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(信息论、编码及应用)第4章连续信源与连续信道.pptx

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4.1一维连续随机变量的离散化及其差熵

4.2N维连续随机变量的差熵

4.3平稳随机过程的N维和无穷维差熵

4.4两种特殊连续信源的差熵

4.5差熵的基本性质

4.6差熵的极值性与上凸性

4.7最大差熵定理

4.8差熵的变换

4.9连续信道的平均互信息及其上凸性和极值性

4.10平均互信息的不变性与不增性

4.11高斯随机变量加性连续信道及其信道容量

4.12高斯随机过程加性连续信道及其信道容量

4.13香农公式及其应用的有关问题;4.1一维连续随机变量的离散化及其差熵

4.1.1连续信源空间的数学模型

如果X的取值范围是全实数轴,则归一化条件要求满足;如果X的取值范围是有限的实数区域[a,b],则有;4.1.2连续信源的离散化及其差熵

在建立了连续信源空间数学模型的基础上,我们来讨论连续信源的信息测度问题。为了能借助于离散信源信息测度的已有结果,我们首先需要对连续信源和连续随机变量作离散化处理,这是因为连续变量总是可以由离散变量来逼近,把连续变量看成是离散变量的极限情况。所以在讨论连续信源的信息熵中,我们总的思路是:在X的取值区间中,以等间隔对X进行分层量化,则得相对应的离散随机变量Xn和离散信源的熵H(Xn)。然后,令分层间隔趋于零,得离散熵H(Xn)的极限值。这个极限值就可认为是连续信源的信息熵。;假设连续信源X的概率密度分布函数为p(x),取值区间为[a,b],且p(x)是x在取值区间[a,b]中的连续函数。

首先,将X的取值区间[a,b]分割为n个小区间,并且各个小区间等宽,即;;根据积分中值定理,在区间[a+(i-1)Δ,a+iΔ]中必定存在一个ξi,满足;根据式(4-7),可得离散化后信源空间的数学模型为;当n→∞,Δ→0时,离散随机变量Xn:{ξ1,ξ2,…,ξn}无限逼近连续随机变量X:[a,b],则离散信源Xn的信息熵H(Xn)的极限值就是连续信源X的信息熵,即对上式取极限,得;为连续信源X的熵,常称之为连续信源X的差熵。

由式(4-10)可知,连续信源X的熵H(X)应为无穷大。这一点是很好理解的,因为连续信源X的可能取值有无穷多个,不妨假定这些无穷多个取值为等概分布,由离散信源等概分布时信??熵的计算公式H(X)=logr,并令r→∞,得信源X每发出一个符号(即取一个数值)所提供的平均信息量为;假设另有一个连续信源Y,其概率密度分布函数为p(y),取值区间为[c,d],并且p(y)是y在取值区间[c,d]中的连续函数。我们用同样的方法得到其对应的离散信源Ym如下:;可以证明,按离散条件熵的定义,可得离散随机变量Xn和Ym的条件熵H(Xn|Ym)为;重要的不在于式(4-11)和式(4-16)本身,而在于“通信前后关于信源不确定性的消除,就等于通信中获得的信息量”这一根本观点,可得从连续随机变量Y中获取关于连续随机变量X的平均信息量为;4.2N维连续随机变量的差熵

对于N维连续平稳信源,它由N个取值连续的随机变量X1,X2,…,XN来表示,由这些随机变量组成一个随机矢量X=X1X2…XN,常称之为N维连续随机变量,注意到这里的每一个Xi(i=1,2,…,N)就是在4.1节中介绍的一维连续随机变量。设N维连续随机变量的概率密度函数为p(x)=p(x1x2…xN),其中xi∈Xi(i=1,2,…,N),并且满足归一化条件;同理,与多符号离散平稳信源相类似,若随机矢量X中的每一个分量Xi(i=1,2,…,N)均取自于同一个一维连续平稳信源X,即xi∈X(i=1,2,…,N),那么,这个N维随机变量一定是平稳的。如果随机矢量X=X1X2…XN中的每一个分量彼此统计独立,满足;4.2.1N维联合差熵

N维联合差熵的定义为;4.2.2N维条件差熵

N维条件差熵的定义为;;4.3平稳随机过程的N维和无穷维差熵

在自然界中,事物变化过程可分为两类:一是确定性变化过程,用确定性的时间函数来描述;二是随机过程,它的每次出现是用一个样本函数(或称为一个实现)来描述的,如果是平稳随机过程,其统计平均可以用时间平均来代替。平稳随机过程的基本特征是:

(1)它是时间t的函数,但在某一时刻上观察到的值是不确定的,是一个随机变量;

(2)每一个实现(即一个样本函数)都是一个确定的时间函数,但究竟出现哪一个可能的实现,事先无法确定。;下面举一个实例来加以说明。设有n台完全相同的通信机同时记录它们输出的噪声波形。实验结果表明,这n个记录波形并不因这n台通信机完全相同而输出相同的波形,而是输出n个可能的实现。它们各不相同,每次记录是一个实现,当n→∞时,无数个记录构成的

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