第4章信源编码与信道编码.ppt
数字通信中的信源编码和信道编码
数字通信中的信源编码和信道编码摘要：如今社会已经步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输及通信起着支撑作用。
而对于信息的传输，数字通信已经成为重要的手段。
本论文根据当今现代通信技术的发展，对信源编码和信道编码进行了概述性的介绍.关键词：数字通信；通信系统；信源编码；信道编码Abstract：Now it is an information society. In the all of information technologies, transmission and communication of information take an important effect. For the transmission of information, Digital communication has been an important means. In this thesis we will present an overview of source coding and channel coding depending on the development of today’s communication technologies.Key Words：digital communication; communication system; source coding; channel coding1.前言通常所谓的“编码”包括信源编码和信道编码。
编码是数字通信的必要手段。
使用数字信号进行传输有许多优点, 如不易受噪声干扰, 容易进行各种复杂处理, 便于存贮, 易集成化等。
编码的目的就是为了优化通信系统。
一般通信系统的性能指标主要是有效性和可靠性。
所谓优化，就是使这些指标达到最佳。
除了经济性外，这些指标正是信息论研究的对象。
按照不同的编码目的，编码可主要分为信源编码和信道编码。
在本文中对此做一个简单的介绍。
信源编码与信道编码
信源编码与信道编码⼀．信源编码和信道编码的发展历程信源编码：最原始的信院编码就是莫尔斯电码，另外还有ASCII码和电报码都是信源编码。
但现代通信应⽤中常见的信源编码⽅式有：Huffman编码、算术编码、L-Z编码，这三种都是⽆损编码，另外还有⼀些有损的编码⽅式。
信源编码的⽬标就是使信源减少冗余，更加有效、经济地传输，最常见的应⽤形式就是压缩。
相对地，信道编码是为了对抗信道中的噪⾳和衰减，通过增加冗余，如校验码等，来提⾼抗⼲扰能⼒以及纠错能⼒。
信道编码：1948年Shannon极限理论→1950年Hamming码→1955年Elias卷积码→1960年 BCH码、RS码、PGZ译码算法→1962年Gallager LDPC（Low Density Parity Check，低密度奇偶校验）码→1965年Ｂ－M译码算法→1967年RRNS码、Viterbi算法→1972年Chase⽒译码算法→1974年Bahl MAP算法→1977年IMaiBCM分组编码调制→1978年Wolf 格状分组码→1986年Padovani恒包络相位／频率编码调制→1987年Ungerboeck TCM格状编码调制、SiMonMTCM多重格状编码调制、WeiL.F.多维星座TCM→1989年Hagenauer SOVA算法→1990年Koch Max－Lg－MAP算法→1993年Berrou Turbo码→1994年Pyndiah 乘积码准最佳译码→1995年 Robertson Log－MAP算法→1996年 Hagenauer TurboBCH码→1996MACKaｙ－Neal重新发掘出LDPC码→1997年 Nick Turbo Hamming码→1998年Tarokh 空－时卷格状码、AlaMouti空－时分组码→1999年删除型Turbo码虽然经过这些创新努⼒，已很接近Shannon极限，例如1997年Nickle的TurboHamming码对⾼斯信道传输时已与Shannon极限仅有0.27dB相差，但⼈们依然不会满意，因为时延、装备复杂性与可⾏性都是实际应⽤的严峻要求，⽽如果不考虑时延因素及复杂性本来就没有意义，因为50多年前的Shannon理论本⾝就已预⽰以接近⽆限的时延总容易找到⼀些⽅法逼近Shannon 极限。
信息论与编码2016(第4章)
§4.2 离散无记忆信道 对称DMC容量的计算
P的所有列都是第一列的一种置换，信 道是关于输出对称的
0 .8 0 .2 P 0 .5 0 .5 0 .2 0 .8
§4.2 离散无记忆信道
命题2 若DMC关于输出为对称的，则当输入分布等概时，输 出分布等概。 证明 此时{p(y|x)，x=0~ K-1}与{p(0|x)，x=0~ K-1}互为置换。 设q(x)=1/K，x∈{0, 1, …, K-1}。则
q( z ) p( y | z )
都取一个相同的值；对任何满足q(k)=0的k，I(X=k; Y)都 不大于此相同的值。 （2）此时此相同的值恰好就是信道容量C。
§4.2 离散无记忆信道
注解
如果对DMC信道没有任何简化，要计算最佳输 入分布并不容易。但是，通常使用的DMC是很简单 的（比如，以下的准对称信道和对称信道），最佳 输入分布很容易求出。
§4.2 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ散无记忆信道
定理4.2.2(p91) （1）输入概率分布{x, q(x), x∈{0, 1, …, K-1}}是最佳输入分 布的充分必要条件为：对任何满足q(k)>0的k，
I ( X k ; Y ) p( y | k ) log K 1
y 0 z 0 J 1
p( y | k )
第四章：信道及其容量
§4.1 §4.2 §4.5 §4.6 §4.7 信道分类 离散无记忆信道 信道的组合 时间离散的无记忆连续信道 波形信道
5
§4.1 信道分类
所有信道都有一个输入集A，一个输出集B以及 两者之间的联系，如条件概率P(y│x)，x∈A， y∈B。这些参量可用来规定一条信道。
精品课课件信息论与编码(全套讲义)
跨学科交叉融合
信息论将与更多学科进行交叉融合，如物理学、 化学、社会学等，共同推动信息科学的发展。
编码技术的发展趋势
高效编码算法
随着计算能力的提升，更高效的编码算法将不断涌现，以提高数据 传输和存储的效率。
智能化编码
借助人工智能和机器学习技术，编码将实现智能化，自适应地调整 编码参数以优化性能。
跨平台兼容性
未来的编码技术将更加注重跨平台兼容性，以适应不同设备和网络环 境的多样性。
信息论与编码的交叉融合
理论与应用相互促进
信息论为编码技术提供理论支持， 而编码技术的发展又反过来推动 信息论的深入研究。
共同应对挑战
精品课课件信息论与编码(全套 讲义)
目
CONTENCT
录
• 信息论基础 • 编码理论 • 信道编码 • 信源编码 • 信息论与编码的应用 • 信息论与编码的发展趋势
01
信息论基础
信息论概述
信息论的研究对象
研究信息的传输、存储、处理和变换规律的科学。
信息论的发展历程
从通信领域起源，逐渐渗透到计算机科学、控制论、 统计学等多个学科。
卷积编码器将输入的信息序列按位输入到一个移位寄存器中，同时根据生成函数将移位寄存 器中的信息与编码器中的冲激响应进行卷积运算，生成输出序列。
卷积码的译码方法
卷积码的译码方法主要有代数译码和概率译码两种。代数译码方法基于最大似然译码准则， 通过寻找与接收序列汉明距离最小的合法码字进行译码。概率译码方法则基于贝叶斯准则， 通过计算每个合法码字的后验概率进行译码。
04
第4章 信 道
n
m (t)cos[w0t + j i (t)] i
i= 1
邋m (t)cos j
i i= 1
n i
(t )cos w0t i= 1
mi (t )sin j i (t )sin w0t (4.4-2)
X s ( t ) s in w 0 t
缓慢随机变化振幅
R ( t ) = X c ( t ) co s w 0 t
18
第4章 信 道 章
f (t ) Û F ( w )
（4.4-8）
j wt 0
jw ( t 0 + t )
则有
Af (t - t 0 ) AF (w)eAf (t - t 0 - t ) AF (w)e-
Af (t - t 0 ) + Af (t - t 0 - t ) ? AF (w)e-
接收滤波器特性
Pn(f)
噪声等效 带宽
利用噪声等效带宽的概念， 在后面讨论通信系统的性能时， 图4-19 噪声功率谱特性 可以认为窄带噪声的功率谱密度在带宽Bn内是恒定的。
27
第4章 信 道 章
4.6 信道容量
信道容量 － 指信道无差错传输的最大平均信息速率。
4.6.1 离散信道容量
两种不同的度量单位： C － 每个符号能够传输的平均信息量最大值
- jωtd
例2：设恒参信道的等效模型如图所示，求信道的幅 频特性、相频特性及群迟延特性，并分析信号通过 该信道时有无失真。
13
第4章 信 道 章
随参信道的影响
变参信道：又称时变信道，信道参数随时间而变。 变参信道举例：天波、地波、视距传播、散射传播… 变参信道的特性：
衰减随时间变化 时延随时间变化 多径效应：信号经过几条路径到达接收端，而且每条路 径的长度（时延）和衰减都随时间而变，即存在多径 传播现象。
信源编码
a4
1000 0001
异前缀码(即时码)：码集中任何一个码不是其他码的前缀。 即时码必定是唯一可译码, 唯一可译码不一定是即时码。 5°有实用价值的分组码 分组码：将信源符号集中的每个信源符号固定地映射成一个码字。
是非奇异码、唯一可译码、即时码 。
六、码树图 1°码树图: 用码树来描述给定码集中各码字的方法。
码字Y i 的码元个数 Ki 称为Y i的码长。 所有码字Y i 的码长 Ki 均相等称为码长为 K 定长码。 码字Y i 的码长 Ki 不全相等称为变长码。
西南石油大学理学院
三、 编码与译码
1°信源编码：将信源符号xi 或符号序列XLi 按一种规则映像成码字 Yi的过程。 2°无失真编码：信源符号到码字的映射必须一一对应。 3°译码：从码符号到信源符号的映射。
x2 x1 x3 x2 x1 x1
x1→1 x2→10 x3→11 则无法唯一分割。
4°按译码的即时性分类
非即时码：接收端收到一个完整的码字后，不能立即译码，还需 要等到下一个码字开始接收后才能判断是否可以译码。
即时码：接收端收到一个完整的码字后，就能立即译码，即时码 又称为非延长码或异前缀码。 即时码与唯一可译码
信源符号 xi 对应的码字为Yi （i = 1, 2, … , n），码字Yi 对应 的码长为 K i（i = 1, 2, …, n ） 。 所有的 K i 相等为定长码，记为 K, 不相等时为变长码。
3°按译码唯一性分类
唯一可译码：对于多个码字组成的有限长码流，只能唯一
地分割成一个个的码字。唯一可译码又称为单义码。
非唯一可译码：对有限长码流，不能唯一地分割成一个个
的码字。
西南石油大学理学院
【例】 码流 100111000 … 码1 码2
(信息论、编码及应用)第4章连续信源与连续信道
连续信源的编码定理是信息论中最重 要的定理之一，它为信源编码提供了 理论依据和指导，广泛应用于数据压 缩、图像处理等领域。
02
连续信道
定义与特性
定义
连续信道是一种能够传输连续信号的通信通道，例如音频、 视频信号等。
特性
连续信道具有带宽限制、噪声干扰、信号衰减等特性，这些 特性会影响信号传输的质量和可靠性。
利用统计学习方法，如自适应滤 波、神经网络等，对信源和信道 进行学习和优化，实现动态匹配。
编码技术
采用适当的编码技术，如差分编 码、增量编码等，对信源进行编 码，使其更适应信道的传输特性。
匹配的优化策略
01
02
03
能效优先
在保证信息传输质量的前 提下，优先考虑能效，通 过优化信源和信道的参数， 降低能耗。
例如，在移动通信网络中，语音信号通常采用码分多址（CDMA）或长期演进（LTE） 等技术进行传输。这些技术能够提供较高的数据传输速率和较低的误码率，从而保 证语音信号的清晰度和可懂度。
图像信号传
图像信号传输是连续信源与连续信道的另一个重要应用领域。在电视广播、视频会议和在线教育等应用中，图像信号需要通 过连续信道进行传输。由于图像信号的数据量较大，因此需要采用高效的压缩编码技术来减小传输数据量，同时还需要保证 图像质量。
输速率，同时保证信息的可靠传输。
03
匹配理论的发展历程
随着信息论的不断发展，匹配理论也在不断完善，从早期的经典匹配理
论到现代的统计匹配理论，为连续信源与连续信道的匹配提供了更精确
的指导。
匹配的实现方法
参数调整
根据信源和信道的特性，调整相 关参数，如信源的压缩比、信道 的调制方式等，以实现匹配。
《信息论与编码全部》课件
信息论与编码全部PPT课件
汇报人：PPT
目录
CONTENTS
01 添加目录标题 03 信息度量与熵
02 信息论与编码的基 本概念
04 信源编码
05 信道编码
06 加密与解密技术
07 信息安全与认证技 术
添加章节标题
信息论与编码的基本概 念
信息论的发展历程
1948年，香农提出信 息论，奠定了信息论
提高安全性
优点：安全性 高，速度快，
易于实现
应用：广泛应 用于电子商务、 网络通信等领
域
发展趋势：随 着技术的发展， 混合加密技术 将更加成熟和
完善
信息安全与认证技术
数字签名技术
数字签名：一种用于验证信息来源和完整性的技术 数字签名算法：RSA、DSA、ECDSA等 数字证书：用于存储数字签名和公钥的文件 数字签名的应用：电子邮件、电子商务、网络银行等
汇报人：PPT
熵越小，表示信息量越小，不确 定性越小
熵是概率分布的函数，与概率分 布有关
信源编码
定义：无损信源编码是指在编码过 程中不丢失任何信息，保持原始信 息的完整性。
无损信源编码
应用：无损信源编码广泛应用于音 频、视频、图像等媒体数据的压缩 和传输。
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
特点：无损信源编码可以保证解码 后的信息与原始信息完全一致，但 编码和解码过程通常比较复杂。
古典密码学：公元前400年，古希腊人使用替换密码 近代密码学：19世纪，维吉尼亚密码和Playfair密码出现 现代密码学：20世纪，公钥密码体制和数字签名技术出现 当代密码学：21世纪，量子密码学和后量子密码学成为研究热点
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图4.18 交织的方法
2020/2/7
16
图4.19 GSM系统的语音交织
2020/2/7
17
本章小结 本章详细讨论了信源编码和信道编码的相关问题，信 源编码部分主要包括等长码和等长信源编码定理、变 长码和变长信源编码定理、霍夫曼编码；信道编码部 分主要介绍了几种常用的信道编码方法，主要有：线 性分组码、循环码、级联码、检错码、Turbo码、卷 积码和交织编码等。对各种编码方法的更深入的学习 请参考相关著作。
2020/2/7
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第四章信源编码与信道编码
【案例4.1】
图4.1 编码器
2020/2/7
1
【案例4.2】
图4.2 音视频编解码器
2020/2/7
2
4.1 信息传输概述 1．信息传输的基本模型
图4.3 信息传输的基本模型
2020/2/7
3
2．信息传输的一般模型
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4
4.2 无失真信源编码 4.2.1 编码的有关概念
2020/2/7
12
4.3.7 级联码
图4.13 典型级联码组成结构
2020/2/7
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
13
4.3.8 Turbo码 1.Turbo码的编码原理
图4.16 Turbo编码器结构原理框图
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14
2.Turbo码的译码原理
图4.17 Turbo码译码器原理框图
2020/2/7
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4.3.9 交织编码
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9
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4.3信道编码
4.3.1 信道编码的定义 4.3.2. 信道编码的分类 4.3.3 线性分组码 4.3.4 循环码 4.3.5 检错码 4.3.6 卷积码
图4.11 (3，1)卷积码编码器
2020/2/7
11
(a)编码器；(b)译码器 图4.12 (2,1)卷积码(k=2)
(1)二元码 (2)等长码 (3)变长码 (4)非奇异码 (5)奇异码
(6)同价码 (7)码的N次扩展码 (8)惟一可译码
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5
4.2.2 等长码与等长信源编码定理
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6
4.2.3 变长码与变长信源编码定理 4.2.4 霍夫曼码
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7
在本例中，信源的熵为
8
H ( X ) p(xi ) log2 p(xi ) 2.55(比特 / 符号) i1