《信息与编码理论》课程教学大纲

《信息与编码理论》课程教学大纲课程名称：信息与编码理论（InformationandCodingTheory）课程性质：必修□选修课程类别：□通识课程专业课程£实践教学课程学时：48（理论40，实验8）课程学分：3先修课程：高等数学、概率论与数理统计、信号与系统、通信原理编制日期：年月一、课程简介本课程是电子信息类专业的一门必修的专业基础课。信息论是通信的数学理论,是应用近代数理统计方法研究信息的度量,信道的容量和编码的科学。通过学习，使学生系统的认识和掌握信息理论的基本概念和分析方法,掌握常用的信源编码/译码，信道编码/译码方法。通过本课程的学习，使学生认识信息的本质、学会运用信息科学方法论解决实际问题。掌握从宏观认识问题科学方法和总体优化的立场出发综合解决问题的能力。并通过信息基本理论与相关学科的内在联系引导学生“横向思维”，从而培养学生的发散思维能力和综合学习能力。二、课程教学的目标及与毕业要求的关系（一）课程目标通过对本课程的学习，要求学生掌握有关香农信息论的基本理论、编码的理论和实现原理；理解信源的熵、熵的性质、无失真和限失真信源编码理论。掌握各种常用的信源编码和信道编码方法，为以后深入学习信息与通信类课程和从事信息处理方面的实际工作打下坚实的基础。了解国内外信息论与编码技术的发展，尤其是我国自主知识产权的信息论与编码技术发展现状，树立学生科技强国的理想信念。课程目标1：掌握信息论的基本概念和定理，能够从概率论与随机过程的角度理解通信系统各个模块的数学模型和功能，能够从信息传递的角度分析通信系统，对信息传输的工程问题的解决方案进行比较和综合。通过学习信息论，鼓励同学们学习香农等老一辈信息人努力拼搏、积极专注、一丝不苟、永不言败的工作态度，以及坚韧不拔、追求真理的科学精神，从而激发同学们的学习热情和学习态度，充分展现作为中国新时代青年的责任感和自豪感。课程目标2：掌握信源编码和信道编码的基本方法，能够从信息论及编码角度分析影响通信系统性能的因素，针对信息传输的具体工程问题，能认识到解决方案有多种选择，会通过文献研究寻求可替代的解决方案。通过学习信道编译码，强调学习者在信息技术领域的社会和职业责任，包括数据安全、信息传输的可靠性，以及如何避免负面社会影响，同时介绍与通信技术相关的法律、法规和政策，如通信法、数据保护法、网络中立性法案等内容。学生需要了解这些法规对他们的工作和研究的影响，通过将这些思政内容整合到信源编码和信道编码课程中，学生可以更全面地理解编码技术的应用和其在社会背景下的重要性，同时培养他们的伦理和社会责任感。课程目标3：理解和掌握信道容量定理、信源编码定理和信道编码定理，能够根据信息传输过程中产生的工程问题的具体特征，选择研究路线，设计实验方案。通过学习，向同学们介绍强调信道容量的概念如何有助于公平和平等的信息传输，以确保每个人都有平等的机会访问和分享信息，引导学生思考信息通信技术的能源消耗、电子废物处理和环保责任，讨论绿色通信技术的发展。（二）课程目标与毕业要求的对应关系本课程目标支持的主要毕业要求如下表：课程目标毕业要求指标点1．能够从概率论与随机过程的角度理解通信系统各个模块的数学模型和功能，能够从信息传递的角度分析通信系统，对信息传输的工程问题的解决方案进行比较和综合。毕业要求1：掌握信息与通信领域所需的数学、自然科学、工程基础和专业知识，并能够将其用于解决信息获取、分析、存储与传输中的复杂工程问题。指标点1.4：能够运用相关知识和数学模型方法，对信息与通信领域的复杂工程问题解决方案进行比较与综合2．能够从信息论及编码角度分析影响通信系统性能的因素，针对信息传输的具体工程问题，能认识到解决方案有多种选择，会通过文献研究寻求可替代的解决方案。毕业要求2：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，结合文献研究，对信息与通信领域的复杂工程问题进行识别、表达和分析，以获得有效结论指标点2.3：针对信息与通信领域的具体工程问题，能认识到解决方案有多种选择，会通过文献研究等方法寻求可替代的解决方案。3.理解和掌握信道容量定理、信源编码定理和信道编码定理，能够根据信息传输过程中产生的工程问题的具体特征，选择研究路线，设计实验方案。毕业要求4：能够基于科学原理并采用科学方法，对信息与通信领域的复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。指标点4.2：能够根据信息获取、分析、存储与传输过程中产生的复杂工程问题的具体特征，选择研究路线，设计实验方案三、课程教学的基本内容及教学安排（一）课程教学的内容及学时安排知识单元知识点学时数课程目标线下授课线上授课实验/实践1.绪论1.1信息的基本概念；1.2信息论的研究对象、目的和内容；1.3信息论的形成和发展1.4信源编码问题1.5信道编码问题200课程目标12.信源与信源熵2.1信源的分类和描述2.2离散单符号无记忆信源2.3离散多符号无记忆信源2.4离散信源的信息熵2.5平均自信息量2.6离散多符号信源的信源熵2.7信源的相关性和剩余度2.8信源的MATLAB建模与仿真800课程目标13.信道与信道容量3.1信道的分类3.2离散信道的数学模型3.3互信息量与平均互信息量3.4信道容量的定义3.5离散对称信道的信道容量3.6一般离散信道的信道容量3.7信道容量定理3.8离散多符号信道及信道容量3.9组合信道及信道容量3.10信道及信道容量的MATLAB分析800课程目标1，34.信源编码4.1无失真信源编码定理4.2无失真信源编码4.3限失真信源编码定理4.4限失真信源编码4.5信源编码的仿真实例604课程目标2，35.线性分组码5.1数字通信中的信道编码5.2差错控制系统的基本概念5.3线性分组码5.4线性分组码的检错和纠错能力5.5循环码5.6循环码的仿真实例602课程目标2，36.BCH和RS码6.1有限域6.2BCH码6.3RS码6.4BCH和RS码的仿真实例602课程目标2，37.卷积码7.1卷积码概述7.2卷积码编码器7.3卷积码译码器7.4卷积码的特性7.5卷积码的编译码仿真实例7.6Turbo码400课程目标2，3合计408（二）课堂实验/实践教学内容及要求（无课堂实验/实践，可删除此表）序号项目名称内容、要求学时实验/实践类别实验/实践类型每组人数必做/选做课程目标1香农编码实验内容：运用程序设计方法实现香农编码。实验要求：理解并掌握香农编码的过程及编码方法。2专业设计3必做课程目标22费诺编码实验内容：运用程序设计方法实现费诺编码。实验要求：理解并掌握费诺编码的过程及编码方法。2专业设计3必做课程目标23线性分组码实验内容：运用程序设计方法实现线性分组码实验要求：理解并掌握线性分组码的过程及编码方法2专业设计3必做课程目标24循环码编译码实验内容：运用程序设计方法实现循环码的编译码。实验要求：理解并掌握循环码的编译码方法。2专业设计3必做课程目标3基本要求1．认真阅读实验指导书，预习与实验有关知识，了解实验内容和方法；2．熟悉所用实验设备的使用方法；3.按照实验要求进行实验操作。4.实验中观察、检测并记录有关数据，能分析和解决在实验过程中出现的各种现象和问题。5.不盲目轻信实验数据和结果。不抄袭别人的数据和结果。6.每次实验后，每个学生均应按本次实验情况编写实验报告，并分析实验结果，结论要明确。要求字迹工整，绘图清晰，表格规整。注：实验/实践类别：专业、上机等实验/实践类型：操作型、验证型、演示型、综合型等。四、本课程与其他课程的联系先修课程：高等数学、线性代数、概率论与数理统计、信号与系统，通信原理。后续课程：通信网理论基础、无线传感网络、现代通信技术、移动通信、光纤通信与设计。五、教材与其他教学资源（含教学参考书或在线资源）（一）建议教材张长森，郭辉等.《信息与编码理论》，北京：机械工业出版社，2019.8（二）其他教学资源李梅，李亦农等.《信息论基础教程（第3版）》，北京：北京邮电大学出版社,2015.8唐朝京，雷菁.《信息论与编码教程（第2版）》.北京：电子工业出版社,2015.1RanjanBose(American),《InformationTheory,CodingandCryptography》.ChinaMachinePress.2004.7T.M.Cover,JoyA.Thomas.《Elementsofinformationtheory》.WileyIndiaPvt.Limited,2006陈运.《信息论与编码（第3版）》。北京：电子工业出版社,2015.12周荫清.《信息论理论基础（第4版）》。北京：北京航空航天大学出版社,2012.3六、教学方法与学习建议课程目标1的教学方法及手段：以课堂讲授为主，结合小组讨论、作业以及网络相关资源，采用多媒体教学手段，配合例题的讲解及适当的思考题，保证讲课进度的同时，注意学生的掌握程度和课堂的气氛。引导学生掌握信息论与编码理论的相关概念、基本理论及方法，利用讨论与习题形式帮助学生建立对信息论与编码理论的兴趣；课堂讲授以实际通信系统为例提出问题、启发学生分析问题，给出理论基础和分析方法的形式进行。经多环节训练、督促检测以巩固学习成果。课程目标2的教学方法及手段：以课堂讲授为主，结合作业以及网络相关资源，采用多媒体教学手段，配合例题的讲解及适当的思考题，保证讲课进度的同时，注意学生的掌握程度和课堂的气氛。信息论与编码课程不仅仅局限于数学公式的推导，这样容易使学生失去学习兴趣，因此应注重理论与实际的联系。同时，结合具体工程应用中的一些实例，针对理工科生的特点，讲解信息论的理论知识，从而增强课程的生动性、趣味性，激发学生的学习兴趣。课程目标3的教学方法及手段：教学方法以课堂讲授为主，结合多媒体和板书，同时辅以课后作业和系统仿真练习，紧密结合工程背景，采用启发式教学，培养学生综合运用知识、思考问题、分析问题和解决问题的能力。多环节训练、督促检测以巩固学习成果，包括作业、实验和期末考试。七、课程考核及成绩评定方式（一）课程考核1.课程考核对课程目标的支撑课程总评成绩由过程考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见下表：考核环节分值考核/评价细则课程目标123过程考核课堂表现10（1）通过测试题目考核学生课前预习、课后复习以及对已学习知识点的掌握程度；（2）课堂教学内容的多个知识点的综合测试。结合课程目标，重点考察学生对信息论与编码的知识认知。√√√433作业20（1）考查应用所学信息论与编码知识解决信息传输工程问题的掌握程度，至少5次作业；（2）教师根据作业次数、解答过程及结果情况评分。√√√767实验10（1）根据每个实验的实验情况和实验报告质量单独评分，满分100分；（2）取各次实验成绩的平均值作为对应课程目标的最终成绩。√√55期末考核60（1）卷面成绩100分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核信息概念及度量、信道容量定义及计算，信源/信道编码的基本方法及信息论的基本定理等内容。√√√202020合计：100分3134352.考核方式及成绩评定考核方式：过程考核和期末考试相结合，过程考核包括课堂表现（随堂测试）、作业（章节作业和大作业）、实验。考核成绩的构成：总成绩为100%，其中课堂表现（随堂测试）考核成绩占10%，作业（章节作业和大作业）成绩占20%，实验成绩占10%，期末考试成绩占60%。3.过程考核评价标准（1）课堂表现主要通过随堂测试进行评价，其评价标准如下表：课程目标评分标准100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课程目标1能很好地完成信息论基础理论的课堂测试，正确率大于90%。能较好地完成信息论基础理论的课堂测试，正确率大于80%。能完成信息论基础理论的课堂测试，正确率大于70%。基本能完成信息论基础理论的课堂测试，正确率大于60%。未参与信息论基础理论的课堂测试，正确率低于60%。课程目标2能很好地完成信源模型及信源编码定理等课堂测试，正确率大于90%。能较好地完成信源模型及信源编码定理等课堂测试，正确率大于80%。能完成信源模型及信源编码定理等课堂测试，正确率大于70%。基本能完成信源模型及信源编码定理等课堂测试，正确率大于60%。未参与信源模型及信源编码定理的课堂测试，正确率低于60%。课程目标3能很好地完成信源编码及信道编码方法等课堂测试，正确率大于90%。能较好地完成信源编码及信道编码方法等课堂测试，正确率大于80%。能完成信源编码及信道编码方法等课堂测试，正确率大于70%。基本能完成信源编码及信道编码方法等课堂测试，正确率大于60%。未参与信源编码及信道编码方法等课堂测试，正确率低于60%。（2）作业包含普通的章节作业和大作业，其评价标准如下表：课程目标评分标准100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课程目标1独立完成信息论基础理论相关作业，思路清晰，作业完整，书写规范，正确率大于90%。独立完成信息论基础理论相关作业，思路清晰，作业完整，书写规范，正确率大于80%。独立完成信息论基础理论相关作业，思路清晰，作业完整，书写规范，正确率大于70%。独立完成信息论基础理论相关作业，思路清晰，作业完整，书写规范，正确率大于60%。作业抄袭，或未能完成信息论基础理论相关作业，思路模糊，作业不完整，正确率低于60%。课程目标2独立完成信源模型及信源编码定理等相关作业，思路清晰，作业完整，书写规范，正确率大于90%。独立完成信源模型及信源编码定理等相关作业，思路清晰，作业完整，书写规范，正确率大于80%。独立完成信源模型及信源编码定理等相关作业，思路清晰，作业完整，书写规范，正确率大于70%。独立完成信源模型及信源编码定理等相关作业，思路清晰，作业完整，书写规范，正确率大于60%。作业抄袭，或未能完成信源模型及信源编码定理等相关作业，思路模糊，作业不完整，正确率低于60%。课程目标3独立完成信源编码及信道编码方法相关作业，思路清晰，作业完整，书写规范，正确率大于90%。独立完成信源编码及信道编码方法相关作业，思路清晰，作业完整，书写规范，正确率大于80%。独立完成信源编码及信道编码方法相关作业，思路清晰，作业完整，书写规范，正确率大于70%。独立完成信源编码及信道编码方法相关作业，思路清晰，作业完整，书写规范，正确率大于60%。作业抄袭，或未能完成信源编码及信道编码方法相关作业，思路模糊，作业不完整，正确率低于60%。（3）课程实验的评价标准如下表：课程目标评分标准100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课程目标2能结合信息处理和传输理论开展实验，方案正确详尽，准备充分，实验数据正确，结果分析合理全面，报告书写认真规范。能结合信息处理和传输理论开展实验，方案正确，准备充分，实验数据正确，结果分析合理，报告书写规范。能结合信息处理和传输理论开展实验，方案较正确，准备较充分，实验数据正确，结果分析较合理，报告书写规范。能结合信息处理和传输理论开展实验，方案基本正确，有实验准备，实验数据正确，结果分析基本合理，报告书写规范。不能按要求开展实验，或无实验报告，或抄袭报告。课程目标3能根据方案开展实验，实验准备充分，实验数据正确，结果分析合理全面，报告书写认真规范。能根据方案开展实验，实验准备较充分，实验数据正确，结果分析合理，报告书写规范。能根据方案开展实验，实验准备较充分，实验数据正确，结果分析较合理，报告书写规范。能根据方案开展实验，有实验准备，实验数据正确，结果分析基本合理，报告书写规范。不能根据方案开展实验，或无实验报告，或抄袭报告。4.期末考试评分标准主要考核信息论基础理论、信源编码定理、信道编码定理及信源编码方法、信道编码方法等方面，卷面分100分，以卷面成绩的60%计入期末总成绩。期末考试的考查重点与出题要求如下表：序号课程目标考查点分值占比备注1课程目标1(平均)自信息/互信息的概念和意义；信源熵的有关概念；信道的数学模型和信道容量的概念及求解方法；失真测度及信息率失真函数的概念和性质。能够从概率论与随机过程的角度理解通信系统各个模块的数学模型和功能，能够从信息传递的角度分析通信系统。34%从填空题、判断题、简答题、计算题、设计题中选择若干种题型；难度分为：容易，中等偏容易，中等偏难三个等次，其比例近似为3:4:32课程目标2信源编码和信道编码的作用和基本原理，基本的信源编码和信道编码的方法；能够从信息论及编码角度分析影响通信系统性能的因素，针对信息传输的具体工程问题，能认识到解决方案有多种选择，会通过文献研究寻求可替代的解决方案。33%从填空题、判断题、简答题、计算题、设计题中选择若干种题型；难度分为：容易，中等偏容易，中等偏难三个等次，其比例近似为3:4:33课程目标3定长/变长无失真信源编码