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限失真信源与信息率失真函数R(D)精选
第四章 限失真信源与信息率失真函数R(D)
§4-1 引言
(一) 引入限失真的必要性:
失真在传输中是不可避免的;
接收者(信宿)无论是人还是机器设备,都有一定的分辨能力与灵敏度,超过分辨能力与灵敏度的信息传送过程是毫无意义的;
即使信宿能分辨、能判别,但对通信质量的影响不大,也可以称它为允许范围内的失真;
我们的目的就是研究不同的类型的客观信源与信宿,在给定的Qos要求下的最大允许(容忍)失真D,及其相应的信源最小信息率R(D).
对限失真信源,应该传送的最小信息率是R(D),而不是无失真情况下的信源熵H(U).
显然 H(U)≥R(D).
当且仅当 D=0时,等号成立;
为了定量度量D,必须建立信源的客观失真度量,并与D建立定量关系;
R(D)函数是限失真信源信息处理的理论基础;
(二) R(D)函数的定义
信源与信宿联合空间上失真测度的定义::
其中: (单消息信源空间)
(单消息信宿空间)
则有
称为统计平均失真,它在信号空间中可以看作一类“距离”,它有性质
1〉, 当
2〉
3〉
对离散信源:i=j=1,2……..n,
则有:
若取 为汉明距离,则有:
对连续信源,失真可用二元函数d(u,v)表示。
则有:
推而广之,d(u,v)可表示任何用v表达u时所引进的失真,误差,损失,风险,甚至是主观感觉上的差异等等。
进一步定义允许失真D为平均失真的上界:
--对离散
在讨论信息率失真函数时,考虑到信源与信宿之间有一个无失真信道,称它为试验信道,对离散信源可记为,对限失真信源这一试验信道集合可定义为:
根据前面在互信息中已讨论过的性质:
且互信息是的上凸函数,其极限值存在且为信道容量:
这里,我们给出其对偶定义:
即互信息是的下凸函数。其极限值存在且为信息率失真函数。
它还存在下列等效定义:
称D(R)为失真信息率函数,是R(D)的逆函数,它是求在允许最大速率情况下的最大失真D。
至此,我们已给定R(D)函数一个初步描述。
由定义,R(D)函数是在限定失真为最大允许失真为D时信源最小信息速率,它是通过改变试验信道特性(实际上是信源编码)来达到的。所以R(D)是表示不同D值时对应的理论上最小信息速率值。
然而对于不同的实际信源,存在着不同类型的信源编码,即不同的试验信道特性并可以求解出不同的信息率失真R’(D)函数,它与理论上最佳的R(D)之间存在着差异,它反映了不同方式信源编码性能的优劣,这也正是R(D)函数的理论价值所在。特别对于连续信源,无失真是毫无意义的,这时R(D)函数具有更大的价值。
例:若有一个离散、等概率单消息(或无记忆)二元信源: ,且采用汉明距离作为失真度量标准:即 若有一具体信源编码方案为:N个码元中允许错一个码元,实现时N个码元仅送N-1个,剩下一个不送,在接收端用随机方式决定(为掷硬币方式)。此时,速率R’及平均失真D相应为:
若已知这一类信源理论上的(后面将进一步给出计算),则有
阴影范围表示实际信源编码方案与理论值间的差距,我们完全可以找到更好,即更靠近理论值,缩小阴影范围的信源编码,这就是工程界寻找好的信源编码的方向和任务。
§4-2 R(D)函数的性质
讨论R(D)性质以前先简要介绍R(D)的定义域。
对离散:
对应R(D)值:
。
对连续:
R(D)函数性质可用下列定理总结:
定理4-2-1:对离散、单个消息限定失真信源,其R(D)函数满足下列性质:
(1)R(D)是D的下凸()函数;
(2)R(D)是D的单调非增函数;
(3)R(D)是D的连续函数;
(4);
证明:(1)证明思路:根据R(D)函数定义,与下凸函数定义,只需证明:
首先证,再利用互信息对的下凸性。即:若用与表示达到与时的条件分布,且
则有:
这里,
由
可得
再利用互信息对的下凸性,有
(2)设 则
即R(D)是D的单调非增函数。
(3)设。
由定义,有。
同时,由于是连续函数。
即当 有
即,R(D)是D的连续函数。
(4)当,即无失真时,,一一对应
§4-3 离散信源R(D)函数计算:
可见,求解R(D)实质上是求解互信息的条件极值,可采用拉氏乘子法求解。但是,在一般情况下只能求得用参量(R(D)的斜率S)来描述的参量表达式,并借助计算机进行迭代运算。
由信道容量C与R(D)数学上对偶关系:
其迭代运算与求信道容量迭代运算相仿的。在正式讨论R(D)迭代运算前,这里,我们先介绍特殊情况下的R(D)计算。
具有等概率、对称失真信源的R(D)计算:
例1:有一个二元等概率平稳无记忆信源U,且失真函数为:
试求其R(D)=?
解:由:
为了运算方便,取
上式中,已知:,D(允许
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