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信息论与编码课后作业
第三章
3.8 证明长为N的D元不等长码至多有D(DN-1)/(D-1)个码字。
证:已知长为N的不等长码D元
可得此不等长为D进制,最大长为N
所以 例:N=2,D=2 {0,1}推出 {0,1,00,01,10,11}
……
可知码字数量n=D+D2+……DN
即为等比数列求和:n=a1(1-qn)1-q=D(1-Dn)1-D=D(Dn-1)D-1
3.12 信源符号消息X={x1,x2,…xM},信源熵H(X),若对该信源能找到一个平均码长为?n=H(X)/log3的三元即时码,证明对每个xi∈X,其概率满足p(xi)=3-ni,式中ni为整数。
证:由题意已知:信源熵H(x)和平均码长,三元即时码
设每个信源符号信息x1,x2,x3…xM ,对应的概率q1,q2,q3,qM
H(x)=-q1logq1-q2logq2-q3logq3…-qMlogqM
平均码长:?n=q1+2*q2+2*q3+3*q4+…
又因为?n=H(x)/log3
?nlog3=( q1+2*q2+2*q3+3*q4+…)log3=-log(1/3)*( q1+2*q2+2*q3+3*q4+…)
H(x)=-log(q1q1*q2q2*q3q3*q4q4…)
因为H(x)= nlog3 所以-log(q1q1*q2q2*q3q3*q4q4…)=-log13q1+2*q2+2*q3+3*q4+…
得到:q1=1/3,q2=(1/3)2 ,q3=(1/3)2, q4=(1/3)3…qM=(1/3)ni
概率满足P(xi)=3-ni (ni∈Z)
3.16 某一信源有M个消息,并且每个消息等概分布,对该信源进行二元霍夫曼编码,问当M=2i和M=2i+1(i为正整数)时,每个码字的长度ni等于多少?平均码长?n又为多少?
答:当M=2i时,得到等长码,码长为i;
当M=2i+1时,平均码长为 :?n=2i-12i+1*i+22i+1*(i+1)=i+ 22i+1
3.17 信源分布xq(x)=x1x2x3x41/31/31/41/12,
(1) 对该信源进行二元霍夫曼编码;
(2)证明存在两个不同的最佳码长集合,即证明码长集合{1,2,3,4}和{2,2,2,2}都是最佳的。
答:(1) 1
0 1
1/3 2/3
1 0 1 0
1/4 1/12 1/3 1/3
所以霍夫曼编码为:11;10;01;00
(2) 平均码长分别为:?n1=m=14nmp(cm)=1*1/3+2*1/3+3*1/4+3*1/12=2
?n2=2*1/3+2*1/3+2*1/4+2*1/12=2
所以两种都是最佳的。
3.18 对信源xq(x)=x1x2x3x4x5x6x7x81/51/61/61/101/101/101/121/12,设计
(1)香农编码,D=2;
(2)费诺编码,D=2;
(3)霍夫曼编码,D=3;
(4)霍夫曼编码,D=4;并分别求出平均码长?n和编码效率?。
答:
(1)对于x8, 由-log(x8)=3.66 可得码长为4;
则累加概率为p8=i=17q(xi)=1/5+1/6*2+1/10*3+1/12*2=0.92
将0.92换成二进制并保留前四位得1110.
同理可得香农编码得:000;001;011;1000;1010;1011;1101;1110;
信源熵:H(x)=-m=17q(xm)logq(xm)=-0.2log0.2-2*0.17log0.17-3*0.1log0.1-2*0.08log0.08=2.93
平均码长:?n=3*(0.2+0.17*2)+4*(0.3+0.16)=3.46
编码效率:?=H(x)?nlogD=2.933.46*1=0.85
(2)费诺编码为:00,010,011,100,101,110,1110,1111
平均码长为:?n=2*0.2+3*(0.17+0.17+0.1*3)+4*06=2.96
编码效率:?=2.93/2.96=0.99
(3) D=3,M=8,D*=M[mod(D-1)]=0 D*∈(2,3…D)
D*=2,即第一次取两个,第二次取三个
编码结果为:0,21,20,12,11,10,221,220
平均码长为:?n=1*0.2+2*0.17*2+2*0.1*2+2*0.08*3=1.96
编码效率:?=2.93/1.96*1.59=0.937
(4) D=4,M=8,D*
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