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第二章 信源及其信息量 本章重点:信源的统计特性和数学模型、各类信源的信息测度—熵及其性质。 2.1 单符号离散信源 2.2 扩展信源 2.3 连续信源 2.4 离散无失真信源编码定理 2.5 小结 2.1 单符号离散信源 2.1.1 离散变量的自信息量 2.1.2 信息熵 2.1.3 熵的基本性质和定理 2.1.4 互信息量 2.1.5 熵之间的关系 2.1.1 离散变量的自信息量 信息度量的方法:最常用的方法是统计度量。 在通信系统中收信者在未收到消息以前,对信源发出什么消息是不确定的。 不确定性可以用概率论与随机过程来描述。 香农信息论的基本假说:用随机变量研究信息。 (1) 信源的描述方法 (2) 单符号离散信源数学模型 (3) 自信息量和条件自信息量 2.1.1 离散变量的自信息量 (1) 信源的描述方法 ① 离散信源:输出的消息常常是以一个个符号形式出现,这些符号的取值是有限的或可数的。 单符号离散信源:只涉及一个随机事件,可用随机变量描述。 扩展信源/多符号离散信源:每次输出是一个符号序列,序列中每一位出现哪个符号都是随机的,而且一般前后符号之间是有依赖关系的。可用随机矢量描述。 ② 连续信源:输出连续消息。可用随机过程描述。 2.1.1 离散变量的自信息量 (2) 单符号离散信源数学模型 单符号离散信源的数学模型就是离散型的概率空间: X — 随机变量,指的是信源整体 xi — 随机事件的某一结果或信源的某个元素 p(xi)=P(X=xi) — 随机事件 X 发生某一结果 xi 的概率。 n 是有限正整数或可数无限大 2.1.1 离散变量的自信息量 (3) 自信息量 ① 自信息量 ② 联合自信息量 ③ 条件自信息量 2.1.1 离散变量的自信息量 (3) 自信息量 ① 自信息量 信息量与不确定性 信源中某一消息发生的不确定性越大,一旦它发生,并为收信者收到后,消除的不确定性就越大,获得的信息也就越大。 由于种种原因(例如噪声太大),收信者接收到受干扰的消息后,对某信息发生的不确定性依然存在或者一点也未消除时,则收信者获得较少的信息或者说一点也没有获得信息。 2.1.1 离散变量的自信息量 (3) 自信息量 ① 自信息量 信息量与不确定性 信息量的直观定义: 收到某消息获得的信息量=不确定性减少的量 =(收到此消息前关于某事件发生的不确定性) -(收到此消息后关于某事件发生的不确定性) 2.1.1 离散变量的自信息量 (3) 自信息量 ① 自信息量 信息量与不确定性 信息量的直观定义: 在无噪声时,通过信道的传输,可以完全不失真地收到所发的消息,收到此消息后关于某事件发生的不确定性完全消除,此项为零。因此: 收到某消息获得的信息量 =收到此消息前关于某事件发生的不确定性 =信源输出的某消息中所含有的信息量 2.1.1 离散变量的自信息量 (3) 自信息量 ① 自信息量 不确定性与发生概率 事件发生的概率越小,我们猜测它有没有发生的困难程度就越大,不确定性就越大。 事件发生的概率越大,我们猜测这件事发生的可能性就越大,不确定性就越小。 概率等于 1 的必然事件,就不存在不确定性。 某事件发生所含有的信息量应该是该事件发生的先验概率的函数。 2.1.1 离散变量的自信息量 (3) 自信息量 ① 自信息量 不确定性与发生概率 函数 f [p(xi)] 应满足以下 4 个条件: f [p(xi)] 应是 p(xi) 的单调递减函数 当 p(x1) p(x2) 时, f [p(x1)] f [p(x2)] 当 p(xi) =1时, f [p(xi)] =0 当 p(xi) =0时, f [p(xi)] =∞ 两个独立事件的联合信息量应等于它们分别的信息量之和。即统计独立信源的信息量等于它们分别的信息量之和。 2.1.1 离散变量的自信息量 (3) 自信息量 ① 自信息量 不确定性与发生概率 根据上述条件可以从数学上证明这种函数形式是对数形式。 2.1.1 离散变量的自信息量 (3) 自信息量 ① 自信息量 不确定性与发生概率 用概率测度定义信息量:设离散信源 X,其概率空间为: 如果知道事件 xi 已发生,则该事件所含有的自信息定义为: X,Y,Z 代表随机变量,指的是信源整体; xi , yj , zk 代表随机事件的某一结果或信源的某个元素。不可混淆! 概率复习 概率复习 2.1.1 离散变量的自信息量 (3) 自信息量 ① 自信息量 自信息含义
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