真。

3、要熟悉本次实验的任务。

4、实验过程中要认真记录实验结果，仿真结果需经指导教师审阅。

5、实验后每位同学要独立完成实验报告的内容。

目录实验一离散信源的自信息量和熵 (3)实验二最大离散熵定理 (6)实验三费诺编码 (9)实验四霍夫曼编码 (13)实验五香农编码 (16)实验一：计算离散信源的自信息量和熵一、实验目的1、熟悉离散信源的特点。

2、学习Matlab仿真离散信源的方法。

3、学习离散信源自信息量和信源熵的计算方法。

4、熟悉 Matlab 编程。

二、实验设备1、计算机2、软件：Matlab三、实验原理本实验主要完成信源概率分布的自信息量以及信源熵的计算。

计算公式如下：一个字符它所携带的信息量是和该字符出现的概率有关，概率可以表征自信息量的大小自信息的计算公式为：21()l o g aI a p 自信息量有两个含义：第一、当事件发生前，表示该事件发生的不确定性；第二、当事件发生后，标是该事件所提供的信息量．自信息量的单位取决于对数所取的底，若以2为底，单位为比特，以e 为底，单位为奈特，以10为底，单位为哈特。

在通信系统中，通常取比特为单位，底数2略去不写。

由于自信息I(a)是一个随机变量，不能用来表征整个信源的不确定度。

所以我们用平均自信息量来表征整个信源的不确定度。

平均自信息量就是信源输出所有消息的自信息的数学期望，又称为信息熵、信源熵，简称熵。

熵（平均自信息）的计算公式为：22111()log log qq i i i i i i H x p p p p ====-∑∑ 信息熵H （x ）是对信源的平均不确定性的描述。

它从平均意义上来表征信源的总体信息测度。

对于某特定的信源，其信息熵是一个确定的数值。

信息熵具有如下三种物理意义。

第一，信息熵H （x ）是表示信源输出后，每个消息或符号所提供的平均信息量。

信息论与编码实验指导书任课教师：刘亚荣桂林理工大学电计系Matlab基础：1、变量不需指定类型，拿来就用；变量区分大小写2、向量定义： x=[1/2, 1/4, 1/4](行向量); y=(0:360)*pi/180; 向量的转置x’（列向量）3、 .* ./ .^运算，逐个元素进行运算。

例x1=[1/2, 1/4, 1/4], x2=[2, 4,4]，则x1*x2没定义；x1*x2’有定义（=3）；x1.*x2有定义（逐元素相乘=[1,1,1]）4、变量值显示：如果一行的后面没有分号，则显示出该行的变量结果。

如a=3 显示出a=3。

5、画图命令plot(x,y); x（向量）是一系列坐标， y（向量）是一系列值。

6、求和：sum(), 求积分：求微分：符号微分diff(f)——求f对自由变量的一阶微分diff(f,v)——求f对符号变量v的一阶微分diff(f,v,n)——求f对符号变量v求n阶微分符号积分int(f,v) ——求表达式f的对符号变量v的不定积分int(f,v,a,b) ——求表达式f的对符号变量v的在(a,b)范围内定积分7 M函数文件的基本结构函数文件由function语句引导，其基本结构为：function 输出形参表=函数名(输入形参表)注释说明部分函数体语句说明：(1)关于函数文件名: 函数文件名与函数名也可以不相同。

当两者不同时，MATLAB将忽略函数名而确认函数文件名，因此调用时使用函数文件名。

(2)关于注释说明部分。

注释说明包括三部分内容：①紧随函数文件引导行之后以%开头的第一注释行。

②第一注释行及之后连续的注释行。

③与在线帮助文本相隔一空行的注释行。

(3)关于return语句。

执行到该语句就结束函数的执行，程序流程转至调用该函数的位置。

通常，在函数文件中也可不使用return语句，这时在被调函数执行完成后自动返回。

8显示图形1、%plot函数绘制结果t= 0:pi/100:2*pi; %定义数据点y = sin(t);plot(t,y) %显示图形grid on %显示网格xlabel('t'); %显示x轴的变量ylabel('sin(t)'); %显示y轴的变量2、%plot 函数中x-y 副的使用t = 0:pi/100:2*pi;y = sin(t);plot(t,y)grid ony2 = sin(t-0.25);y3 = sin(t-0.5);plot(t,y,t,y2,t,y3)实验一：计算离散信源的熵一、实验设备:1、计算机2、软件：Matlab二、实验目的:1、熟悉离散信源的特点；2、学习仿真离散信源的方法3、学习离散信源平均信息量的计算方法4、熟悉 Matlab 编程；三、实验内容:1、写出计算自信息量的Matlab 程序2、写出计算离散信源平均信息量的Matlab 程序。

《信息理论与编码》课程设计指导书指导教师：设计专业及班级：设计时间：一、设计的作用、目的《信息论与编码》是一门理论与实践密切结合的课程,课程设计是其实践性教学环节之一，同时也是对课堂所学理论知识的巩固和补充。

其主要目的是加深对理论知识的理解，掌握查阅有关资料的技能，提高实践技能，培养独立分析问题、解决问题及实际应用的能力。

通过完成具体编码算法的程序设计和调试工作，提高编程能力，深刻理解信源编码、信道编译码的基本思想和目的，掌握编码的基本原理与编码过程，增强逻辑思维能力，培养和提高自学能力以及综合运用所学理论知识去分析解决实际问题的能力，逐步熟悉开展科学实践的程序和方法。

二、设计任务及要求题目一：二进制哈夫曼编码的分析与MATLAB实现1．理解无失真信源编码的理论基础，掌握无失真信源编码的基本方法；2．根据哈夫曼编码算法，考虑一个有多种可能符号（各种符号发生的概率不同）的信源，得到哈夫曼编码和码树；3．掌握哈夫曼编码的优缺点；4．能够使用MATLAB或其他语言进行编程，编写的函数要有通用性，要理解每个函数的具体意义和适用范围，对主要函数的功能和参数做详细说明，要求程序输出显示所有的码字，平均码长，编码效率。

题目二：线性分组码编码的分析与MATLAB实现1．理解信道编码的理论基础，掌握信道编码的基本方法；2．掌握生成矩阵和一致校验矩阵的作用和求解方法；3．针对线性分组码分析其纠错能力，并能够对线性分组码进行译码；4．能够使用MATLAB或其他语言进行编程，实现编码及纠错，编写的函数要有通用性。

题目三：费诺编码的分析与实现1．理解无失真信源编码的理论基础，掌握无失真信源编码的基本方法；2．根据费诺编码算法，考虑一个有多种可能符号（各种符号发生的概率不同）的信源，得到费诺编码；3．掌握费诺编码的优缺点；4．能够使用MATLAB或其他语言进行编程，编写的函数要有通用性，要理解每个函数的具体意义和适用范围，对主要函数的功能和参数做详细说明。

《信息论与编码》实验指导书网络与通信工程学院2014年6月目录实验一绘制信源熵函数曲线 (3)实验二哈夫曼编解码 (6)实验三离散信道容量 (10)1实验一绘制信源熵函数曲线（2学时）一、实验目的1.掌握离散信源熵的原理和计算方法。

2.熟悉matlab软件的基本操作，练习应用matlab软件进行信源熵函数曲线的绘制。

3.理解信源熵的物理意义，并能从信源熵函数曲线图上进行解释其物理意义。

二、实验原理1.离散信源相关的基本概念、原理和计算公式产生离散信息的信源称为离散信源。

离散信源只能产生有限种符号。

假定X是一个离散随机变量，即它的取值范围R={x1，x2，x3，…}是有限或可数的。

设第i个变量x i发生的概率为p i=P{X=x i}。

则：定义一个随机事件的自信息量I（x i）为其对应的随机变量x i出现概率对数的负值。

即：I（x i）= -log2p(x i)定义随机事件X的平均不确定度H（X）为离散随机变量x i出现概率的数学期望，即：∑∑-==i ii ii ixpxpxIxpXH)(log)()()()(2单位为比特/符号或比特/符号序列。

平均不确定度H（X）的定义公式与热力学中熵的表示形式相同，所以又把平均不确定度H（X）称为信源X的信源熵。

必须注意一下几点：a)某一信源，不管它是否输出符号，只有这些符号具有某些概率特性，必有信源的熵值；这熵值是在总体平均上才有意义，因而是个确定值，一般写成H（X），X是指随机变量的整体（包括概率分布）。

b)信息量则只有当信源输出符号而被接收者收到后，才有意义，这就是给与信息者的信息度量，这值本身也可以是随机量，也可以与接收者的情况有关。

c) 熵是在平均意义上来表征信源的总体特征的，信源熵是表征信源的平均不确定度，平均自信息量是消除信源不确定度时所需要的信息的量度，即收到一个信源符号，全部解除了这个符号的不确定度。

或者说获得这么大的信息量后，信源不确定度就被消除了。