第7章_保真度準(zhǔn)則下的信源編碼

1、第第7章章 保真度準(zhǔn)則下的信源編碼保真度準(zhǔn)則下的信源編碼7.1 失真度和平均失真度7.2 信息率失真函數(shù)及其性質(zhì)7.3 二元信源和離散對(duì)稱信源的R(D)函數(shù) 7.4 保真度準(zhǔn)則下的信源編碼定理 7.5 聯(lián)合有失真信源信道編碼定理7.6 有失真信源編碼定理的實(shí)用意義7.1 失真度和平均失真度失真度和平均失真度 在實(shí)際生活中，人們不一定要求完全無失真的恢復(fù)消息，也就是允許有一定的失真。 那么在允許一定程度失真的條件下，能夠把信源信息壓縮到什么程度，也就是，允許一定程度失真的條件下，如何能快速的傳輸信息，這就是本章所要討論的問題。 本章所討論的內(nèi)容是量化、數(shù)模轉(zhuǎn)換、頻帶壓縮和數(shù)據(jù)壓縮的理論基礎(chǔ)。 1

2、、失真度信源信源編碼信道編碼信道信道譯碼信源譯碼信宿干擾 根據(jù)信道編碼定理，我們可以把信道編碼、信道和信道解碼等價(jià)成是一個(gè)沒有任何干擾的廣義信道，這樣收信者收到消息后，所產(chǎn)生的失真只是由信源編碼帶來的。我們也可以把信源編碼和信源譯碼等價(jià)成一個(gè)信道。7.1 失真度和平均失真度失真度和平均失真度信源信宿7.1 失真度和平均失真度失真度和平均失真度試驗(yàn)信道 我們稱此信道為試驗(yàn)信道試驗(yàn)信道?，F(xiàn)在我們要研究在給定允許失真的條件下，是否可以設(shè)計(jì)一種信源編碼使信息傳輸率為最低。為此，我們首先討論失真的測(cè)度。 設(shè)信源變量為 ，其概率分布為 12,.rUu uu1( ) (). ()rP uP uP u對(duì)于每一

3、對(duì)(u,v)，我們指定一個(gè)非負(fù)的函數(shù)( ,)0ijd u v稱為單個(gè)符號(hào)的失真度（或稱失真函數(shù)） 接受端變量為 ，12,.sVv vv7.1 失真度和平均失真度失真度和平均失真度 失真函數(shù)用來表征信源發(fā)出一個(gè)符號(hào) ，而在接收端再現(xiàn)成符號(hào) 所引起的誤差或失真。d越小表示失真越小，等于0表示沒有失真。 可以將所有的失真函數(shù)排列成矩陣的形式：iujv111212122212( ,)( ,).( ,)(,)(,).(,).(,)(,).(,)ssrrrsd u vd u vd u vd u vd u vd u vDd u vd u vd u v我們稱它為失真矩陣。7.1 失真度和平均失真度失真度和平均

4、失真度例1：0( ,)1ijd u vijij當(dāng)uv當(dāng)uv失真矩陣為：01.110.1.11.0D這種失真成為漢明失真在二元情況下：1001D7.1 失真度和平均失真度失真度和平均失真度例2：刪除信源1sr0( ,)1(1/2()ijijd u vijjsi除j=s以外的所有i和所有j）所有對(duì)于二元?jiǎng)h除信源r=2,s=301/2111/20D7.1 失真度和平均失真度失真度和平均失真度例3：對(duì)稱信源r=s，定義失真度為：2( ,)()ijjid u vvu當(dāng)r=s=3時(shí)，012U 012V 失真矩陣為：014101410D7.1 失真度和平均失真度失真度和平均失真度2、平均失真度 ( ,)ij

5、DE d u v若已知試驗(yàn)信道的傳遞概率，則平均失真度為：,11( , ) ( , )( ) (/) ( ,)rsijiijU VijDP u v d u vP u P vu d u v 若平均失真度 不大于我們所允許的失真D，我們稱此為保真度準(zhǔn)則。DDD凡滿足保真度準(zhǔn)則的這些試驗(yàn)信道稱為D失真許可的試驗(yàn)信道。把所有D失真許可的試驗(yàn)信道組成一個(gè)集合，用符號(hào) 表示。DB7.2 信息率失真函數(shù)及其性質(zhì)信息率失真函數(shù)及其性質(zhì)1、信息率失真函數(shù) 當(dāng)信源和失真函數(shù)給定后，我們總希望在滿足保真度準(zhǔn)則下尋找平均互信息的最小值。也就是在 中找一個(gè)信道，使平均互信息取極小值。這個(gè)最小值就是在 的條件下，信源必須

6、傳輸?shù)淖钚∑骄畔⒘俊?DB()min ( ; )DBR DI U VDD 改變?cè)囼?yàn)信道求平均互信息的最小值，實(shí)質(zhì)上是選擇一種編碼方式使信息傳輸率為最小。7.2 信息率失真函數(shù)及其性質(zhì)信息率失真函數(shù)及其性質(zhì)2、信息率失真函數(shù)的性質(zhì) 1)、R(D)的定義域是max(0,)D (1)、 和m inDmin()R D 允許失真度D的最小值為0，即不允許有失真，這要求失真矩陣中每行至少有一個(gè)為0。 R(0)的最小值為H(U)，即信息傳輸率至少為信源的信息熵例：011/2101/2Dmin1( ) 00riiDP u7.2 信息率失真函數(shù)及其性質(zhì)信息率失真函數(shù)及其性質(zhì) 滿足最小失真度的試驗(yàn)信道是一個(gè)無噪

7、無損信道：100010P(2)maxmax()DR D和因?yàn)镈越大，R(D)越小，最小為0，當(dāng)D再大時(shí)，R(D)也只能為0，此時(shí)，發(fā)送與接收統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，即：( / )( )P v uQ v失真度函數(shù)變?yōu)椋?( ) ( ) ( , )U VDP u Q v d u v7.2 信息率失真函數(shù)及其性質(zhì)信息率失真函數(shù)及其性質(zhì) 所以， 就是在R(D)=0的情況下，求 的最小值max( ),min( ) ( ) ( , )Q vU VDP u Q v d u v當(dāng) 時(shí)， 而當(dāng) 時(shí)maxDD()0,R D minmaxDDD( )()0H UR DmaxDD上式可改寫為max( )( )min( )( ) (

8、 , )min( )( )Q vQ vVUVDQ vP u d u vQ v d v 可以這樣選 ，當(dāng) 最小時(shí)，取 等于1，則：()Qv()Qv( )d vmaxmin( )min( ) ( , )VVUDd vP u d u v7.2 信息率失真函數(shù)及其性質(zhì)信息率失真函數(shù)及其性質(zhì)2)、 R(D)函數(shù)的單調(diào)遞減性和連續(xù)性0DR(D)minDmaxD7.3 二元信源和離散對(duì)稱信源的R(D)函數(shù)1、二元對(duì)稱信源的R(D)函數(shù) 設(shè)二元信源U=0,1，其分布概率 ，( ) ,1P u12而接收變量v=0,1，設(shè)漢明失真矩陣為：0110D 因而最小失真度 。并能找到滿足該最小失真的試驗(yàn)信道，且是一個(gè)無噪

9、無損信道，其信道矩陣為：min0D1001P(0)( ; )( )RI U VH7.3 二元信源和離散對(duì)稱信源的R(D)函數(shù)maxmin( ) ( , )VUDP u d u vmin (0) (0,0)(1) (1,0); (0) (0,1)(1) (1,1)VPdPdPdPdmin(1), 要達(dá)到最大允許失真，唯一確定 0101P此時(shí)，可計(jì)算得信息傳輸率( ; )0I U V 一般情況下，當(dāng) 時(shí)，max0DD, ( , ) ( , )U VDE dp u v d u v(0,1)(1,0)EP uvP uvP7.3 二元信源和離散對(duì)稱信源的R(D)函數(shù)可以計(jì)算得：二元信源得信息率失真函數(shù)為

10、()( )()R DHH D例：0.40.2D 在漢明失真條件下，( )()0()0HH DDR DD()(0.4)(0.2)0.249R DHH7.3 二元信源和離散對(duì)稱信源的R(D)函數(shù) 對(duì)于離散對(duì)稱信源，在漢明失真條件下：1loglog(1)()01()101rDrH DDrR DDr 7.4 保真度準(zhǔn)則下的信源編碼定理 定理7.1 保真度準(zhǔn)則下的信源編碼定理 設(shè)R(D)為一離散無記憶信源的信息率失真函數(shù)，并且有有限的失真測(cè)度。對(duì)于任意的 ，以及任意足夠長(zhǎng)的碼長(zhǎng)n，則一定存在一種信源編碼C，其碼字個(gè)數(shù)為0 ,0 ,0D ()n R DMe而編碼后的平均失真度( )d CD如果用二元編碼，

11、則： ()2n R DM 該定理稱為香農(nóng)第三定理。它告訴我們，對(duì)于任何失真度D，只要碼長(zhǎng)足夠長(zhǎng)，總可以找到一種編碼C，使編碼后的每個(gè)信源符號(hào)的信息傳輸率log()MRR Dn7.4 保真度準(zhǔn)則下的信源編碼定理 定理7.2（信源編碼逆定理）不存在平均失真度D，而平均信息傳輸率 的任何信源編碼。即對(duì)任意碼長(zhǎng)n的信源碼C，若碼字個(gè)數(shù) ，一定d(C)D()RR D ( )2n R DM 該定理告訴我們：如果編碼后平均每個(gè)信源符號(hào)的信息傳輸率R小于信息率失真函數(shù)R(D)，就不能在保真度準(zhǔn)則下再現(xiàn)信源的消息。7.5 聯(lián)合有失真信源信道編碼定理 定理7.3 （信息傳輸定理）離散無記憶信源的S的信息率失真函數(shù)

12、為R(D)，離散無記憶信道的信道容量C，若滿足()CR D 則信源輸出的信源序列能在此信道輸出端重現(xiàn)，其失真小于等于D。 定理7.4 離散無記憶信源的S的信息率失真函數(shù)為R(D)，每秒鐘輸出1/Ts個(gè)信源符號(hào)，離散無記憶信道的信道容量C，每秒輸出 1/Tc個(gè)信源符號(hào)，若滿足 ()CSCR DTT 則信源輸出的信源序列能在此信道輸出端重現(xiàn)，其失真小于等于D。7.5 聯(lián)合有失真信源信道編碼定理 定理7.4 離散無記憶信源的S的信息率失真函數(shù)為R(D)，每秒鐘輸出 個(gè)信源符號(hào)，離散無記憶信道的信道容量C，每秒輸出 個(gè)信源符號(hào)，若滿足 1/sT1/CT()CSCR DTT 則信源輸出的信源序列能在此信

13、道輸出端重現(xiàn)，其失真小于等于D。7.6 有失真信源編碼定理的實(shí)用意義例：01( )1/21/2UP u 要對(duì)此信源進(jìn)行無失真編碼，每個(gè)信源符號(hào)必須用一個(gè)二元符號(hào)來表示，信源的信息輸出率為R=H=1。若允許失真存在，并定義失真函數(shù)為漢明失真，即0( , )1ijijuvd u vuv可以設(shè)想這樣一種信源編碼：7.6 有失真信源編碼定理的實(shí)用意義121340000010000010100uuvuu562781111101111101011uuvuu無噪無損信道傳輸000011117.6 有失真信源編碼定理的實(shí)用意義這種編碼方法，可以看成是一種特殊的試驗(yàn)信道1,( )(/)0( )jjijijivC vf uP vuvf u1( )( ) ,( )Ud CP U d u f uN1 1101 1 101 1 13 84 信息率為1/3，而平均失真為1/4，根據(jù)香農(nóng)第三定理，若允許失真D=1/4時(shí)，總可以找到一種編碼，使信息輸出率達(dá)到極限R(1/4)11( )1( )0.18944RH 7.6