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資資資資 資資資資 資資資資 資資資資 : : 資資資 資資資 Email:[email protected] Email:[email protected] 資資資 資資資 : : 401 401 資資 資資 http://www.csie.nuk.edu.tw/~c http://www.csie.nuk.edu.tw/~c ychen/ ychen/ Ch4: Channel

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Page 1: 資訊理論 授課老師 : 陳建源 Email:cychen07@nuk.edu.tw 研究室 : 法 401 網站 cychen/ Ch4: Channel

資訊理論資訊理論

授課老師授課老師 : : 陳建源陳建源Email:[email protected]:[email protected]

研究室研究室 :: 法法 401401

網站 網站 http://www.csie.nuk.edu.tw/~cychen/http://www.csie.nuk.edu.tw/~cychen/

Ch4: Channel

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Ch4: Channel4. 1 Introduction

The input alphabet of the channel is the output alphabet of the coder

Source Coder Channel Decoder Recipient

Communication system

radio, optical fibre

The output alphabet of the channel is the input alphabet of the decoder

The output alphabet of the channel may not the same as its the input alphabet

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Ch4: Channel4. 1 Introduction

A noisy channel is characterized by the probability that a given output letter stems from an input letter

Channel

noiseless

Memory : the output letter depends upon a sequence of input letters

a bChannel

noisy

a b1, b2,…

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Ch4: Channel4. 2 Capacity of a memoryless channel

A memoryless channel is completely specified by giving P(bs|ak), s=1,…,r, k=1,…,n.

Channel

The probability of the output letter bs

Aai

Bbi

1)|P(br

1s

ska

transition probability

)P()|P(b)P(bn

1kss kk aa

n

1kss )P(b)P(b ka

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Ch4: Channel4. 2 Capacity of a memoryless channel

If the transition probabilities are fixed , only the input probabilities can be manipulated.

Mutual information between the input and output

n

k

kk a

ala

1k s

sr

1ss )P()P(b

)P(bog)P(bB)I(A,

n

kk

ala

1k s

sr

1ss )P(b

)|P(bog)P(b

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Ch4: Channel4. 2 Capacity of a memoryless channel

The maximum being taken over all possible input probabilitiesp1,p2, …pn while the transition probabilies P(bs|ak) are held fixed.

Def: The capacity C of a memoryless channel I defined by

B)maxI(A,C

已知1)P(

n

1k

ka

n

kk

ala

1k s

sr

1ss )P(b

)|P(bog)P(bB)I(A,

maximum

Lagrange’s multiplier

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Ch4: Channel4. 2 Capacity of a memoryless channel

已知1)P(

n

1k

ka

n

1k

)P(-B)I(A, ka

maximum

Lagrange’s multiplier

偏微分得到

loge)P(b

)|P(bog)|P(b

s

sr

1ss

kk

ala

logeC k allfor 0)P( if ka

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Ch4: Channel4. 2 Capacity of a memoryless channel

Example 4.2a

)();( 2211 aPpaPp

0 0

1 1

1-ε

1-ε

ε

ε

Aa1=0a2=1

Bb1=0b2=1

kk pa )P(

n

1k

)P(-B)I(A, ka對 之 偏微分

2

1sk

2

1k s

s2

1sks )P(b

)|P(bog)|P(b p

alpa k

k 即對

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Ch4: Channel4. 2 Capacity of a memoryless channel

Example 4.2a

kk pa )P(之 偏微分得到

2

1sk

2

1k s

s2

1sks )P(b

)|P(bog)|P(b p

alpa k

k

-loge)P(b

)|P(bog)|P(b

s

s2

1ss

kk

ala =0

得到logeC

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Ch4: Channel4. 2 Capacity of a memoryless channel

Example 4.2a

)P(b

)|P(bog)|P(b

s

s2

1ss

kk

ala

logeC

)P(b

log)P(b

-1log-1

21

當 p1=1/2, p2=1/2

-1log-1log1

log-1-1log-11/2

log1/2

-1log-1

1/2)P(b1/2,)P(b 21

K=1

-1log-1log1C

K=2 亦同

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Ch4: Channel4. 2 Capacity of a memoryless channel

Example 4.2b0 0

1 1

1-ε

1-ε

ε

ε

Aa1=0a2=1

Bb1=0b2=1b3=2

2

-loge)P(b

)|P(bog)|P(b

s

s3

1ss

kk

ala =0

得到 logeC

已知

)P(b

)|P(bog)|P(b

s

s3

1ss

kk

ala

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Ch4: Channel4. 2 Capacity of a memoryless channel

Example 4.2b0 0

1 1

1-ε

1-ε

ε

ε

Aa1=0a2=1

Bb1=0b2=1b3=2

2

得到

1log

12

11

og1 lC

-12

1)P(b,)P(b,-1

2

1)P(b 321

log1

2

11

og1

lK=1 K=2 亦同

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Ch4: Channel4. 2 Capacity of a memoryless channel

Example 4.2c0 0

1

1

1

1-ε

1/2

1/2

Aa1=0a2=1a3=2

Bb1=0b2=1

2

-loge)P(b

)|P(bog)|P(b

s

s2

1ss

kk

ala =0

得到 logeC

已知

)P(b

)|P(bog)|P(b

s

s2

1ss

kk

ala

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Ch4: Channel4. 2 Capacity of a memoryless channel

Example 4.2c0 0

1

1

1

1-ε

1/2

1/2

Aa1=0a2=1a3=2

Bb1=0b2=1

2

得到 1C

2

1)P(b,

2

1)P(b 21

)P(b

)|P(bog)|P(b

s

s2

1ss

kk

ala

K=11

2

11

og1 l K=2 02/1

2/1og

2

1

2/1

2/1og

2

1 ll K=3

1

2

11

og1 l

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Ch4: Channel4. 3 Convexity

Theorem 4.3a The mutual information is a concave function of the input probability, i.e.

.10for

)p)1(pI())I(p-(1)I(p (1)(0)(1)(0)

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Ch4: Channel4. 3 Convexity

Theorem 4.3b I(p) is a maximum (equal to the channel capacity) if, and only if, p is such that

.0pfor which k every for I(p)p

(b)

.0pfor which k every for I(p)p

(a)

kk

kk

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Ch4: Channel4. 5 Uniqueness

Theorem 4.5a The output probabilities which correspond to the capacity of the channel are unique.

Theorem 4.5b In an input which achieves capacity with the largest number of zero probabilies, the non-zero probabilities are determined uniquely and their number does not exceed the number of output letters.

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Ch4: Channel練習

0 0

1 1

1

1

Aa1=0a2=1

Bb1=0b2=1

Noiseless binary channel

C=1 bit

Noise channel with nonoverlapping output

01

1

2

1/2

2/3

1/2

1/3

Aa1=0a2=1

Bb1=1b2=2b3=3b4=4

3

4

C=1 bit

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Ch4: Channel練習

Noisy typewriter

0 0

1 1

1/2

1/2

1/21/2A

a1=0a2=1a3=2a4=3

Bb1=0b2=1b3=2b4=3

2

3

C=1 bit2

3

1/2

1/2

1/2

1/2

26 字母 C=log13 bits

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Ch4: Channel練習

Binary symmetric channel

I(A,B)=H(B)-H(B|A) ≦ 1-H(B|A)

0 0

1 1

1-ε

1-ε

ε

ε

Aa1=0a2=1

Bb1=0b2=1

-1log-1log1

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Ch4: Channel練習

Binary erasure channel

I(A,B)=H(B)-H(B|A)

0 0

1

1

1-ε

1-ε

ε

ε

Aa1=0a2=1

Bb1=0b2=1b3=2

)|()1)(1log()1)(1(log)1(log)1(p ABHppp

2

p=1/2 I(A,B)=1-ε

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Ch4: Channel練習

Z channel

0 0

1 1

1

1/2

1/2Aa1=0a2=1

Bb1=0b2=1

epp

e

log)1(

2/1log

2

1

)0(

2/1log

2

1

logp(0)

11log

0)1(log

2

1)0(log

2

1-1 pp

1)1()0( and )1(4)0( pppp

2-log5C 4/5)0( p

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Ch4: Channel4. 6 Transmission properties

I(A, B)=H(A)-H(A|B)

Shannon’s theorem I.If H(A) C, there is a code such that transmission over the channel is ≦possible with an arbitrarily small number of errors, i.e. the equivocation is arbitrarily

Shannon’s theorem II.If H(A) > C, there is no code for which the equivocation is less than H(A)-C but there is one for which the equivocation is less than H(A)-C+ε where ε is an arbitrary positive quantity.

the equivocation: measure of the uncertainty as to what was sent when observations are made on the output and so assesses the effect of noise during transmission.

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Ch4: Channel4. 7 Channels in cascade

Channel 1 Channel 2A B C

)P()|P(b)P(bn

1kss kk aa

)P()|P(bP(b) aa

)P()|P(cP(c) bb

)P()|P(b)|P(cP(c) aab

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Ch4: Channel4. 7 Channels in cascade

0 0

1 1

3/4

3/4

1/4

1/4

0

1

3/4

3/4

1/4

1/4

A BC

5/8 3/8

3/8 5/8

10/16 6/16

6/16 10/16

3/4 1/4

1/4 3/4

3/4 1/4

1/4 3/4

0 0

1 1

5/8

5/8

3/8

3/8

A C

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Ch4: Channel4. 7 Channels in cascade

0 0

1 1

5/8

5/8

3/8

3/8

A C

ePP

log)1(

8/3log

8

3

)0(

8/5log

8

5

ePP

log)1(

8/5log

8

5

)0(

8/3log

8

3

)1()0( PP

25log8

53log

8

3

2/1

8/5log

8

5

2/1

8/3log

8

3C

23log8

35log

8

5

8

3log

8

3

8

5log

8

51)

8

3,

8

5(H2log C

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Ch4: Channel4. 7 Channels in cascade

The transition probabilities pjk of an infinite cascade are given by

0 2

1

2

12

1 0

2

12

1

2

1 0

3

1

3

1

3

13

1

3

1

3

13

1

3

1

3

1