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近代信息论-第一章-2
近代通信理论 第一章-2 主要内容 第三节 互信息 第四节 多符号离散信源的熵 第五节 马尔科夫链及马尔科夫信源 第三节 互信息 定义 性质 信息不增原理 互熵 第三节 互信息 互信息的定义 Y关于X的互信息 I(X;Y) 互信息定义的含义 “Y”已知使X的不确定度减少了H(X)-H(X|Y)=I(X;Y) ,获得了I(X:Y)的信息量。 互信息的特例 X,Y相互独立: H(X|Y)=H(X) I(X;Y)=0 含义:无法从一个变量中提取另一个变量的信息。 X,Y一一对应: H(X|Y)=0; I(X;Y)=H(X) 互信息——各变量的关系 互信息在通信中的含义 I(X;Y)——接收端所能获得关于X的信息 当干扰大,X与Y无关,I(X;Y)=0,则收不到关于X的信息; 若无干扰,Y与X一一对应,I(X;Y)=H(X),则能充分收到X的信息。 I(X;Y)——每传一个符号流经信道的平均信息量 互信息用于表征信道特征。 互信息的性质 非负性 对称性 互信息的性质——凸函数性 互信息的性质——凸函数性 信息不可增原理 信息不可增原理 通信中信道串联:如:微波接力,或多级处理 信息不可增原理 通信中信道串联:如:微波接力,或多级处理 互熵(relative entropy) 互熵:关于两个具有相同符号概率分布的距离测度。 定义: 理解:两分布之间的距离,相似性。 性质: 注意点:互熵不满足对称性。 互熵和互信息 关系式: 互信息 定义 性质 信息不增原理 互熵 第四节:多符号离散信源的熵,互熵,互信息 多符号离散信源: 信源发出的消息是时间上或空间上的一系列离散符号序列: X=X1,X2,…… 分类讨论: 离散无记忆信源 N次扩展信源: 离散无记忆信源的熵 发一次,平均信息H(X), 发N次,平均信息NH(X)。 熵的递推定理(chain rule for entropy) 含义: X1,X2,…,XN的平均信息量=发一个符号的信息量 +已知这时刻符号的前提下发第二个符号的信息量 +已知第一二个符号,再发第三个符号的信息量 + …… 熵的递推定理(chain rule for entropy) 熵的递推定理(chain rule for entropy) 离散平稳信源的极限熵(熵率) 条件熵 H(XN|X1 X2 …XN-1)随着N的增大是非递增的。 即: 离散平稳信源的极限熵(熵率) 平均符号熵 多符号信源每发一个符号所提供的平均信息量 离散平稳信源的极限熵(熵率) 称为离散平稳有记忆信源的极限熵(熵率) 例:英文/中文字符的极限熵 英文:27个符号(字母和空格) 0阶:H0=log227=4.76bits/symbol 1阶:H1=4.03bits/symbol 2阶:H2=3.32bits/symbol 当以等概率传送,效率: 离散平稳信源的极限熵(熵率) 称为离散平稳有记忆信源的极限熵(熵率) 第五节 马尔科夫链及马尔科夫信源 对于随机过程{Xi}, 熵率: 平稳性:联合分布随时间推移不改变: Markov chain Markov chain 一阶马尔科夫过程(马尔科夫链) Markov chain 时不变马尔科夫链(主要研究对象) 定义:对于所有n, P(Xn+1|Xn)与n无关,即: P(Xn+1=b|Xn=a)= P(X2=b|X1=a) 例:二元马尔科夫链 P= 例:二元马尔科夫链 一阶记忆;下一时刻的X取值只与当前的有关,与以前的无关。 联合概率分布函数(pdf) 为: 概率转移矩阵P P=[Pij] 其中, Pij =P(Xn+1=j|Xn=i),表示从状态i到达状态j的概率。 说明 n+1时刻某时刻出现的概率为 近代通信理论 * recall 熵的可加性: 对于随机变量X和Y,有 H(XY)=H(X)+H(Y|X) 含义是:(XY)的联合熵=无条件熵+有条件熵 =X的熵+已知X条件下的Y的熵 熵的极值性,有: H(Y|X) 不大于 H(Y); H(X|Y) 不大于 H(X). 含义是:条件熵 不大于 无条件熵 类似地,X关于Y的互信息 I(Y;X) H(X) 信源X的不确定度; H(X|Y) 当Y已知时,信源X的不确定度; Y关于X的互信息I(X:Y)的含义—— Y已知后,获得关于X的信息量。 H(XY) H(X) H(Y) I(X;Y) H(X|Y) H(Y|X) 信道 I(X;Y) X Y back 极值性 back recall 信息论提供“观测”,“测量”等行为的理论基础 测量模型 处理 X Y Z 不可观测值
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