信息论第二章作业

第二章 信息的度量2.1信源在何种分布时，熵值最大？又在何种分布时，熵值最小？答：信源在等概率分布时熵值最大；信源有一个为1，其余为0时熵值最小。

2.2平均互信息量I(X;Y)与信源概率分布q(x)有何关系？与p(y|x)又是什么关系？答：若信道给定，I(X;Y)是q(x)的上凸形函数；若信源给定，I(X;Y)是q(y|x)的下凸形函数。

2.3熵是对信源什么物理量的度量？答：平均信息量2.4设信道输入符号集为{x1,x2,……xk}，则平均每个信道输入符号所能携带的最大信息量是多少？答：k k k xi q xi q X H ilog 1log 1)(log )()(=-=-=∑2.5根据平均互信息量的链规则，写出I(X;YZ)的表达式。

答：)|;();();(Y Z X I Y X I YZ X I +=2.6互信息量I(x;y)有时候取负值，是由于信道存在干扰或噪声的原因，这种说法对吗？答：互信息量，若互信息量取负值，即Q(xi|yj)<q(xi)，说明事件yi 的出现告)()|(log );(xi q yj xi Q y x I =知的是xi 出现的可能性更小了。

从通信角度看，视xi 为发送符号，yi 为接收符号，Q(xi|yj)<q(xi)，说明收到yi 后使发送是否为xi 的不确定性更大，这是由于信道干扰所引起的。

2.7一个马尔可夫信源如图所示，求稳态下各状态的概率分布和信源熵。

答：由图示可知：43)|(41)|(32)|(31)|(41)|(43)|(222111110201======s x p s x p s x p s x p s x p s x p 即：得：114)(113)(114)(210===s p s p s p 0.25（bit/符号）=+-+-+-=)]|(log )|()|(log )|()[()]|(log )|()|(log )|()[()]|(log )|()|(log )|()[(222220202121211111010100000s s p s s p s s p s s p s p s s p s s p s s p s s p s p s s p s s p s s p s s p s p H 2.8一个马尔可夫信源，已知：试画出它的0)2|2(,1)2|1(,31)1|2(,32)1|1(====x x p x x p x x p x x p 香农线图，并求出信源熵。

信息工程学院 通信10—1 XXXXXX2.11 解 ：(1) H(X)：111112212()131()()()8821()1()2()()log ()1/i i j j i i ip x X Y p x p x y p x y p x p x H X p x p x bit sym bol===+=+==-==-=∑∑由得同理H(Y)=1bit/symbolH(Z):Z = XY 的概率分布如下：symbol bit z p Z H z z Z P Z kk / 544.081log 8187log 87)()(818710)(221=⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=-=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧===⎥⎦⎤⎢⎣⎡∑ H(XZ)：symbol bit z x p z x p XZ H z p z x p z x p z x p z p z x p z p z x p z x p z x p z p x p z x p z x p z x p z x p x p i k k i k i / 406.181log 8183log 8321log 21)(log )()(81)()()()()(835.087)()()()()()(5.0)()(0)()()()(2222221211112121111112121111=⎪⎭⎫ ⎝⎛++-=-===+==-=-=+====+=∑∑ 同理求的得H(YZ)=1.406bit/symbolH(X ：symbol bit z y x p z y x p XYZ H y x p z y x p y x p z y x p z y x p z y x p y x p z y x p y x p z y x p z y x p z y x p z x p z y x p z x p z y x p z y x p y x p z y x p y x p z y x p z y x p z y x p z y x p z y x p i j k k j i k j i / 811.181log 8183log 8383log 8381log 81 )(log )()(81)()()()()(0)(83)()()()()(838121)()()()()()(8/1)()()()()(0)(0)(0)(22222222222122122121121221211211111121111111211111111211111212221211=⎪⎭⎫ ⎝⎛+++-=-====+====+=-=-==+===+===∑∑∑ (2)symbol bit XY H XYZ H XY Z H symbolbit XZ H XYZ H XZ Y H symbolbit YZ H XYZ H YZ X H symbolbit Y H YZ H Y Z H symbolbit Z H YZ H Z Y H symbolbit X H XZ H X Z H symbolbit Z H XZ H Z X H symbolbit X H XY H X Y H symbolbit Y H XY H Y X H symbol bit y x p y x p XY H i j j i j i / 0811.1811.1)()()/(/ 405.0406.1811.1)()()/(/ 405.0406.1811.1)()()/(/ 406.01406.1)()()/(/ 862.0544.0406.1)()()/(/ 406.01406.1)()()/(/ 862.0544.0406.1)()()/(/ 811.01811.1)()()/(/ 811.01811.1)()()/(/ 811.181log 8183log 8383log 8381log 81)(log )()(2=-=-==-=-==-=-==-=-==-=-==-=-==-=-==-=-==-=-==⎪⎭⎫ ⎝⎛+++-==-=∑∑(3)symbol bit YZ X H Y X H Y Z X I symbolbit XZ Y H X Y H X Z Y I symbolbit YZ X H Z X H Z Y X I symbolbit Z Y H Y H Z Y I symbolbit Z X H X H Z X I symbolbit Y X H X H Y X I / 406.0405.0811.0)/()/()/;(/ 457.0405.0862.0)/()/()/;(/ 457.0405.0862.0)/()/()/;(/ 138.0862.01)/()();(/ 138.0862.01)/()();(/ 189.0811.01)/()();(=-=-==-=-==-=-==-=-==-=-==-=-=2.13 解：(1) 这个信源是平稳无记忆信源。

第三、四章信息论作业1：简述模拟通信和数字通信的特点？模拟通信的特点：优点：信道的利用率较高（模拟信号的频谱较窄）缺点：信号连续，噪音混入加到信号上，不易清除――抗干扰能力差，不适合远距离传输，不易保密通信，设备不易大规模集成，不适应数据通信的要求。

数字通信的特点：优点：（1）抗干扰能力强（噪音基本上不影响信号）（2）容易实现高质量远距离通信。

（3）可把电话、电报、图像、数据等各种消息变换成统一的数字信号来传输，便于实现综合业务数字网（ISND）。

（4）容易采用复杂的、非线性长周期码序列对信号进行加密，有高强度的保密性。

（5）适于集成化、智能化（DSP、CPU等LSI大量出现）――多功能、微型化、低功耗、低成本。

缺点：（1）占用的信道频带宽。

（2）系统和设备比较复杂。

2：为什么要建立通信网络？建立通信网络需要解决那些理论问题？答：建立通信网络是为了降低维持通信的成本，增加传输通道的扩展性和利用率，实现任何地理位置的任意两个用户之间即时信息传递问题。

需要解决的问题：(1)网络拓扑设计和网络覆盖问题(2)采用什么样的传输和交换机制(3)多址问题(4)路由器问题(5)流量控制问题3：移动通信的发展历史，各有何特点？发展历史：1897年，马可尼在陆地与一只拖船之间，用无线电进行了消息的传递，这是移动通信的开端.随着无线广播和无线电报的出现，特别是两次世界大战的需要，早期的移动通信的雏形已开发了出来，如步话机、对讲机等等。

60年代晶体管的出现，专用无线电话系统出现，在公安、消防、出租汽车等行业中应用。

70年代初：贝尔实验室提出蜂窝系统的覆盖小区的概念和相关的理论后，立即得到迅速的发展，很快进入了实用阶段。

1979年：AMPS制模拟蜂窝式移动电话系统在美国芝加哥试验后，终于在1983年12月在美国投入商用。

我国在1987年开始使用模拟式蜂窝电话通信，1987年11月，第一个移动电话局在广州开通(1)第一代移动通信(1G):传输速率：1.2kb/s~10kb/s.模拟方式：通过电波所传输的信号模拟人讲话声音的高低起伏变化的通信方式。

2.4 设离散无记忆信源⎭⎬⎫⎩⎨⎧=====⎥⎦⎤⎢⎣⎡8/14/1324/18/310)(4321x x x x X P X ，其发出的信息为(202120130213001203210110321010021032011223210)，求 (1) 此消息的自信息量是多少？(2) 此消息中平均每符号携带的信息量是多少？解：(1) 此消息总共有14个0、13个1、12个2、6个3，因此此消息发出的概率是：62514814183⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛=p此消息的信息量是：bit p I811.87log =-=(2) 此消息中平均每符号携带的信息量是：bitn I 951.145/811.87/==41()()log () 2.010i i i H X p x p x ==-=∑2.6 设信源⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡17.016.017.018.019.02.0)(654321x x x x x x X P X ，求这个信源的熵，并解释为什么H(X) > log6不满足信源熵的极值性。

解：585.26log )(/ 657.2 )17.0log 17.016.0log 16.017.0log 17.018.0log 18.019.0log 19.02.0log 2.0( )(log )()(26=>=+++++-=-=∑X H symbol bit x p x p X H ii i 不满足极值性的原因是107.1)(6>=∑iix p 。

2.7 同时掷出两个正常的骰子，也就是各面呈现的概率都为1/6，求： (1) “3和5同时出现”这事件的自信息； (2) “两个1同时出现”这事件的自信息；(3) 两个点数的各种组合（无序）对的熵和平均信息量； (4) 两个点数之和（即2, 3, … , 12构成的子集）的熵； (5) 两个点数中至少有一个是1的自信息量。

解：(1)用随机事件i x 表示“3和5同时出现”，则bitx p x I x p i i i 170.4181log )(log )(18161616161)(=-=-==⨯+⨯=(2) 用随机事件i x 表示“两个1同时出现”，则bitx p x I x p i i i 170.5361log )(log )(3616161)(=-=-==⨯=(3)两个点数的排列如下： 11 12 13 14 15 16 21 22 23 24 25 26 31 32 33 34 35 36 41 42 43 44 45 46 51 52 53 54 55 56 61 6263646566共有21种组合：其中11，22，33，44，55，66的概率是3616161=⨯ 其他15个组合的概率是18161612=⨯⨯symbol bit x p x p X H ii i / 337.4181log 18115361log 3616)(log )()(=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⨯-=-=∑(4)参考上面的两个点数的排列，可以得出两个点数求和的概率分布如下：sym bolbit x p x p X H X P X ii i / 274.3 61log 61365log 365291log 912121log 1212181log 1812361log 3612 )(log )()(36112181111211091936586173656915121418133612)(=⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯-=-=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∑(5)bitx p x I x p i i i 710.13611log )(log )(3611116161)(=-=-==⨯⨯=2.10 对某城市进行交通忙闲的调查，并把天气分成晴雨两种状态，气温分成冷暖两个状态，调查结果得联合出现的相对频度如下：忙晴雨冷 12暖 8暖 16冷 27闲晴雨冷 8暖 15暖 12冷 5若把这些频度看作概率测度，求： (1) 忙闲的无条件熵；(2) 天气状态和气温状态已知时忙闲的条件熵；(3) 从天气状态和气温状态获得的关于忙闲的信息。

第二章习题参考答案2-1解：同时掷两个正常的骰子，这两个事件是相互独立的，所以两骰子面朝上点数的状态共有6×6＝36种，其中任一状态的分布都是等概的，出现的概率为1/36。

(1)设“3和5同时出现”为事件A ，则A 的发生有两种情况：甲3乙5，甲5乙3。

因此事件A 发生的概率为p(A)=(1/36)*2=1/18 故事件A 的自信息量为I(A)=－log 2p(A)=log 218=4.17 bit(2)设“两个1同时出现”为事件B ，则B 的发生只有一种情况：甲1乙1。

因此事件B 发生的概率为p(B)=1/36 故事件B 的自信息量为I(B)=－log 2p(B)=log 236=5.17 bit (3) 两个点数的排列如下：因为各种组合无序，所以共有21种组合： 其中11，22，33，44，55，66的概率是3616161=⨯ 其他15个组合的概率是18161612=⨯⨯symbol bit x p x p X H ii i / 337.4181log 18115361log 3616)(log )()(=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⨯-=-=∑(4) 参考上面的两个点数的排列，可以得出两个点数求和的概率分布：sym bolbit x p x p X H X P X ii i / 274.3 61log 61365log 365291log 912121log 1212181log 1812361log 3612 )(log )()(36112181111211091936586173656915121418133612)(=⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯-=-=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∑(5)“两个点数中至少有一个是1”的组合数共有11种。

bitx p x I x p i i i 710.13611log )(log )(3611116161)(=-=-==⨯⨯=2-2解：(1)红色球x 1和白色球x 2的概率分布为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2121)(21x x x p X i 比特 12log *21*2)(log )()(2212==-=∑=i i i x p x p X H(2)红色球x 1和白色球x 2的概率分布为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡100110099)(21x x x p X i 比特 08.0100log *100199100log *10099)(log )()(22212=+=-=∑=i i i x p x p X H (3)四种球的概率分布为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡41414141)(4321x x x x x p X i ，42211()()log ()4**log 4 2 4i i i H X p x p x ==-==∑比特2-5解：骰子一共有六面，某一骰子扔得某一点数面朝上的概率是相等的，均为1/6。

2-1 同时掷两个正常的骰子，也就是各面呈现的概率都是1/6，求：(1)“3和5同时出现”这事件的自信息量。

(2)“两个1同时出现”这事件的自信息量。

(3)两个点数的各种组合（无序对）的熵或平均信息量。

(4)两个点数之和（即2，3，…，12构成的子集）的熵。

(5)两个点数中至少有一个是1的自信息。

2-2 设有一离散无记忆信源，其概率空间为[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=====8/14/14/18/332104321x x x x P X （1） 求每个符号的自信息量；（2） 若信源发出一消息符号序列为(202 120 130 213 001 203 210 110 321 010 021 032011 223 210)，求该消息序列的自信息量及平均每个符号携带的信息量。

2-3 有一个可旋转的圆盘，盘面上被均匀地分成38份，用1，2，…，38数字标示，其中有2份涂绿色，18份涂红色，18份涂黑色，圆盘停转后，盘面上指针指向某一数字和颜色。

(1) 若仅对颜色感兴趣，计算平均不确定度；(2) 若仅对颜色和数字都感兴趣，计算平均不确定度；(3) 如果颜色已知时，计算条件熵。

2-4 有两个二元随机变量X 和Y ，它们的联合概率如表所示。

并定义另一随机变量Z ＝XY （一般乘积）。

试计算：(1)H (X )、H (Y )、H (Z)、H (X Z)、H (Y Z)和H (XY Z)。

(2)H (X /Y )、H (Y /X )、H (X /Z)、H (Z/X )、H (Y /Z)、H (Z/Y )、H (X /Y Z)、H (Y /X Z)和H (Z/XY )。

(3)I(X ;Y )、I(X ;Z)、I(Y ;Z)、I(X ;Y /Z)、I(Y ;Z/X )和I(X ;Z/Y )。

2-5 由符号集{0，1}组成的二阶马氏链，转移概率为：p(0/00)＝0.8，p(0/11)＝0.2，p(1/00)＝0.2，p(1/11)＝0.8，p(0/01)＝0.5，p(0/10)＝0.5，p(1/01)＝0.5，p(1/10)＝0.5。

第一章信息、消息、信号的定义？三者的关系？ 通信系统的模型？各个主要功能模块及作用？ 第二章信源的分类？自信息量、条件自信息量、平均自信息量、信源熵、不确定度、条件熵、疑义度、噪声熵、联合熵、互信息量、条件互信息量、平均互信息量以及相对熵的概念？计算方法? 冗余度?具有概率为)(x i p 的符号x i 自信息量：)(log )(x x i i p I -= 条件自信息量：)(log )(y x y x iiiip I -=平均自信息量、平均不确定度、信源熵：∑-=ii i x x p p X H )(log )()(条件熵：)(log ),()(),()(y x y x y x y x jijijijijiji p p I p Y X H ∑∑-==联合熵：),(log ),(),(),()(y x y x y x y x ji jiji ji jiji p p I p Y X H ∑∑-==互信息：)()(log)()()()(log),();(y x yx yx y x yy x jiji jiji jijjiji p p p p p p p Y X I ∑∑==熵的基本性质：非负性、对称性、确定性2.3 同时掷出两个正常的骰子，也就是各面呈现的概率都为1/6，求： (1) “3和5同时出现”这事件的自信息； (2) “两个1同时出现”这事件的自信息；(3) 两个点数的各种组合（无序）对的熵和平均信息量； (4) 两个点数之和（即2, 3, … , 12构成的子集）的熵； (5) 两个点数中至少有一个是1的自信息量。

解：(1)bitx p x I x p i i i 170.4181log )(log )(18161616161)(=-=-==⨯+⨯=(2)bit x p x I x p i i i 170.5361log)(log )(3616161)(=-=-==⨯=(3)两个点数的排列如下：11 12 13 14 15 16 21 22 23 24 25 26 31 32 33 34 35 36 41 42 43 44 45 46 51 52 53 54 55 56 6162 63 64 65 66共有21种组合：其中11，22，33，44，55，66的概率是3616161=⨯ 其他15个组合的概率是18161612=⨯⨯symbol bit x p x p X H ii i / 337.4181log 18115361log 3616)(log )()(=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⨯-=-=∑(4)两个点数求和的概率分布如下：sym bolbit x p x p X H X P X ii i / 274.3 61log 61365log 365291log 912121log 1212181log 1812361log 3612 )(log )()(36112181111211091936586173656915121418133612)(=⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯-=-=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∑(5){(1,2),(1,3),(1,4),(1,5),(1,6),(2,1),(3,1),(4,1),(5,1),(6,1),(1,1)}bit x p x I x p i i i 710.13611log)(log )(3611116161)(=-=-==⨯⨯=2.7 设有一离散无记忆信源，其概率空间为123401233/81/41/41/8X x x x x P ====⎛⎫⎛⎫=⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭（1）求每个符号的自信息量（2）信源发出一消息符号序列为{202 120 130 213 001 203 210 110 321 010 021 032 011 223 210}，求该序列的自信息量和平均每个符号携带的信息量 解：122118()log log 1.415()3I x bit p x === 同理可以求得bit x I bit x I bit x I 3)4(,2)3(,2)2(===因为信源无记忆，所以此消息序列的信息量就等于该序列中各个符号的信息量之和 就有：123414()13()12()6()87.81I I x I x I x I x bit =+++=平均每个符号携带的信息量为87.811.9545=bit/符号 2.8 试问四进制、八进制脉冲所含信息量是二进制脉冲的多少倍？解：四进制脉冲可以表示4个不同的消息，例如：{0, 1, 2, 3}八进制脉冲可以表示8个不同的消息，例如：{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} 二进制脉冲可以表示2个不同的消息，例如：{0, 1} 假设每个消息的发出都是等概率的，则：四进制脉冲的平均信息量symbol bit n X H / 24log log )(1=== 八进制脉冲的平均信息量symbol bit n X H / 38log log )(2=== 二进制脉冲的平均信息量symbol bit n X H / 12log log )(0===所以：四进制、八进制脉冲所含信息量分别是二进制脉冲信息量的2倍和3倍。