基本信息论熵速率和信道容量.ppt

2.7 熵速率和信道容量一、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：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：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：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）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：¨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¨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：5/61/61/21/2y1=1 p(y1)=7/12y2=0 p(y2)=5/12p(x1)=1/4 x1=1p(x2)=3/4 x2=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¨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假设：二元信源 等概率分布 p(0) = p(1) = 0.5信道对称，即：则将理想观察者看成一个离散信源，其提供的附加熵：[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？接收熵速率或 可疑度 = 理想观察者提供的附加熵五、离散有噪信道的信道容量¨离散有噪对称信道的信道容量¨二元离散有噪对称信道的信道容量六、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：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= 信源熵速率 – 疑义度熵速率= 信宿端总的熵速率 – 噪声熵速率七、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）¨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¨山农公式指出了理论上可以达到的信道容量与 实际工程技术参数（带宽W、功率信噪比P/N） 之间的关系，指出了带宽和信噪比之间可以互 换，为实际有用的扩频通信打下了理论基础。