第4章 信道容量1

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信息论与编码理论习题答案

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信息论与编码理论习题答案LG GROUP system office room 【LGA16H-LGYY-LGUA8Q8-LGA162】第二章 信息量和熵八元编码系统,码长为3,第一个符号用于同步,每秒1000个码字,求它的信息速率。

解:同步信息均相同,不含信息,因此 每个码字的信息量为 2⨯8log =2⨯3=6 bit因此,信息速率为 6⨯1000=6000 bit/s掷一对无偏骰子,告诉你得到的总的点数为:(a) 7; (b) 12。

问各得到多少信息量。

解:(1) 可能的组合为 {1,6},{2,5},{3,4},{4,3},{5,2},{6,1})(a p =366=61得到的信息量 =)(1loga p =6log = bit (2) 可能的唯一,为 {6,6})(b p =361得到的信息量=)(1logb p =36log = bit 经过充分洗牌后的一副扑克(52张),问:(a) 任何一种特定的排列所给出的信息量是多少?(b) 若从中抽取13张牌,所给出的点数都不相同时得到多少信息量?解:(a) )(a p =!521信息量=)(1loga p =!52log = bit (b) ⎩⎨⎧⋯⋯⋯⋯花色任选种点数任意排列13413!13)(b p =1352134!13A ⨯=1352134C 信息量=1313524log log -C = bit 随机掷3颗骰子,X 表示第一颗骰子的结果,Y 表示第一和第二颗骰子的点数之和,Z 表示3颗骰子的点数之和,试求)|(Y Z H 、)|(Y X H 、),|(Y X Z H 、)|,(Y Z X H 、)|(X Z H 。

解:令第一第二第三颗骰子的结果分别为321,,x x x ,1x ,2x ,3x 相互独立,则1x X =,21x x Y +=,321x x x Z ++=)|(Y Z H =)(3x H =log 6= bit )|(X Z H =)(32x x H +=)(Y H=2⨯(361log 36+362log 18+363log 12+364log 9+365log 536)+366log 6= bit )|(Y X H =)(X H -);(Y X I =)(X H -[)(Y H -)|(X Y H ]而)|(X Y H =)(X H ,所以)|(Y X H = 2)(X H -)(Y H = bit或)|(Y X H =)(XY H -)(Y H =)(X H +)|(X Y H -)(Y H 而)|(X Y H =)(X H ,所以)|(Y X H =2)(X H -)(Y H = bit),|(Y X Z H =)|(Y Z H =)(X H = bit )|,(Y Z X H =)|(Y X H +)|(XY Z H =+= bit设一个系统传送10个数字,0,1,…,9。

信息论与编码2016(第4章)

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。

通信原理(第四章)

通信原理(第四章)

27
第4章 信 道 章
四进制编码信道模型
0 0
1 送


1
收 端

2
2
3
3
28ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第4章 信 道 章
4.4 信道特性对信号传输的影响 恒参信道的影响 恒参信道对信号传输的影响是确定的或者 是变化极其缓慢的。因此,其传输特性可以 等效为一个线性时不变网络。 只要知道网络 的传输特性,就可以采用信号分析方法,分 析信号及其网络特性。 线性网络的传输特性可以用幅度频率特 性和相位频率特性来表征。 现在我们首先讨论 理想情况下的恒参信道特性。
平流层 60 km 对流层 10 km 0 km 地 面
6
第4章 信 道 章
电离层对于传播的影响 反射 散射
7
第4章 信 道 章
电磁波的分类: 电磁波的分类: 地波 频率 < 2 MHz 有绕射能力 距离: 距离:数百或数千千米 天波 频率: 频率:2 ~ 30 MHz 特点: 特点:被电离层反射 一次反射距离: 一次反射距离:< 4000 km 寂静区: 寂静区:
13
第4章 信 道 章
4.2 有线信道
明线
14
第4章 信 道 章
对称电缆:由许多对双绞线组成, 对称电缆:由许多对双绞线组成,分非屏蔽 (UTP)和屏蔽(STP)两种。 )和屏蔽( )两种。
塑料外皮
双绞线( 5对)
图4-9 双绞线
15
第4章 信 道 章
同轴电缆
16
第4章 信 道 章
n2 n1 折射率
25
第4章 信 道 章
4.3.2 编码信道模型
调制信道对信号的影响是通过k(t)和 使已调信号发生波形 调制信道对信号的影响是通过 和n(t)使已调信号发生波形 失真。 失真。 编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换, ฀ 编码信道对信号的影响则是一种数字序列的变换,即将 一种数字序列变成另一种数字序列。 一种数字序列变成另一种数字序列。误码 输入、输出都是数字信号, ฀ 输入、输出都是数字信号,关心的是误码率而不是信号 失真情况,但误码与调制信道有关, 失真情况,但误码与调制信道有关,无调制解调器时误码由 发滤波器设计不当及n(t)引起 引起。 收、发滤波器设计不当及 引起。 编码信道模型是用数字的转移概率来描述。 ฀ 编码信道模型是用数字的转移概率来描述。

通信原理第4章信道

通信原理第4章信道
1
第4章 信道
4.0 信道的定义及分类 4.1 无线信道 4.2 有线信道 4.3 信道数学模型 4.4 信道特性及其对信号传输的影响 4.5 信道中的噪声 4.6 信道容量
2
本章教学目的:了解各种实际信道、信
道的数学模型和信道容量的概念。

本章的讨论思路:通过介绍实际信道的例
子,在此基础上归纳信道的特性,阐述信道的 数学模型,最后简介了信道容量的概念。
信道模型的分类: 调制信道 编码信道
信 息 源 信 源 编 码 加 密 信 道 编 码 数 字 调 制 数 字 解 调 信 道 译 码 解 密 信 源 译 码 受 信 者
信道 噪声源
调制信道 编码信道
31
4.3.1 调制信道模型
有一对(或多对)输入端和一对(或多对)输出端; 绝大多数的信道都是线性的,即满足线性叠加原理;
41
相位-频率畸变
指相位-频率特性偏离线性关系所引起的畸变。
1、理想相频特性是一直线
群延迟-频率特性
|H( )|
d ( ) ( ) d

( ) td
O (b) td
K0
O (a)

O (c)

42
2、实际电话信道的群延迟特性 一种典型的音频电话信道的群延迟特性。
25
光纤呈圆柱形,由芯、封套和外套三部分组成(如 图所示)。芯是光纤最中心的部分,它由一条或多 条非常细的玻璃或塑料纤维线构成,每根纤维线都 有它自己的封套。由于这一玻璃或塑料封套涂层的 折射率比芯线低,因此可使光波保持在芯线内。环 绕一束或多束有封套纤维的外套由若干塑料或其它 材料层构成,以防止外部的潮湿气体侵入,并可防 止磨损或挤压等伤害。

通信原理第四章 (樊昌信第七版)PPT课件

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则接收信号为
2 1
fo(t) = K f(t - 1 ) + K f(t - 2 ) 相对时延差
F o () = K F () e j 1 + K F () e j ( 1 )
信道传输函数
H()F F o(( ))K Keejj 11((1 1 eejj ))
常数衰减因子 确定的传输时延因子 与信号频率有关的复因子
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精选课件
1
第4章 信道
通信原理(第7版)
樊昌信 曹丽娜 编著
精选课件
2
本章内容:
第4章 信道
信道分类
信道模型
恒参/随参信道特性对信号传输的影响
信道噪声
信道容量
定义·分类
模型·特性
影响·措施
信道噪声 信道容量
精选课件
3
概述
信道的定义与分类
n 狭义信道:
—传输媒质 有线信道 ——明线、电缆、光纤 无线信道 ——自由空间或大气层
1. 传输特性
H ()H ()ej ()
H() ~ 幅频特性
()~ 相频特性
2. 无失真传输
H()Kejtd
H() K
()td
精选课件
27
n 无失真传输(理想恒参信道)特性曲线:
恒参信道
|H()|
K
() td
td
0
H() K
幅频特性
0
0
()td
()d() d
td
相频特性
群迟延特性
精选课件
28
n 理想恒参信道的冲激响应:
恒参信道
H()Kejtd
h(t)K(ttd)
若输入信号为s(t),则理想恒参信道的输出:

第4章_信道

第4章_信道

32
4.3 信道的数学模型
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
4.3.2 编码信道模型
由于信道噪声或其它因素的影响,将导致输出数字序列发生 错误,因此输入输出数字序列之间的关系可以用一组 转移概率 来表征。 转移概率:在二进制系统中,就是“0”转移为“1”的 概率和“1”转移为“0”的概率。
8
4.1 无线信道
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
地波
频率在2MHz以下的电磁波,趋于沿弯曲的地球表面传 播,有一定的绕射能力。 地波在传播过程中要不断损失能量,而且频率越高损 失越大,因此传播距离不大,一般在数百千米到数千千米。
传播路径 传播路径
发射天线 发射天线
地面 地面
接收天线 接收天线
导体 绝缘层
图4-9 双绞线
21
4.2 有线信道
内蒙古大学电子信息工程学院 《通信原理》
传输电信号的有线信道主要有三类:
明线、对称电缆和同轴电缆。 同轴电缆
由内外两根同心圆柱导体构成,两根导体之间用绝缘体 隔离开。内导体多为实心导线,外导体是一根空心导电管或 金属编织网,在外导体外面有一层绝缘保护层。其优点是抗 干扰特性好。
增大视线传播距离的途径 卫星中继(卫星通信)
利用三颗地球同步卫星可以覆盖全球,从而实现全球通信。
利用卫星作为中继站能够增大一次 转发的距离,但是却增大了发射功 率和信号传输的延迟。 此外,发射卫星也是一项巨大的工 程。 故开始研究使用平流层通信。 图4-5 卫星中继
15
4.1 无线信道
发射天线 发射天线
地面 地面
接收天线 接收天线
图4-4
无线电中继
特点:容量大、发射功率小、稳定可靠等。

第4章_离散信道及其容量题与答案

4.1 设有一离散无记忆信源,其概率空间为⎭⎬⎫⎩⎨⎧=⎥⎦⎤⎢⎣⎡4.06.0)(21x x X P X 它们通过一干扰信道,信道输出端的接收符号集为Y = { y1, y2 },信道转移概率如题图4.1所示。

求:(1) 信源X 中事件x 1和事件x 2分别含有的自信息; (2) 收到消息y j (j=1,2)后,获得的关于x i (i=1,2)的信息量; (3) 信源X 和信宿Y 的信息熵;(4) 信道疑义度H(X/Y)和噪声熵H(Y/X); (5) 接收到信息Y 后获得的平均互信息。

解:信道转移矩阵为:⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡414361651)bitx p x I bit x p x I 322.14.0log )(log )( 737.06.0log )(log )(2211=-=-==-=-=2)bity p x y p y x I bity p x y p y x I bity p x y p y x I bity p x y p y x I x y p x p x y p x p y p x y p x p x y p x p y p 322.02.04/3log )()/(log);( 093.08.04/1log )()/(log );( 263.02.06/1log )()/(log );( 059.08.06/5log )()/(log );(2.0414.0616.0)/()()/()()(8.0434.0656.0)/()()/()()(2222212112212211111122212122121111===-===-=======⨯+⨯=+==⨯+⨯=+=3)bity p y p Y H bitx p x p X H jj j ii i 722.0)2.0log 2.08.0log 8.0()(log )()( 971.0)4.0log 4.06.0log 6.0()(log )()(=+-=-==+-=-=∑∑4)∑∑-=iji j i j i x y p x y p x p X Y H )/(log )/()()/(5/61/4 3/4 1/6 1x2x 2y1y 题图 4.1bitY H X Y H X H Y X H Y X H Y H X Y H X H bit964.0722.0715.0971.0 )()/()()/()/()()/()( 715.0 43log 434.041log 414.061log 616.065log 656.0 =-+=-+=∴+=+=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⨯+⨯+⨯-=5)bit Y X H X H Y X I 0075.0964.0971.0)/()();(=-=-=4.2 设有扰离散信道的输入端是以等概率出现的A, B, C, D 四个字母。

信息论与编码第三版 第4章

C max H ( X ) log 3
p( x)
信息论与编码
3. 根据平均互信息量I(X; Y)达到信道容量的充要条件式对C进行验证:
p ( y j ) p ( xi ) p ( y j / xi )
i 1 3
1 P 0 0
0 1/ 2 0
0 1/ 2 0
0 0 1/6
x1 x2 x3 x4 x5
1 1 1 1 1
y1 y2 y3 y4 y5
1 0 P 0 0 0
0 1 0 0 0
0 0 1 0 0
0 0 0 1 0
0 0 0 0 1
【解】 该信道的信道容量为:
C max I ( X ; Y ) max H ( X ) log 5
C max I ( X ; Y ) max H (Y )
p( x) p( x)
由于
p( y ) p( x) p( y / x),由于信道转移概率是确定的,求使H (
X
Y)
达到最大值的p ( x )的最佳分布就转化为求p ( y )的最佳分布。由极大离 散熵定理知,在p ( y )等概率分布时,H ( Y ) 达到最大,则
I ( x2 ; Y ) p ( y j / x2 ) log
j 1 2
p ( y j / x2 ) p( y j ) p ( y j / x3 ) p( y j ) p ( y j / x4 ) p( y j ) p ( y j / x5 ) p( y j )
1 log
1 1/ 2
log 2
I ( x3 ; Y ) p ( y j / x3 ) log
j 1 2
1 log

樊昌信《通信原理》(第7版)章节题库(信 道)【圣才出品】

第4章信道一、选择题恒参信道的相频失真,对模拟通话质量影响()。

A.很大B.不显著C.显著D.不存在【答案】B【解析】恒参信道的相频失真,对语音信号影响不大,对视频信号影响大。

二、填空题1.根据信道特性参数随时间变化的快慢,可将信道分为______和______信道。

【答案】恒参信道;随参信道【解析】信道特性随时间变化的信道称为随参信道;信道特性基本上不随时间变化,或变化极慢极小的信道称为恒参信道。

2.调制信道分为______和______,短波电离层反射信道属于______信道。

【答案】恒参信道;随参信道;随参【解析】按照调制信道模型,信道可以分为恒参信道和随参信道两类。

短波电离层反射信道的特性随随时间、季节和年份不断变化,故其属于随参信道。

3.理想恒参信道的冲激响应为______。

【答案】h (t )=kδ(t -t d )【解析】理想恒参信道的幅频特性和相频特性为|()|()d H kt ωϕωω=⎧⎨=-⎩故恒参信道的传输函数为()()|()|d j t j H H e ke ωϕωωω-==根据傅里叶变换可知其冲激响应为(t)(t t )d h k δ=-4.调制信道的定义范围从______至______。

【答案】调制器输出端;解调器输入端【解析】调制器输出端至解调器输入端的范围被定义为调制信道。

5.信号在随参信道中传输时,产生频率弥散的主要原因是______。

【答案】多径效应【解析】信号的多径传播造成了信道的时间弥散性,产生了频率选择性衰落。

6.某电离层反射信道的最大多径时延差为30μs,为了避免频率选择性衰落,工程上认为在该信道上传输数字信号的码速率不应超过______Baud。

【答案】11kBaud【解析】信号的相关带宽为根据工程经验信号的带宽为R由于线性数字调制系统的最高频带利用率为1Baud/Hzη==BB故。

7.宽带信号在短波电离层反射信道中传输时,可能遇到的主要衰落类型是______。

4.信道及其容量

第4章 离散信道及其容量4.1节离散无记忆信道(DMC, Discrete Memoryless Channel )什么是 “信道”?通信的基本目标是将信源发出的消息有效、可靠地通过“信道”传输到目的地,即信宿(sink )。

但什么是“信道”?Kelly 称信道是通信系统中“不愿或不能改变的部分”。

比如CDMA 通信中,设备商只能针对给定的频谱范围进行设备开发,而运营商可能出于成本的考虑,不愿意进行新的投资,仍旧采用老的设备。

通信是对随机信号的通信,因此信源必须具有可选的消息,因此不可能利用一个sin(·)信号进行通信,而是至少需要两个可供发射机进行选择。

一旦选择了信息传输所采用的信号,信道决定了从信源到信宿的过程中信号所受到的各种影响。

从数学上理解,信道指定了接收机接收到各种信号的条件概率(conditional probability),但输入信号的先念概念(prior probability )则由使用信道的接收机指定。

如果只考虑离散时间信道,则输入、输出均可用随机变量序列进行描述。

输入序列X 1,X 2,……是由发射机进行选择,信道则决定输出序列Y 1, Y 2,……的条件概率。

数学上考虑的最简单的信道是离散无记忆信道。

离散无记忆信道由三部分组成:(1) 输入字符集A ={a 1, a 2, a 3,…}。

该字符集既可以是有限,也可以是可数无限。

其中每个符号a i 代表发射机使用信道时可选择的信号。

(2) 输出字符集B={b 1, b 2, b 3,…}。

该字符集既可以是有限,也可以是可数无限。

其中每个符号bi 代表接收机使用信道时可选择的信号。

(3) 条件概率分布P Y |X (·|X ),该条件分布定义在B 上,其中X ∈A 。

它描述了信道对输入信号的影响。

离散无记忆的假设表明,信道在某一时刻的输出只与该时刻的输入有关,而与该时刻之前的输入无关。

或者:1111|(|,...,,,...,)(|)n n n Y X n n P y x x y y P y x --=,n =1,2,3….Remark: (1) n x 在信道传输时受到的影响与n 时刻以前的输入信号无关。

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Chapter 4:Channel and Channel Capacity
The goal to achieve

The understanding of the goal and content how Info. Theory studies the channel Understand the basic classification of the channel and grasp the basic description method of the channel Grasp the concept of channel capacity/Channel capacity price function, as well as relations between this concept and mutual info., channel input probability distribution, channel transfer function Can calculate the channel capacity/The channel capacity price function (symmetrical discrete channel, additive Gauss noise channel without memory ) of simple channel
§4.1: Outline

The content of Info. Theory researching on the channel What’s channel?
The function of channel The goal of researching the channel



§5.1:Outline-1
Nature 1: I (X; Y) is a convex function of the channel input probability distribution p (x).
I(X; Y)
p(x)
Review – nature of mutual info. function : Nature.2

Classification
Description

§4.2: Classification and description of channel-1

classification




project physics —— transmission medium type; mathematics description way —— description way of signal and disturbance; parameter type of the channel itself —— changeable and permanent parameter; user type ——single user and multi-user;

Studying the channel in the communications system is mainly to describe, measure, analyze different types of channel, calculate their capacity, namely, the limit transmission capacity, and analyze their characteristic.
§5.1:Outline-4


the goal to research channel
Realize validity and reliability of intelligence transmission

Validity: Fully use the channel capacity Reliability: Reduces the error rate through the channel coding

Relationship between Info. content and channel transition probability distribution
Nature 2: I (X; Y) is a concave function of channel transition probability distributes p (y/X).
§4.2: Classification and description
of channel-4
Constant 3〉Parameter type Changeable
§4.2: Classification and description
of channБайду номын сангаасl-5
二用户信道(点对点通信) 4 〉用户类型 多用户信道(通信网)

Content that the Info. Theory studies on the channel:


Channel modeling: describe with two appropriate input/outputs stochastic processes Channel capacity various means of taking fully advantage of the channel capacity under dissimilar condition

Mutual info. Channel Capacity function in chanel coding theorem
Review – nature of mutual info. function : Nature.1

Relationship between mutual info. and channel input probability distribution
Understand the function of the channel capacity/Capacity price function in communications system research



Definition question

Entropy Entropy rate function in lossless source coding theorem
§5.1:Outline-3

The function of channel

The channel mainly be used in transmitting and storing data the info. system, but in communications system mainly be used in transmitting.

The Info. Theory mainly researches -- info. transmission question (hypothesis is that the transmission characteristics are known)
§4.2:Classification and description of the channel
§4.2: Classification and description
of channel-6

Description of channel

The channel may quote three groups of variables to describe:
space:[ X , p( x)]
channel
§4.2: Classification and description of
2
§4.2: Classification and description of channel-3
discrete memoryless continuous Signal Semi - discrete with memory Semi - continuous No interferen ce:can be ignored ; 2〉Signal interferen ce Passive thermal noise Linear superposit ion Active shot noise Impulse Noise Interferen ce With interferen ce Intermodul ation Multiplica tive Fading Inter - symbol interferen ce

The communication technology mainly
researches -- The physical rule which the signal follows while transmitting in the channel, namely transmission characteristic
§5.1:Outline-2

What is channel?


The channel is a carrier which transmits messages —— a passage which signal passes through. The information is abstract, the channel then is concrete. For instance: If two people converse, the air is the channel; If the two call each other, the telephone line is the channel; If we watch the television, listen to the radio, the space to receive and send is the channel.
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