信息论第五章 信源编码习题答案
信息论、编码与密码学课后习题答案
第1章 信源编码
1.1考虑一个信源概率为{0.30，0.25，0.20，0.15，0.10}的DMS。求信源熵H（X）。
解： 信源熵
H(X)=-[0.30*(-1.737)+0.25*(-2)+0.2*(-2.322)+0.15*(-2.737)+0.1*(-3.322)]
10100+11110=01010 10100+00111=10011
10100+01101=11001
11110+00111=11001 11110+01101=10011
00111+01101=01010
满足第一条性质
2、全零码字总是一个码字
{00000，01010，10011，11001，10100，11110，00111，01101}
(1)给出此信源的霍夫曼码并确定编码效率。
(2)每次考虑两个符号时，给出此信源的霍夫曼码并确定编码效率。
(3)每次考虑三个符号时，给出此信பைடு நூலகம்的霍夫曼码并确定编码效率。
解：
(1)本题的霍夫曼编码如下图所示：
图1.11 霍夫曼编码
则霍夫曼码如下表：
符号
概率
码字
x1
0.5
1
x2
0.4
00
x3
0.1
01
该信源的熵为：
（2）全零字总是一个码字，
（3）两个码字之间的最小距离等于任何非零码字的最小重量，即
设 ，即 ， ， ， ，
首先证明条件（1）：
， ， ， ， ， ，
很明显，条件（1）是满足的。条件（2）也是显然成立的。
信息理论与编码课后答案第5章
第5章 有噪信道编码5.1 基本要求通过本章学习，了解信道编码的目的，了解译码规则对错误概率的影响，掌握两种典型的译码规则：最佳译码规则和极大似然译码规则。
掌握信息率与平均差错率的关系，掌握最小汉明距离译码规则，掌握有噪信道编码定理（香农第二定理）的基本思想，了解典型序列的概念，了解定理的证明方法，掌握线性分组码的生成和校验。
5.2 学习要点5.2.1 信道译码函数与平均差错率5.2.1.1 信道译码模型从数学角度讲，信道译码是一个变换或函数，称为译码函数，记为F 。
信道译码模型如图5.1所示。
5.2.1.2 信道译码函数信道译码函数F 是从输出符号集合B 到输入符号集合A 的映射：*()j j F b a A =∈，1,2,...j s =其含义是：将接收符号j b B ∈译为某个输入符号*j a A ∈。
译码函数又称译码规则。
5.2.1.3 平均差错率在信道输出端接收到符号j b 时，按译码规则*()j j F b a A =∈将j b 译为*j a ，若此时信道输入刚好是*j a ，则称为译码正确，否则称为译码错误。
j b 的译码正确概率是后验概率：*(|)()|j j j j P X a Y b P F b b ⎡⎤===⎣⎦ （5.1）j b 的译码错误概率：(|)()|1()|j j j j j P e b P X F b Y b P F b b ⎡⎤⎡⎤=≠==-⎣⎦⎣⎦ （5.2）平均差错率是译码错误概率的统计平均，记为e P ：{}1111()(|)()1()|1(),1()|()s se j j j j j j j ssj j j j j j j P P b P e b P b P F b b P F b b P F b P b F b ====⎡⎤==-⎣⎦⎡⎤⎡⎤⎡⎤=-=-⎣⎦⎣⎦⎣⎦∑∑∑∑ （5.3）5.2.2 两种典型的译码规则两种典型的译码规则是最佳译码规则和极大似然译码规则。
信息论第五章答案解析
5.1 设信源⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡01.01.015.017.018.019.02.0)(7654321x x x x x x x X P X (1) 求信源熵H(X)； (2) 编二进制香农码； (3) 计算平均码长和编码效率。
解： (1)symbolbit x p x p X H i i i /609.2)01.0log 01.01.0log 1.015.0log 15.017.0log 17.018.0log 18.019.0log 19.02.0log 2.0()(log )()(2222222712=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯-=-=∑= (2)(3)%1.8314.3609.2)()(14.301.071.0415.0317.0318.0319.032.03)(=====⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑KX H R X H x p k K ii i η5.2 对信源⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡01.01.015.017.018.019.02.0)(7654321x x x x x x x X P X 编二进制费诺码，计算编码效率。
解：%2.9574.2609.2)()(74.201.041.0415.0317.0218.0319.032.02)(=====⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑KX H R X H x p k K ii i η5.3 对信源⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡01.01.015.017.018.019.02.0)(7654321x x x x x x x X P X 编二进制和三进制哈夫曼码，计算各自的平均码长和编码效率。
解：二进制哈夫曼码：%9.9572.2609.2)()(72.201.041.0415.0317.0318.0319.022.02)(=====⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑KX H R X H x p k K ii i η三进制哈夫曼码：%4.913log 8.1609.2log )()(8.1)01.01.015.017.018.019.0(22.01)(22=⨯====+++++⨯+⨯==∑m LKX H R X H x p k K ii i η5.4 设信源⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡12811281641321161814121)(87654321x x x x x x x x X P X (1) 求信源熵H(X)；(2) 编二进制香农码和二进制费诺码；(3) 计算二进制香农码和二进制费诺码的平均码长和编码效率； (4) 编三进制费诺码；(5) 计算三进制费诺码的平均码长和编码效率；解： (1)symbolbit x p x p X H i i i /984.1128log 1281128log 128164log 64132log 32116log 1618log 814log 412log 21)(log )()(22222222812=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯=-=∑==127/64 bit/symbol (2)二进制香农码：二进制费诺码：(3)香农编码效率：%100984.1984.1)()(64/127984.17128171281664153214161381241121)(======⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑KX H R X H x p k K ii i η费诺编码效率：%100984.1984.1)()(984.17128171281664153214161381241121)(=====⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑KX H R X H x p k K ii i η (4)(5)%3.943log 328.1984.1log )()(328.14128141281364133212161281141121)(22=⨯=⋅===⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑m K X H R X H x p k K ii i η5.5 设无记忆二进制信源⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡1.09.010)(X P X先把信源序列编成数字0，1，2，……，8，再替换成二进制变长码字，如下表所示。
信息论与编码第五章习题参考答案
5.1某离散无记忆信源的概率空间为采用香农码和费诺码对该信源进行二进制变长编码，写出编码输出码字，并且求出平均码长和编码效率。
解：计算相应的自信息量1)()(11=-=a lbp a I 比特 2)()(22=-=a lbp a I 比特 3)()(313=-=a lbp a I 比特 4)()(44=-=a lbp a I 比特 5)()(55=-=a lbp a I 比特 6)()(66=-=a lbp a I 比特 7)()(77=-=a lbp a I 比特 7)()(77=-=a lbp a I 比特根据香农码编码方法确定码长1)()(+<≤i i i a I l a I平均码长984375.164/6317128/17128/1664/1532/1416/138/124/112/1L 1=+=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯=由于每个符号的码长等于自信息量，所以编码效率为1。
费罗马编码过程5.2某离散无记忆信源的概率空间为使用费罗码对该信源的扩展信源进行二进制变长编码，(1) 扩展信源长度，写出编码码字，计算平均码长和编码效率。
(2) 扩展信源长度，写出编码码字，计算平均码长和编码效率。
(3) 扩展信源长度，写出编码码字，计算平均码长和编码效率，并且与(1)的结果进行比较。
解：信息熵811.025.025.075.075.0)(=--=lb lb X H 比特/符号 （1）平均码长11=L 比特/符号编码效率为%1.81X)（H 11==L η（2）平均码长为84375.0）3161316321631169（212=⨯+⨯+⨯+⨯=L 比特/符号 编码效率%9684375.0811.0X)（H 22===L η（3）当N=4时，序列码长309.3725617256362563352569442569242562732562732256814=⨯+⨯+⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯+⨯+⨯⨯+⨯=L平均码长827.04309.34==L %1.98827.0811.0X)（H 43===L η可见，随着信源扩展长度的增加，平均码长逐渐逼近熵，编码效率也逐渐提高。
信息论第五章答案
5.1 设信源⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡01.01.015.017.018.019.02.0)(7654321x x x x x x x X P X (1) 求信源熵H(X)； (2) 编二进制香农码；(3) 计算平均码长和编码效率。
解： (1)symbolbit x p x p X H i i i /609.2)01.0log 01.01.0log 1.015.0log 15.017.0log 17.018.0log 18.019.0log 19.02.0log 2.0()(log )()(2222222712=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯-=-=∑=%1.8314.3609.2)()(14.301.071.0415.0317.0318.0319.032.03)(=====⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑KX H R X H x p k K ii i η5.2 对信源⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡01.01.015.017.018.019.02.0)(7654321x x x x x x x X P X 编二进制费诺码，计算编码效率。
%2.9574.2609.2)()(74.201.041.0415.0317.0218.0319.032.02)(=====⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑KX H R X H x p k K ii i η5.3 对信源⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡01.01.015.017.018.019.02.0)(7654321x x x x x x x X P X 编二进制和三进制哈夫曼码，计算各自的平均码长和编码效率。
解：%9.9572.2609.2)()(72.201.041.0415.0317.0318.0319.022.02)(=====⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑KX H R X H x p k K ii i η%4.913log 8.1609.2log )()(8.1)01.01.015.017.018.019.0(22.01)(22=⨯====+++++⨯+⨯==∑m LK X H R X H x p k K ii i η5.4 设信源⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡12811281641321161814121)(87654321x x x x x x x x X P X (1) 求信源熵H(X)；(2) 编二进制香农码和二进制费诺码；(3) 计算二进制香农码和二进制费诺码的平均码长和编码效率； (4) 编三进制费诺码；(5) 计算三进制费诺码的平均码长和编码效率；解： (1)symbolbit x p x p X H i i i /984.1128log 1281128log 128164log 64132log 32116log 1618log 814log 412log 21)(log )()(22222222812=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯=-=∑==127/64 bit/symbol (2)二进制费诺码：香农编码效率：%100984.1984.1)()(64/127984.17128171281664153214161381241121)(======⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑KX H R X H x p k K ii i η费诺编码效率：%100984.1984.1)()(984.17128171281664153214161381241121)(=====⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑KX H R X H x p k K ii i η(5)%3.943log 328.1984.1log )()(328.14128141281364133212161281141121)(22=⨯=⋅===⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑m K X H R X H x p k K ii i η5.5 设无记忆二进制信源⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡1.09.010)(X P X先把信源序列编成数字0，1，2，……，8，再替换成二进制变长码字，如下表所示。
信息论与编码习题与答案第五章
5-10 设有离散无记忆信源}03.0,07.0,10.0,18.0,25.0,37.0{)(=X P 。
（1）求该信源符号熵H(X)。
（2）用哈夫曼编码编成二元变长码，计算其编码效率。
（3）要求译码错误小于310-，采用定长二元码达到（2）中的哈夫曼编码效率，问需要多少个信源符号连在一起编？ 解：（1）信源符号熵为symbolbit x p x p X H i ii /23.203.0log 03.007.0log 07.010.0log 10.018.0log 18.025.0log 25.037.0log 37.0)(log )()(222222=------=-=∑ （2）1x 3x 2x 6x 5x 4x 0.370.250.180.100.070.030111110.100.200.380.621.0000011110110001001符号概率编码该哈夫曼码的平均码长为符号码元/3.2403.0407.0310.0218.0225.0237.0)(=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯==∑iii K x p K 编码效率为9696.03.223.2)(===KX H η (3)信源序列的自信息方差为2222)(792.0)]([)]()[log ()(bit X H x p x p X i ii =-=∑σ7.00696.90)()(==+=εεη得，由X H X H53222102.6110)7.00(92.70)(⨯=⨯=≥-δεσX L 由切比雪夫不等式可得所以，至少需要1.62×105个信源符号一起编码才能满足要求。
5-12 已知一信源包含8个消息符号，其出现的概率}04.0,07.0,1.0,06.0,05.0,4.0,18.0,1.0{)(=X P ，则求：（1）该信源在每秒内发出1个符号，求该信源的熵及信息传输速率。
（2）对这8个符号作哈夫曼编码，写出相应码字，并求出编码效率。
信息论与编码 第五章曹雪虹习题答案
(2) 哪些码是非延长码？(3) 对所有唯一可译码求出其平均码长和编译效率。
解：首先，根据克劳夫特不等式，找出非唯一可译码31123456231244135236:62163:22222216463:164:22421:2521:2521C C C C C C --------------⨯<+++++=<<++⨯=+⨯>+⨯<5C ∴不是唯一可译码，而4C ：又根据码树构造码字的方法1C ，3C ，6C 的码字均处于终端节点∴他们是即时码5-2(1) 因为A,B,C,D 四个字母,每个字母用两个码,每个码为0.5ms, 所以每个字母用10ms 当信源等概率分布时,信源熵为H(X)=log(4)=2平均信息传递速率为bit/ms=200bit/s(2) 信源熵为H(X)==0.198bit/ms=198bit/s5-5(1) 12141811613216411281128H(U)=1 2Log2()14Log4()+18Log8()+116Log16()+132Log32()+164Log64()+1128Log128()+1128Log128()+ 1.984= (2) 每个信源使用3个二进制符号,出现0的次数为出现1的次数为P(0)=P(1)=(3)相应的费诺码（5）香农码和费诺码相同平均码长为编码效率为：5-11（1）信源熵（2）香农编码：平均码长：编码效率为（3）平均码长为：编码效率：（4）哈夫曼编码平均码长为：编码效率：5.16 已知二元信源{0，1}，其p0=1/4,p1=3/4,试用式（4.129）对序列11111100编算术码，并计算此序列的平均码长。
解：根据算术编码的编码规则，可得：P(s=11111100) = P2(0)P6(1) = (3/4)6 (1/4)27)(1log =⎥⎥⎤⎢⎢⎡=S P l根据（4.129）可得：F(S) = P(0) + P(10) + P(110) + P(1110) + P(11110) + P(111110) = 1–∑≥sy y P )(= 1 – P(11111111) – P(11111110) – P(11111101) – P(11111100)= 1– P(111111) = 1– (3/4)6 = 0.82202 = 0.110100100111又P(S) = A(S)= 0.0000001011011001，所以F(S) + P(S) = 0.1101010 即得C = 0.1101010 得S 的码字为1101010 平均码长L 为 0.875。
信息论与编码第五章课后习题答案
第五章课后习题【5.1】某信源按43)0(=P ，41)1(=P 的概率产生统计独立的二元序列。
（1）试求0N ，使当0N N >时有01.005.0)()(≤≥−S H N I P i α 式中，)(S H 是信源的熵。
（2）试求当0N N =时典型序列集N G ε中含有的信源序列个数。
解：（1）该信源的信源熵为811.0)(log )()(=−=∑i i s p s p S H 比特/符号自信息的方差为4715.0811.04log 4134log 43)()]([)]([22222=−+=−=S H s I E s I D i i 根据等长码编码定理，我们知道δεα−≤≥−1)()(S H N I P i 根据给定条件可知，05.0=ε，99.0=δ。
而[]2)(εδN s I D i =因此[]5.19099.0*05.04715.0)(220==≥δεi s I D N 取1910=N 。
（2）ε典型序列中信源序列个数取值范围为：])([])([22)1(εεεδ+−<<−S H N N S H N G代入上述数值得451.164351.1452201.0<<×N G ε【5.2】有一信源，它有六个可能的输出，其概率分布如下表所示，表中给出了对应的码A 、B 、C 、D 、E 和F 。
表5.2消息 )(i a P A B C D E F 1a 1/2 000 0 0 0 0 0 2a 1/4 001 01 10 10 10 100 3a 1/16 010 011 110 110 1100 101 4a 1/16 011 0111 1110 1110 1101 110 5a 1/16 100 01111 11110 1011 1110 111 6a1/1610101111111111011011111011（1） 求这些码中哪些是惟一可译码； （2） 求哪些码是非延长码（即时码）； （3） 求对所有惟一可译码求出其平均码长L 。
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1111110
7
x8
0.0078125
1
1111111
7
(3)
香农编码效率：
费诺编码效率：
(4)
xi
p(xi)
编码
码字
ki
x1
0.5
0
0
1
x2
0.25
1
1
1
x3
0.125
2
0
20
2
x4
0.0625
1
21
2
x5
0.03125
2
0
220
3
x6
0.015625
1
221
3
x7
0.0078125
2
0
2220
100
x5
0.15
0.74
3
101
x6
0.1
0.89
4
1110
x7
0.01
0.99
7
1111110
1)
0.0 --- 0.000000
2)
0.2*2 = 0.4 0
0.4*2 = 0.8 0
0.8*2 = 1.6 1
3)
0.39 * 2 = 0.78 0
0.78 * 2 = 1.56 1
0.56 * 2 = 1.12 ki
x1
0.2
0
0
00
2
x2
0.19
1
0
010
3
x3
0.18
1
011
3
x4
0.17
1
0
10
2
x5
0.15
1
0
110
3
x6
0.1
1
0
1110
4
x7
0.01
1
1111
4
5.3对信源 编二进制和三进制哈夫曼码，计算各自的平均码长和编码效率。
解：
二进制哈夫曼码：
xi
p(xi)
编码
码字
ki
s6
0.2
2
2
1
x2
0.19
0
00
2
x3
0.18
1
01
2
x4
0.17
2
02
2
x5
0.15
0
10
2
x6
0.1
1
11
2
x7
0.01
2
12
2
5.4设信源
(1)求信源熵H(X)；
(2)编二进制香农码和二进制费诺码；
(3)计算二进制香农码和二进制费诺码的平均码长和编码效率；
(4)编三进制费诺码；
(5)计算三进制费诺码的平均码长和编码效率；
4)
0.99 * 2 = 1.98 1
0.98 * 2 = 1.96 1
0.96 * 2 = 1.92 1
0.92 * 2 = 1.84 1
0.84 * 2 = 1.68 1
0.68 * 2 = 1.36 1
0.36 * 2 = 0.72 0
(3)
5.2对信源 编二进制费诺码，计算编码效率。
解：
xi
1
s5
0.61
0
s4
0.39
1
s3
0.35
0
s2
0.26
1
x1
0.2
0
10
2
x2
0.19
1
11
2
x3
0.18
0
000
3
x4
0.17
1
001
3
x5
0.15
0
010
3
s1
0.11
1
x6
0.1
0
0110
4
x7
0.01
1
0111
4
三进制哈夫曼码：
xi
p(xi)
编码
码字
ki
s3
1
s2
0.54
0
s1
0.26
1
x1
1111110
x8
0.0078125
0.9921875
7
1111111
二进制费诺码：
xi
p(xi)
编码
码字
ki
x1
0.5
0
0
1
x2
0.25
1
0
10
2
x3
0.125
1
0
110
3
x4
0.0625
1
0
1110
4
x5
0.03125
1
0
11110
5
x6
0.015625
1
0
111110
6
x7
0.0078125
1
解：
(1)
(2)
二进制香农码：
xi
p(xi)
pa(xi)
ki
码字
x1
0.5
0
1
0
x2
0.25
0.5
2
10
x3
0.125
0.75
3
110
x4
0.0625
0.875
4
1110
x5
0.03125
0.9375
5
11110
x6
0.015625
0.96875
6
111110
x7
0.0078125
0.984375
7
5.1设信源
(1)求信源熵H(X)；
(2)编二进制香农码；
(3)计算平均码长和编码效率。
解：
(1)
(2)可用matlab函数dec2bin(a,n) a---小数，n长度
xi
p(xi)
pa(xi)
ki
码字
x1
0.2
0
3
000
x2
0.19
0.2
3
001
x3
0.18
0.39
3
011
x4
0.17
0.57
3
4
x8
0.0078125
1
2221
4
(5)