信息论与编码（第4版）-教学大纲

《信息论与编码》课程教学大纲课程名称：信息论与编码英文名称：InformationTheoryandCoding学分：3总学时：48讲课学时：40实验学时：8适用对象：通信、信息与电子信息工程专业本科四年制学生先修课程：信号与线性系统、通信原理一、课程性质、目的和任务本课程主要讲述信息的基础理论和编码技术，是通信与信息工程相关专业方向的一门专业课。本课程的目的是使学生在学习信息理论的基础上，掌握信源、信道和加解密编码等各种编码技术，以及各种编码方法在实际中的应用，培养学生分析问题与解决问题的能力，培养学生一定的专业能力，为毕业后从事专业工作打下必要的基础。通过本课程的理论教学，使学生具备以下知识和能力：目标1：掌握信息的定义和度量；掌握熵和互信息的概念、性质及计算；目标2：掌握信道容量的物理和数学概念；掌握信息率失真函数的物理和数学概念；目标3：了解编码定理的概念、意义和方法；目标4：了解和掌握基本的信道编码、信源编码技术和方法；目标5：了解信息有效、可靠、安全传输的方法。二、教学基本要求1、信源及信源熵（支撑课程目标1）教学要求：（1）掌握信息的基础理论；（2）掌握离散信源的各种熵和互信息的计算方法。教学内容：（1）信源的定义和分类（2）信息的度量方法。（3）离散单符号信源的熵、条件熵、联合熵（4）互信息的定义、性质（5）连续信源的相对熵及其性质（6）离散多符号信源的熵（7）马尔可夫序列的极限熵（8）冗余度的定义和计算2、信道与信道容量（支撑课程目标2）教学要求：（1）掌握信道容量的物理和数学概念；（2）对称和准对称信道的信道容量计算。教学内容：（1）信道模型和信道的分类及其相关表示参数；（2）信道容量的定义；（3）对称和准对称信道的信道容量的计算；（4）离散序列信道及其容量；（5）香农公式。3、信息率失真函数（支撑课程目标2）教学要求：（1）掌握信息率失真函数的物理和数学概念；（2）信息率失真函数的计算。教学内容：（1）平均失真；（2）信息率失真函数的定义；（3）信息率失真函数的性质及计算。4、信源编码（支撑课程目标3、4）教学要求：（1）了解编码方法和无失真信源编码定理；（2）掌握无失真信源编码方法；（3）了解限失真信源编码定理和基本方法。教学内容：（1）编码方法介绍；（2）定长编码定理的内容及其证明方法；（3）变长编码定理的内容及其证明方法；（4）哈夫曼编码；（5）算术编码；（6）限失真信源编码定理及其证明方法；（7）几种常用的信源编码方法。5、信道编码（支撑课程目标4）教学要求：（1）了解有扰信道的编码定理和几种常用的差错控制方法；（2）掌握线性分组码的编译码方法；（3）掌握循环码的编译码方法；（4）掌握卷积码的编译码方法；教学内容：（1）有扰离散信道的编码定理；（2）差错控制方法；（3）信道编译码的基本原理；（4）线性分组码的基本原理和编译码方法；（5）循环码的编译码方法；（6）卷积码的编码原理；（7）卷积码的译码方法——维特比算法；6、加密编码（支撑课程目标5）教学要求：（1）掌握密码体制的分类；（2）了解DES算法的基本原理；（3）了解公钥密码体制和RSA算法的基本原理；（4）了解量子密码的概念。教学内容：（1）密码体制；（2）DES（数据加密标准）的基本原理和实现过程；（3）公开密钥加密法；（4）RSA算法的基本原理；（5）量子密码技术。三、各教学环节学时分配教学单元名称讲课习题课实验合计信源及信源熵82212信道与信道容量426信息率失真函数44信源编码8210信源编码82信道编码82212加密编码44合计364848四、教学组织与方法1.阐述基本原理，理论联系实际，培养学生创新能力；2.课堂讲授注意采用启发式教学，激励学生思考；利用投影、幻灯、录相片、多媒体课件等教学手段，强化讲课效果；3.结合实际编码技术，强化学生对信息基础理论和编码方法的理解和运用；4.以课堂讲为主，学生可以根据课堂所学知识，与实际编码系统结合起来，利用MATLAB强大的工具库，实现信源/信道编解码，诸如算术码、卷积码等，强化学生计算机通信与网络的构建和工程分析能力的培养。五、课程考核与成绩评定成绩组成考核/评价环节分值（或百分比）考核/评价细则教学目标学习过程考核考勤5%按时上课学习态度和素养作业5%按作业总成绩的5%计算完成章节培养要求课堂讨论10%积极正确回答课堂讨论问题主动性学习思考能力实验考核完成4个实验10%完成实验目的实践能力学习效果考核期末考试70%考试卷面成绩的70%计算达成课程培养目标六、推荐教材和教学参考书教材：《信息论与编码》第4版，曹雪虹，清华大学出版社，2024年。参考书：《信息论与编码学习辅导及习题详解》，傅祖芸，电子工业出版社，2010年。《信息论___基础理论与应用》，傅祖芸编著，电子工业出版社，2011年。《信息论与编码习题解答与实验指导》，陈瑞等，清华大学出版社，2021年。大纲制订人：大纲审定人：制订日期：年月日《信息论与编码》课程实验教学大纲教学目标与基本要求在学习《信息论与编码》课程中，通过一些具体的实验能使学生更好的掌握信息理论和编码方法，从而加深对信息理论和编码理论的理解，巩固理论知识，提高实际能力，培养学生独立分析问题和解决问题的能力。本实验课程要求掌握信息的基本理论和信道、信源编码的原理和基本方法，采用MATLAB仿真程序，面向对象程序设计方法，掌握一维多元离散信源熵的计算、AWGN信道容量的计算，以及Huffman编码和线性分组码的编码方法。实验中要求学生针对实验要求、章节所涉及的主要内容，认真编制程序并调试，仔细思考出现的问题，独立编写程序，写出实验报告。基本理论与实验技术知识本实验课程的基本理论包括：信息熵的定义、信道容量的定义、信源编码原理和信道编码原理。本实验属于《信息论与编码》的课内实验，在实验过程中，注意学生对基本理论、基本知识和基本技能的掌握。实验方法、特点与基本要求1、基本操作技能正确使用MATLAB编程工具，训练学生将理论计算和编码方法用代码实现的技能，并在调试程序过程中掌握MATLAB作为仿真工具的使用方法，提高对结果数据进行分析和处理的能力。通过实验环节，验证所学的科学知识、加深和巩固对所学知识的认识和了解。2、设计性实验在已具备基本实验技能的前提下，根据所学习的方法，完成实验所要求的特定功能程序的设计。由学生自己根据所学习的设计方法和自己的编程习惯确定实现方案，选择实现方法和步骤，独立操作完成设计性实验的程序的编辑、编译和调试，写出实验报告。设计性实验主要培养学生广泛查阅文献、合理确定程序实现方法、独立解决问题的能力。主要仪器设备上机所用计算机一台；安装MATLAB仿真工具。五、实验项目的设置与内容提要序号实验项目内容提要实验学时实验类型每组人数实验要求1一维多元离散信源熵的计算要求输入任一离散信源的一维概率分布，编程求出信源的熵。2验证1必做2AWGN波形信道容量的计算验证香农公式，演示AWGN波形信道的带宽、信噪功率比以及信道容量之间的关系。2验证1必做3Huffman编码输入任一离散信源的一维概率分布，编程求出该信源的Huffman编码的码字。2验证1必做4线性分组码的编码对于给定的线性分组码的（n,k）值，以及生成矩阵、最小距离、纠错或者检错能力等条件，能够编程求出符合要求的线性分组码的码字集合。2设计1必做六、实验报告要求每次实验提交上机实验报告。实验报告由实验目的、预习内容、实验内容和步骤及上机中出现的问题等组成，并附有程序源码。七、考核方式与成绩评定成绩组成考核/评价环节分值（或百分比）考核/评价细则教学目标预习预习报告10%自学能力操作与结果规范操作与完成情况40%规范性操作，实验结果的正确性规范性操作能力实验报告完成实验报告书50%实验原理，步骤，实验过程，结果与分析总结与分析能力八、推荐教材和教学参考书目与文献教材：《信