信息论第2章 信道模型及信道容量资料
第2章 信道模型及信道容量
单符号信道的数学模型：
{ X , p( y / x), Y }
单维离散信道的数学模型
输入输出的联合概率为：
p(b j ai ) p(ai ) p(b j / ai ) p(bi ) p(a j / bi )
P ( ai )
称作输入概率/先验概率
P(b j / ai ) 称作前向概率 P(ai / b j ) 称作后向概率/后验概率
信道
Y
p( y / x )
Y = (Y1 , Y2 ,...YM )
涉及输入和输出两个随机过程，其之间统计依 赖关系由条件概率 p( y / x )来描述.
包含了信道噪声与干扰的影响 反映了信道的统计特性
单维离散信道的数学模型
X a1 , P( x) p , 1 a2 , , p2 , , ar 输入 pr 干扰
§2.3 离散信道的信道容量
信息传输率：表征平均每个符号通过信道所传输的信息量。 由于平均互信息代表了信道传输过去的那部分信源信息， 因此传信率数值上就应该等于信道的平均互信息。
R I ( X ; Y ) H ( X ) H ( X / Y )比特 / 符号
有时需要了解信道在单位时间内平均传输的信息量，记作：
§2.1 信道的数学模型及分类
什么是信道？
是传送信息的载体——信号所通过的通道。
信源 信道 信宿
噪声
输出信号产生错误和失真
图2.1 通信系统的简化模型
信道的输入输出信号之间一般不是确定的函数 关系，而是统计依赖的关系！
信道的作用
在信息系统中信道主要用于传输与存储信 息，而在通信系统中则主要用于传输。
p(b
信息论
信息论第一章概论1.信息、消息、信号的定义及关系。
定义信息：事物运动状态或存在方式的不确定性的描述。
消息：指包含有信息的语言、文字和图像等。
信号：表示消息的物理量，一般指随时间而变化的电压或电流称为电信号。
关系信息和消息信息不等于消息。
消息中包含信息，是信息的载体。
同一信息可以用不同形式的消息来载荷。
同一个消息可以含有不同的信息量。
信息和信号信号是消息的载体，消息则是信号的具体内容。
信号携带信息，但不是信息本身。
同一信息可用不同的信号来表示，同一信号也可表示不同的信息。
2. 通信系统模型，箭头上是什么？通信的目的及方法。
通信的目的：是为了提高通信的可靠性和有效性。
信源编码：提高信息传输的有效性。
（减小冗余度）信道编码：提高信息传输的可靠性。
（增大冗余度）第二章 信源及其信息量★信源发出的是消息。
信源分类1、信源按照发出的消息在时间上和幅度上的分布情况可将信源分成离散信源和连续信源。
2、根据各维随机变量的概率分布是否随时间的推移而变化将信源分为平稳信源和非平稳信源。
单符号离散信源离散无记忆信源 无记忆扩展信源 离散平稳信源离散有记忆信源 记忆长度无限记忆长度有限（马尔可夫信源）一、单符号离散信源单符号离散信源的数学模型为定义：一个随机事件发生某一结果后所带来的信息量为自信息量。
定义为其发生概率对数的负值。
以 奇才 单位：•对数以2为底，单位为比特 (bit ) （binary unit ） •对数以e 为底，单位为奈特 (nat ) (nature unit)•对数以10为底，单位为笛特(det) (decimal unit) 或哈特 (hart) 物理含义：在事件xi 发生以前，等于事件xi 发生的不确定性的大小；在事件xi 发生以后，表示事件xi 所含有或所能提供的信息量。
性质:①I(x i )是非负值.②当p(x i )=1时，I(x i )=0. ③当p(x i )=0时，I(x i )=∞.④I(x i ) 是p(x i )的单调递减函数.联合自信息量条件自信息量自信息量、条件自信息量和联合自信息量之间有如下关系式：I(x i y j )= I(x i )+ I(y j / x i ) = I(y j )+ I(x i / y j )⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡)(,),(,),(),( ,, ,, , )( 2121n i n i x p x p x p x p x x x x X P X )(log )( i i x p x I -=)(log )( j i j i y x p y x I -=1)(,1)(01=≤≤∑=ni i i x p x p定义：各离散消息自信息量的数学期望，即信源的平均信息量.单位：比特/符号 物理含义： 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.信源符号的概率分布越均匀，则平均信息量越大; 确定事件，不含有信息量。
信道、信道容量、数据传输速率
信道、信道容量、数据传输速率简介：信道、信道容量、数据传输速率（比特率）、电脑装置带宽列表一、信道的概念信道，是信号在通信系统中传输的通道，是信号从发射端传输到接收端所经过的传输媒质，这是狭义信道的定义。
广义信道的定义除了包括传输媒质，还包括信号传输的相关设备。
信道容量是在通信信道上可靠地传输信息时能够达到的最大速率。
根据有噪信道编码定理，给定信道的信道容量是其以任意小的差错概率传输信息的极限速率。
信道容量的单位为比特每秒、奈特每秒等等。
香农在第二次世界大战期间发展出信息论，并给出了信道容量的定义和计算信道容量的数学模型。
他指出，信道容量是信道的输入与输出的互信息量的最大值，这一最大取值由输入信号的概率分布决定。
二、信道的分类（一）狭义信道的分类狭义信道，按照传输媒质来划分，可以分为有线信道、无线信道和存储信道三类。
1. 有线信道有线信道以导线为传输媒质，信号沿导线进行传输，信号的能量集中在导线附近，因此传输效率高，但是部署不够灵活。
这一类信道使用的传输媒质包括用电线传输电信号的架空明线、电话线、双绞线、对称电缆和同轴电缆等等，还有传输经过调制的光脉冲信号的光导纤维。
2. 无线信道无线信道主要有以辐射无线电波为传输方式的无线电信道和在水下传播声波的水声信道等。
无线电信号由发射机的天线辐射到整个自由空间上进行传播。
不同频段的无线电波有不同的传播方式，主要有：地波传输：地球和电离层构成波导，中长波、长波和甚长波可以在这天然波导内沿着地面传播并绕过地面的障碍物。
长波可以应用于海事通信，中波调幅广播也利用了地波传输。
天波传输：短波、超短波可以通过电离层形成的反射信道和对流层形成的散射信道进行传播。
短波电台就利用了天波传输方式。
天波传输的距离最大可以达到400千米左右。
电离层和对流层的反射与散射，形成了从发射机到接收机的多条随时间变化的传播路径，电波信号经过这些路径在接收端形成相长或相消的叠加，使得接收信号的幅度和相位呈随机变化，这就是多径信道的衰落，这种信道被称作衰落信道。
信息论基础第二版习题答案
信息论基础第二版习题答案信息论是一门研究信息传输和处理的学科，它的基础理论是信息论。
信息论的基本概念和原理被广泛应用于通信、数据压缩、密码学等领域。
而《信息论基础》是信息论领域的经典教材之一，它的第二版是对第一版的修订和扩充。
本文将为读者提供《信息论基础第二版》中部分习题的答案，帮助读者更好地理解信息论的基本概念和原理。
第一章：信息论基础1.1 信息的定义和度量习题1：假设有一个事件发生的概率为p，其信息量定义为I(p) = -log(p)。
求当p=0.5时，事件的信息量。
答案：将p=0.5代入公式，得到I(0.5) = -log(0.5) = 1。
习题2：假设有两个互斥事件A和B，其概率分别为p和1-p，求事件A和B 同时发生的信息量。
答案：事件A和B同时发生的概率为p(1-p)，根据信息量定义，其信息量为I(p(1-p)) = -log(p(1-p))。
1.2 信息熵和条件熵习题1：假设有一个二进制信源，产生0和1的概率分别为p和1-p，求该信源的信息熵。
答案：根据信息熵的定义，信源的信息熵为H = -plog(p) - (1-p)log(1-p)。
习题2：假设有两个独立的二进制信源A和B，产生0和1的概率分别为p和1-p，求两个信源同时发生时的联合熵。
答案：由于A和B是独立的，所以联合熵等于两个信源的信息熵之和，即H(A,B) = H(A) + H(B) = -plog(p) - (1-p)log(1-p) - plog(p) - (1-p)log(1-p)。
第二章：信道容量2.1 信道的基本概念习题1：假设有一个二进制对称信道，其错误概率为p，求该信道的信道容量。
答案：对于二进制对称信道，其信道容量为C = 1 - H(p)，其中H(p)为错误概率为p时的信道容量。
习题2：假设有一个高斯信道，信道的信噪比为S/N，求该信道的信道容量。
答案：对于高斯信道，其信道容量为C = 0.5log(1 + S/N)。
信道、信道容量、数据传输速率
简介：信道、信道容量、数据传输速率（比特率）、电脑装置带宽列表一、信道的概念信道，是信号在通信系统中传输的通道，是信号从发射端传输到接收端所经过的传输媒质，这是狭义信道的定义。
广义信道的定义除了包括传输媒质，还包括信号传输的相关设备。
信道容量是在通信信道上可靠地传输信息时能够达到的最大速率。
根据有噪信道编码定理，给定信道的信道容量是其以任意小的差错概率传输信息的极限速率。
信道容量的单位为比特每秒、奈特每秒等等。
香农在第二次世界大战期间发展出信息论，并给出了信道容量的定义和计算信道容量的数学模型。
他指出，信道容量是信道的输入与输出的互信息量的最大值，这一最大取值由输入信号的概率分布决定。
二、信道的分类（一）狭义信道的分类狭义信道，按照传输媒质来划分，可以分为有线信道、无线信道和存储信道三类。
1. 有线信道有线信道以导线为传输媒质，信号沿导线进行传输，信号的能量集中在导线附近，因此传输效率高，但是部署不够灵活。
这一类信道使用的传输媒质包括用电线传输电信号的架空明线、电话线、双绞线、对称电缆和同轴电缆等等，还有传输经过调制的光脉冲信号的光导纤维。
2. 无线信道无线信道主要有以辐射无线电波为传输方式的无线电信道和在水下传播声波的水声信道等。
无线电信号由发射机的天线辐射到整个自由空间上进行传播。
不同频段的无线电波有不同的传播方式，主要有：地波传输：地球和电离层构成波导，中长波、长波和甚长波可以在这天然波导内沿着地面传播并绕过地面的障碍物。
长波可以应用于海事通信，中波调幅广播也利用了地波传输。
天波传输：短波、超短波可以通过电离层形成的反射信道和对流层形成的散射信道进行传播。
短波电台就利用了天波传输方式。
天波传输的距离最大可以达到400千米左右。
电离层和对流层的反射与散射，形成了从发射机到接收机的多条随时间变化的传播路径，电波信号经过这些路径在接收端形成相长或相消的叠加，使得接收信号的幅度和相位呈随机变化，这就是多径信道的衰落，这种信道被称作衰落信道。
信道容量的基本概念
信道容量的基本概念信道容量的概念:信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率。
在信道模型口，我们定义了两种广义信道:调制信道和编码信道。
调制信道是一种连续信道，可以用连续信道的信道容量米表征:编码信道是一种离散信道，可以用离散信道。
的信道容量来表征。
在此处，我们只讨论连续信道的信道容量。
对于只有一个信源和一个信宿的单用户信道，它是一个数，单位是比特每秒或比特每符号。
它代表每秒或每个信道符号能传送的最大信息量，或者说小于这个数的信息率必能在此信道中无错误地传送。
对于多用户信道，当信源和信宿都是两个时，它是平面上的一条封闭线。
什么是信道容量？信道容量：信息论不研究信号在信道中传输的物理过程，它假定信道的传输特性是已知的，这样信道就可以用抽象的数学模型来描述。
在信息论中，信道通常表示成：{X,P(Y|X),Y}，即信道输入随机变量X、输出随机变量Y以及在输入已知的情况下，输出的条件概率分布P(Y|X)。
根据信道的统计特性是否随时间变化分为：①恒参信道（平稳信道）：信道的统计特性不随时间变化。
卫星通信信道在某种意义下可以近似为恒参信道。
②随参信道（非平稳信道）：信道的统计特性随时间变化。
如短波通信中，其信道可看成随参信道信道容量是信道的一个参数，反映了信道所能传输的最大信息量，其大小与信源无关。
对不同的输入概率分布，互信息一定存在最大值。
我们将这个最大值定义为信道的容量。
一但转移概率矩阵确定以后，信道容量也完全确定了。
尽管信道容量的定义涉及到输入概率分布，但信道容量的数值与输入概率分布无关。
我们将不同的输入概率分布称为试验信源，对不同的试验信源，互信息也不同。
其中必有一个试验信源使互信息达到最大。
这个最大值就是信道容量。
信道容量代表每秒或每个信道符号能传送的最大信息量，或者说小于这个数的信息率必能在此信道中无错误地传送。
对于多用户信道，当信源和信宿都是两个时，它是平面上的一条封闭线。
我们将这个最大值定义为信道的容量。
准对称离散信道的信道容量__概述及解释说明
准对称离散信道的信道容量概述及解释说明1. 引言1.1 概述在现代通信领域中，信息的传输是通过信道完成的。
而对于离散信道而言，其容量即为最大可达到的信息传输速率，对于设计和优化通信系统至关重要。
准对称离散信道是一类常见的离散信道模型，在实际应用中具有广泛的应用场景和重要意义。
1.2 文章结构本文将对准对称离散信道的信道容量进行全面探究与解释。
首先，在第2部分中，我们将介绍离散信道的定义和特性，并详细阐述了准对称信道的概念。
接下来，在第3部分中，我们将探讨计算准对称离散信道容量所用到的方法与技巧，并着重介绍了香农公式及其推导过程以及极大极小化与对偶性原理在计算中的应用。
然后，在第4部分中，我们将回顾以往研究成果并进行总结分析，同时探讨当前研究现状和存在问题，并展望未来研究方向和挑战。
最后，在第5部分中，我们将总结全文主要结论，并展望未来可能的研究方向。
1.3 目的本文的目的主要为探讨准对称离散信道的信道容量，并解释其在通信系统设计和优化中的重要性。
通过深入了解离散信道的定义和特性，以及准对称信道的概念，读者可以更加清晰地理解准对称离散信道相关概念和理论基础。
此外，本文还将介绍计算准对称离散信道容量所用到的方法与技巧，帮助读者更好地掌握相关计算技术，并总结过去研究成果并分析当前研究现状，以期激发未来进一步深入研究的兴趣和思路。
2. 准对称离散信道的信道容量：2.1 离散信道的定义和特性：离散信道是指在传输信息时，输入和输出都是离散的符号序列，并且中间有隐含的噪声干扰。
离散信道可以用条件概率分布表示，其中输入符号与输出符号之间存在一定的概率转移关系。
离散信道的特性包括：- 有限输入字母表：输入符号集合是一个有限集合。
- 有限输出字母表：输出符号集合也是一个有限集合。
- 条件概率分布：用于描述输入字母在给定条件下生成输出字母的概率分布。
- 恒等性：理想情况下，理想的离散信道应该满足恒等性，即输入与输出完全相同。
信息论基础——信道容量的计算
p p1 p 1
将p=3/5代入（2），得到信道容为:C=0.32bit/sym.
20
信道容量的计算
2 达到信道容量输入分布的充要条件
令
I (xi ;Y )
s j 1
p( y j
|
xi ) log
p( y j | xi ) p( yj )
def
D(Q( y |
x) ||
p( y))
定理4.2.2 一般离散信道的互信息I(X；Y)达到极大值
1 信道容量的计算原理
C是选择不同的输入概率分布p(x),在满足
∑p(x)=1条件下，求互信息的极大值：
I(X ;Y )
r i 1
s j 1
p(xi ) p( y j | xi ) log
p( y j | xi ) p(yj )
Lagrange乘子
法
17
信道容量的计算
例1、设某二进制数字传输系统接收判决器
6
数据可靠传输和信道编码
4.1 离散无记忆信道和信道容量 4.2 信道容量的计算
4.3 信道编码理论 4.4 带反馈的信道模型 4.5 联合信源-信道编码定理 4.6 线性分组码 习题四
7
8
接入信道容量的分析与寻呼信道不一样，寻呼信道用于前 向链路，容量的分析主要在于对寻呼信道占用率的计算， 而接入信道用于反向链路，对 CDMA 系统来说，反向链 路容量主要用于干扰的分析。即使采用时隙化的随机接入 协议，接入信道也可能有较高的通过量，大量的接入业务 会在反向链路中产生无法接受的干扰。如前所述，第一个 接入试探失败后，下一个接入试探将增加一定量的功率， 最终的结果将导致小区接收功率的增加以及反向链路容量 的减少。
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Information Theory
王逸林
哈尔滨工程大学 2013
Tel: 82519503 E-mail: wangyilin@
第2章 信道模型及信道容量
2.1 2.2 1.3 1.4 1.5 1.6 信道的数学模型及分类 信道传输的平均互信息 平均信息量 消息序列的熵 连续信源的信息度量 信源的相关性和剩余度
明线 对称平衡电缆（市内） 固体介质电缆小同轴（长途） 有线信道 中同轴（长途） 波导 混合介质 光缆 长波 中波 1 传输媒介类型 短波 超短波 移动 空气介质 视距接力 微波 对流层 散射 电离层 卫星 光波
b1 bs 输出 [P]
输入 a1 p(b1 / a1 ) p(bs / a1 ) ar p(b1 / ar ) p(bs / ar )
单符号信道的数学模型：
{ X , p( y / x),Y }
单维离散信道的数学模型
输入输出的联合概率为：
2.1.2 离散信道的数学模型
X
X ( X 1 , X 2 ,...X N )
信道
Y
p( y / x )
Y = (Y1 , Y2 ,...YM )
涉及输入和输出两个随机过程，其之间统计依 赖关系由条件概率 p( y / x )来描述.
包含了信道噪声与干扰的影响 反映了信道的统计特性
以太？
信道的分类
工程物理背景——传输媒介类型； 数学描述方式——信号与干扰描述方式； 信道本身的参数类型——恒参与变参； 用户类型——单用户与多用户； 输入、输出随机变量的个数 ——单符号信道与多符号信道。
离散 根据输入、输出随机信号特点： 连续 信号类型 离散信道—输入、输出随机变量均离散取值 半离散 连续信道—输入、输出随机变量均连续取值 半离散(连续)信道—一为离散，另一为连续 半连续 略； 无干扰：干扰少到可忽 无源热噪声 2〉信号与干扰类型 线性叠加干扰 有源散弹噪声 脉冲噪声 干扰类型 有干扰 交调 乘性干扰衰落 码间干扰
单维离散信道的数学模型
X a1 , a2 , , ar 输入 P( x) p , p , , p 1 2 r 干扰
信道
p ( y / x)
Y b1 , b2 , , bs q , q , , q P ( y ) 1 s 2
§2.1 信道的数学模型及分类
什么是信道？
是传送信息的载体——信号所通过的通道。
信源 信道 信宿
噪声
输出信号产生错误和失真
图2.1 通信系统的简化模型
信道的输入输出信号之间一般不是确定的函数 关系，而是统计依赖的关系！
信道的作用
在信息系统中信道主要用于传输与存储信 息，而在通信系统中则主要用于传输。
） 恒参信道（时不变信道 3〉信道参量类型 变参信道（时变信道）
信） 单用户信道（点对点通 4〉用户类型 多用户信道（通信网）
有记忆信道 5〉记忆特性 无记忆信道 单符号信道 6〉输入、输出变量个数 多符号信道
单符号信道——输入、输出均用随机变量表示 多符号信道——输入、输出用随机矢量表示
p(bj ai ) p(ai ) p(bj / ai ) p(bi ) p(a j / bi )
P(ai )
称作输入概率/先验概率
P(bj / ai ) 称作前向概率 P(ai / bj ) 称作后向概率/后验概率
P(bi )
称作输出概率
单维离散信道的数学模型
输出符号概率： p(b j ) p(ai b j ) p(ai ) p(b j / ai )
i 1 i 1 r r
p (b1 ) p (a1 ) p (b ) p(a ) 2 2 PT p ( b ) p ( a ) s r
后验概率： P(ai / b j )
m
p(ai b j ) p(b j )
研究信道的目的
在通信系统中研究信道，主要是为了描述、 研究：在什么条件下，通过信道的 度量、分析不同类型信道，计算其容量， 信息量最大？多少？ 即极限传输能力，并分析其特性。
2.1.1 信道的分类
工程物理背景——传输媒介类型； 数学描述方式——信号与干扰描述方式； 信道本身的参数类型——恒参与变参； 用户类型——单用户与多用户； 输入、输出随机变量的个数 ——单符号信道与多符号信道。
信源
编码
A
媒介
B
译码
信宿
干扰
C1Байду номын сангаасC2 C3 C4
C1狭义的传输信道——连续信道； C2广义的传输信道——离散信道； C3离散半连续信道 C4连续半离散信道
信道的分类
工程物理背景——传输媒介类型； 数学描述方式——信号与干扰描述方式； 信道本身的参数类型——恒参与变参； 用户类型——单用户与多用户； 输入、输出随机变量的个数 ——单符号信道与多符号信道。
输出
输入信号与输出信号间是基于信道的统计依赖关系这种统计依赖关系是 通过条件概率 p( y / x) 来描述的。
信道转移概率/传递概率： p( y / x) p(b j / ai )
p(b
j 1
s
j
/ ai ) 1
当输入为ai时，输出一定是bj中的一个
单维离散信道的数学模型
信道转移矩阵：