“信息論基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容仿真系統(tǒng)

王燕妮，周軍妮，王慧琴，趙素文

收稿日期：2018-01-19

基金項(xiàng)目：西安建筑科技大學(xué)校級教學(xué)改革項(xiàng)目（JG021621）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2016JM6079）

作者簡介：王燕妮（1975-），女，陜西蒲城人，副教授，主要從事信息論和信號處理等方面的教學(xué)及研究工作.

摘 要：為了更好地展示“信息論基礎(chǔ)”課程的重要性，使學(xué)生理解與掌握該課程的主要內(nèi)容，分析并設(shè)計(jì)基于MATLAB的信息編碼軟件仿真系統(tǒng)。以通信工程信息處理理論中的信源編碼為主線，建立容易理解且容易操作的模塊式仿真教學(xué)平臺。采用MATLAB中圖形用戶界面，設(shè)計(jì)操作按鈕和輸入文本等界面，通過軟件編程可以實(shí)現(xiàn)信源壓縮編碼方法中的香農(nóng)信息編碼、離散費(fèi)諾編碼和霍夫曼最佳編碼以及連續(xù)信源編碼方法中的均勻信息編碼與非均勻量化編碼。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作參數(shù)可以人工調(diào)整，根據(jù)參數(shù)的不同自動發(fā)生變化，方便學(xué)生全面觀察通信系統(tǒng)工作過程。該仿真系統(tǒng)不僅能模擬信源、信道等各個部分的工作過程和結(jié)果，還能對過程和結(jié)果進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：通信工程；信息論；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；信源編碼；圖形用戶界面

中圖分類號：TN 911.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7312（2018）04-0478-04A Simulation System of the Experimental Teaching Content

of Basic Information TheoryWANG Yanni，ZHOU Junni，WANG Huiqin，ZHAO Suwen

（School of Information and Control Engineering，Xian University of Arch.and Techology，Xian 710055，China）

Abstract：In order to make students recognize the important value of “information theory” course，understand and grasp the important content of course，a source encoding software system based on MATLAB is designed.Taking the information theory knowledge system of communication engineering as the main line，the comprehensive modular practice teaching platform is constructed.Using graphical user interface，the paper set the text input box and button operation，achieved Shannon encoding，F(xiàn)eno encoding and Huffman encoding of discrete signal source encoding method and uniform quantization encoding，nonuniform quantization encoding of continuous source encoding method.The parameters of the experimental system can be adjusted manually and automatically changed according to the parameters.It is convenient for students to observe the working process of the communication system comprehensively.The simulation system can not only simulate the process and results of each part of the source，but also analyze the process and the result.

Key words：communication engineering；information theory；experimental teaching；source coding；graphical user interface

0 引 言

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，信息的快速準(zhǔn)確處理與傳輸已經(jīng)是全民高度關(guān)注的主要熱點(diǎn)之一，因此全國范圍內(nèi)各大高校信息工程類的人才培養(yǎng)計(jì)劃則同樣受到了密切關(guān)注?！靶畔⒄摶A(chǔ)”是信息工程類學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其課程建設(shè)的效果與該專業(yè)對學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量有直接關(guān)系，同時影響到信息類專業(yè)學(xué)科的建設(shè)[1]。

學(xué)生認(rèn)識上的片面性[2]。通常學(xué)生在學(xué)習(xí)信息論基礎(chǔ)課程的過程中，會把信息論課程與自己專業(yè)內(nèi)的其他專業(yè)基礎(chǔ)課程相比較，這樣則感覺信息論課程的理論知識太強(qiáng)，對于一名工程類的學(xué)生來說，可能在工程應(yīng)用方面會不實(shí)用，這樣則導(dǎo)致學(xué)生不夠重視這門課程[3-4]。

開設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在困難?！靶畔⒄摶A(chǔ)”課程的大部分教學(xué)內(nèi)容是比較抽象的，對于概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過程、高等數(shù)學(xué)等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識的要求比較高[5]。在學(xué)習(xí)過程中，由于該課程的理論與生活中的細(xì)節(jié)問題相差較遠(yuǎn)，學(xué)生的實(shí)踐環(huán)節(jié)和開發(fā)能力環(huán)節(jié)較少等，實(shí)驗(yàn)很難開展[6-7]。

因此，將結(jié)合學(xué)生自身能力，從信息工程類專業(yè)的特點(diǎn)考慮，設(shè)計(jì)容易理解、方便實(shí)用的“信息論基礎(chǔ)”課程仿真教學(xué)系統(tǒng)，依據(jù)學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)情況，將啟發(fā)學(xué)生綜合實(shí)踐操作能力和信息論基礎(chǔ)課程的特點(diǎn)結(jié)合起來，從低級別到高級別逐步學(xué)習(xí)、理解并完成與課程內(nèi)容進(jìn)度一致的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，把理論知識和學(xué)生實(shí)踐之間的環(huán)節(jié)連接起來。

1 軟件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“信息論基礎(chǔ)”課程的軟件實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分，將選用MATLAB語言進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用其環(huán)境中的圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）設(shè)置、編寫、分析信源編碼的輸入與輸出等信息變量。在此基礎(chǔ)上，拓展設(shè)計(jì)并完成各種離散輸入信號的壓縮編碼與連續(xù)輸入信號的壓縮編碼。在設(shè)置好的圖形用戶界面，學(xué)生只需要快捷地輸入需要操作的文本信息，選擇所需的信源編碼方法，軟件系統(tǒng)將根據(jù)后臺編程自動完成編碼處理的過程，輸出該編碼方法的信息熵、效率、平均碼長以及各個信源所對應(yīng)的碼字，同時可以通過編程對輸出的編碼效率進(jìn)行比較，選擇較好的編碼方法。

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺的搭建

該信息論實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)系統(tǒng)采用簡單操作到復(fù)雜訓(xùn)練、基礎(chǔ)理論理解到綜合知識應(yīng)用的設(shè)計(jì)思路，建立由低層次到高層次分段式的操作型驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、引導(dǎo)型設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合型應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

該實(shí)驗(yàn)平臺教學(xué)系統(tǒng)可以根據(jù)信息論基礎(chǔ)課程的理論知識及拓展教學(xué)環(huán)節(jié)，將實(shí)驗(yàn)平臺分為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課外選做實(shí)驗(yàn)2部分。其中課內(nèi)實(shí)驗(yàn)為必做性實(shí)驗(yàn)，基本屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容主要包括有離散信源信息量的計(jì)算、信息熵的計(jì)算；無失真、有失真離散信源以及輸入連續(xù)信源的編碼；信道容量的計(jì)算問題和信道編碼等模塊的實(shí)驗(yàn)演示。課外的選做實(shí)驗(yàn)部分以生活中實(shí)踐認(rèn)知為出發(fā)點(diǎn)，選用和信息論內(nèi)容相關(guān)的綜合應(yīng)用實(shí)例，以培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用、綜合開發(fā)能力為主，針對性地開設(shè)啟發(fā)與設(shè)計(jì)一體的綜合性實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容包括有數(shù)字圖像的壓縮編碼、視頻圖像信息的編碼、語音信號的編碼等綜合性實(shí)驗(yàn)[8]。在以上的兩部分實(shí)驗(yàn)中，其中必做實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，而選做實(shí)驗(yàn)是開拓學(xué)生視野以及鍛煉靈活應(yīng)用能力的綜合性實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作界面設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)分為兩大部分，分別是離散信源的編碼體系和連續(xù)信源的編碼體系。離散信源的編碼體系有香農(nóng)信息編碼方法、霍夫曼信息編碼方法、費(fèi)諾信息編碼方法和算術(shù)信源編碼方法等；連續(xù)信源的編碼體系則分為均勻編碼和非均勻編碼。編碼即是將信息的輸出形式進(jìn)行變換，用盡可能少的碼字符號來表示更多的信息量，使信道可以傳輸、接收端可以識別。

輸入信源在發(fā)出以后，由于信源自身結(jié)構(gòu)、知識等冗余，各個信息符號之間存在有很多的時間和空間相關(guān)性，信源編碼則是減少冗余信息，以最少的碼字符號表示最多的信息量，提高信息傳遞效率。信源編碼系統(tǒng)根據(jù)信源符號之間的制約特點(diǎn)，找到一種高效地表示信號的方式，在此可以通過去除相關(guān)性和高概率低碼長的方法來實(shí)現(xiàn)。

首先在MATLAB中新建一個GUI界面；然后在新界面上分別添加離散信源編碼和連續(xù)信源編碼需要的輸入控件、輸出控件和控制控件；最后調(diào)整控件位置并且給輸入控件賦初值完成GUI初始界面設(shè)計(jì)。系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

打開MATLAB軟件，點(diǎn)擊File選擇New再選擇GUI就會彈出GUIDE Quick Start界面如圖2所示。該界面最上方有兩個選項(xiàng)，其中的一個是Create New GUI，選項(xiàng)功能是建立一個新的GUI界面。選項(xiàng)下邊對應(yīng)著建立新的GUI界面的類型選擇Blank GUI（Default），點(diǎn)擊OK鍵就可以建立一個新的空白編輯狀態(tài)下的GUI界面。在界面中添加一個靜態(tài)文本框控件，編輯控件String屬性和FontSize屬性，分別為“MATLAB信源編碼實(shí)驗(yàn)界面”和“18”，即改變靜態(tài)文本框中的內(nèi)容和內(nèi)容字號的大小。另一個選項(xiàng)是Open Existing GUI，即進(jìn)入已存在的GUI界面編輯狀態(tài)。點(diǎn)擊該選項(xiàng)選擇一個GUI界面，打開后可以對已有的GUI界面再次編輯。

在新建立的GUI“MATLAB信源編碼實(shí)驗(yàn)界面”仿真平臺中，按順序補(bǔ)充離散信源的編碼和連續(xù)信源的編碼控件，實(shí)現(xiàn)平臺操作界面的設(shè)計(jì)。

根據(jù)信源編碼原理，離散信源的輸入有2個變量，分別是符號的個數(shù)N和各自符號的概率p，因此需要在離散信源編碼的用戶界面中設(shè)置N和p按鈕。選取兩個文本控件作為符號個數(shù)N和概率p的按鈕框；然后分別選擇控件框，并將其標(biāo)識為香農(nóng)信息編碼、費(fèi)諾編碼和霍夫曼壓縮編碼，實(shí)現(xiàn)以上各種信源編碼。由于編碼的評價(jià)需要計(jì)算客觀指標(biāo)，以此來比較各種編碼的優(yōu)良率。客觀指標(biāo)通常包括編碼效率、平均碼長等。在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺上，分別設(shè)置輸入信源的熵、編碼的效率、平均碼長等向量顯示框。

若輸入為連續(xù)信源，其信息變量則包含信號的幅值，可采用變量a表示，頻率通常采用變量f表示，相位用p表示，量化電平采用d表示。與以上離散信源同樣的方法，在用戶界面設(shè)置相應(yīng)的按鈕控件，來表示四個輸入向量。由于信源為連續(xù)信源，還需設(shè)置兩個控件框，表示為均勻編碼和非均勻編碼。采用控件按鈕可以觀察輸出的信息，包括信源編碼后的碼字符號和量化誤差等。根據(jù)以上設(shè)計(jì)思想，完成操作界面的設(shè)置如圖3所示。

2 軟件實(shí)現(xiàn)

實(shí)踐操作界面設(shè)計(jì)完成后，需要對界面中每一個編碼控制控件進(jìn)行程序編寫以完成整個信源編碼系統(tǒng)驗(yàn)證。

信源編碼實(shí)現(xiàn)的總流程圖如圖4所示。

離散信源編碼實(shí)現(xiàn)流程圖如圖5所示。

在離散信源編碼中，讀取信源個數(shù)和各符號的概率，首先判斷符號概率是否正確，即判斷概率是否滿足完備集。如果符號概率不滿足完備集的概念，則彈出錯誤界面，并提示重新輸入符號。如果符號概率正確，則繼續(xù)執(zhí)行以下操作。選擇不同的編碼方法，例如香農(nóng)編碼、費(fèi)諾編碼、霍夫曼編碼等，根據(jù)計(jì)算輸出相應(yīng)的信息熵、碼字符號、平均碼長和編碼效率等客觀指標(biāo)。

在設(shè)置好的“信息論基礎(chǔ)”實(shí)踐教學(xué)平臺界面上點(diǎn)擊“信源編碼” 按鈕，則會自動轉(zhuǎn)入相應(yīng)的仿真環(huán)境，在此學(xué)生可以自由選擇、查看與信源編碼實(shí)驗(yàn)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)源程序代碼，獲得相應(yīng)的分析與幫助。一切就緒之后，按照界面的提示要求，分別輸入信源的符號個數(shù)與事件的發(fā)生概率，則可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的編碼運(yùn)算，同時可以得到符號的碼字、平均碼長等。通過“性能分析”按鈕，可以獲得編碼效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

如果順利完成了課程要求的課內(nèi)必做實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生可以自測自己的學(xué)習(xí)掌握情況，自己設(shè)計(jì)并編寫一些基本的信源編碼實(shí)例，并接著選擇課外實(shí)驗(yàn)部分。學(xué)生有了一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，在相對輕松的環(huán)境下選做實(shí)驗(yàn)，有利于發(fā)揮潛在的創(chuàng)新能力。

3 結(jié) 語

“信息論基礎(chǔ)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系包括該課程的操作性驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、引導(dǎo)型設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合型應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在充分理解、掌握課程基本知識，同時又適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維。該課程的軟件教學(xué)實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的自導(dǎo)學(xué)習(xí)能力、應(yīng)用開發(fā)能力以及協(xié)作溝通精神，創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍，并能夠讓學(xué)生初步了解如何做科研，并培養(yǎng)學(xué)術(shù)道德。

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（責(zé)任編輯：張 江）