- •1. Элементы теории передачи информации
- •1.1. Информация, сообщение, сигнал
- •1.2. Преобразование непрерывных сообщений в цифровую форму *)
- •1.3. Обобщенная структурная схема системы связи. Канал связи.
- •1.4. Информационные характеристики источника дискретных сообщений и канала связи
- •1.4.1. Количественная оценка информации
- •1.4.2. Свойства энтропии источника дискретных сообщений
- •1.4.3. Избыточность сообщений
- •1.5. Скорость передачи информации по дискретному каналу. Пропускная способность
- •1.6. Согласование физических характеристик сигнала и канала связи
- •Vc и vk можно представить в трехмерном пространстве.
1.4.2. Свойства энтропии источника дискретных сообщений
Перечислим основные свойства энтропии:
энтропия неотрицательна;
энтропия равна нулю для вырожденного ансамбля, когда одно сообщение передается с вероятностью 1, а остальные имеют нулевую вероятность;
энтропия аддитивна (смысл этого свойства рассмотрен выше);
если ансамбль содержит N различных сообщений, то
H(U) logN, (1.8)
причем равенство имеет место только тогда, когда все сообщения передаются равновероятно и независимо (P(ui)=1/N; i=1, …, N).
Для доказательства последнего свойства воспользуемся неравенством
ln w≤ (w-1). (1.9)
Рассмотрим разность функций, стоящих в левой и правой частях неравенства (1.8). Путем несложных преобразований ее можно представить в виде:
H(U)- logN= Pi log(1/Pi) - Pi logN= Pi log(1/NPi), (1.10)
причем суммирование ведется по i=1, …, N.
Чтобы воспользоваться неравенством (1.9), перейдем в последнем выражении к натуральному основанию логарифма:
H(U)- logN= Pi log(1/NPi)= log e Pi ln(1/NPi). (1.11)
Используя (1.9), преобразуем выражение (1.11). Получим:
H(U)- logN= log e Pi ln(1/NPi) ≤ log e Pi[1/NPi-1]=
=log e (1/N-Pi)=0. (1.12)
Знак равенства в (1.8) имеет место тогда, когда в неравенстве (1.9) w=1. Так как в нашем случае w=1/NPi, то условие w=1 эквивалентно Pi=1/N; i=1, …, N. То есть, H(U)= logN в случае, когда все элементы алфавита появляются на выходе источника равновероятно. Свойство (1.8) доказано.
Анализируя свойство (1.8), можно прийти к выводу, что чем больше объем алфавита источника дискретных сообщений, тем большее количество информации содержится в среднем в одном символе этого алфавита (при условии, что все элементы алфавита появляются на выходе источника равновероятно). Казалось бы, рассмотренный выше алфавит {0,1}, который широко применяется на практике, следует безоговорочно заменить алфавитами с N»2. Однако следует иметь ввиду, что в реальных условиях различение сигналов, которые могут принимать количество значений N»2, осуществить на фоне помех гораздо сложнее, чем в случае, когда сигналы могут принимать только два значения – 0 и 1.
Пример 2.
В теории информации доказывается, что энтропия источника зависимых сообщений всегда меньше энтропии источника независимых сообщений при том же объеме алфавита и тех же безусловных вероятностях сообщений.
Пусть, например, источник выдает последовательность букв из алфавита объемом N=32. Если буквы выбираются равновероятно и независимо друг от друга, то энтропия источника
H(U)= log32=5 [бит].
Однако смысловое содержание такой последовательности букв вряд ли удовлетворит получателя сообщения. Если буквы передаются не хаотически, а составляют связный текст, например, на русском языке, то они оказываются неравновероятными и, главное, зависимыми (так, после гласных не может появиться «ь»; мала вероятность появления 3 гласных или согласных подряд и т.д.). В качестве примера приведем относительные частоты использования некоторых букв русского алфавита в текстах ( в порядке убывания) [4]:
«о» - 0,090;
«е», «ё» - 0,072
«а», «и» - 0,062
«н», «т» - 0,053
…………………
«ц» - 0,004
«щ», «э» - 0,003
«ф» - 0,002.
Как видно из этих данных, различие в частоте появления букв в текстах достигает 45 раз!
Если рассматривать ансамбль текстов русской художественной прозы, то энтропия оказывается меньше 1,5 бит на букву. Еще меньше, около 1 бит на букву, энтропия ансамбля поэтических произведений, так как в них имеются дополнительные вероятностные связи, обусловленные ритмом и рифмами [3].
