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信道容量的计算
§4.2信道容量的计算
这里,我们介绍一般离散信道的信道容量计算方法,根据信道容量的定义,就是在固定信道的条件下,对所有可能的输入概率分布求平均互信息的极大值。前面已知是输入概率分布的上凸函数,所以极大值一定存在。而是个变量的多元函数。并且满足。所以可用拉格朗日乘子法来计算这个条件极值。引入一个函数:解方程组
(4.2.1)
可以先解出达到极值的概率分布和拉格朗日乘子的值,然后在解出信道容量。因为
而,所以
。
解(4.2.1)式有
(对都成立)
又因为
所以(4.2.1)式方程组可以转化为
假设使得平均互信息达到极值的输入概率分布这样有
从而上式左边即为信道容量,得
现在令
式中,是输出端接收到Y后获得关于的信息量,即是信源符号对输出端Y平均提供的互信息。
一般来讲,值与有关。根据(4.2.2)式和(4.2.3)式,
所以对于一般离散信道有如下定理。
定理4.2.1 一般离散信道的平均互信息达到极大值(即等于信道容量)的充要条件是输入概率分布满足
对所有的
对所有的
这时C就是所求的信道容量。
对于离散信道来说,其实信道容量还有一个解法:迭代解法。
定理4.2.2 设信道的向前转移概率矩阵为,是任给的输入字母的一个初始概率分布,其所有分量。按照下式不断地对概率分布进行迭代,更新:
其中
由此所得的序列收敛于信道容量C。
我们还可以将上述过程写成算法以便编制程序实现(如图4.2.1)
图4.2.1 信道容量的迭代算法
对于一些特殊的离散信道,我们有方便的方法计算其信道容量。
定义4.2.1 设X和Y分别表示输入信源与输出信源,则我们称为损失熵,为信道噪声熵。
如果信道的损失熵,则次信道容量为
(bit/符号)这里输入信源X的信源符号个数为。
如果信道的噪声熵,则此信道容量为
(bit/符号)
这里输出信源符Y的符号个数为s.
定义4.2.2 一个信道Q称为对称离散信道,如果它满足下面的性质:
信道Q矩阵中每一行是另一行的置换;
每一列式另一列的置换。
例如,信道矩阵
和
满足对称性,所以对应信道是对称离散信道。
定义4.2.3 对称离散信道的信道容量为
(bit/符号)
上式只与対称信道矩阵中行矢量和输出符号集的个数s有关。
证明
而
由于信道的对称性,所以与无关,为一常熟,即
接着举一个例子加以说明。
例4.2.1 某对称离散信倒的信道矩阵为
用公式计算信道容量
(bit/符号)
定义4.2.3 若信道矩阵Q的列可以划分成若干互不相交的子集矩阵,即且。由为列组成的矩阵是对称矩阵,则称信道矩阵Q所对应的信道为准对称信道。
例如,信道矩阵
都是准对称信道,在信道矩阵中,Y可以划分为三个子集,由子集的列组成的矩阵为
, ,
它们满足对称性,所以对应的信道是准对称信道。同理可划分为
,
这两个矩阵也满足对称性。
下面,我们给出准对称离散信道的信道容量计算公式
其中,是输入符号集的个数,为准对称信道矩阵中的行矢量。设矩阵可划分为个互不相交的子集。是第个子矩阵中行元素之和,是第个子矩阵中列元素之和,即
并且可以证明达到准对称离散信道容量的输入分布式等概分布,我们将推导作为习题留给读者。
例4.2.2 设信道传递矩阵为
可表示成如图4.2
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