基本信息论熵速率和信道容量

基本信息论熵速率和信道容量第1页，课件共24页，创作于2023年2月一、信源熵速率1、离散信源的熵速率信源熵速率：信源在单位时间内输出的熵，也称信息速率或传信率若信源每秒输出n个符号，则其熵速率：第2页，课件共24页，创作于2023年2月2、连续信源的熵速率若信源输出带宽有限，最大为W，则采样率至少为2W，则其熵速率：第3页，课件共24页，创作于2023年2月二、信道容量的概念1、离散信道的信道容量信道容量：信道对信源一切可能的概率分布而言能够传送的最大熵速率。其单位为比特/秒。用以传送离散消息的信道，称为离散信道。若离散信源有N个符号，符号间无相关性且等概率分布，则输出熵最大：若离散信道最多每秒传送n个信源符号，则最大熵速率，也即信道容量为：第4页，课件共24页，创作于2023年2月1）信道容量是信道可能传送的最大熵速率，实际传信率可能大大低于信道容量，造成信道容量不能充分利用。2）信道容量C：比特/秒信道单位时间内最多可传输的符号数n：符号/秒3）若传信率不能满足要求，应先改造信源，充分利用现有信道容量。原因：信源符号间有相关性、符号非等概率分布解决方法：信源最佳编码（匹配编码）第5页，课件共24页，创作于2023年2月1、连续信道的信道容量带宽为W，平均功率P受限的连续信源，其幅度为高斯分布时，输出熵最大：根据采样定理，每秒的采样率为2W，则信道传送的最大熵速率，也即信道容量为：第6页，课件共24页，创作于2023年2月若信道无噪声，则信源输出的熵速率=信宿接收的熵速率信道容量=信源的最大熵速率三、离散有噪声信道中的熵速率和信道容量若信道有噪声，则信源输出的熵速率>信宿接收的熵速率信道容量=信宿端的最大接收熵速率第7页，课件共24页，创作于2023年2月接收熵速率信源熵：H(X)信宿端的接收熵为平均互信息量：有噪声信道信宿端的接收熵速率R：第8页，课件共24页，创作于2023年2月5/61/61/21/2y1=1p(y1)=7/12y2=0p(y2)=5/12p(x1)=1/4x1=1p(x2)=3/4x2=0X空间Y空间[例]二元通信系统，信源以平均1000消息/秒的速率发送消息，计算信源熵速率和信宿端接收熵速率第9页，课件共24页，创作于2023年2月第10页，课件共24页，创作于2023年2月可疑度H(X/Y)是为了克服信道中噪声干扰、使信宿能无差错地加以识别信源发出的消息而必须额外提供的纠正信息。四、可疑度的物理解释信源发射机接收机校正理想观察者+信道噪声正确信息如有错误发纠错信息山农设想的理想化通信系统第11页，课件共24页，创作于2023年2月假设：二元信源等概率分布p(0)=p(1)=0.5信道对称，即：第12页，课件共24页，创作于2023年2月则将理想观察者看成一个离散信源，其提供的附加熵：第13页，课件共24页，创作于2023年2月[例]二元信源，p(0)=p(1)=0.5，每秒信源发出10000个符号，信号通过有噪声对称信道，其差错率为1%，求信宿收到的信息速率。解：信源熵：信源熵速率：差错率为1%，即10000个符号错100个，是否信宿端的接收熵速率为：9900比特/秒？第14页，课件共24页，创作于2023年2月第15页，课件共24页，创作于2023年2月接收熵速率或可疑度=理想观察者提供的附加熵第16页，课件共24页，创作于2023年2月五、离散有噪信道的信道容量离散有噪对称信道的信道容量第17页，课件共24页，创作于2023年2月二元离散有噪对称信道的信道容量第18页，课件共24页，创作于2023年2月六、连续有噪信道的熵速率高斯白噪声加性波形信道高斯白噪声：平均值为零幅度分布为高斯分布单边功率谱均匀且其密度为N0自相关函数为尖锐的δ函数与其它高斯白噪声的互相关系数为零加性：第19页，课件共24页，创作于2023年2月设：输入信号平均功率受限为P

信道带宽为宽度为W的矩形 信道中干扰噪声平均功率为N则信源X与噪声n的共熵第20页，课件共24页，创作于2023年2月=信源熵速率–疑义度熵速率=信宿端总的熵速率–噪声熵速率第21页，课件共24页，创作于2023年2月七、连续有噪信道的信道容量信道容量C（最大熵速率）设发送信号平均功率为P，信道中噪声平均功率为N，则接收信号平均功率为P+N。在平均功率受限的前提下，信宿端Y为高斯分布（即信源为高斯分布）时，取得最大值:而噪声熵速率：信道容量：（山农公式）第22页，课件共24页，创作于2023年2月平均功率受限的高斯白噪声连续信道，其信道容量与信道带宽、功率信噪比有关。其值越大，信道容量越大。平均功率受限的高斯白噪声连续信道，只有在输入信号幅度为高斯分布时，传信率才能达到理论最大值，即信道容量。平均功率受限的高斯白噪声连续信道，高斯白噪声的危害最大，因其具有最大噪声熵速率。第23页，课件共2