信道与信道容量剖析

信道与信道容量剖析 5
离散无记忆信道DMC
• 信道输入是n元符号X∈{a1, a2, …, an} • 信道输出是m元符号Y∈{b1, b2, …, bm} • 转移矩阵
– 已知X,输出Y统计特性
b1 b2 bm
p11 p12 p1m a1
P
p21
p22
p2m
a2
pn1
pn2
pnm
an
p11
a1
p12
p21
a2
p22
:
:
:
an
pnm
m
p(bj | ai ) 信1道与信道容i量剖析1,2,n
j 1
b1 b2
: : :
bm
6
3.2 离散单个符号信道 及其容量
信道与信道容量剖析 7
信道容量
• 平均互信息I (X;Y)：
– 接收到符号Y后平均每个符号获得的关于X
的信息量。
信道与信道容量剖析 10
无干扰离散信道
• 无噪无损信道
C
max
p(ai )
I
(
X
;Y
)
max
H
(
X
)
max
H
(Y
)
log
2
n
• 有噪无损信道(一对多)
C
max
p(ai )
I
(
X
;Y
)
max
H
(Y
)
log
2
m
• 无噪有损信道(多对一)
C
max
p(ai )
I
(
X
;Y
)
max
H
(
X
)
log
2
n
信道与信道容量剖析 11
3.2.1 对称DMC信道
• 对称离散信道：
• 对称性:
– 每一行都是由同一集{p1, p2,…pm} 的诸元素 不同排列组成——输入对称
– 每一列都是由集{q1, q2,…qn}的诸元素不同 排列组成——输出对称
1 1 1
1 P 3
1 6
1 3 1 6
1 1
6
6
P
1 1
3信道与3信道容量剖析
I(X;Y) H(X ) ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱH(X |Y) H(Y) H(Y | X )
H (Y | X ) p(ai ) p(bj | ai ) log p(bj | ai )
i
j
p(bj | ai ) log p(bj | ai )
j
H (Y | ai ) i 1,2,n
H (Y | X ) H (Y |信a道i与) 信道H容量(剖p析1, p2, pm) 15
I(X;Y) i
j
p(xi ) p( y j | xi ) log
p(y j | xi ) p(y j )
n
p( y j ) p(xi ) p( y j | xi ) i 1
• 信道的信息传输率就是平均互信息
信道与信道容量剖析 8
信道容量
• 信道容量C：
– 最大的信息传输率
C max I (X ;Y ) p(ai )
第三章
信道与信道容量
信道与信道容量剖析
内容
3.1 信道分类和表示参数 3.2 离散单个符号信道及其容量 3.3 离散序列信道及其容量 3.4 连续信道及其容量
信道与信道容量剖析 2
信道
• 设信道的输入X=(X1, X2 … Xi,… ), Xi ∈{a1 … an} 输出Y= (Y1, Y2 … Yj,…), Yj ∈{b1 … bm}
对称DMC信道
• 若输入符号和输出符号个数相同,都等于n,且信 道矩阵为
1 p
P
n
p 1
p n 1 1 p
p
n
p
1
n 1
p n 1
p n 1
1
p
• 此信道称为强对称信道 (均匀信道)
– 信道矩阵中信各道与列信道之容量和剖也析 等于1 14
对称DMC信道
• 对称离散信道的平均互信息为
• 信道转移概率矩阵p(Y|X)：
– 描述输入/输出的统计依赖关系,反映信道统计关 系
p(Y|X)
X
Y
信道
信道与信道容量剖析 3
无干扰(无噪声)信道
• 无干扰(无噪声)信道
– 信道的输出信号Y与输入信号X之间有确定 的关系Y=f (X),已知X后就确知Y
– 转移概率:
p(Y
|
X
)
1, 0,
Y f(X) Y f(X)
• 单位时间的信道容量：
1
Ct
T
max
p(ai )
I ( X ;Y )
信道与信道容量剖析 9
信道容量的计算
• 对于一般信道,信道容量计算相当复杂,我们只 讨论某些特殊类型的信道：
• 离散信道可分成： • 无干扰(无噪)信道
– 无嗓无损信道 – 有噪无损信道 – 无噪有损信道
• 有干扰无记忆信道 • 有干扰有记忆信道
I (X ;Y ) H (Y ) H (Y | X ) H ( p p) H ( p)
1 H( p)
信道与信道容量剖析 18
信道与信道容量剖析 17
H(Y) ( p p)log 1 ( p p)log 1
p p
p p
H( p p)
H (Y | X ) p(ai ) p(bj | ai ) log p(bj | ai )
i
j
p(bj | ai ) log p(bj | ai )
j
[ p log p p log p] H ( p)
对称DMC信道
• 对称DMC信道的容量：
C log m H ( p1, p2 pm )
m
log m pij log pij j 1
• 上式是对称离散信道能够传输的最大的平均信息量,它
只与对称信道矩阵中行矢量{p1, p2,…pm }（第二项为矩 阵任一行元素的信息熵 ）和输出符号集的个数m有关。
信道与信道容量剖析 4
有干扰无记忆信道
• 有干扰无记忆信道
– 信道的输出信号Y与输入信号X之间没有确 定的关系,但转移概率满足:
p(Y | X ) p( y1 | x1) p( y2 | x2) p( yL | xL )
• 有干扰无记忆信道可分为: – 二进制离散信道 – 离散无记忆信道 – 离散输入、连续输出信道 – 波形信道
2
1
6
1
3 1 2 1
6
1
3
1
3 6 2
满足对称 性,所对应 的信道是 对称离散 信道。
12
对称DMC信道
• 信道矩阵
1 1 1 1 P 3 3 6 6
1 1 1 1 6 3 6 3
P
0.7 0.2
0.1 0.1
0.2 0.7
• 不具有对称性,因而所对应的信通不是对 称离散信道。
信道与信道容量剖析 13
• 强对称信道的信道容量：
C
log
2
n
信H道与(信1道容p量,剖析p ,, n 1
n
p) 1
16
BSC信道容量
• •
设二进制对称信道的输入概率空间 信道矩阵：
X 0
P
1
P
1 p
p
p 1 p
p p
p p
1
p(b 0) p(ai ) p(b0 | ai ) p p i0
1
p(b 1) p(ai )p(b1 | ai ) p p i0