实验一：绘制二进熵函数曲线
一、实验目的
1.熟悉Matlab 工作环境及工具箱；
2.掌握Matlab 绘图函数；
3.理解熵函数表达式及其性质。
二、实验内容
【实验内容与要求】
内容：用 Matlab 软件绘制二进熵函数曲线。
要求：
1. 提前预习实验，认真阅读教材及相应的参考书，熟悉实验原理；
2. 遵守实验室规定，实验过程中服从实验室管理人员和实验指导老师管理；
3. 独立完成实验，认真做好实验记录；
4. 实验结束后，认真填写实验报告。
【知识要点】
1 信源熵的概念及其性质。参照教材及参考书。
2 二进熵公式：
3 参考文献：
[1] 吕锋等编著，信息理论与编码，北京：人民邮电出版社，2004
[2] 傅祖芸编著，信息论——基础理论与应用，北京：电子工业出版社，2001
[3] 仇佩亮编著，信息论与编码，北京：高等教育出版社，2003
[4] [ 美] Thomas M.Cover ，Elements of Information Theory ，北京：清华大学出版社，2003
[5] [ 美]Edward B. Magrab 等著，高会生等译，MATLAB 原理与工程应用（第二版），北京：清华大学出版社，2006
【实验提示】
注意：虽然理论上定义0 · log0 = 0 ，但是，在实际运算时，对数函数 logx 的变量 x 不能取 0 值，而应设置一个系统默认的最小值 eps 。
三、实验总结
1 绘制二进熵函数曲线，观察曲线形状。
2 结合熵函数的性质，分析二进熵函数曲线的特点。
四、思考与提高
1 绘制三元熵函数曲线，观察曲线形状。
2 结合熵函数的性质，分析三元熵函数曲线的特点。
实验二：一般信道容量迭代算法
一、实验目的
1 熟悉Matlab 工作环境及工具箱；
2 掌握一般信道容量迭代算法的原理。
二、实验内容
【实验内容与要求】
内容：用 Matlab 软件编程实现一般信道容量迭代算法。
要求：
1提前预习实验，认真阅读相应的参考书，熟悉实验原理；
2 遵守实验室规定，实验过程中服从实验室管理人员和实验指导老师管理；
3 独立完成实验，认真做好实验记录；
4 实验结束后，认真填写实验报告。
【知识要点】
1 一般信道容量迭代算法的原理。参照教材及参考书。
2 程序流程图如下：
其中，
（1）
（2）
3 参考文献：
[1] 吕锋等编著，信息理论与编码，北京：人民邮电出版社，2004
[2] 傅祖芸编著，信息论——基础理论与应用，北京：电子工业出版社，2001
[3] 仇佩亮编著，信息论与编码，北京：高等教育出版社，2003
[4] [ 美] Thomas M.Cover ，Elements of Information Theory ，北京：清华大学出版社，2003
[5] [ 美]Edward B. Magrab 等著，高会生等译，MATLAB 原理与工程应用（第二版），北京：清华大学出版社，2006
【实验提示】
注意：
1 设定不同的信道（对称信道、非对称信道），计算最佳输入分布，分析计算结果的异同。
2 设定不同的迭代精度，分析其对计算结果的影响。
三、实验总结
1 信道的性质与最佳输入分布的关系。
2 迭代精度对计算结果的影响。
四、思考与提高
1、编制一般信道容量迭代算法的通用程序，适应不同的信道特性。
2、优化程序，提高运算速度。
实验三：线性分组码的信道编码和译码
一、实验目的
1 熟悉Matlab 工作环境及工具箱；
2 掌握线性分组码的编码、译码原理以及纠错原理。
二、实验内容
【实验内容与要求】
内容：用 Matlab 软件编程实现线性分组码的信道编码和译码。
要求：
1 提前预习实验，认真阅读相应的参考书，熟悉实验原理；
2 遵守实验室规定，实验过程中服从实验室管理人员和实验指导老师管理；
3 独立完成实验，认真做好实验记录；
4 实验结束后，认真填写实验报告。
【知识要点】
1 线性分组码的编码、译码原理。参照教材及参考书。
2 线性分组码的设计。
基本原理：首先，将信息序列分成 K 个符号一组，然后，在信息组中加入一些校验码元，组成N长码字，由此得到（N，K）分组码。（N，K）分组码中任一码字的码长为 N，所含的信息位数目为K，校验位数目为 r=N－K，且码中任意两个码字的和仍为码字。
例如，对于（ 5 ， 2 ）分组码， N=5 ， K=2 ，其编码函数f 为
由编码函数可知： c ( 码字 )= m ( 信息矩阵 ) G （生成矩阵）
其中，生成矩阵
当生成矩阵G确定后，编码的问题就解决了。又由编码函数的后3个方程可以确定校验方程，对应的矩阵形式为或，式中，H称为一致性校验矩阵。
一致性校验矩阵如下：
H 与 G 的关系：，。
纠错译码时，若发送码字为c，则接收序列为y，校正子S=y*=e*。
因此，可以得到译码c=y e( 模2和) 。其中，e称为差错图样。S是传输是否出错的标志，称为伴随式。
(5,2) 线性分组码的最小汉明距离为，能够检出2位错误或纠正1位错误。
线性分组码的信道编码和译码流程图：
图 1 线性分组码信道编码流程图
图 2 线性分组码信道译码流程图
3 参考文献：
[1] 吕锋等编著，信息理论与编码，北京：人民邮电出版社，2004
[2] 傅祖芸编著，信息论——基础理论与应用，北京：电子工业出版社，2001
[3] 仇佩亮编著，信息论与编码，北京：高等教育出版社，2003
[4] [ 美] Thomas M.Cover ，Elements of Information Theory ，北京：清华大学出版社，2003
[5] [ 美]Edward B. Magrab 等著，高会生等译，MATLAB 原理与工程应用（第二版），北京：清华大学出版社，2006
【实验提示】注意：
1 线性分组码中生成矩阵、校验矩阵、伴随式之间的关系。
2 在计算矩阵时，注意位操作运算。
三、实验总结
1 根据不同的线性分组码，观察生成矩阵和校验矩阵的特性。
2 根据不同的线性分组码，分析检错和纠错能力。
四、思考与提高
1 编制线性分组码的信道编码和译码的通用程序，适应不同的生成矩阵和校验矩阵。
2 优化程序，提高运算速度。
实验五霍夫曼编码 一、实验目的 1、熟悉Matlab 工作环境及工具箱； 2、掌握霍夫曼编码的基本步骤； 3、利用MATLAB实现霍夫曼编码。 二、实验内容 （1）熟悉理解Huffman编码的过程 （2）将给定的数据进行Huffman编码 知识要点： 1、霍夫曼编码的基本原理。参照教材及参考书。 2、二进制霍夫曼编码方法。 1. 基本原理： 变长编码 不要求所有码字长度相同，对不同概率的信源符号或序列，可赋予不同长度的码字。变长编码力求平均码长最小，此时编码效率最高，信源的冗余得到最大程度的压缩。 1）几种常用变长编码方法： 霍夫曼编码 费若编码 香农编码。 2）霍夫曼编码： 二进制霍夫曼编码 r进制霍夫曼编码 符号序列的霍夫曼编码。 3）二进制霍夫曼编码的编码过程： 将信源中n个符号按概率分布的大小，以递减次序排列起来； 用0和1码分别分配给概率最小的两个信源符号，并将这两个概率最小的信源符号合并成一个新符号，并用这两个最小概率之和作为新符号的概率，从而得到只包含n-1个符号的新信源，称为其缩减信源； 把缩减信源的符号仍按概率大小以递减次序排列，再将最后两个概率最小的符号合并
成一个新符号，并分别用0和1码表示，这样又形成一个新缩减信源； 依次继续下去，直到缩减信源最后只剩两个符号为止。再将最后两个新符号分别用0和1 码符号表示。最后这两个符号的概率之和为1，然后从最后一级缩减信源开始，依编码路径右后向前返回，就得到各信源符号所对应得码符号序列，即对应得码字。 r进制霍夫曼编码 由二进制霍夫曼编码可推广到r进制霍夫曼编码，只是每次求缩减信源时，改求r个最小概率之和，即将r个概率最小符号缩减为一个新符号，直到概率之和为1。但要注意，即缩减过程中可能到最后没有r个符号。为达次目的，可给信源添加几个概率为零的符号。 符号序列的霍夫曼编码 对信源编码除了对信源符号编码以外，也可对信源符号序列编码，一般来说，对序列编码比对单个符号更为有效。 2 数据结构与算法描述 1）变量及函数的定义 3 实验数据与实验结果（可用文字描述或贴图的方式进行说明） 1）测试数据 0.2 0.1 0.3 0.1 0.1 0.2 2）实验结果
《信息论与编码》课程教学大纲、课程基本信息 二、课程内容及基本要求 第一章绪论 课程内容：
1 ?信息论之父--香农；信息论与香农信息论的形成与发展；香农信息论的中心 问题及其局限性； 2．信息、消息、信号、信息的本质、信息的广义性； 3．通信系统基本模型：信源、信宿、信道、干扰、噪声、信源编码、信道编码。基本要求：1．了解信息论之父---Shannon（香农）和香农信息论的基本思想及其局限性；了解信息论的形成与发展过程；了解香农信息论的基本思想（中心问题）及其适用范围；2．理解消息、信息与信号的含义；理解消息、信息与信号之间的联系与区别；3．熟悉通信系统的基本模型及各模块的主要功能。 本章重点香农信息论的中心问题、通信系统模型 本章难点：信息、消息与信号的联系与区别；香农信息论的局限性第二章信源、信息量和信息熵 课程内容： 1．无记忆信源与有记忆信源、离散信源与连续信源、离散序列信源、马尔可夫信源、离散无记忆信源、离散无记忆序列信源； 2．非平均信息量、信源熵、条件信息量、条件熵、噪声熵、损耗熵、联合熵、非平均互信息、平均互信息； 3．熵的性质、离散无记忆信源的序列熵、离散有记忆信源的序列熵；4．数据处理中信息的变化、连续信源熵；5．凸函数、互信息量的凸性，冗余度。 基本要求： 1．了解并掌握信源的分类与特点； 2．理解并掌握非平均信息量、信源熵、互信息量、条件熵、联合熵、非平均互信息量、平均互信息的概念，计算；理解并掌握信源熵、信宿熵、噪声熵、损耗熵、平均
互信息之间的关系； 3．理解马尔可夫信源的概念、理解离散序列信源熵的概念； 4．理解熵的性质、熵的唯一性原理；理解连续信源的熵及连续熵的性质； 5．理解凸函数的含义和性质；了解凸函数在信息论中的应用。 本章重点：非平均自信息量、条件信息量、互信息量、条件互信息量、熵、条件熵、熵的性质 本章难点：平均互信息量、熵、离散序列信源熵、马尔可夫信源、条件熵、噪声熵、损耗熵第三章信源编码 课程内容： 1．编码的定义与分类；奇异码与非奇码；唯一可译码与非唯一可译码；即时码与非即时码；克拉夫特不等式；码树；平均码长的计算；信息传输速率；2．无失真信源编码；定长码与定长编码定理；变长码与变长编码定理；最佳变长码编码定理；香农编码及其过程；费诺编码及其过程；哈夫曼编码及其过程；3．限失真信源编码；常用信源编码--- 游程编码、算术编码、预测编码、变换编码。 基本要求： 1．理解并掌握编码的分类及特点；掌握平均码长的计算；掌握码树的使用； 2．理解无失真信源编码的含义；掌握定长码的特点与编码原理；掌握不定长编 码的特点与编码原理； 3．掌握离散无记忆信源的等长编码及不等长编码；掌握香农编码原理、掌握费 诺编码原理；掌握哈夫曼编码原理； 4．了解常用限失真信源编码方法—算术编码、游程编码、预测编码及变换编码的编码原理。
《信息论与编码》实验指导书 信息与通信工程学院信息工程系 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 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 i i i i i x p x p x I x p X H) ( 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
本科生实验报告 实验课程信息论与编码 学院名称信息科学与技术学院 专业名称通信工程 学生姓名 学生学号 指导教师谢振东 实验地点6C601 实验成绩 二〇一五年十一月二〇一五年十一月
实验一：香农（Shannon ）编码 一、实验目的 掌握通过计算机实现香农编码的方法。 二、实验要求 对于给定的信源的概率分布，按照香农编码的方法进行计算机实现。 三、实验基本原理 给定某个信源符号的概率分布，通过以下的步骤进行香农编码 1、将信源消息符号按其出现的概率大小排列 )()()(21n x p x p x p ≥≥≥ 2、确定满足下列不等式的整数码长K i ； 1)(l o g )(l o g 22+-<≤-i i i x p K x p 3、为了编成唯一可译码，计算第i 个消息的累加概率 ∑ -== 1 1 )(i k k i x p p 4、将累加概率P i 变换成二进制数。 5、取P i 二进制数的小数点后K i 位即为该消息符号的二进制码。 四、源程序： #include int i,j; for(i=0;i 信息论与编码习题参考答案 第一章 单符号离散信源 同时掷一对均匀的子，试求： (1)“2和6同时出现”这一事件的自信息量； (2)“两个5同时出现”这一事件的自信息量； (3)两个点数的各种组合的熵； (4)两个点数之和的熵； (5)“两个点数中至少有一个是1”的自信息量。 解： bit P a I N n P bit P a I N n P c c N 17.536log log )(36 1 )2(17.418log log )(362)1(36 662221111 616==-=∴====-=∴== =?==样本空间： * (3)信源空间： bit x H 32.436log 36 16236log 36215)(=??+?? =∴ bit x H 71.3636 log 366536log 3610 436log 368336log 366236log 36436log 362)(=??+?+?+??= ∴＋＋ (5) bit P a I N n P 17.111 36 log log )(3611333==-=∴== ? 如有6行、8列的棋型方格，若有两个质点A 和B ，分别以等概落入任一方格内，且它们的坐标分别为（Xa ，Ya ）, （Xb ，Yb ）,但A ，B 不能同时落入同一方格内。 （1） 若仅有质点A ，求A 落入任一方格的平均信息量； （2） 若已知A 已落入，求B 落入的平均信息量； （3） 若A ，B 是可辨认的，求A ，B 落入的平均信息量。 解： ！ bit a P a P a a P a I a P A i 58.548log )(log )()(H 48log )(log )(481 )(:)1(48 1 i i i i i ==-=∴=-=∴= ∑=落入任一格的概率 bit b P b P b b P b I b P A i 55.547log )(log )()(H 47 log )(log )(47 1 )(:B ,)2(48 1i i i i i ==-=∴=-=∴=∑=落入任一格的概率是落入任一格的情况下在已知 bit AB P AB P AB H AB P AB I AB P AB i i i i i i i 14.11)4748log()(log )()() (log )(47 1 481)()3(47481 =?=-=-=∴?=∑?=是同时落入某两格的概率 从大量统计资料知道,男性中红绿色盲的发病率为7%,女性发病率为%.如果你问一位男士：“你是否是红绿色盲”他的回答可能是：“是”，也可能“不是”。问这两个回答中各含有多少信息量平均每个回答中各含有多少信息量如果你问一位女士，则她的答案中含有多少平均信息量 解： 《信息论与编码》教学大纲 一课程简介 课程编号：04254002 课程名称：信息论与编码Informatics & Coding 课程类型：基础课必修课 学时：32 学分：2 开课学期：第六学期 开课对象：通信、电子专业 先修课程：概率论与数理统计、信号与系统、随机信号原理。 参考教材：信息论与编码，陈运，周亮，陈新，电子工业出版社，2002年8月 二课程性质、目的与任务 信息论在理论上指出了建立最佳编码、最佳调制和最佳接收方法的最佳系统的理论原则，它对通信体制和通信系统的研究具有指导意义。提高信息传输的可靠性和有效性始终是通信工作所追求的目标。因此，信息论与编码是从事通信、电子系统工程的有关工程技术人员都必须掌握的基本理论知识。 内容提要：本课程包括狭义相对论和提高通信可靠性的差错控制编码理论。信息论所研究的主要问题是在通信系统设计中如何实现有效性和可靠性。 三教学基本内容与基本要求 本课程总学时为32。其中理论教学为28，实验学时为4。 主要的理论教学内容包括：离散信源和连续信源的熵、条件熵、联合熵和平均互信息量的概念及性质；峰值功率受限和平均功率受限下的最大熵定理和连续信源熵的变换；变长码的霍夫曼编码方法，熟悉编码效率和平均码长的计算；最大后验概率准则和最大似然译码准则等。 实验内容主要包括：离散无记忆信道容量的迭代算法，循环码的编译码。 四教学内容与学时分配 第3章离散信源无失真编码 第6章网络信息论 （教学要求：A—熟练掌握；B—掌握；C—了解） 五实习、实验项目及学时分配 1．离散无记忆信道容量的迭代算法2学时 要求用Matlab编写计算离散信道容量的实用程序并调试成功，加深对信道容量的理解。 2．循环码的编译码2学时 要求用Matlab编写程序，用软件完成循环码的编译码算法。 六教学方法与手段 常规教学与多媒体教学相结合。 实验报告 课程名称：信息论与编码姓名： 系：专 业：年 级：学 号：指导教 师：职 称： 年月日 目录 实验一信源熵值的计算 (1) 实验二Huffman 信源编码. (5) 实验三Shannon 编码 (9) 实验四信道容量的迭代算法 (12) 实验五率失真函数 (15) 实验六差错控制方法 (20) 实验七汉明编码 (22) 实验一信源熵值的计算 、实验目的 1 进一步熟悉信源熵值的计算 2 熟悉Matlab 编程 、实验原理 熵(平均自信息)的计算公式 q q 1 H(x) p i log2 p i log2 p i i 1 p i i 1 MATLAB实现：HX sum( x.* log2( x))；或者h h x(i)* log 2 (x(i )) 流程：第一步：打开一个名为“ nan311”的TXT文档，读入一篇英文文章存入一个数组temp，为了程序准确性将所读内容转存到另一个数组S，计算该数组中每个字母与空格的出现次数( 遇到小写字母都将其转化为大写字母进行计数) ，每出现一次该字符的计数器+1；第二步：计算信源总大小计算出每个字母和空格出现的概率；最后，通过统计数据和信息熵公式计算出所求信源熵值(本程序中单位为奈特nat )。 程序流程图： 三、实验内容 1、写出计算自信息量的Matlab 程序 2、已知：信源符号为英文字母(不区分大小写)和空格输入：一篇英文的信源文档。输出：给出该信源文档的中各个字母与空格的概率分布，以及该信源的熵。 四、实验环境 Microsoft Windows 7 五、编码程序 #include"stdio.h" #include 《信息论与编码技术》教学大纲 一、课程信息 课程代码：T0808007 课程名称：信息论与编码技术 英文名称：Information Theory and Coding Techniques 课程类别：拓展课 总学时：36 学时 理论学时：36 学时 实践学时：2 学时 学分： 2 学分 开设学期：第6学期 适用对象: 通信工程本科专业学生 考核方式：考查 先修课程：信号与系统，数字信号处理，通信原理，概率论与数理统计 大纲拟定人：张岩 大纲审定人：吴顺伟 二、课程简介 《信息论与编码技术》课程是通信工程专业的专业拓展课，是通信工程专业的选修课程。本课程的主要内容是应用概率统计方法来研究信息的传输、存储和处理，建立通信系统的统计模型，对系统中的每个部分进行系统地描述，信息论理论应用于信源和信道就是编码。信息论与编码技术是一门对现代科学技术的发展具有重大的影响学科。本课程的教学目的是让学生了解香农信息论的基本内容，掌握其中的基本公式和基本运算，培养利用信息论的基本原理分析和解决实际问题的能力，为进一步学习通信和信息以及其他相关领域的高深技术奠定良好的理论基础。 第一章：概论 教学目标和要求：了解信息论的发展的历史，特别是香农信息论的发展；了解本书的主要内容；了解通信系统的模型，信息的传递，概率统计模型。 教学重点与难点：通信系统的数学模型 实践环节：无 建议使用的教学方法与手段：图文结合多媒体讲授 教学学时：理论2学时实践0学时 第一节信息论的发展概况 信息的一般概念；香农信息定义；信息论与编码发展简史、数字通信系统模型 第二节信息论与编码理论的主要内容 第二章：信息熵 教学目标和要求：掌握熵的定义及其性质，掌握各种信源信息熵的相关理论，会计算各种信源的信息熵。 教学重点与难点：信息熵的定义及各种熵的计算 实践环节：无 建议使用的教学方法与手段：图文结合多媒体讲授 教学学时：理论10学时实践0学时 第一节单符号离散信源 信源的数学模型及分类：信源的数学模型；信源的分类，离散信源的信息熵及其性质。自信息；信源的信息熵；熵的基本性质。 第二节多符号离散信源 离散无记忆信源的扩展信源，离散平稳信源，平稳信源的概念；二维平稳信源；一般离散平稳信源 第三节连续信源 单符号连续信源的熵；波形信源的熵；最大熵定理。 第四节离散无失真信源编码定理 第三章：信道容量 教学目标和要求：了解信道容量的定义，掌握各种信道的信道容量的计算方法 教学重点与难点：特殊信道的信道容量；连续信道的信道容量。 实践环节：无 建议使用的教学方法与手段：图文结合多媒体讲授 教学学时：理论6学时实践0学时 《信息论与信源编码》实验报告 1、实验目的 (1) 理解信源编码的基本原理； (2) 熟练掌握Huffman编码的方法； (3) 理解无失真信源编码和限失真编码方法在实际图像信源编码应用中的差异。 2、实验设备与软件 (1) PC计算机系统 (2) VC++6.0语言编程环境 (3) 基于VC++6.0的图像处理实验基本程序框架imageprocessing_S (4) 常用图像浏览编辑软件Acdsee和数据压缩软件winrar。 (5) 实验所需要的bmp格式图像（灰度图象若干幅） 3、实验内容与步骤 (1) 针对“图像1.bmp”、“图像2.bmp”和“图像3.bmp”进行灰度频率统计（即计算图像灰度直方图），在此基础上添加函数代码构造Huffman码表，针对图像数据进行Huffman编码，观察和分析不同图像信源的编码效率和压缩比。 (2) 利用图像处理软件Acdsee将“图像1.bmp”、“图像2.bmp”和“图像 3.bmp”转换为质量因子为10、50、90的JPG格式图像（共生成9幅JPG图像），比较图像格式转换前后数据量的差异，比较不同品质因素对图像质量的影响； (3) 数据压缩软件winrar将“图像1.bmp”、“图像2.bmp”和“图像3.bmp”分别生成压缩包文件，观察和分析压缩前后数据量的差异； (4) 针对任意一幅图像，比较原始BMP图像数据量、Huffman编码后的数据量（不含码表）、品质因素分别为10、50、90时的JPG文件数据量和rar压缩包的数据量，分析不同编码方案下图像数据量变化的原因。 4、实验结果及分析 (1)在VC环境下，添加代码构造Huffman编码表，对比试验结果如下： a.图像1.bmp： 第二章 信息量和熵 2.2 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 2.3 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=6 1 得到的信息量 =) (1 log a p =6log =2.585 bit (2) 可能的唯一，为 {6，6} )( b p = 36 1 得到的信息量=) (1 log b p =36log =5.17 bit 2.4 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=) (1 log a p =!52log =225.58 bit (b) ???????花色任选 种点数任意排列 13413!13 )(b p =13 52 134!13A ?=135213 4C 信息量=1313 52 4log log -C =13.208 bit 2.9 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=2.585 bit )|(X Z H =)(32x x H +=)(Y H =2?( 361log 36+362log 18+363log 12+364log 9+365log 536)+36 6log 6 =3.2744 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 =1.8955 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 =1.8955 bit 实验一 绘制二进熵函数曲线（2个学时） 一、实验目的： 1. 掌握Excel 的数据填充、公式运算和图表制作 2. 掌握Matlab 绘图函数 3. 掌握、理解熵函数表达式及其性质 二、实验要求： 1. 提前预习实验，认真阅读实验原理以及相应的参考书。 2. 在实验报告中给出二进制熵函数曲线图 三、实验原理： 1. Excel 的图表功能 2. 信源熵的概念及性质 ()()[] ()[]())(1)(1 .log )( .) ( 1log 1log ) (log )()(10 , 110)(21Q H P H Q P H b n X H a p H p p p p x p x p X H p p p x x X P X i i i λλλλ-+≥-+≤=--+-=-=≤≤? ?????-===??????∑ 单位为 比特/符号 或 比特/符号序列。 当某一符号xi 的概率p(xi)为零时，p(xi)log p(xi) 在熵公式中无意义，为此规定这时的 p(xi)log p(xi) 也为零。当信源X 中只含有一个符号x 时，必有p(x)=1，此时信源熵H （X ）为零。 四、实验内容： 用Excel 和Matlab 软件制作二进熵函数曲线。根据曲线说明信源熵的物理意义。 （一） Excel 具体步骤如下： 1、启动Excel 应用程序。 2、准备一组数据p 。在Excel 的一个工作表的A 列（或其它列）输入一组p ，取步长为0.01，从0至100产生101个p （利用Excel 填充功能）。 3、取定对数底c，在B列计算H(x) ,注意对p=0与p=1两处，在B列对应位置直接输入0。Excel中提供了三种对数函数LN(x),LOG10(x)和LOG(x,c)，其中LN(x)是求自然对数，LOG10(x)是求以10为底的对数，LOG(x,c)表示求对数。选用c=2,则应用函数LOG(x,2)。 在单元格B2中输入公式：=-A2*LOG(A2,2)-(1-A2)*LOG(1-A2,2) 双击B2的填充柄，即可完成H(p)的计算。 4、使用Excel的图表向导，图表类型选“XY散点图”，子图表类型选“无数据点平滑散点图”，数据区域用计算出的H(p)数据所在列范围，即$B$1:$B$101。在“系列”中输入X值(即p值)范围，即$A$1:$A$101。在X轴输入标题概率，在Y轴输入标题信源熵。 （二）用matlab软件绘制二源信源熵函数曲线 p = 0.0001:0.0001:0.9999; h = -p.*log2(p)-(1-p).*log2(1-p); plot(p,h) 五、实验结果 一填空题（本题20分，每小题2分） 1、平均自信息为 表示信源的平均不确定度，也表示平均每个信源消息所提供的信息量。 平均互信息 表示从Y获得的关于每个X的平均信息量，也表示发X前后Y的平均不确定性减少的量，还表示通信前后整个系统不确定性减少的量。 2、最大离散熵定理为：离散无记忆信源，等概率分布时熵最大。 3、最大熵值为。 4、通信系统模型如下： 5、香农公式为为保证足够大的信道容量，可采用（1）用频带换信噪比；（2）用信噪比换频带。 6、只要，当N足够长时，一定存在一种无失真编码。 7、当R＜C时，只要码长足够长，一定能找到一种编码方法和译码规则，使译码错误概率无穷小。 8、在认识论层次上研究信息的时候，必须同时考虑到形式、含义和效用三个方面的因素。 9、1948年，美国数学家香农发表了题为“通信的数学理论”的长篇论文，从而创立了信息论。 按照信息的性质，可以把信息分成语法信息、语义信息和语用信息。 按照信息的地位，可以把信息分成客观信息和主观信息。 人们研究信息论的目的是为了高效、可靠、安全地交换和利用各种各样的信息。 信息的可度量性是建立信息论的基础。 统计度量是信息度量最常用的方法。 熵是香农信息论最基本最重要的概念。 事物的不确定度是用时间统计发生概率的对数来描述的。 10、单符号离散信源一般用随机变量描述，而多符号离散信源一般用随机矢量描述。 11、一个随机事件发生某一结果后所带来的信息量称为自信息量，定义为其发生概率对 数的负值 。 12、自信息量的单位一般有 比特、奈特和哈特 。 13、必然事件的自信息是 0 。 14、不可能事件的自信息量是 ∞ 。 15、两个相互独立的随机变量的联合自信息量等于 两个自信息量之和 。 16、数据处理定理：当消息经过多级处理后，随着处理器数目的增多，输入消息与输出消息之间的平均互信息量 趋于变小 。 17、离散平稳无记忆信源X 的N 次扩展信源的熵等于离散信源X 的熵的 N 倍 。 18、离散平稳有记忆信源的极限熵，=∞H )/(lim 121-∞→N N N X X X X H 。 19、对于n 元m 阶马尔可夫信源，其状态空间共有 nm 个不同的状态。 20、一维连续随即变量X 在[a ，b]区间内均匀分布时，其信源熵为 log2（b-a ） 。 21、平均功率为P 的高斯分布的连续信源，其信源熵，Hc （X ）=eP π2log 21 2。 22、对于限峰值功率的N 维连续信源，当概率密度 均匀分布 时连续信源熵具有最大值。 23、对于限平均功率的一维连续信源，当概率密度 高斯分布 时，信源熵有最大值。 24、对于均值为0，平均功率受限的连续信源，信源的冗余度决定于平均功率的限定值P 和信源的熵功率P 之比 。 信息论与编码实验报告-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII 实验一关于硬币称重问题的探讨 一、问题描述： 假设有N 个硬币，这N 个硬币中或许存在一个特殊的硬币，这个硬币或轻 或重，而且在外观上和其他的硬币没什么区别。现在有一个标准天平，但是无刻度。现在要找出这个硬币，并且知道它到底是比真的硬币重还是轻，或者所有硬币都是真的。请问： 1）至少要称多少次才能达到目的； 2）如果N=12，是否能在3 次之内将特殊的硬币找到；如果可以，要怎么称？ 二、问题分析： 对于这个命题，有几处需要注意的地方： 1）特殊的硬币可能存在，但也可能不存在，即使存在，其或轻或重未知； 2）在目的上，不光要找到这只硬币，还要确定它是重还是轻； 3）天平没有刻度，不能记录每次的读数，只能判断是左边重还是右边重，亦或者是两边平衡； 4）最多只能称3 次。 三、解决方案： 1.关于可行性的分析 在这里，我们把称量的过程看成一种信息的获取过程。对于N 个硬币，他们 可能的情况为2N+1 种，即重（N 种），轻（N 种）或者无假币（1 种）。由于 这2N+1 种情况是等概率的，这个事件的不确定度为： Y=Log(2N+1) 对于称量的过程，其实也是信息的获取过程，一是不确定度逐步消除的过程。 每一次称量只有3 种情况：左边重，右边重，平衡。这3 种情况也是等概率 的，所以他所提供的信息量为： y=Log3 在K 次测量中，要将事件的不确定度完全消除，所以 K= Log(2N+1)/ Log3 根据上式，当N=12 时，K= 2.92< 3 所以13 只硬币是可以在3 次称量中达到 第一章 1、信息,信号,消息的区别 信息：是事物运动状态或存在方式的不确定性的描述 消息是信息的载体，信号是消息的运载工具。 2、1948年以“通信的数学理论”（A mathematical theory of communication ）为题公开发表，标志着信息论的正式诞生。 信息论创始人：C.E.Shannon(香农) 第二章 1、自信息量：一个随机事件发生某一结果后所带来的信息量称为自信息量，简称自信息。 单位：比特(2为底)、奈特、笛特（哈特） 2、自信息量的性质 （1） 是非负值 （2） =1时， =0， =1说明该事件是必然事件。 （3） =0时， = ， =0说明该事件是不可能事件。 （4） 是 的单调递减函数。 3、信源熵：各离散消息自信息量的数学期望，即信源的平均信息量。 )(log )(])(1 [log )]([)( 21 2i n i i i i a p a p a p E a I E X H ∑=-=== 单位：比特/符号。（底数不同，单位不同） 信源的信息熵；香农熵；无条件熵；熵函数；熵。 4、信源熵与信息量的比较 （书14页例2.2.2） ()log () 2.1.3 i i I a p a =-（） 5、信源熵的意义（含义）: （1）信源熵H(X)表示信源输出后，离散消息所提供的平均信息量。 （2）信源熵H(X)表示信源输出前，信源的平均不确定度。 （3）信源熵H(X)反映了变量X 的随机性。 6、条件熵： （书15页 例2.2.3） 7、联合熵： 8、信源熵,条件熵,联合熵三者之间的关系: H(XY)= H(X)＋H(Y/X) H(XY)= H(Y)＋H(X/Y) 条件熵小于无条件熵，H(Y/X)≤H(Y)。当且仅当y 和x 相互独立p(y/x)=p(y)，H(Y/X)=H(Y)。 两个条件下的条件熵小于一个条件下的条件熵H(Z/X,Y)≤H(Z/Y)。当且仅当p(z/x,y)=p(z/y)时取等号。 联合熵小于信源熵之和， H(YX)≤H(Y)+H(X) 当两个集合相互独立时得联合熵的最大值 H(XY)max =H(X)+H(Y) 9、信息熵的基本性质:（1）非负性；（2）确定性；（3）对称性；（4）扩展性 （5）可加性 ( H(XY) = H(X)+ H(Y) X 和Y 独立 H （XY ）=H （X ）+ H （Y/X ） H （XY ）=H （Y ）+ H （X/Y ） ) （6）（重点）极值性(最大离散熵定理):信源中包含n 个不同离散消息时，信源熵H(X)有 当且仅当X 中各个消息出现的概率全相等时，上式取等号。 （7）条件熵不大于无条件熵；（8）上凸性 10、多符号的离散无记忆信源就是把单符号进行N 次扩展, 扩展N 次后，每个符号的宽度为N 11 (|)[(|)]()(|) n m i j i j i j i j H X Y E I a b p a b I a b ====∑∑11 ()()()n m i j i j i j H XY p a b I a b ===∑∑11 ()log () (2.2.10) n m i j i j i j p a b p a b ===-∑∑2()log (2.2.12) H X n ≤12()(,, ,) N i i i i p p a a a α=()()()log () N N i i X H X H X p p αα==-∑ 信息论与编码实验报告 课程名称：信息论与编码 实验名称：霍夫曼编码 班级： 学号： 姓名： 实验目的 1、熟练掌握Huffman编码的原理及过程，并熟练运用； 2、熟练运用MATLAB应用软件，并实现Huffman编码过程。 一、实验设备 装有MATLAB应用软件的PC计算机。 二、实验原理及过程 原理： 1、将信源符号按概率从大到小的排列，令P （X1）>=P(X2)>=P(X3)......P(Xn) 2、给两个概率最小的信源符号P（Xn-1）和P（Xn）各分配一个码位“0”和“1”，将这两个信源符号合并成一个新符号，并用这两个最小的概率之和作为新符号的概率，结果得到一个只包含（n-1）个信源符号的新信源。称为信源的第一次缩减信源，用S1表示。 3、将缩减信源S1的符号仍按概率从大到小顺序排列，重复步骤2，得到只含（n-2）个符号的缩减信源S2. 4、重复上述步骤，直至缩减信源只剩两个符号为止，此时所剩两个符号的概率之和必为1。然后从最后一级缩减信源开始，依编码路径向前返回，就得到各信源符号所对应的码字。 过程： 用MATLAB编写代码实现Huffman编码其程序为： %哈夫曼编码的MA TLAB实现（基于0、1编码）： clc; clear; A=[0.3,0.2,0.1,0.2,0.2];信源消息的概率序列 A=fliplr(sort(A));%按降序排列 T=A; [m,n]=size(A); B=zeros(n,n-1);%空的编码表（矩阵） for i=1:n B(i,1)=T(i);%生成编码表的第一列 end r=B(i,1)+B(i-1,1);%最后两个元素相加 T(n-1)=r; T(n)=0; T=fliplr(sort(T)); t=n-1; for j=2:n-1%生成编码表的其他各列 for i=1:t B(i,j)=T(i); end K=find(T==r); B(n,j)=K(end);%从第二列开始，每列的最后一个元素记录特征元素在 信息论与编码实验指导书 1 课程实验目的 本课程是一门实践性很强的专业课和核心课程，根据课程理论教学的需要安排了6学时的配套实验教学，主要内容涉及信息度量的计算方法、典型信源编码方法、典型信道容量计算方法和数据压缩方法四个实验，这四个实验的开设一方面有助于学生消化、巩固课程理论教学的知识，另一方面又可培养学生实践动手能力，同时为后续课程做好准备。 2 课程实验要求 课程实验准备要求 （1）课程实验主要为设计性实验，要求学生熟悉掌握在VC环境下编写和调试C++程序的方法。 （2）要求学生在实验前复习实验所用到的预备知识。可以查阅教材或者相关的参考资料，这需要学生有自主的学习意识和整理知识的能力。 （3）根据实验项目，设计相关的数据结构和算法，再转换为对应的书面程序，并进行静态检查，尽量减少语法错误和逻辑错误。上机前的充分准备能高效利用机时，在有限的时间内完成更多的实验内容。 课程实验过程要求 （1）生成源代码。将课前编写好的书面代码，利用VC自带的编辑器尽快输入为转换为源代码； （2）程序调试和软件测试。要求学生熟练掌握调试工具，调试正确后，认真整理源程序和注释，给出带有完整注释且格式良好的源程序清单和结果。 （3）完成实验报告。根据实验内容和完成情况，按照附件1给定的格式完成课程实验报告的编写。 课程实验报告要求 在每次课程实验后要及时进行总结和整理，并编写课程实验报告。报告格式按江西蓝天学院实验报告纸格式填写。 实验一二维随机变量信息熵的计算 [实验目的] 掌握二变量多种信息量的计算方法。 [实验学时] 2学时 [实验准备] 1．熟悉二变量多种信息量的计算方法，设计实验的数据结构和算法； 2．编写计算二维随机变量信息量的书面程序代码。 [实验内容及步骤] 离散二维随机变换熵的计算 说明： （1）利用random函数和归一化方法构造一个二维离散随机变量（X，Y）； （2）分别计算X与Y的熵、联合熵、条件熵：H（X）、H（Y）、H（X,Y）H（X|Y）、I（X|Y）； （3）对测试通过的程序进行规范和优化； （4）编写本次实验的实验报告。 实验一 关于信源熵的实验 班级：电子131501 姓名：赵英凯 学号：201315020137 时间：2016.5.22 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，练习使用matlab 求解信源的信息熵。 3. 自学图像熵的相关概念，并应用所学知识，使用matlab 求解图像熵。 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。随机事件的自信息量I（xi）为其对应的随机变量xi 出现概率对数的负值。 即： I （xi ）= -log2p ( xi) 随机事件X 的平均不确定度（信源熵）H（X）为离散随机变量 xi 出现概率的数学期望，即： 2.二元信源的信息熵 设信源符号集X={0，1} ，每个符号发生的概率分别为p(0)= p，p(1)= q，p+ q =1，即信源的概率空间为： 则该二元信源的信源熵为： H( X) = - plogp–qlogq = - plogp –(1 - p)log(1- p) 即：H (p) = - plogp –(1 - p)log(1- p) 其中 0 ≤ p ≤1 3. MATLAB二维绘图 用matlab 中的命令plot( x , y) 就可以自动绘制出二维图来。例1-2，在matlab 上绘制余弦曲线图，y = cos x ，其中 0 ≤ x ≤2 >>x =0:0.1:2*pi； %生成横坐标向量，使其为 0，0.1，0.2，…， 6.2 >>y =cos(x )； %计算余弦向量 >>plot(x ,y ) %绘制图形 4. MATLAB求解离散信源熵 求解信息熵过程： 1) 输入一个离散信源，并检查该信源是否是完备集。 2) 去除信源中符号分布概率为零的元素。 3) 根据平均信息量公式，求出离散信源的熵。 5. 图像熵的相关知识 图像熵是一种特征的统计形式，它反映了图像中平均信息量的多少。 本科生实验报告 实验课程信息理论与编码 学院名称信息科学与技术学院 专业名称 学生姓名 学生学号 指导教师 实验地点 实验成绩 二〇一六年九月----二〇一六年十一月 填写说明 1、适用于本科生所有的实验报告（印制实验报告册除外）； 2、专业填写为专业全称，有专业方向的用小括号标明； 3、格式要求： ①用A4纸双面打印（封面双面打印）或在A4大小纸上用蓝黑色水笔书写。 ②打印排版：正文用宋体小四号，1.5倍行距，页边距采取默认形式（上下2.54cm， 左右2.54cm，页眉1.5cm，页脚1.75cm）。字符间距为默认值（缩放100%，间距：标准）；页码用小五号字底端居中。 ③具体要求： 题目（二号黑体居中）； 摘要（“摘要”二字用小二号黑体居中，隔行书写摘要的文字部分，小4号宋体）； 关键词（隔行顶格书写“关键词”三字，提炼3-5个关键词，用分号隔开，小4号黑体)； 正文部分采用三级标题； 第1章××(小二号黑体居中，段前0.5行) 1.1 ×××××小三号黑体×××××（段前、段后0.5行） 1.1.1小四号黑体（段前、段后0.5行） 参考文献（黑体小二号居中，段前0.5行），参考文献用五号宋体，参照《参考文献著录规则（GB/T 7714－2005）》。 实验一：香农（Shannon ）编码 一、实验目的 掌握通过计算机实现香农编码的方法。 二、实验要求 对于给定的信源的概率分布，按照香农编码的方法进行计算机实现。 三、实验基本原理 给定某个信源符号的概率分布，通过以下的步骤进行香农编码 1.将信源消息符号按其出现的概率大小排列 )()()(21n x p x p x p ≥≥≥ 2．确定满足下列不等式的整数码长K i ； 1)(lo g )(lo g 22+-<≤-i i i x p K x p 3．为了编成唯一可译码，计算第i 个消息的累加概率 ∑-==1 1 )(i k k i x p p 4．将累加概率P i 变换成二进制数。 5．取P i 二进制数的小数点后K i 位即为该消息符号的二进制码。 四、实验内容 1.对给定信源? ?????=????? ?01.01.015.017.018.019.02.0)(7654321 x x x x x x x X q X 进行二进制香农编码。 2.对给定信源??????=????? ?05.010.015.020.025.025.0)(654321x x x x x x X q X 进行二进制香农编码。 3.自已选择一个例子进行香农编码。 五、实验设备 PC 计算机 ，C++信息论与编码习题参考答案(全)
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