信息论与编码教案王启军
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。
2024年度信息论编码及应用教学设计
12
线性分组码
定义与性质
线性分组码是一种将信息序列划 分为等长组，并对每组信息进行 线性变换得到相应监督位的编码 方式。它具有线性叠加性和封闭 性。
常见类型
包括汉明码、BCH码、RS码等， 它们在通信和存储系统中有着广 泛应用。
编码与译码方法
线性分组码的编码方法通常是通 过生成矩阵与信息序列相乘得到 码字，而译码方法则包括硬判决 译码和软判决译码等。
24
加密与编码
1 2
加密原理 通过特定的算法将明文转换为密文，以保护数据 的机密性和完整性。
常见加密算法 如AES、DES、RSA等，它们采用不同的数学原 理实现数据加密。
3
加密应用与场景 如网络安全、电子支付、身份验证等，加密技术 在这些领域发挥着重要作用。
2024/3/23
25
网络传输中的编码应用
Polar码原理
介绍Polar码的基本原理，包括信道极化现象、Polar码的构造和 编码译码算法等。
Polar码性能分析
分析Polar码在不同信道条件下的性能表现，如误码率、误帧率等。
Polar码应用
探讨Polar码在5G通信、物联网等领域的应用实例。
18
05 编码技术在通信系统中的 应用
2024/3/23
记录编码和解码过程所需的时间， 分析时间复杂度，评估编码方法 的效率。
2024/3/23
33
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
2024/3/23
34
2024/3/23
9
典型信源与信道模型
2024/3/23
典型信源模型
包括离散无记忆信源和连续无记忆信源。离散无记忆信源输出 的消息是离散的、无关联的；连续无记忆信源输出的消息则是 连续的、无关联的。
《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。
信息论与编码教学大纲(2024)
LDPC码在无线通信中的应用研究。探讨LDPC码在无线通信系统中的 编译码算法及性能优化方法。
选题三
极化码原理及性能分析。研究极化码的编译码原理，分析其在不同信 道条件下的性能表现，并与传统信道编码方案进行比较。
选题四
5G/6G通信中的信道编码技术。调研5G/6G通信系统中采用的信道编 码技术，分析其优缺点，并提出改进方案。
Polar码应用
探讨Polar码在5G通信、物联网等领域的应用，并分 析其性能表现。
22
06 实验环节与课程 设计
2024/1/25
23
实验环节介绍
实验一
信道容量与编码定理验证。 通过搭建简单的通信系统， 验证不同信道条件下的信道 容量及编码定理的有效性。
实验二
线性分组码编译码实验。利 用计算机软件实现线性分组 码的编译码过程，并分析其 纠错性能。
LDPC码基本原理
介绍LDPC码的编码结构、译码原理以及性 能分析。
LDPC码应用
探讨LDPC码在光纤通信、数据存储等领域 的应用，并分析其性能表现。
21
Polar码原理及应用
2024/1/25
Polar码基本原理
介绍Polar码的编码结构、信道极化原理以及性能分 析。
Polar码编译码算法
详细阐述Polar码的编码算法、译码算法以及关键技 术的实现。
2024/1/25
预测编码
利用信源符号间的相关 性进行预测，并对预测 误差进行编码，如差分 脉冲编码调制（DPCM ）。
变换编码
将信源信号通过某种变 换转换为另一域的信号 ，再对变换系数进行编 码，如离散余弦变换（ DCT）编码。
14
04 信道编码
2024/1/25
《信息论与编码》课程教学大纲
《信息论与编码》课程教学大纲一、课程基本信息课程代码：16052603课程名称：信息论与编码英文名称：Information Theory and Coding课程类别：专业课学时：48学分：3适用对象:信息与计算科学考核方式：考试先修课程：数学分析、高等代数、概率论二、课程简介《信息论与编码》是信息科学类专业本科生必修的专业理论课程。
通过本课程的学习，学生将了解和掌握信息度量和信道容量的基本概念、信源和信道特性、编码理论等，为以后深入学习信息与通信类课程、为将来从事信息处理方面的实际工作打下基础。
本课程的主要内容包括：信息的度量、信源和信源熵、信道及信道容量、无失真信源编码、有噪信道编码等。
Information Theory and Coding is a compulsory professional theory course for undergraduates in information science. Through this course, students will understand and master the basic concepts of information measurement and channel capacity, source and channel characteristics, coding theory, etc., lay the foundation for the future in-depth study of information and communication courses, for the future to engage in information processing in the actual work.The main contents of this course include: information measurement, source and source entropy, channel and channel capacity, distortion-free source coding, noisy channel coding, etc。
《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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安徽大学本科教学课程教案
课程代码：ZJ36049
课程名称：信息论与编码
授课专业：信息安全
授课教师：***
职称/学位：高级工程师/博士
开课时间：二○一六至二○一七学年第2学期
第1次课程教学方案
板书设计（或PPT，空白不够可添加附页）
第一章绪论
1.1信息论的形成和发展
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。
1.2通信系统的模型
第1次教学活动设计
教学
环节
内容设计与手段
导
入
新
课
本课程的学习目的、课程特点、教学要求及学习方法介绍
讲
授
内
容
信息论与编码课程内容：
消息是指担负着传送信息任务的单个符号或符号序列。
包括文本、数据、语言、图形和图像等。
是具体的。
信号是消息的物理体现，为了在信道上传输消息，就必须把消息加载到具有某种物理特征的信号上去。
是物理的。
信息是消息中的未知成分（不确定性），或者说是消息中的有用成分。
是抽象的。
通信系统传输的是信号，信号是消息的载体，消息中的未知成分是信息。
广义的通信系统模型
教学 环节 内容设计与手段
导 入 新 课
复习上节课的通信系统基本物理模型进行复习，对信源作简单介绍，并提出问题：什么是信源？信源可以用数学模型来描述吗？信源可以进行几种分类？
讲 授 内 容
信源的类型：
信源的定义：
(2.1.1))(,),(,),(),( ,, ,
, , )( 2121⎭
⎬⎫⎩⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡n i n i a p a p a p a p a a a a X P X
满足
1)(,1)(01=≤≤∑=n
i i i a p a p
教学
环节
内容设计与手段
导入新课对上次课的重点进行复习，简单介绍本次课的主要内容，并提出问题：信息可否度量？信息量如何来量测？
讲授内容自信息量：
条件自信息量和联合自信息量：
信息熵：
信息熵与自信息量的区别与联系
()log() 2.1.3
i i
I a p a
=-（）
归纳总结本次课主要对自信息量、离散信源熵等概念进行强调，最好对其中涉及到的重难点进行总结概括。
教学
环节
内容设计与手段
导入新课对上次课的重点进行复习，简单介绍本次课的基本内容，问题的提出：a．如何描述离散无记忆序列信源的序列熵？b.如何描述离散有记忆序列信源（平稳序列和齐次遍历马氏信源）的序列熵？
讲
授
内
容
无记忆多符号信源熵：
二维信源的信源熵：
平均符号熵和极限熵：
归纳总结本次课主要对离散无记忆信源的序列熵、离散有记忆信源的序列熵进行详细讲解，并对其中涉及到的重难点进行总结概括。
教学
环节
内容设计与手段
导入新课怎样才能做到尽可能不失真而又快速的传递信息呢？
首先需要解决一个问题：在不失真或允许一定失真的条件下，如何用尽可能少的符号来传送信源信息，这就要引入信源编码。
讲
授
内
容
定长编码定理：
变长编码定理：
教学
内容设计与手段
环节
大家经常使用的winzip压缩软件的工作原理，不同频率的字符其码字长度不相同。
导
入
新
课
Shannon编码：
讲
授
内
容
Fano编码：
Huffman编码：
归纳总结本次课主要对最佳变长编码及实现最佳变长编码的三种方法进行详细介绍，总结其中的重点与难点。
教学
内容设计与手段
环节
对上次课的主要知识点进行复习，对本次课的主要内容进行简单介绍。
导
入
新
课
游程编码：
讲
授
内
容
差值编码：
DPCM编码：
归纳总结本次课主要对限失真编码定理，常用信源编码的几种方法：游程编码、算术编码、矢量量化、预测编码、变换编码内容进行详细介绍，总结其中的重点与难点。
教学
环节
内容设计与手段
导入新课本章主要讨论在什么条件下，通过信道的信息量最大，即所谓的信道容量问题。
本章概念和定理也较多，较为抽象，课堂教学时考虑多讲述一些例题，着重阐明定理和公式的物理意义，对较为繁琐的推倒过程做了部分省略
讲授内容信道容量：
信道的主要任务:以信号的形式传输和存储信息.
在什么条件下,通过信道的信息量最大,即信道容量问题.
教学
内容设计与手段
环节
对上次课主要知识点进行复习，对本次课的主要内容进行简单介绍。
导
入
新
课
多符号离散信道的数学模型:
讲
授
内
容
信道转移矩阵:
离散无记忆扩展信道的信道容量：
归纳总结本次课主要对离散序列信道及其容量进行了详细讲解，总结其中的重难点。
第10次课程教学方案
第10次教学活动设计
教学
环节
内容设计与手段
导
入
新
课
信道编码的目的是为了改善通信系统的传输质量，对不同类型的信道，要对症下药，设计不
同类型的信道编码，才能收到良好效果。
讲
授
内
容
信道编码：
信道编码流程:
信道编码定理：
教学
环节
内容设计与手段
导入新课检错与纠错原理：一旦1→0，0→1，接收端无法发现错误，插入1位监督码后具有检出1位错码的能力，但不能予以纠正。
在只有1位错码的情况下，可以判决哪位是错码并予以纠正，可以检出2位或2位以下的错码。
讲
授
内
容
检错和纠错目的性质：
检错和纠错方式:
检错和纠错能力：
归纳总结本次课对纠错编码码的基本原理与分析方法、纠错译码的基本原理与分析方法，译码方法——最优译码与最大似然译码内容进行详细介绍，总结其中的重点与难点
教学
内容设计与手段
环节
对上次课主要知识点进行复习，并对本次课的主要内容进行简单介绍。
导
入
新
课
线性分组码的生成矩阵：
讲
授
内
容
监督矩阵:
（5 ，3）线性分组码例子：
归纳总结本次课主要对线性分组码的生成矩阵与校验矩阵、伴随式与标准阵列译码、码距、纠错能力，分组码的扩展、缩短与循环冗余校验进行详细介绍，总结其中的重点与难点
第13次课程教学方案
第13次教学活动设计
教学
环节
内容设计与手段
导
入
新
课
对上次课主要知识点进行复习，并对本次课的主要内容进行简单介绍。
讲
授
内
容
卷积码定义：
卷积码的多项式描述:
Vitebi译码流程：
归纳总结本次课主要对卷积码的基本概念和描述方法、卷积码的最大似然译码——维比特算法、卷积码的性能与距离特点进行详细介绍，总结其中的重点与难点
第14次课程教学方案
第14次教学活动设计
教学
环节
内容设计与手段
导
入
新
课
对上次课主要知识点进行复习，并对本次课的主要内容进行简单介绍。
讲
授
内
容
循环码的多项式描述：
循环码的生成多项式:
循环码的生成矩阵和校验矩阵：
归纳总结本次课主要对循环码的基本概念和描述方法，重点介绍了循环码的生成多项式、生成矩阵以及校验矩阵，总结其中的重点与难点
第15次课程教学方案
第15次教学活动设计
教学
环节
内容设计与手段
导入新课安全性是另外一个衡量通信系统质量的重要指标，安全性主要通过加密来实现；发生泄密的危害.
讲
授
内
容
保密性与真实性：
DES编码流程:
归纳总结总结介绍加密编码的基础知识、数据加密标准（DES），强调其中的重点与难点
第16次课程教学方案
次教学活动设计
第16
讲
授
内
容
IDEA算法框图：
公开密钥密码体制:
归纳总结总结介绍国际数据加密算法、公开密钥加密法、模拟信号加密、通信网络中的加密、信息安全和确认技术，强调其中的重点与难点。