信息论与编码-教案
信息论与编码技术》实验教案
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。
2024版信息论与编码教案
应用：算术编码在图像、视频和音频压 缩等领域具有广泛应用，如JPEG 2000、 H.264等标准中采用了算术编码技术。 与霍夫曼编码相比，算术编码具有更高 的压缩比和更好的性能表现。
06
多媒体信息压缩编码
多媒体信息压缩编码的基本概念与原理
压缩编码的必要性
多媒体数据量大，存储和传输成本高，需通过压缩编码降低数据 量。
典型编码方法
03
详细介绍几种典型的编码方法，如香农编码、哈夫曼编码、算
术编码等。
教学目标与要求
掌握信息论与编码的基本理论
通过学习，使学生能够深入理解信息论与编 码的基本概念和原理。
培养编码实践能力
通过案例分析、实验等环节，提高学生的编 码实践能力。
培养创新能力
鼓励学生探索新的编码方法，培养创新思维 和解决问题的能力。
编码分类
包括无损编码和有损编码，前者 可以完全恢复原始信息，后者则 会损失部分信息以换取更高的压 缩比。
霍夫曼编码的原理与应用
• 原理：霍夫曼编码是一种可变长度编码方法，根据信源符 号出现的概率来构造最优编码。它利用概率大的符号用较 短的码字表示，概率小的符号用较长的码字表示，从而实 现平均码长最短。
信息论的基本概念
信息
信息是事物运动状态或存在方式的不确定性的描述。
信息系统
由信源、信道、信宿等组成的传输和处理信息的系统。
信息论
研究信息的传输、处理、存储和检索等过程中的基本 理论和方法。
信息的度量与性质
信息的度量
用概率和统计的方法对信息进行量化，如香农 信息熵、互信息等。
信息的性质
包括普遍性、客观性、可传递性、可共享性、 可压缩性等。
压缩编码的可能性
信息论与编码技术》实验教案
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。
《信息论与编码技术》实验教案
卷积码编码与译码方法探讨
卷积码原理
理解卷积码的基本原理和编码过程，包括卷积码 的生成函数和约束长度等概念。
编码实现
通过编程实现卷积码的编码过程，掌握卷积码编 码算法的实现方法。
译码方法
探讨卷积码的译码方法，包括维特比译码算法等 ，并通过仿真实验进行验证。
差错控制编码技术应用实践
应用场景
了解差错控制编码技术在通信、存储等领域的 应用场景和需求。
差错控制编码方法
介绍常用的差错控制编码方法，如奇偶校验码、循 环冗余校验码（CRC）等，并分析其性能特点。
阐述差错控制的基本概念、原理及其在数字 通信系统中的重要性。
差错控制策略设计与实现
通过实验，设计并实现一种基于特定编码方 法的差错控制策略，评估其在数字通信系统 中的性能。
图像压缩编码算法研究及实现
实验内容
设计并实现一个离散信道信息传输系统，通过输入不同的信源符号序列和信道 参数，观察并分析系统性能。
离散信道中的信息传输实验
实验步骤
1
2
1. 确定信源符号集及其概率分布；
3
2. 设计合适的信道编码方案；
离散信道中的信息传输实验
01
3. 在离散信道中实现编码后的信号传输；
02
4. 在接收端进行解码并计算误码率；
详细阐述Turbo码的编码算法、译码算法的具体实现步骤，包括交 织器设计、分量编码器选择、迭代译码算法等。
性能评估方法
介绍Turbo码性能评估的主要指标，如误码率、误帧率等，以及相 应的仿真实验方法和结果分析。
LDPC码编译码算法研究
LDPC码基本原理
介绍LDPC码的定义、分类、编码原理、译码原理等基本概念。
信息论和编码教案
2.3连续信源熵上一章我们讨论的为离散信源，实际应用中还有一类信源称为连续信源，这种信源的时间和取值都是连续的，例如语音信号，电视信号都是连续信号。
▲时间离散状态连续的信源熵可以用连续信源熵表示，相当于一个连续随机变量。
而时间连续的信源，为一个随机过程，只要信号频谱有限，则可以根据采样定理，将其变为时间离散信源。
▲信息论中只讨论单变量连续信源，即时间离散状态连续的连续信源。
1连续信源的熵1-1连续信源熵的定义▲连续信源的状态概率用概率密度来表示。
如果连续随机变量X ，取值为实数域R ，其概率密度函数为p(x)，则如果取值为有限实数域[a,b]，则这是X 的概率分布函数为：▲ 连续信源的数学模型X: R(或[a,b])P(X): p(x)▲ 连续信源熵的表达式 利用离散信源熵的概念来定义连续信源熵，首先看一个再[a,b]取间的连续随机变量，如图：x首先把X 的取值区间[a,b]分割为n 个小区间，小区间宽度为：△ =(b-a)/n根据概率分布为概率密度函数曲线的区间面积的关系，X 取值为xi 的概率为：Pi=p(xi).△p x dx R()=⎰1p x dx ab()=⎰1F x P X x p x dxx (){}()111=≤=-∞⎰p x dx R()=⎰1按离散信源熵的定义：可得离散信源Xn 的熵：当△趋于0，n 趋于无穷时，离散随机变量Xn 将接近于连续随机变量X ，这时可以得到连续信源的熵为：其中：连续信源的熵定义为：▲连续信源熵为一个相对熵，其值为绝对熵减去一个无穷大量。
▲连续信源有无穷多个状态，因此根据SHANNON 熵的定义必然为无穷大。
▲连续信源的熵不等于一个消息状态具有的平均信息量。
其熵是有限的，而信息量是无限的。
▲连续信源熵不具有非负性，可以为负值。
尽管连续信源的绝对熵为一个无穷大量，但信息论的主要问题是信息传输问题，连续信道的输入输出都是连续变量，当分析其交互信息量时是求两个熵的差，当采用相同的量化过程时，两个无穷大量将被抵消，不影响分析。
《信息论与编码技术》课程教学大纲
04
05
信息论基础
包括信息的定义、度量方 法、信源编码、信道编码
等基本概念和原理。
先进编码技术
介绍LDPC码、Polar码等 先进编码技术的原理、性
能和应用。
实验与课程设计
通过实验和课程设计环节 ，加深对理论知识的理解 和掌握，提高实践能力和
创新能力。
02
信息论基础
信息的定义与度量
信息的概念
信息是事物运动状态或存在方式的不确定性的描述。
其他新型编码技术
喷泉码
介绍喷泉码的基本原理和特点，如无需反馈重传、适用于广播和多播通信等。探讨喷泉码在多媒体传输、深空 通信等领域的应用。
网络编码
阐述网络编码的基本原理和思想，如中间节点对接收到的信息进行编码再传输等。分析网络编码在提高网络吞 吐量、增强网络鲁棒性等方面的优势。探讨网络编码在无线网络、P2P网络等领域的应用。
对未来学习的建议与期望
培养创新思维
01
鼓励学生提出新的编码方法和算法，培养创新思维和
实践能力
跨学科学习
02 鼓励学生跨学科学习，将信息论与编码技术与计算机
科学、数学、物理学等学科相结合，拓展视野和思路
关注社会影响
03
引导学生关注编码技术对社会的影响和应用价值，培
养社会责任感和使命感
感谢您的观看
THANKS
编码的定义
将信息转换为可在通信系统中传输的信号的过程 。
编码的分类
根据编码目的和原理，可分为信源编码、信道编 码和加密编码等。
编码的评价指标
包括编码效率、误码率、抗干扰能力等。
线性分组码
01
线性分组码的定义
一种将信息序列划分为等长的组 ，并对每组独立进行编码的方法 。
《信息论与编码技术》实验教案
《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，理解信息的含义学习信息熵的计算方法，掌握信息熵在通信系统中的应用1.2 信源与信道模型学习信源的数学模型，理解信源的随机性和统计特性学习信道的数学模型，了解信道的传输特性第二章：信源编码2.1 信源编码的基本概念理解信源编码的目的和意义学习信源编码的基本原理和方法2.2 常用信源编码技术学习霍夫曼编码、算术编码等常用信源编码技术掌握编码算法的实现和应用第三章：信道编码3.1 信道编码的基本概念理解信道编码的目的和意义学习信道编码的基本原理和方法3.2 常用信道编码技术学习卷积编码、汉明编码等常用信道编码技术掌握编码算法的实现和应用第四章：误码控制与编码技术4.1 误码产生的原因与类型了解通信系统中误码的产生原因和类型学习误码的检测与纠正方法4.2 错误控制编码技术学习自动重传请求（ARQ）、前向纠错（FEC）等错误控制编码技术掌握编码算法的实现和应用第五章：信息加密与安全5.1 信息加密的基本概念理解信息加密的目的和意义学习信息加密的基本原理和方法5.2 常用加密技术学习对称加密、非对称加密等常用加密技术掌握加密算法的实现和应用第六章：数据压缩技术6.1 数据压缩的基本概念理解数据压缩的目的和意义学习数据压缩的基本原理和方法6.2 常用数据压缩技术学习霍夫曼编码、LZ77、LZ78等常用数据压缩技术掌握压缩算法的实现和应用第七章：数字信号传输7.1 数字信号传输的基本概念理解数字信号传输的目的和意义学习数字信号传输的基本原理和方法7.2 数字信号传输技术学习基带传输、频带传输等数字信号传输技术掌握传输算法的实现和应用第八章：调制与解调技术8.1 调制与解调的基本概念理解调制与解调的目的和意义学习调制与解调的基本原理和方法8.2 常用调制与解调技术学习幅度调制、频率调制、相位调制等常用调制技术掌握调制与解调算法的实现和应用第九章：无线通信与编码技术9.1 无线通信的基本概念理解无线通信的目的和意义学习无线通信的基本原理和方法9.2 无线通信编码技术学习扩频技术、多址技术等无线通信编码技术掌握编码算法的实现和应用强调实验的重要性和在实际应用中的作用10.2 拓展学习推荐相关的学习材料和参考书籍鼓励学生探索新技术和发展趋势，提高学生的学习兴趣和动力重点和难点解析重点环节一：信息的概念与度量信息熵的计算方法是理解信息论的核心，需要重点掌握。
信息论与编码第三版教学设计 (2)
信息论与编码第三版教学设计课程教学目标本教学设计旨在通过对信息论与编码课程的讲解，使得学生能够理解信息的本质、量化信息的方法和信息在传输过程中的编码与解码技术。
同时培养学生的问题分析和解决问题的能力，开阔学生的科学思维视野。
课程大纲第一章课程介绍•课程目标和教学要求•课程内容简介•课程参考资料第二章信息的产生、表示和处理•信息的产生与传播•信息的表示与处理•信息量的概念和度量第三章熵、信息源以及离散无记忆信源的信息压缩•熵的定义和计算•信息源和信源模型•布劳德算法、霍夫曼编码和算术编码第四章总结无记忆信源的信息压缩•Fano-编码•信息源整体编码•高斯信源和均匀信源的信息率第五章离散有记忆信源的信息压缩•有记忆信源的熵与马尔可夫模型•上下文相关编码和自适应编码第六章通信系统与信道容量•简单通信系统模型•信道的概念与性质•香农极限与信道容量第七章传输信道上的编码•误差控制编码•矩阵和循环码•卷积码和码间干扰第八章内容完备的编码原理•信息多路传输和信道编码•带宽可接受信道的编码原理•分布式压缩与广播教学方法本课程采用讲授、讨论和实验相结合的教学方式。
每周教师讲授一定的叙述知识，随后进行课堂讨论，让学生探讨问题思路和解决方案。
每学期安排至少4次专题讲座，由特邀嘉宾或学生进行分组报告，向全班分享课程相关的研究和应用案例。
另外，本课程将结合MATLAB等相关软件，进行实验教学。
让学生通过编写相关程序，亲手实践信息编码算法，进一步加深对知识理论的理解和掌握。
评价方式本课程评价方式主要以作业、考试和实验三项为主。
其中，每周布置一定量的作业，要求学生灵活运用所学知识，并有一定程度的创新性。
每学期安排两次闭卷考试，考查学生对知识的掌握情况。
此外，每学期安排至少3个实验项目，旨在让学生学以致用，培养学生的问题解决和创新能力。
结语信息论与编码是计算机科学与电子信息工程领域中非常重要的一门基础课程。
希望通过本教学设计，能够深度挖掘信息论与编码的理论研究，加强学生对科学方法论的认识，培养出具有科学素养和创新意识的优秀人才。
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2009-2010第一学期
周次
第1周，第1次课
编写时间
2009.8.29
章节名称
1概论
教学目的与要求：
理解信息的概念、性质和分类，了解通信系统的构成及编码理论在其中的作用，了解信息论的起源、发展及研究内容。
教学重点和难点：
教学重点：信息的概念
教学难点：香农信息论的三大定理
教学组织（含课堂教学内容、教学方法、辅助手段、师生互动、时间分配、板书设计等）：
3自信息量，直观定义信息量为收到某消息获得的信息量=不确定性减少的量=收到此消息前关于某事件发生的不确定性-收到此消息后关于某事件发生的不确定性，讲解10分钟
4联合自信息量，讲解10分钟
5条件自信息量，讲解10分钟
6互信息量，讲解10分钟
7互信息的性质，即对称性和可正可负，讲解25分钟
8条件互信息，讲解10分钟
4信息的分类，（1）从性质分：语法信息、语义信息、语用信息。（2）按观察的过程分：实在信息、先验信息、实得信息。（3）按信息的地位分：客观信息、主观信息。（4）按作用分：有用信息、无用信息、干扰信息。讲解10分钟
5模拟通信系统，该系统传递的是模拟信号，它在任意时刻的取值是任意的，是时间的连续函数。讲解10分钟
教学目标
通过本课程的学习，使学生对信息理论和编码理论有比较全面和系统的了解，掌握信息论的基本概念、基本理论和基本分析方法，包括信源熵、信道容量和信息率失真函数等；掌握常用的信源编码方法，包括香农编码、费诺编码、哈夫曼编码、矢量量化编码和预测编码等；掌握常用的信道编码，包括线性码、循环码等，为从事信息科学的研究和应用打下坚实的基础。
6数字通信系统，该系统中传输的是数字信号，它只能取有限个离散值，且出现的时间也是离散的。讲解5分钟
7信息论的发展简史，讲解10分钟
8信息论的研究内容，研究目的是提高通信系统的可靠性和有效性。（1）可靠性高：使信源发出的消息经过传输后尽可能准确地不失真地再现在接收端。（2）有效性高：经济效果好，用尽可能短的时间和尽可能少的设备传送一定数量的信息。讲解10分钟
成都理工大学工程技术学院
信息论与编码课程教案
教师姓名刘晓丽
所在系部电信系
授课专业07通信
课程代码
总学时50学分
教材名称信息论与编码
2009年8月29日
[首页]
课程名称
信息论与编码
授课专业
通信工程
年级
2007
课程编号
课程类型
必修课
公共基础课（）；专业基础课（是）；专业课（）
选修课
专业选修课( )；公共选修课( )
教学重点和难点：
教学重点：自信息量、条件自信息量、联合自信息量、互信息及其性质
教学难点：互信息及其性质
教学组织（含课堂教学内容、教学方法、辅助手段、师生互动、时间分配、板书设计等）：
1信源模型，获得信息量的多少与信源的不确定性的消除有关。不确定度——惊讶度——信息量，讲解5分钟
2基本概率公式，p(bj|ai)是信道传递概率，称为前向概率，p(ai |bj)称为后向概率，也是输入符号的后验概率，p(ai)是输入符号的先验概率。讲解10分钟
3熵函数的数学特性，即非负性、对称性、扩展性、确定性、可加性、极值性、上凸性，最大离散熵定理，讲解25分钟
4条件熵，条件熵是在联合符号集XY上的条件自信息量的联合概率加权统计平均值。条件熵H(X|Y)表示收到全部输出符号后，对信道输出符号集还存在的平均不确定性，称为信道疑义度。条件熵H(Y|X)可以衡量信号通过信道后损失信息量的多少。讲解10分钟
授课方式
课堂讲授（是）；实践课（）
考核方式
考试（是）；考查（）
课程教学总学时数
50
学分数
学时分配
课堂讲授50学时；实践课0学时
教材名称
信息论与编码
作者
陈运
出版社及出版时间
电子工业出版社2007
指定参考书
信息论与编码
作者
姜丹
出版社及出版时间
中国科学技术大学出版社，2004
授课教师
刘晓丽
职称
助教
单位
电信系
教学难点：信源熵主要性质的证明
教学组织（含课堂教学内容、教学方法、辅助手段、师生互动、时间分配、板书设计等）：
1关于自信息和互信息的几道典型题，讲解30分钟
2信源熵是各离散消息自信息量的数学期望，即信源的平均信息量，信源熵和平均自信息量两者在数值上是相等的，但含义并不相同。信源熵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所需要的信息的量度。信源一定，不管它是否输出离散消息，只要这些离散消息具有一定的概率特性，必有信源的熵值，这熵值在总体平均的意义上才有意义，因而是一个确定值。讲解15分钟
1提出课堂纪律要求，强调本课程的重要性，介绍本课程的大体情况，讲解20分钟。
2信息的概念，信息是认识主体所感受的或所表达的事物的运动状态和运动状态的变化方式。讲解10分钟
3信息的性质，（1）普遍性：信息是普遍存在的。（2）无限性：信息是无限的。（3）相对性：对同一事物不同的观察者所获得的信息量可能不同。（4）转换性：信息可以在时间上或空间中从一点转移到另一点。（5）变换性：信息是可变的，它可以由不同的载体或不同的方法来载荷。讲解5分钟
5联合熵，联合熵是在符号集XY上的每个元素对xiyj的自信息量的概率加权统计平均值，讲解10分钟
作业及课外训练：2.4，2.5，2.7
参考资料（含参考书、文献等）：
课后自我总结分析：
理解熵的概念和物理意义十分重要。
周次
第3周，第4次课
编写时间
2009.9.8
章节名称
2.1.5平均互信息2.1.6各种熵之间的关系
作业及课外训练：2.1，2.2，2.3
参考资料（含参考书、文献等）：
课后自我总结分析：
自信息量的概念还是比较容易理解的，关键是使学生明白互信息及其性质。
周次
第2周，第3次课
编写时间
2009.9.1
章节名称
2.1.3信源熵
教学目的与要求：
掌握信源熵及其主要性质、联合熵、条件熵
教学重点和难点：
教学重点：信源熵及其主要性质、联合熵、条件熵
9编码技术的发展Leabharlann 讲解10分钟作业及课外训练：
参考资料（含参考书、文献等）：
课后自我总结分析：
引导学生正确认识本课程，虽然理论性有些强，但还不是太难学懂。
周次
第2周，第2次课
编写时间
2009.9.1
章节名称
2.1.1信源模型2.1.2自信息
教学目的与要求：
掌握信源的数学模型、信源符号的自信息量、条件自信息量、联合自信息量、互信息及其性质