信息科學(xué)第三章

信息科學(xué)第三章第一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第一節(jié)信道的數(shù)學(xué)模型及分類1、信道的分類：根據(jù)信道用戶的多少，可分為：（1）單用戶信道：只有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端（2）多用戶信道：至少有一端有兩個(gè)以上的用戶，雙向通信根據(jù)輸入端和輸出端的關(guān)聯(lián)：（1）無反饋信道（2）有反饋信道第二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第一節(jié)信道的數(shù)學(xué)模型及分類根據(jù)信道參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系：（1）固定參數(shù)信道（2）時(shí)變參數(shù)信道根據(jù)輸入輸出信號的特點(diǎn)（1）離散信道（2）連續(xù)信道（3）半離散半連續(xù)信道：（4）波形信道以下我們只研究無反饋、固定參數(shù)的單用戶離散信道。第三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第一節(jié)信道的數(shù)學(xué)模型及分類P(y/X)XY根據(jù)這一模型，可對信道分類如下：設(shè)離散信道的輸入為一個(gè)隨機(jī)變量X，相應(yīng)的輸出的隨機(jī)變量為Y，如圖所示：規(guī)定一個(gè)離散信道應(yīng)有三個(gè)參數(shù)：輸入符號集：X={x1，x2，…，}輸出符號集：Y={y1，y2，…，}信道轉(zhuǎn)移概率：P(Y/X)={p(y1/x1),p(y2/x1),…p(/x1),……p(y1/)…p(/)}2、離散信道的數(shù)學(xué)模型第四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第一節(jié)信道的數(shù)學(xué)模型及分類（1）無干擾信道：輸入信號與輸出信號有一一對應(yīng)關(guān)系（2）有干擾無記憶信道：輸入與輸出無一一對應(yīng)關(guān)系，輸出只與當(dāng)前輸入有關(guān)；（3）有干擾有記憶信道：這是最一般的信道。第五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第一節(jié)信道的數(shù)學(xué)模型及分類3、單符號離散信道的數(shù)學(xué)模型單符號離散信道的輸入變量為X，取值于輸出變量為Y，取值于。并有條件概率條件概率被稱為信道的傳遞概率或轉(zhuǎn)移概率。一般簡單的單符號離散信道的數(shù)學(xué)模型可以用概率空間[X,p(y|x),Y]來描述。

XY第六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第一節(jié)信道的數(shù)學(xué)模型及分類[P]=y1y2…ymx1p(y1/x1)p(y2/x1)…p(ym/x1)x2p(y1/x2)p(y2/x2)…p(ym/x2)……………xnp(y1/xn)p(y2/xn)…p(ym/xn)表示成矩陣形式：第七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第一節(jié)信道的數(shù)學(xué)模型及分類[例1]二元對稱信道（BSC）X={0,1};Y={0,1};p(0/0)=p(1/1)=1-p;p(0/1)=p(1/0)=p;[P]=0101-pp1p1-p01-p0pp11-p1第八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第一節(jié)信道的數(shù)學(xué)模型及分類[例2]二元?jiǎng)h除信道X={0,1};Y={0,2,1}[P]=02101－pp010p1-p

01-p0pp11-p12第九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六[P]=y1y2…ymx1p(y1/x1)p(y2/x1)…p(ym/x1)x2p(y1/x2)p(y2/x2)…p(ym/x2)……………xnp(y1/xn)p(y2/xn)…p(ym/xn)由此可見，一般單符號離散信道的傳遞概率可以用矩陣表示第一節(jié)信道的數(shù)學(xué)模型及分類第十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第一節(jié)信道的數(shù)學(xué)模型及分類為了表述簡便，可以寫成下面推導(dǎo)幾個(gè)關(guān)系式：第十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第一節(jié)信道的數(shù)學(xué)模型及分類（1）聯(lián)合概率其中稱為前向概率，描述信道的噪聲特性稱為后向概率，有時(shí)也把稱為先驗(yàn)概率，把稱為后驗(yàn)概率（2）輸出符號的概率（3）后驗(yàn)概率表明輸出端收到任一符號，必定是輸入端某一符號輸入所致第十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第二節(jié)平均互信息1、信道疑義度這是收到后關(guān)于X的后驗(yàn)熵，表示收到后關(guān)于輸入符號的信息測度這個(gè)條件熵稱為信道疑義度，表示輸出端在收到一個(gè)符號后，對輸入符號尚存的不確定性，這是由信道干擾造成的，如果沒有干擾，H(X/Y)=0,一般情括下H(X/Y)小于H(X)，說明經(jīng)過信道傳輸，總能消除一些信源的不確定性，從而獲得一些信息。第十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第二節(jié)平均互信息I(X;Y)=H(X)-H(X/Y)2、平均互信息因?yàn)镠(X),表示傳輸前信源的不確定性，而H(X/Y)表示收到一個(gè)符號后，對信源尚存的不確定性，所以二者之差信道傳遞的信息量。下面我們討論一下互信息與其他的熵之間的關(guān)系I(X;Y)=H(X)-H(X/Y)=H(X)+H(Y)-H(XY)=H(Y)-H(Y/X)(3.34)第十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第二節(jié)平均互信息也可以得到：H(XY)=H(X)+H(Y/X)=H(Y)+H(X/Y)由3.34也可以看出，互信息I(X;Y)也表示輸出端H(Y)的不確定性和已知X的條件下關(guān)于Y的不確定性之差，也等于發(fā)送前后關(guān)于Y的不確定性之差。H(X/Y)即信到疑義度，也表示通過有噪信道造成的損失，故也稱為損失熵，因此信源的熵等于收到的信息量加上損失的熵；而H(Y/X)表示已知輸入的情況下，對輸出端還殘留的不確定性，這個(gè)不確定性是由噪聲引起的，故也稱之為噪聲熵。第十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六互信息與各類熵之間的關(guān)系可以用下圖表示：第二節(jié)平均互信息H(X,Y)

H(X/Y)H(Y/X)

H(X)H(Y)I(X,Y)可以看出，聯(lián)合熵等于兩園之和減去第三部分，也等于一個(gè)園加上另外一部分下面討論兩種極端情況：圖1第十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第二節(jié)平均互信息（1）無噪一一對應(yīng)信道此時(shí)可以計(jì)算得：H(X/Y)=H(Y/X)=0在圖一中表示就是兩圓重合。(2)輸入輸出完全統(tǒng)計(jì)獨(dú)立此時(shí)I(X;Y)=0H(X/Y)=H(X)H(Y/X)=H(Y)第十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第三節(jié)平均互信息的特性1、平均互信息的非負(fù)性I(X;Y)>=0該性質(zhì)表明，通過一個(gè)信道總能傳遞一些信息，最差的條件下，輸入輸出完全獨(dú)立，不傳遞任何信息，互信息等于0，但決不會失去已知的信息。2、平均互信息的極值性I(X;Y)<=H(X)一般來說，信到疑義度總是大于0，所以互信息總是小于信源的熵，只有當(dāng)信道是無損信道時(shí)，信道疑義度等于0，互信息等于信源的熵。第十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第三節(jié)平均互信息的特性3、平均互信息量的交互性I(X,Y)=I(Y,X)I(Y;X)表示從X中提取關(guān)于的Y的信息量，實(shí)際上I(X,Y)和I(Y,X)只是觀察者的立足點(diǎn)不同，對信道的輸入X和輸出Y的總體測度的兩種表達(dá)形式4、平均互信息的凸?fàn)钚缘谑彭摚参迨?，編輯?023年，星期六第三節(jié)平均互信息的特性

定理3.1平均互信息I(X;Y)是信源概率分布P(X)的型凸函數(shù)這就是說，對于一定的信道轉(zhuǎn)移概率分布，總可以找到某一個(gè)先驗(yàn)概率分布的信源X，使平均交互信息量達(dá)到相應(yīng)的最大值Imax，這時(shí)稱這個(gè)信源為該信道的匹配信源。可以說不同的信道轉(zhuǎn)移概率對應(yīng)不同的Imax。第二十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第三節(jié)平均互信息的特性例：對于二元對稱信道

01-p0pp11-p1如果信源分布X={w,1-w}，則第二十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六I(X;Y)w1/21-H(P)第三節(jié)平均互信息的特性而：所以：當(dāng)信道固定時(shí)，平均互信息時(shí)信源分布的型凸函數(shù)，最大只為1-H(P)第二十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第三節(jié)平均互信息的特性定理3.2平均互信息I(X;Y)信道傳遞概率分布P(Y/X)的U型凸函數(shù)這就是說，對于一個(gè)已知先驗(yàn)概率為批P(X)的離散信源，總可以找到某一個(gè)轉(zhuǎn)移概率分布的信道，使平均交信息量達(dá)到相應(yīng)的最小值Imin?？梢哉f不同的信源先驗(yàn)概率對應(yīng)不同的Imin?；蛘哒fImin是P(X)的函數(shù)。即平均交互信息量的最小值是由體現(xiàn)了信源本身的特性。第二十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六例：對于二元對稱信道

01-p0pp11-p1如果信源分布X={w,1-w}，則

由此可得I(X;Y)p1/2第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法第二十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法我們先定義信息傳輸率：R=I(X,Y)=[H(X)-H(X/Y)]=[H(Y)-H(Y/X)]bit/符號由定理3.1可知，對于每一個(gè)確定信道，都有一個(gè)信源分布，使得信息傳輸率達(dá)到最大值，我們把這個(gè)最大值稱為該信道的信道容量。信道容量與與信源無關(guān)，它是信道的特征參數(shù)，反應(yīng)的是信道的最大的信息傳輸能力。對于二元對稱信道，由圖可以看出信道容量等于1-H(P)第二十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法1、離散無噪信道的信道容量（1）具有一一對應(yīng)關(guān)系的無噪聲信道x1y1x2y2x3y3此時(shí)由于信道的損失熵和疑義度都等于0，所以I(X;Y)=H(X)=H(Y)C=logr=logs第二十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法(2)有噪無損信道x1x2y1y2y3y4y5此時(shí)信道疑義度不為0，而信道噪聲熵為0，從而C=max{I(X;Y)}=max{H(X)-H(X/Y)}=max{H(X)}=logr可見，信道矩陣中每一列有且只有一個(gè)非零元素時(shí)，這個(gè)信道一定是有噪無損信道第二十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法(3)無噪有損信道x1x2x3x4x5y1y2此時(shí)信道疑義度為0，而信道噪聲熵不為0，從而C=max{I(X;Y)}=max{H(Y)-H(Y/X)}=max{H(Y)}=logs第二十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法如果一個(gè)離散信道的信道轉(zhuǎn)移矩陣中的每一行都是由同一組元素的不同組合構(gòu)成的，并且每一列也是由這一組元素組成的，則稱為對稱信道如：和2、對稱離散信道的信道容量第二十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法如果離散信道的轉(zhuǎn)移矩陣如下則稱此信道為強(qiáng)對稱信道或均勻信道，它是對稱離散信道的一種特例。該信道的各列之和也為1第三十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法下面我們來計(jì)算對稱離散信道的信道容量I(X;Y)=H(Y)-H(Y/X)而H(Y/X=x)是對矩陣的行求和，而由于對稱信道定義，我們知道，此值是一個(gè)與x無關(guān)的一個(gè)常數(shù)，即因此可以看出，當(dāng)輸出等概分布時(shí)，即H(Y)=logs時(shí)信道容量達(dá)到。第三十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法那么，在什么樣的信源輸出情況下，信道輸出能等概分布呢？可以證明，輸入等概分布時(shí)，輸出也等概分布可以看出，信道的輸出也是等概分布的第三十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法例：對于二元對稱信道這個(gè)式子很重要。第三十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法例：對于強(qiáng)對稱信道，其信道容量為：第三十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法3、準(zhǔn)對稱信道的信道容量：若信道的列可以劃分成若干個(gè)互不相交的子集，每一個(gè)子集都是對稱信道，則稱該信道為準(zhǔn)對稱信道，如：可劃分為：第三十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法有如：可分成：第三十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法可以證明達(dá)到信道容量的輸入分布是等概分布，也可計(jì)算準(zhǔn)對稱信道的信道容量為：其中r是輸入符號集的個(gè)數(shù)，為矩陣中的行元素是第k各矩陣中的行元素只和，是第k個(gè)矩陣的列元素之和第三十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法例：可分成：第三十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法4、一般離散信道的信道容量我們可以對輸入分布求極值，得到而：第三十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六定理3.3一般離散信道達(dá)到信道容量的充要條件是輸入概率分布滿足該定理說明，當(dāng)平均互信息達(dá)到信道容量時(shí)，信源每一個(gè)符號都對輸出端輸出相同的互信息。第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法第四十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法可以利用該定理對一些特殊信道求得它的信道容量例：輸入符號集為:{0,1,2}假設(shè)P(0)=P(2)=1/2，P(1)=0，則：第四十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法所以：第四十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法對于一般信道的求解方法，就是求解方程組移項(xiàng)得：令則若r=s，此方程有解，可以解出s各未知數(shù)，再根據(jù)得從而第四十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法例：可列方程組：第四十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第四節(jié)信道容量及其一般計(jì)算方法解之得：第四十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第五節(jié)離散無記憶擴(kuò)展信道及其信道容量離散無記憶信道為：則它的N次擴(kuò)展信道為：第四十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第五節(jié)離散無記憶擴(kuò)展信道及其信道容量為N次擴(kuò)展信源中的一個(gè)符號為N次擴(kuò)展接收符號集中的一個(gè)符號第四十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期六第五節(jié)離散無記憶擴(kuò)展信道及其信道容量我們首先從一個(gè)例子開始例：二元無記憶對稱信道得二次擴(kuò)展信道二元記憶對稱信道為第四十八頁，