信息论与编码期末考试题.docx

信息论与编码期末考试题 信息论与编码期末考试题（一）一、判断题.1.当随机变量和相互独立时，条件熵等于信源熵.（）2.由于构成同一空间的基底不是唯一的，所以不同的基底或生成矩阵有可能生成同一码集.（）3.一般情况下，用变长编码得到的平均码长比定长编码大得多.（）4.只要信息传输率大于信道容量，总存在一种信道编译码，可以以所要求的任意小的误差概率实现可靠的通信.（）5.各码字的长度符合克拉夫特不等式，是唯一可译码存在的充分和必要条件.（）6.连续信源和离散信源的熵都具有非负性.（）7.信源的消息通过信道传输后的误差或失真越大，信宿收到消息后对信源存在的不确定性就越小，获得的信息量就越小.8.汉明码是一种线性分组码.（）9.率失真函数的最小值是.（）10.必然事件和不可能事件的自信息量都是.（）二、填空题1、码的检、纠错能力取决于.2、信源编码的目的是； 信道编码的目的是.3、把信息组原封不动地搬到码字前位的码就叫做.4、香农信息论中的三大极限定理是、.5、设信道的输入与输出随机序列分别为和，则成立的条件.6、对于香农-费诺编码、原始香农-费诺编码和哈夫曼编码，编码方法惟一的是.7、某二元信源，其失真矩阵，则该信源的=.三、计算题.1、某信源发送端有2种符号,； 接收端有3种符号，转移概率矩阵为.（1）计算接收端的平均不确定度； （2）计算由于噪声产生的不确定度； （3）计算信道容量以及最佳入口分布.2、一阶马尔可夫信源的状态转移图如右图所示，信源的符号集为.（1）求信源平稳后的概率分布； （2）求此信源的熵； （3）近似地认为此信源为无记忆时，符号的概率分布为平稳分布.求近似信源的熵并与进行比较.3、设码符号为，信源空间为试构造一种三元紧致码.4、设二元线性分组码的生成矩阵为.（1）给出该码的一致校验矩阵，写出所有的陪集首和与之相对应的伴随式； （2）若接收矢量，试计算出其对应的伴随式并按照最小距离译码准则试着对其译码.（二）一、填空题1、信源编码的主要目的是，信道编码的主要目的是。 2、信源的剩余度主要来自两个方面，一是，二是。 3、三进制信源的最小熵为，最大熵为。 4、无失真信源编码的平均码长最小理论极限制为。 5、当时，信源与信道达到匹配。 6、根据信道特性是否随时间变化，信道可以分为和。 7、根据是否允许失真，信源编码可分为和。 8、若连续信源输出信号的平均功率为，则输出信号幅度的概率密度是时，信源具有最大熵，其值为值。 9、在下面空格中选择填入数学符号“”或“”（1）当X和Y相互独立时，H（XY）H(X)+H(X/Y)H(Y)+H(X)。 （2）（3）假设信道输入用X表示，信道输出用Y表示。在无噪有损信道中，H(X/Y)0,H(Y/X)0,I(X;Y)H(X)。 二、若连续信源输出的幅度被限定在【2,6】区域内，当输出信号的概率密度是均匀分布时，计算该信源的相对熵，并说明该信源的绝对熵为多少。 三、已知信源（1）用霍夫曼编码法编成二进制变长码； （6分）（2）计算平均码长;（4分）（3）计算编码信息率;（2分）（4）计算编码后信息传输率;（2分）（5）计算编码效率。（2分）四、某信源输出A、B、C、D、E五种符号，每一个符号独立出现，出现概率分别为1/8、1/8、1/8、1/2、1/8。如果符号的码元宽度为0.5。计算： （1）信息传输速率。（5分）（2）将这些数据通过一个带宽为B=2021kHz的加性白高斯噪声信道传输，噪声的单边功率谱密度为。试计算正确传输这些数据最少需要的发送功率P。（5分）五、一个一阶马尔可夫信源，转移概率为。 (1)画出状态转移图。(4分)(2)计算稳态概率。(4分)(3)计算马尔可夫信源的极限熵。(4分)(4)计算稳态下,及其对应的剩余度。(4分)六、设有扰信道的传输情况分别如图所示。试求这种信道的信道容量。 七、设X、Y是两个相互独立的二元随机变量，其取0或1的概率相等。定义另一个二元随机变量Z=XY(一般乘积)。试计算(1)(2)(3)(4);八、设离散无记忆信源的概率空间为，通过干扰信道，信道输出端的接收符号集为，信道传输概率如下图所示。 (1)计算信源中事件包含的自信息量； (2)计算信源的信息熵； (3)计算信道疑义度； (4)计算噪声熵； (5)计算收到消息后获得的平均互信息量。 信息论基础参考答案一、填空题1、信源编码的主要目的是提高有效性，信道编码的主要目的是提高可靠性。 2、信源的剩余度主要来自两个方面，一是信源符号间的相关性，二是信源符号的统计不均匀性。 3、三进制信源的最小熵为0，最大熵为bit/符号。 4、无失真信源编码的平均码长最小理论极限制为信源熵（或H(S)/logr=Hr(S)）。 5、当R=C或（信道剩余度为0）时，信源与信道达到匹配。 6、根据信道特性是否随时间变化，信道可以分为恒参信道和随参信道。 7、根据是否允许失真，信源编码可分为无失真信源编码和限失真信源编码。 8、若连续信源输出信号的平均功率为，则输出信号幅度的概率密度是高斯分布或正态分布或时，信源具有最大熵，其值为值。 9、在下面空格中选择填入数学符号“”或“”（1）当X和Y相互独立时，H（XY）=H(X)+H(X/Y)=H(Y)+H(X)。 （2）（3）假设信道输入用X表示，信道输出用Y表示。在无噪有损信道中，H(X/Y)>0,H(Y/X)=0,I(X;Y)0时率失真函数的和？二、综合题1.黑白气象传真图的消息只有黑色和白色两种，求： 1）黑色出现的概率为0.3，白色出现的概率为0.7。给出这个只有两个符号的信源X的数学模型。假设图上黑白消息出现前后没有关联，求熵； 2）假设黑白消息出现前后有关联，其依赖关系为：，求其熵； 2.二元对称信道如图。； 1）若，求和； 2）求该信道的信道容量和最佳输入分布。 3.信源空间为，试分别构造二元和三元霍夫曼码，计算其平均码长和编码效率。 4.设有一离散信道，其信道传递矩阵为，并设，试分别按最小错误概率准则与最大似然译码准则确定译码规则，并计算相应的平均错误概率。 5.5.已知一（8，5）线性分组码的生成矩阵为。 求：1）输入为全00011和10100时该码的码字； 2）最小码距。 6.设某一信号的信息传输率为5.6kbit/s，在带宽为4kHz的高斯信道中传输，噪声功率谱NO=5×106mw/Hz。试求： （1）无差错传输需要的最小输入功率是多少？（2）此时输入信号的最大连续熵是多少？写出对应的输入概率密度函数的形式。 答案一、概念简答题1.答：平均自信息为表示信源的平均不确定度，也表示平均每个信源消息所提供的信息量。 平均互信息表示从Y获得的关于每个X的平均信息量，也表示发X前后Y的平均不确定性减少的量，还表示通信前后整个系统不确定性减少的量。 2.答：最大离散熵定理为：离散无记忆信源，等概率分布时熵最大。 最大熵值为。 3.答：信息传输率R指信道中平均每个符号所能传送的信息量。信道容量是一个信道所能达到的最大信息传输率。信息传输率达到信道容量时所对应的输入概率分布称为最佳输入概率分布。 平均互信息是信源概率分布的型凸函数，是信道传递概率的U型凸函数。4.答：通信系统模型如下： 数据处理定理为：串联信道的输入输出X、Y、Z组成一个马尔可夫链，且有，。说明经数据处理后，一般只会增加信息的损失。 5.答：香农公式为，它是高斯加性白噪声信道在单位时间内的信道容量，其值取决于信噪比和带宽。 由得，则6.答：只要，当N足够长时，一定存在一种无失真编码。 7.答：当RC时，只要码长足够长，一定能找到一种编码方法和译码规则，使译码错误概率无穷小。 8.答：1）保真度准则为：平均失真度不大于允许的失真度。 2）因为失真矩阵中每行都有一个0，所以有，而。 二、综合题1.答：1）信源模型为2）由得则2.答：1）2），最佳输入概率分布为等概率分布。 3.答：1）二元码的码字依序为：10，11，010，011，1010，1011，1000，1001。 平均码长，编码效率2）三元码的码字依序为：1，00，02，20，21，22，010，011。 平均码长，编码效率4.答：1）最小似然译码准则下，有，2）最大错误概率准则下，有，5.答：1）输入为00011时，码字为00011110； 输入为10100时，码字为xxxx。 2）6.答：1）无错传输时，有即则2）在时，最大熵对应的输入概率密度函数为（七）一、名词解释（25道）1、“本体论”的信息（P3）2、“认识论”信息（P3）3、离散信源（11）4、自信息量（12）5、离散平稳无记忆信源（49）6、马尔可夫信源（58）7、信源冗余度（66）8、连续信源（68）9、信道容量（95）10、强对称信道（99）11、对称信道（101-102）12、多符号离散信道（109）13、连续信道（124）14、平均失真度（136）15、实验信道（138）16、率失真函数（139）17、信息价值率（163）18、游程序列（181）19、游程变换（181）20、L-D编码（184）、21、冗余变换（184）22、BSC信道（189）23、码的最小距离（193）24、线性分组码（195）25、循环码（213）二、填空（100道）1、在认识论层次上研究信息的时候，必须同时考虑到形式、含义和效用三个方面的因素。 2、1948年，美国数学家香农发表了题为“通信的数学理论”的长篇论文，从而创立了信息论。 3、按照信息的性质，可以把信息分成语法信息、语义信息和语用信息。 4、按照信息的地位，可以把信息分成客观信息和主观信息。 5、人们研究信息论的目的是为了高效、可靠、安全地交换和利用各种各样的信息。 6、信息的可度量性是建立信息论的基础。 7、统计度量是信息度量最常用的方法。 8、熵是香农信息论最基本最重要的概念。 9、事物的不确定度是用时间统计发生概率的对数来描述的。 10、单符号离散信源一般用随机变量描述，而多符号离散信源一般用随机矢量描述。 11、一个随机事件发生某一结果后所带来的信息量称为自信息量，定义为其发生概率对数的负值。 12、自信息量的单位一般有比特、奈特和哈特。 13、必然事件的自信息是0。 14、不可能事件的自信息量是。 15、两个相互独立的随机变量的联合自信息量等于两个自信息量之和。 16、数据处理定理：当消息经过多级处理后，随着处理器数目的增多，输入消息与输出消息之间的平均互信息量趋于变小。 17、离散平稳无记忆信源X的N次扩展信源的熵等于离散信源X的熵的N倍。 18、离散平稳有记忆信源的极限熵，。 19、对于n元m阶马尔可夫信源，其状态空间共有nm个不同的状态。 20、一维连续随即变量X在a，b区间内均匀分布时，其信源熵为log2（b-a）。 21、平均功率为P的高斯分布的连续信源，其信源熵，Hc（X）=。 22、对于限峰值功率的N维连续信源，当概率密度均匀分布时连续信源熵具有最大值。 23、对于限平均功率的一维连续信源，当概率密度高斯分布时，信源熵有最大值。 24、对于均值为0，平均功率受限的连续信源，信源的冗余度决定于平均功率的限定值P和信源的熵功率之比。 25、若一离散无记忆信源的信源熵H（X）等于2.5，对信源进行等长的无失真二进制编码，则编码长度至少为3。 26、m元长度为ki，i=1，2，···n的异前置码存在的充要条件是：。 27、若把掷骰子的结果作为一离散信源，则其信源熵为log26。 28、同时掷两个正常的骰子，各面呈现的概率都为1/6，则“3和5同时出现”这件事的自信息量是log218（1+2log23）。 29、若一维随即变量X的取值区间是0，其概率密度函数为，其中：，m是X的数学期望，则X的信源熵。 30、一副充分洗乱的扑克牌（52张），从中任意抽取1张，然后放回，若把这一过程看作离散无记忆信源，则其信源熵为。 31、根据输入输出信号的特点，可将信道分成离散信道、连续信道、半离散或半连续信道。 32、信道的输出仅与信道当前输入有关，而与过去输入无关的信道称为无记忆信道。 33、具有一一对应关系的无噪信道的信道容量C=log2n。 34、强对称信道的信道容量C=log2n-Hni。 35、对称信道的信道容量C=log2m-Hmi。 36、对于离散无记忆信道和信源的N次扩展，其信道容量CN=NC。 37、对于N个对立并联信道，其信道容量CN=。 38、多用户信道的信道容量用多维空间的一个区域的界限来表示。 39、多用户信道可以分成几种最基本的类型： 多址接入信道、广播信道和相关信源信道。 40、广播信道是只有一个输入端和多个输出端的信道。 41、当信道的噪声对输入的干扰作用表现为噪声和输入的线性叠加时，此信道称为加性连续信道。 42、高斯加性信道的信道容量C=。 43、信道编码定理是一个理想编码的存在性定理，即：信道无失真传递信息的条件是信息率小于信道容量。 44、信道矩阵代表的信道的信道容量C=1。 45、信道矩阵代表的信道的信道容量C=1。 46、高斯加性噪声信道中，信道带宽3kHz，信噪比为7，则该信道的最大信息传输速率Ct=9kHz。 47、对于具有归并性能的无燥信道，达到信道容量的条件是p（yj）=1/m）。 48、信道矩阵代表的信道，若每分钟可以传递6*105个符号，则该信道的最大信息传输速率Ct=10kHz。 49、信息率失真理论是量化、数模转换、频带压缩和数据压缩的理论基础。 50、求解率失真函数的问题，即：在给定失真度的情况下，求信息率的极小值。 51、信源的消息通过信道传输后的误差或失真越大，信宿收到消息后对信源存在的不确定性就越大，获得的信息量就越小。 52、信源的消息通过信道传输后的误差或失真越大道传输消息所需的信息率也越小。 53、单符号的失真度或失真函数d（xi，yj）表示信源发出一个符号xi，信宿再现yj所引起的误差或失真。 54、汉明失真函数d（xi，yj）=。 55、平方误差失真函数d（xi，yj）=（yj-xi）2。 56、平均失真度定义为失真函数的数学期望，即d（xi，yj）在X和Y的联合概率空间P（XY）中的统计平均值。 57、如果信源和失真度一定，则平均失真度是信道统计特性的函数。 58、如果规定平均失真度不能超过某一限定的值D，即：。我们把称为保真度准则。 59、离散无记忆N次扩展信源通过离散无记忆N次扩展信道的平均失真度是单符号信源通过单符号信道的平均失真度的N倍。 60、试验信道的集合用PD来表示，则PD=。 61、信息率失真函数，简称为率失真函数，即：试验信道中的平均互信息量的最小值。 62、平均失真度的下限取0的条件是失真矩阵的每一行至少有一个零元素。 63、平均失真度的上限Dmax取Dj：j=1，2，···，m中的最小值。 64、率失真函数对允许的平均失真度是单调递减和连续的。 65、对于离散无记忆信源的率失真函数的最大值是log2n。 66、当失真度大于平均失真度的上限时Dmax时，率失真函数R（D）=0。 67、连续信源X的率失真函数R（D）=。 68、当时，高斯信源在均方差失真度下的信息率失真函数为。 69、保真度准则下的信源编码定理的条件是信源的信息率R大于率失真函数R（D）。 70、某二元信源其失真矩阵D=，则该信源的Dmax=a/2。 71、某二元信源其失真矩阵D=，则该信源的Dmin=0。 72、某二元信源其失真矩阵D=，则该信源的R（D）=1-H（D/a）。 73、按照不同的编码目的，编码可以分为三类：分别是信源编码、信道编码和安全编码。 74、信源编码的目的是： 提高通信的有效性。 75、一般情况下，信源编码可以分为离散信源编码、连续信源编码和相关信源编码。 76、连续信源或模拟信号的信源编码的理论基础是限失真信源编码定理。 77、在香农编码中，第i个码字的长度ki和p（xi）之间有关系。 78、对信源进行二进制费诺编码，其编码效率为1。 79、对具有8个消息的单符号离散无记忆信源进行4进制哈夫曼编码时，为使平均码长最短，应增加2个概率为0的消息。 80、对于香农编码、费诺编码和哈夫曼编码，编码方法惟一的是香农编码。 81、对于二元序列xxxxxxxx11111，其相应的游程序列是xxxx。 82、设无记忆二元序列中，“0”和“1”的概率分别是p0和p1，则“0”游程长度L（0）的概率为。 83、游程序列的熵等于原二元序列的熵。 84、若“0”游程的哈夫吗编码效率为0，“1”游程的哈夫吗编码效率为1，且0>1对应的二元序列的编码效率为，则三者的关系是0>>1。 85、在实际的游程编码过程中，对长码一般采取截断处理的方法。 86、“0”游程和“1”游程可以分别进行哈夫曼编码，两个码表中的码字可以重复，但C码必须不同。 87、在多符号的消息序列中，大量的重复出现的，只起占时作用的符号称为冗余位。 88、“冗余变换”即：将一个冗余序列转换成一个二元序列和一个缩短了的多元序列。 89、L-D编码是一种分帧传送冗余位序列的方法。 90、L-D编码适合于冗余位较多或较少的情况。 91、信道编码的最终目的是提高信号传输的可靠性。 92、狭义的信道编码即：检、纠错编码。 93、BSC信道即：无记忆二进制对称信道。 94、n位重复码的编码效率是1/n。 95、等重码可以检验全部的奇数位错和部分的偶数位错。 96、任意两个码字之间的最小汉明距离有称为码的最小距dmin，则dmin=。 97、若纠错码的最小距离为dmin，则可以纠正任意小于等于t=个差错。 98、若检错码的最小距离为dmin，则可以检测出任意小于等于l=dmin-1个差错。 99、线性分组码是同时具有分组特性和线性特性的纠错码。 100、循环码即是采用循环移位特性界定的一类线性分组码。 三、判断（50道）1、必然事件和不可能事件的自信息量都是0。错2、自信息量是的单调递减函数。对3、单符号离散信源的自信息和信源熵都具有非负性。对4、单符号离散信源的自信息和信源熵都是一个确定值。错5、单符号离散信源的联合自信息量和条件自信息量都是非负的和单调递减的。对6、自信息量、条件自信息量和联合自信息量之间有如下关系： 对7、自信息量、条件自信息量和互信息量之间有如下关系： 对8、当随即变量X和Y相互独立时，条件熵等于信源熵。对9、当随即变量X和Y相互独立时，I（X； Y）=H（X）。错10、信源熵具有严格的下凸性。错11、平均互信息量I（X； Y）对于信源概率分布p（xi）和条件概率分布p（yj/xi）都具有凸函数性。 对12、m阶马尔可夫信源和消息长度为m的有记忆信源，其所含符号的依赖关系相同。 错13、利用状态极限概率和状态一步转移概率来求m阶马尔可夫信源的极限熵。 对14、N维统计独立均匀分布连续信源的熵是N维区域体积的对数。 对15、一维高斯分布的连续信源，其信源熵只与其均值和方差有关。 错16、连续信源和离散信源的熵都具有非负性。 错17、连续信源和离散信源都具有可加性。 对18、连续信源和离散信源的平均互信息都具有非负性。 对19、定长编码的效率一般小于不定长编码的效率。 对20、若对一离散信源（熵为H（X）进行二进制无失真编码，设定长码子长度为K，变长码子平均长度为，一般>K。 错21、信道容量C是I（X； Y）关于p（xi）的条件极大值。 对22、离散无噪信道的信道容量等于log2n，其中n是信源X的消息个数。 错23、对于准对称信道，当时，可达到信道容量C。错24、多用户信道的信道容量不能用一个数来代表。 对25、多用户信道的信道容量不能用一个数来代表，但信道的信息率可以用一个数来表示。错26、高斯加性信道的信道容量只与信道的信噪有关。 对27、信道无失真传递信息的条件是信息率小于信道容量。对28、最大信息传输速率，即：选择某一信源的概率分布（p（xi），使信道所能传送的信息率的最大值。 错29、对于具有归并性能的无燥信道，当信源等概率分布时（p（xi）=1/n），达到信道容量。 错30、求解率失真函数的问题，即：在给定失真度的情况下，求信息率的极小值。对31、信源的消息通过信道传输后的误差或失真越大，信宿收到消息后对信源存在的不确定性就越小，获得的信息量就越小。 错32、当p（xi）、p（yj/xi）和d（xi，yj）给定后，平均失真度是一个随即变量。 错33、率失真函数对允许的平均失真度具有上凸性。对34、率失真函数没有最大值。 错35、率失真函数的最小值是0。对36、率失真函数的值与信源的输入概率无关。错37、信源编码是提高通信有效性为目的的编码。 对38、信源编码通常是通过压缩信源的冗余度来实现的。 对39、离散信源或数字信号的信源编码的理论基础是限失真信源编码定理。 错40、一般情况下，哈夫曼编码的效率大于香农编码和费诺编码。 对41、在编m（m>2）进制的哈夫曼码时，要考虑是否需要增加概率为0的码字，以使平均码长最短。 对42、游程序列的熵（“0”游程序列的熵与“1”游程序列的熵的和）大于等于原二元序列的熵。 错43、在游程编码过程中，“0”游程和“1”游程应分别编码，因此，它们的码字不能重复。 错44、L-D编码适合于冗余位较多和较少的情况，否则，不但不能压缩码率，反而使其扩张。 对45、狭义的信道编码既是指：信道的检、纠错编码。 对46、对于BSC信道，信道编码应当是一对一的编码，因此，消息m的长度等于码字c的长度。 错47、等重码和奇（偶）校验码都可以检出全部的奇数位错。 对48、汉明码是一种线性分组码。对49、循环码也是一种线性分组码。 对50、卷积码是一种特殊的线性分组码。 错四、简答（20道）1、信息的主要特征有哪些？（4）2、信息的重要性质有哪些？（4）3、简述几种信息分类的准则和方法。（5）4、信息论研究的内容主要有哪些？（8）5、简述自信息的性质。（13）6、简述信源熵的基本性质。（23）7、简述信源熵、条件熵、联合熵和交互熵之间的关系。（48）8、信道的分类方法有哪些？（93-94）9、简述一般离散信道容量的计算步骤。（107）10、简述多用户信道的分类。（115-116）11、简述信道编码定理。（128）12、简述率失真函数的性质。（140-145）13、简述求解一般离散信源率失真函数的步骤。（146-149）14、试比较信道容量与信息率失真函数。（164）15、简述编码的分累及各种编码的目的。（168）16、简述费诺编码的编码步骤。（170）17、简述二元哈夫曼编码的编码步骤。（173）18、简述广义的信道编码的分类及各类编码的作用。（188）19、简述线性分组码的性质。（196）20、简述循环码的系统码构造过程。（221） 13