內容簡介
信息論和編碼理論是研究信息傳輸和信息處理的基礎理論。信息論對實際通信係統和通信網絡的設計已經産生瞭深刻的影響,通信領域工程師在信息論方麵的理論基礎對其事業的發展有重要的作用。《信息論與編碼理論(第2版)》總結瞭西安電子科技大學自1960年創辦信息論專業以來,特彆是近十年來為通信工程、電子信息工程、信息工程、信息安全等專業的本科生和信息與通信工程、密碼學等方嚮的研究生開設信息論和編碼理論課程的經驗。書中圍繞通信係統和通信網絡的構建需求闡述信息論的理論思想,較詳細地討論瞭信息論中信息量的定義,各類編碼定理及其證明的基本思想,對於信息論中發展的若乾重要課題(如率失真理論、多用戶信息論、逼近Shannon極限的信道編碼)都做瞭專題討論.同時給齣瞭這一領域近期發展的近況和重要的參考文獻。這對於需要獲得信息論基本知識的有關專業學生和在這些領域從事研究、開發工作的工程技術人員都將是有益的。
《信息論與編碼理論(第2版)》可作為通信工程、電子信息工程、信息工程、信息安全等專業高年級本科生和研究生的教材。在給高年級本科生講授時,可以隻講一些基本內容。書中標有*號的章節主要供研究生閱讀,各章後麵都附有一些難易程度不等的習題,可根據需要選用。書末附有較詳盡的參考文獻,可供閱讀時參考。
作者簡介
王育民,1936年2月生於北京,1 959年7月畢業於解放軍西安軍事電信工程學院,1979-1981年赴美圍夏威夷大學電機工程係做訪問學者,研究信息論和編碼理論。現為西安電子科技大學教授、博士生導師,中山大學兼職教授、兼職博士生導師,長期從事通信、信息論、編碼、密碼和信息安全的教學和科研工作,曾任西安電子科技大學校學報編委會主任、信息論教研室主任等職。現為中國電子學會和中國通信學會會士、中國密碼學會(籌)理事、中國電子學會信息論學會委員、中國自然基金研究會會員、JEEE高級會員。曾任全同高等學校通信和信息工程專業教學指導委員會主任( 1996-2000),陝西電子學會第6屬副理事長,學術委員會主任。
閤寫著作有《僞隨機序列及其應用》、《信息與編碼理論》、《保密學——基礎與應用》、《通信網的安全——理論與技術》、《電子商務技術與應用》等。其中王育民教授擔任主編的《通信網的安全——理論與技術》獲得2002年全國普通高等學校優秀教材一等奬;《保密學——基礎和應川》1996年獲得第三屆全國工科電子類專業優秀教材一等奬,在國內外學術刊物和會議上發錶論文200餘篇。
內頁插圖
目錄
第1章 引論
1.1 通信係統模型
1.2 Shannon信息論的中心問題
1.3 Shannon信息論的局限性
1.4 信息的義性
第2章 信息量和熵
2.1 離散變量的非平均信息量
2.1.1 非平均互信息量
2.1.2 條件互信息與聯閤事件的互信息量
2.1.3 離散變量的非平均自信息量
2.2 離散集的平均自信息量——熵
2.2.1 熵和條件熵
2.2.2 熵的性質
2.2.3 相對墒和條件相對熵
2.3 熵的唯一性定理
2.4 離散集的平均互信息量
2.5 信息不等式
2.5.1 凸函數及其性質
2.5.2 K-T條件
2.5.3 信息不等式
2.6 相對熵、熵和互信息量的凸性
2.6.1 相對熵和熵的凸性
2.6.2 互信息量的凸性
2.7 連續隨機變量的互信息量和微分熵
2.7.1 連續隨機變量的互信息量
2.7.2 連續隨機變量的熵
2.7.3 微分熵的極大化
2.8 隨機過程的信息量和熵
小結
習題
第3章 信源編碼——離散信源無失真編碼
3.1 信源及其分類
3.2 離散無記憶信源的等長編碼
3.3 離散無記憶信源的不等長編碼
3.4 最佳不等長編碼
3.4.1 Huffman編碼
3.4.2 算術編碼
3.4.3 LZ編碼
3.5 平穩源編碼
3.6 馬爾可犬源
小結
習題
第4章 信道及其容量
4.1 信道分類
4.2 離散無記憶信道
4.2.1 有關DMC的容量定理
4.2.2 對稱DMC容量的計算
4.2.3 一般DMC容量的計算
4.3 離散無記憶信道容量的迭代算法
4.3.1 交替優化
4.3.2 信道容量算法
4.4 離散有記憶信道
4.5 信道的組閤
4.6 時間離散的無記憶連續信道
4.6.1 可加噪聲信道
4.6.2 平均功率受限可加噪聲信道
4.6 3平行可加高斯噪聲信道
4.7 波形信道
小結
習題
第S章 信道編碼定理
5.1 信道編碼和譯碼
5.1.1 信道編碼
5.1.2 譯碼準則
5.1.3 離散序列的譯碼
5.1.4 連續序列的譯碼
5.2 聯閤典型序列
5.3 信道編碼定理
5.4 錯誤概率上限
5.4 1並集限
5.4.2 Bhattacharyya(巴塔恰亞)限
5.4.3 Callager(加拉格)限
5.4.4 隨機碼集閤平均錯誤概率上限
5.4.5 DMC的譯碼錯誤概率上限
5.4.6 時間離散連續信道錯誤概率上限
5.5 等能量正交編碼信號
小結
習題
第6章 綫性分組碼
6.1 Galois域
6.1 1域運算
6.1.2 GF(pm)的構造
6.1.3 有限域的特徵和元素的級
6.1 4最小多項式
6.2 綫性分組碼
6.3 綫性分組碼的生成矩陣和校驗矩陣
6.3.1 生成矩陣
6.3.2 枝驗矩陣
6.3.3 碼的擴展和縮短
6.4 一些特殊的綫性分組碼
6.4.1 Hamming(漢明)碼
6.4.2 Hadamard碼
6.4.3 Golay碼
6.5 伴隨式和最小漢明距離譯碼
6.5.1 分組碼的標準陣譯碼
6.5.2 最小距離與糾錯能力
6.6 循環碼
6.6.1 循環碼的數學描述
6.6 2循環碼的譯碼
6.7 BCH碼
6.7.1 BCH碼的定義和性質
6.7.2 BCH碼的譯碼
6.8 Reed-Solomon碼
6.9 分組碼的性能限
6.10 綫性分組碼的性能限
小結
習題
第7章 捲積碼
7.1 捲積碼的基本概念
7.2 Viterbi譯碼
7.3 序列譯碼
7.4 捲積碼集閤平均錯誤概率限
7.5 級聯碼
小結
習題
第8章 接近Shannon極限的編碼
8.1 Turbo碼的構造
8.1.1 遞歸係統捲積碼(RSC)
8.1.2 Turbo碼的距離譜
8.1.3 Turbo碼交織器的設計
8.2 Turbo碼的譯碼
8.2.1 APP譯碼器
8.2.2 MAP譯碼算法
8.2.3 SOVA譯碼算法
8.2.4 Turbo碼的迭代譯碼特性
8.3 Turbo碼的性能限
……
第9章 信源編碼——無記憶信源的有失真編碼
第10章 多用戶信息論
參考文獻
前言/序言
由教育部高等學校電子電氣基礎課程教學指導分委員會推薦,西安電子科技大學與高等教育齣版社聯閤策劃的這套電子信息類專業基礎課程係列教材即將陸續齣版發行,我很高興,這是我國高校電子信息類教材建設工作的一個新舉措!
本係列教材的編寫基於西安電子科技大學的電子信息辦學特色和長期的教學經驗積纍。學校從1931年誕生於江西瑞金的中央軍委無綫電學校,到1949年張傢口的軍委工校和20世紀60年代的“西軍電”,80年代的西北電訊工程學院,到現在的西安電子科技大學,一直緻力於為國傢和軍隊培養電子信息方麵的高級專業人纔,是國內最早建立信息論、信息係統工程、雷達、微波天綫、電子機械、電子對抗等專業的高校之一,形成瞭鮮明的電子與信息學科特色與優勢。本係列教材由學校眾多知名教授擔任主編,他們長期從事電子信息專業基礎課教學和研究,努力繼承和發揚學校在電子信息類專業基礎課教學方麵的經驗和特色,並結閤最新的科技進展組織和編寫7係列教材。
大傢知道,培養高素質的電子信息專門人纔的前提,是要加強基礎課程建設,尤其是數理基礎和專業技術基礎,要打造一個高水平的專業基礎課程平颱;本係列教材正是瞄準這一目標,從電路分析、信號與係統、模電(低頻,高頻)、數電、電磁場等專業基礎課,到通信原理、雷達原理、軟件技術基礎、微波技術與天綫等技術基礎課,構成瞭一個知識麵寬闊的電子信息類專業基礎課教材體係。
信息論與編碼理論(第2版) 一本深度剖析信息世界奧秘的權威指南 在數字時代飛速發展的今天,信息如同空氣和水,無處不在,深刻地影響著我們的生活、工作和思維方式。從瞬息萬變的互聯網通信,到精準高效的數據存儲,再到保障信息安全的加密技術,信息論與編碼理論的基石無處不在,支撐著現代文明的運轉。本書,《信息論與編碼理論(第2版)》,正是這樣一本旨在深入淺齣地揭示信息世界本質、剖析信息傳輸與處理核心原理的權威著作。它不僅梳理瞭信息論與編碼理論發展的脈絡,更重要的是,它以前沿的視角和嚴謹的邏輯,為讀者打開瞭理解和駕馭海量信息的大門。 本書的第二版,在第一版堅實的基礎上,進行瞭全麵而深刻的修訂與拓展。它緊密追蹤著該領域最新的研究進展和技術突破,將許多前沿概念和方法有機地融入其中,力求為讀者提供一份既經典又具有高度前瞻性的知識體係。作者團隊憑藉其深厚的學術功底和豐富的實踐經驗,將復雜的理論概念轉化為清晰易懂的語言,並通過大量的實例和習題,引導讀者循序漸進地掌握核心知識,最終具備分析和解決實際信息工程問題的能力。 核心內容概述: 本書內容涵蓋瞭信息論與編碼理論的兩個核心分支,即信息論和編碼理論,並強調瞭它們之間的內在聯係與協同作用。 第一部分:信息論——度量與理解信息的精妙藝術 信息論,作為一門研究信息量、信道容量、信息傳輸與存儲的數學理論,是理解和量化信息的基礎。本書在信息論部分,力求從最根本的定義齣發,帶領讀者一步步領略信息論的魅力。 信息熵(Entropy): 這是信息論中最核心的概念之一,本書將詳細闡述信息熵的定義、性質及其在衡量信息不確定性方麵的作用。通過對不同概率分布下離散和連續隨機變量的熵進行深入分析,讀者將能深刻理解“信息量”的數學度量方式,以及隨機性與信息量之間的關係。例如,我們將探討如何計算一個隨機事件發生所帶來的平均信息量,以及在決策樹等算法中,熵是如何作為信息增益的度量標準來指導特徵選擇的。 互信息(Mutual Information): 互信息是衡量兩個隨機變量之間相互依賴程度的指標。本書將清晰地解釋互信息的定義、性質,以及它在信息傳輸、特徵選擇和因果關係探索等領域的應用。通過實例,讀者將理解互信息如何量化一個變量包含的關於另一個變量的信息量,以及如何利用互信息來評估信道傳輸的有效性。 信道容量(Channel Capacity): 信道容量是信息論的另一個基石,它代錶瞭一個通信信道能夠可靠傳輸信息的最大速率。本書將深入探討不同類型信道的容量計算,特彆是高斯信道和離散無記憶信道。讀者將瞭解香農(Shannon)提齣的信道編碼定理,這是信息論中最具革命性的成果之一,它證明瞭存在編碼方式能夠使得信息以任意低的錯誤率傳輸,隻要傳輸速率低於信道容量。我們將詳細解析這個定理的意義,以及它對現代通信係統設計的深遠影響。 信源編碼(Source Coding): 信源編碼的目標是在不丟失重要信息的前提下,盡可能地壓縮信息,以達到高效存儲和傳輸的目的。本書將詳細介紹無損信源編碼和有損信源編碼的原理和常用算法,包括但不限於: 霍夫曼編碼(Huffman Coding): 這種基於概率的變長編碼方法,能夠為齣現頻率高的符號分配短碼字,為齣現頻率低的符號分配長碼字,從而達到最優的平均碼長。我們將通過詳細的構造過程和性能分析,幫助讀者掌握霍夫曼編碼的設計與應用。 算術編碼(Arithmetic Coding): 相比於霍夫曼編碼,算術編碼能夠更進一步地接近理論極限,將整個消息視為一個整體進行編碼,從而實現更高的壓縮比。本書將深入剖析算術編碼的工作原理,包括區間劃分、概率纍積等關鍵步驟。 有損信源編碼: 涉及率失真理論,本書將介紹如量化(Quantization)等有損編碼技術,探討如何在信息損失和壓縮率之間進行權衡,以及如何根據失真度來評估編碼性能。 信息率失真理論(Rate-Distortion Theory): 對於有損信息傳輸和存儲,率失真理論提供瞭度量信息損失與傳輸率之間關係的框架。本書將介紹率失真函數的概念,以及它在設計高效率有損編碼方案中的作用。 第二部分:編碼理論——保障信息可靠傳輸與存儲的利器 編碼理論是信息論的實踐支撐,它緻力於設計能夠檢測和糾正錯誤的數據編碼方法,確保信息在噪聲環境下的可靠傳輸和存儲。本書在編碼理論部分,將從基礎的錯誤檢測碼開始,逐步深入到復雜的糾錯碼。 錯誤檢測與糾正基礎: 首先,本書將介紹錯誤産生的模型,如比特翻轉錯誤,並闡述錯誤檢測碼(如奇偶校驗碼)和錯誤糾錯碼的基本原理。讀者將理解如何通過添加冗餘信息來檢測或糾正傳輸過程中發生的錯誤。 綫性分組碼(Linear Block Codes): 這是一類重要的代數編碼方法,具有良好的數學性質和高效的譯碼算法。本書將深入講解: 生成矩陣與校驗矩陣(Generator Matrix and Parity-Check Matrix): 讀者將學會如何用這兩個矩陣來定義一個綫性分組碼,以及如何利用它們進行編碼和譯碼。 漢明碼(Hamming Codes): 作為最經典的綫性分組碼之一,漢明碼在單個比特錯誤檢測與糾正方麵錶現齣色,本書將詳細介紹漢明碼的構造方法、性能分析以及其在實際中的應用。 循環碼(Cyclic Codes): 循環碼是一類特殊的綫性分組碼,具有簡潔的代數結構和高效的硬件實現特性。本書將重點介紹其生成多項式、校驗多項式等概念,以及其在數據通信和存儲中的廣泛應用,例如CRC(Cyclic Redundancy Check)碼。 BCH碼(Bose-Chaudhuri-Hocquenghem Codes)與裏德-所羅門碼(Reed-Solomon Codes): 作為糾錯能力更強的代數碼,BCH碼和RS碼在CD/DVD、衛星通信、條形碼等領域扮演著至關重要的角色。本書將深入探討它們的構造原理、糾錯能力分析,以及它們的譯碼算法,如展爾(Berlekamp-Massey)算法等。 捲積碼(Convolutional Codes): 與分組碼不同,捲積碼是時變的,其輸齣碼字不僅取決於當前輸入,還取決於先前的一些輸入。本書將詳細介紹捲積碼的編碼器結構、狀態圖、格狀圖(Trellis Diagram),以及重要的譯碼算法,如維特比(Viterbi)算法。維特比算法以其高效性和最優性,成為現代通信係統中最常用的捲積碼譯碼方法。 Turbo碼(Turbo Codes)與LDPC碼(Low-Density Parity-Check Codes): 這兩類現代高性能糾錯碼,是編碼理論領域的革命性突破。它們能夠逼近香農限,實現前所未有的糾錯性能。本書將深入介紹Turbo碼的交織(Interleaving)、並行或串行連接的捲積碼結構,以及其迭代譯碼過程。同時,對於LDPC碼,我們將探討其稀疏校驗矩陣的構造、圖論視角下的理解,以及其在5G、Wi-Fi等前沿通信標準中的應用。 編碼理論的應用: 本書還將探討編碼理論在各個領域的實際應用,包括: 通信係統: 衛星通信、移動通信、光縴通信等,糾錯碼的應用是實現可靠通信的關鍵。 數據存儲: 硬盤、閃存、光盤等存儲介質,糾錯碼能夠提高數據的可靠性和壽命。 信息安全: 糾錯碼在某些密碼學應用中也發揮著重要作用。 本書的特色與價值: 體係結構清晰,邏輯嚴謹: 全書內容圍繞信息論與編碼理論的核心概念展開,結構清晰,層層遞進,便於讀者理解和掌握。 理論與實踐結閤: 在闡述理論的同時,本書融入瞭大量的工程實例和應用場景,幫助讀者將抽象的理論知識與實際工程問題聯係起來。 豐富的例題與習題: 每章都配有精選的例題和習題,覆蓋瞭從基本概念到復雜問題的各個層麵,有助於讀者鞏固所學知識,檢驗學習效果。 麵嚮廣泛讀者群體: 本書適閤計算機科學、電子工程、通信工程、信息科學等相關專業的本科生、研究生,以及從事相關領域研發的工程師和研究人員。對於對信息世界充滿好奇的普通讀者,本書也能提供一個深入瞭解信息本質的窗口。 權威性與前瞻性: 第二版充分反映瞭該領域的最新發展,為讀者提供瞭最前沿的知識,為未來的學習和研究打下堅實基礎。 《信息論與編碼理論(第2版)》不僅僅是一本教材,它更是一把鑰匙,能夠幫助你解鎖信息世界中隱藏的奧秘,理解現代數字技術背後的深刻原理。閱讀本書,你將不再僅僅是被動的信息接收者,更能成為信息的設計者、傳輸者和守護者,在瞬息萬變的數字洪流中,把握先機,創造未來。