信息论与编码课件

信源与信息熵信源与信息熵信源与信息熵信源与信息熵第二章第二章1信源与信息熵第二章12.1 2.1 信源的描述和分类信源的描述和分类2.2 2.2 离散信源熵和互信息离散信源熵和互信息2.3 2.3 离散序列信源的熵离散序列信源的熵2.4 2.4 连续信源的熵和互信息连续信源的熵和互信息2.5 2.5 冗余度冗余度内容内容22.1 信源的描述和分类内容2本章重点本章重点信源熵和离散/连续互信息本章难点本章难点离散序列有记忆信源的熵3本章重点信源熵和离散/连续互信息本章难点离散序列有记忆信源的2.1 2.1 信源的描述和分类信源的描述和分类42.1 信源的描述和分类4信源信源信源产生消息(符号)、消息序列和连续消息的来源产生随机变量、随机序列和随机过程的源。在通信系统中收信者在未收到消息以前对信源发出什么信息是不确定的,是随机的，所以可用随机变量、随机序列或随机过程来描述信源输出的消息,或者说用一个样本空间及其概率测度概率空间来描述信源 信源的基本特性：具有随机不确定性。5信源信源5香农信息论的基本点香农信息论的基本点用随机变量或随机矢量来表示信源用概率论和随机过程的理论来研究信息6香农信息论的基本点用随机变量或随机矢量来表示信源6 信源离散信源:文字、数据、电报随机序列 连续信源:话音、图像随机过程 信源的分类信源的分类按照信源发出的消息在时间上和幅度上的分布情况可将信源分成离散信源和连续信源两大类 连续信源指发出在时间和幅度上都是连续分布的连续消息（模拟消息）的信源，如语言、图像、图形等都是连续消息。7 信源离散信源:文字、数据、电报随机序列 连续信离散信源离散无记忆信源离散有记忆信源发出单个符号的无记忆信源发出符号序列的无记忆信源发出符号序列的有记忆信源发出符号序列的马尔可夫信源信源的分类信源的分类离散信源指发出在时间和幅度上都是离散分布的离散消息的信源，如文字、数字、数据等符号都是离散消息。8离散离散无记忆信源离散有记忆信源发出单个符号的无记忆信2.1.1 2.1.1 无无记忆信源记忆信源离散无记忆信源所发出的各个符号是相互独立的，发出的符号序列中的各个符号之间没有统计关联性，各个符号的出现概率是它自身的先验概率。例如扔骰子，每次试验结果必然是16点中的某一个面朝上。用一个离散型随机变量X来描述这个信源输出的消息。92.1.1 无记忆信源离散无记忆信源例如扔骰子，每次试验结发出单个符号的信源指信源每次只发出一个符号代表一个消息；发出符号序列的信源指信源每次发出一组含二个以上符号的符号序列代表一个消息离散离散无无记忆信源记忆信源10发出单个符号的信源离散无记忆信源10信源的描述信源的描述一个离散信源发出的各个符号消息的集合为：它们的概率分别为p(xi):xi的先验概率先验概率单符号离散信源的数学模型概率空间a,b,c,z11信源的描述一个离散信源发出的各个符号消息的集合为：它们的概率信源的描述信源的描述连续信源：输出在时间和幅度上都是连续分布的消息 单符号连续无记忆信源的概率空间 随机取一节干电池测其电压值作为输出符号,符号取值为0,1.5之间的所有实数。该信源就是发出单符号的连续无记忆信源12信源的描述连续信源：随机取一节干电池测其电压值作为输出信源的描述信源的描述发出符号序列的信源设信源输出的随机序列为X=(X1X2XlXL)序列中的变量Xlx1,x2,xn 这种由信源X输出的L长随机序列X所描述的 信源称为离散无记忆信源X的L次扩展信源 13信源的描述发出符号序列的信源设信源输出的随机序列为13信源的描述信源的描述随机序列的概率当信源无记忆时 14信源的描述随机序列的概率当信源无记忆时 14一般情况下,信源在不同时刻发出的符号之间是相互依赖的，也就是信源输出的平稳随机序列X中，各随机变量Xl之间是有依赖的。如在汉字序列中前后文字的出现是有依赖的，不能认为是彼此不相关的。表述有记忆信源要比表述无记忆信源困难得多离散有记忆信源所发出的各个符号的概率是有关联的。发出符号序列的有记忆信源 发出符号序列的马尔可夫信源2.1.2 2.1.2 有记忆信源有记忆信源用信源发出的一个符号序列的整体概率(即联合概率)反映有记忆信源的特征一个符号出现的概率只与前面一个或有限个符号有关,而不依赖更前面的那些符号15一般情况下,信源在不同时刻发出的符号之间是相互依赖的，也就是概率论基础概率论基础无条件概率、条件概率、联合概率的性质和关系16概率论基础无条件概率、条件概率、联合概率的性质和关系16概率论基础概率论基础无条件概率、条件概率、联合概率的性质和关系17概率论基础无条件概率、条件概率、联合概率的性质和关系172.1.3 2.1.3 马尔可夫信源马尔可夫信源马尔可夫信源一类相对简单的离散平稳信源该信源在某一时刻发出字母的概率除与该字母有关外,只与此前发出的有限个字母有关m阶马尔可夫信源：信源输出某一符号的概率仅与以前的m个符号有关，而与更前面的符号无关。条件概率182.1.3 马尔可夫信源马尔可夫信源18马氏链的基本概念马氏链的基本概念 一阶马尔可夫信源：若把有限个字母记作一个状态S，则信源发出某一字母的概率除与该字母有关外，只与该时刻信源所处的状态有关。信源将来的状态及其送出的字母将只与信源现在的状态有关，而与信源过去的状态无关。19马氏链的基本概念 一阶马尔可夫信源：若把有限个字母记作一个状马氏链的基本概念马氏链的基本概念 令si=(xi1,xi2,xim)xi1,xi2,xim(a1,a2,an)状态集S=s1,s2,sQ Q=nm信源输出的随机符号序列为：x1,x2,x i-1,x i信源所处的随机状态序列为：s1,s2,si-1,si,例：二元序列为01011100考虑m=3，Q=nm=23=8s1=000 s2=001 s3=010 s4=011.S8=111变换成对应的状态序列为 s2 s3 s8 s5 s4 s6 s120马氏链的基本概念 令si=(xi1,xi2,xim马尔可夫信源马尔可夫信源设信源在时刻m处于si状态,它在下一时刻(m+1)状态转移到sj的转移概率为：pij(m)=pSm+1=sj|Sm=si=psj|sipij(m)：基本转移概率（一步转移概率）若pij(m)与m 的取值无关,则称为齐次马尔可夫链 pij=pSm+1=sj|Sm=si=pS2=sj|S1=sipij具有下列性质：pij021马尔可夫信源设信源在时刻m处于si状态,它在下一时刻(m+1若信源处于某一状态si,当它发出一个符号后,所处状态就变了,任何时候信源处于什么状态完全由前一时刻的状态和发出符号决定。系统在任一时刻可处于状态空间S S=s1,s2,sQ中的任意一个状态,状态转移时,转移概率矩阵符号条件概率矩阵22若信源处于某一状态si,当它发出一个符号后,所处状态就变了马尔可夫信源马尔可夫信源状态转移图齐次马尔可夫链可以用其状态转移图(香农线图)表示每个圆圈代表一种状态 状态之间的有向线代表某一状态向另一状态的转移有向线一侧的符号和数字分别代表发出的符号和条件概率sos11/0.60/0.30/0.4s21/0.20/0.81/0.723马尔可夫信源状态转移图sos11/0.60/0.30/0.4s3s2s4s5s1s6周期性的：在常返态中,有些状态仅当k能被某整数d1整除时才有pii(k)0,图中的周期为2；x5:1非周期性的：对于pii(k)0的所有k值，其最大公约数为1。常返态：经有限步后迟早要返回的状态，x4:1x3:1/2x2:1/2x3:1/2x2:1/2x2:1/2x4:1/4x1:1/4x6:1x6:1/424s3s2s4s5s1s6周期性的：在常返态中,有些状态仅当k马尔可夫信源马尔可夫信源闭集：状态空间中的某一子集中的任何一状态都不能到达子集以外的任何状态不可约的：闭集中除自身全体外再没有其他闭集的闭集s3s2s4s5s1s6x5:1x4:1x3:1/2x2:1/2x3:1/2x2:1/2x2:1/2x4:1/4x1:1/4x6:1/4遍历状态：非周期的、常返的状态,如图中的状态s2和s325马尔可夫信源闭集：s3s2s4s5s1s6x5:1x4:1x马尔可夫信源马尔可夫信源一个不可约的、非周期的、状态有限的马尔可夫链其k步转移概率pij(k)在k时趋于一个和初始状态无关的极限概率Wj，它是满足方程组 的唯一解；W Wj j ：马尔可夫链的一个平稳分布，W Wj j p(s p(sj j)就是系统此时处于状态sj的概率。26马尔可夫信源一个不可约的、非周期的、状态有限的马尔可夫链其ksos11/0.60/0.30/0.4s21/0.20/0.81/0.7例27sos11/0.60/0.30/0.4s21/0.20/0.例2-1，如图所示是一个相对码编码器,输入的码Xr(r=1,2,)是相互独立的，取值0或1，且已知P(X=0)=p,P(X=1)=1p=q，输出的码是Yr，显然TXrYrYr-1+Yr是一个马氏链,Yr确定后,Yr+1概率分布只与Yr有关,与Yr-1、Yr-2 等无关,且知Yr序列的条件概率28例2-1，如图所示是一个相对码编码器,输入的码Xr(r=1,sos1pqqpp00=P(Y2=0/Y1=0)=P(X=0)=p p01=P(Y2=1/Y1=0)=P(X=1)=q p10=P(Y2=0/Y1=1)=P(X=1)=q p11=P(Y2=1/Y1=1)=P(X=0)=p 29sos1pqqpp00=P(Y2=0/Y1=0)=P(X例2-2：有一个二元二阶马尔可夫信源,其信源符号集为0，1，已知符号条件概率：p(0|00)=1/2 p(1|00)=1/2 p(0|01)=1/3 p(1|01)=2/3 p(0|10)=1/4 p(1|10)=3/4 p(0|11)=1/5 p(1|11)=4/5求：信源全部状态及状态转移概率画出完整的二阶马尔可夫信源状态转移图。求平稳分布概率 30例2-2：有一个二元二阶马尔可夫信源,其信源符号集为0，1状态转移概率矩阵符号条件概率矩阵(1)1/2(0)1/2(0)1/3(1)2/300011110s2s1s4s3(1)3/4(0)1/4(0)1/5(1)4/531状态转移概率矩阵符号条件概率矩阵(1)1/2(0)1/2(0稳态分布概率稳态后的符号概率分布32稳态分布概率稳态后的符号概率分布32例 一个二元二阶马尔可夫信源,其信源符号集为0,1信源开始时：p(0)=p(1)=0.5发出随机变量X1。下一单位时间：输出随机变量X2与X1有依赖关系x2x10100.30.410.70.6p(x2|x1)再下一单位时间：输出随机变量X3与X2X1有依赖关系x3x1 x20001101100.40.20.30.410.60.80.70.6p(x3|x1x2)33例x2x10100.30.410.70.6p(x2|x1)再从第四单位时间开始，随机变量Xi只与前面二个单位时间的随机变量Xi-2Xi-1有依赖关系:p(xi|xi-1 xi-2x2 x1)=p(xi|xi-1 xi-2)(i3)且 p(xi|xi-1 xi-2)=p(x3|x2x1)(i3)解:设信源开始处于s0状态,并以等概率发出符号0和1,分别到达状态s1和s2:若处于s1,以0.3和0.7的概率发出0和1到达s3和s4若处于s2,以0.4和0.6的概率发出0和1到达s5和s600011011(0)0.5(1)0.5(0)0.3(0)0.4(1)0.7(1)0.6s1s2s0s6s5s4s334从第四单位时间开始，随机变量Xi只与前面二个单位时间的随机变信源发完第2个符号后再发第3个及以后的符号。从第3单位时间以后信源必处在s3 s4 s5 s6四种状态之一。在i3后,信源的状态转移可用下图表示:10110100(0)0.3(0)0.4(1)0.7(0)0.2(1)0.8(1)0.6(0)0.4(1)0.6状态s1和s5功能是完全相同 状态s2和s6功能是完全相同可将二图合并成s3s4s5s6s0(0)0.5(1)0.5s0是过渡状态s3 s4 s5 s6组成一个不可约闭集,并且具有遍历性。35信源发完第2个符号后再发第3个及以后的符号。10110100由题意,此马尔可夫信源的状态必然会进入这个不可约闭集,所以我们计算信源熵时可以不考虑过渡状态及过渡过程。由 得稳态分布概率36由题意,此马尔可夫信源的状态必然会进入这个不可约闭集,所以我当马尔可夫信源达到稳定后,符号0和符号1的概率分布：信源达到稳定后，信源符号的概率分布与初始时刻的概率分布是不同的，所以，一般马尔可夫信源并非是平稳信源。但当时齐、遍历的马尔可夫信源达到稳定后，这时就可以看成一个平稳信源。：37当马尔可夫信源达到稳定后,符号0和符号1的概率分布：信源达到习题习题2-12-238习题2-138