“信息論基礎”實驗教學內容仿真系統

王燕妮，周軍妮，王慧琴，趙素文

收稿日期：2018-01-19

基金項目：西安建筑科技大學校級教學改革項目（JG021621）；陜西省自然科學基礎研究計劃項目（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及研究工作.

摘 要：為了更好地展示“信息論基礎”課程的重要性，使學生理解與掌握該課程的主要內容，分析并設計基于MATLAB的信息編碼軟件仿真系統。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平臺。采用MATLAB中圖形用戶界面，設計操作按鈕和輸入文本等界面，通過軟件編程可以實現信源壓縮編碼方法中的香農信息編碼、離散費諾編碼和霍夫曼最佳編碼以及連續信源編碼方法中的均勻信息編碼與非均勻量化編碼。實驗系統的工作參數可以人工調整，根據參數的不同自動發生變化，方便學生全面觀察通信系統工作過程。該仿真系統不僅能模擬信源、信道等各個部分的工作過程和結果，還能對過程和結果進行分析。

關鍵詞：通信工程；信息論；實驗教學；信源編碼；圖形用戶界面

中圖分類號：TN 911.2 文獻標識碼：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，Feno 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

隨著信息技術的迅猛發展，信息的快速準確處理與傳輸已經是全民高度關注的主要熱點之一，因此全國范圍內各大高校信息工程類的人才培養計劃則同樣受到了密切關注。“信息論基礎”是信息工程類學科的專業基礎課程，其課程建設的效果與該專業對學生的培養質量有直接關系，同時影響到信息類專業學科的建設[1]。

學生認識上的片面性[2]。通常學生在學習信息論基礎課程的過程中，會把信息論課程與自己專業內的其他專業基礎課程相比較，這樣則感覺信息論課程的理論知識太強，對于一名工程類的學生來說，可能在工程應用方面會不實用，這樣則導致學生不夠重視這門課程[3-4]。

開設實驗教學存在困難。“信息論基礎”課程的大部分教學內容是比較抽象的，對于概率論與數理統計、隨機過程、高等數學等數學基礎知識的要求比較高[5]。在學習過程中，由于該課程的理論與生活中的細節問題相差較遠，學生的實踐環節和開發能力環節較少等，實驗很難開展[6-7]。

因此，將結合學生自身能力，從信息工程類專業的特點考慮，設計容易理解、方便實用的“信息論基礎”課程仿真教學系統，依據學生的實際學習情況，將啟發學生綜合實踐操作能力和信息論基礎課程的特點結合起來，從低級別到高級別逐步學習、理解并完成與課程內容進度一致的相關實驗，把理論知識和學生實踐之間的環節連接起來。

1 軟件實驗系統設計

“信息論基礎”課程的軟件實驗教學部分，將選用MATLAB語言進行設計。采用其環境中的圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）設置、編寫、分析信源編碼的輸入與輸出等信息變量。在此基礎上，拓展設計并完成各種離散輸入信號的壓縮編碼與連續輸入信號的壓縮編碼。在設置好的圖形用戶界面，學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，軟件系統將根據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的碼字，同時可以通過編程對輸出的編碼效率進行比較，選擇較好的編碼方法。

1.1 實驗平臺的搭建

該信息論實驗仿真教學系統采用簡單操作到復雜訓練、基礎理論理解到綜合知識應用的設計思路，建立由低層次到高層次分段式的操作型驗證性實驗、引導型設計性實驗和綜合型應用性實驗教學體系。

該實驗平臺教學系統可以根據信息論基礎課程的理論知識及拓展教學環節，將實驗平臺分為課內實驗和課外選做實驗2部分。其中課內實驗為必做性實驗，基本屬于驗證性實驗，內容主要包括有離散信源信息量的計算、信息熵的計算；無失真、有失真離散信源以及輸入連續信源的編碼；信道容量的計算問題和信道編碼等模塊的實驗演示。課外的選做實驗部分以生活中實踐認知為出發點，選用和信息論內容相關的綜合應用實例，以培養學生靈活應用、綜合開發能力為主，針對性地開設啟發與設計一體的綜合性實驗，內容包括有數字圖像的壓縮編碼、視頻圖像信息的編碼、語音信號的編碼等綜合性實驗[8]。在以上的兩部分實驗中，其中必做實驗為基礎，而選做實驗是開拓學生視野以及鍛煉靈活應用能力的綜合性實驗。

1.2 實驗系統操作界面設計

實驗操作系統分為兩大部分，分別是離散信源的編碼體系和連續信源的編碼體系。離散信源的編碼體系有香農信息編碼方法、霍夫曼信息編碼方法、費諾信息編碼方法和算術信源編碼方法等；連續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。

輸入信源在發出以后，由于信源自身結構、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。信源編碼系統根據信源符號之間的制約特點，找到一種高效地表示信號的方式，在此可以通過去除相關性和高概率低碼長的方法來實現。

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信源編碼需要的輸入控件、輸出控件和控制控件；最后調整控件位置并且給輸入控件賦初值完成GUI初始界面設計。系統界面設計流程圖如圖1所示。

打開MATLAB軟件，點擊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，其中的一個是Create New GUI，選項功能是建立一個新的GUI界面。選項下邊對應著建立新的GUI界面的類型選擇Blank GUI（Default），點擊OK鍵就可以建立一個新的空白編輯狀態下的GUI界面。在界面中添加一個靜態文本框控件，編輯控件String屬性和FontSize屬性，分別為“MATLAB信源編碼實驗界面”和“18”，即改變靜態文本框中的內容和內容字號的大小。另一個選項是Open Existing GUI，即進入已存在的GUI界面編輯狀態。點擊該選項選擇一個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信源編碼實驗界面”仿真平臺中，按順序補充離散信源的編碼和連續信源的編碼控件，實現平臺操作界面的設計。

根據信源編碼原理，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置N和p按鈕。選取兩個文本控件作為符號個數N和概率p的按鈕框；然后分別選擇控件框，并將其標識為香農信息編碼、費諾編碼和霍夫曼壓縮編碼，實現以上各種信源編碼。由于編碼的評價需要計算客觀指標，以此來比較各種編碼的優良率。客觀指標通常包括編碼效率、平均碼長等。在該實驗系統平臺上，分別設置輸入信源的熵、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，在用戶界面設置相應的按鈕控件，來表示四個輸入向量。由于信源為連續信源，還需設置兩個控件框，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。根據以上設計思想，完成操作界面的設置如圖3所示。

2 軟件實現

實踐操作界面設計完成后，需要對界面中每一個編碼控制控件進行程序編寫以完成整個信源編碼系統驗證。

信源編碼實現的總流程圖如圖4所示。

離散信源編碼實現流程圖如圖5所示。

在離散信源編碼中，讀取信源個數和各符號的概率，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，則繼續執行以下操作。選擇不同的編碼方法，例如香農編碼、費諾編碼、霍夫曼編碼等，根據計算輸出相應的信息熵、碼字符號、平均碼長和編碼效率等客觀指標。

在設置好的“信息論基礎”實踐教學平臺界面上點擊“信源編碼” 按鈕，則會自動轉入相應的仿真環境，在此學生可以自由選擇、查看與信源編碼實驗相關的實驗目的、實驗要求、實驗原理、實驗內容及實驗源程序代碼，獲得相應的分析與幫助。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與事件的發生概率，則可實現相應的編碼運算，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，實驗結果如圖6所示。

如果順利完成了課程要求的課內必做實驗后，學生可以自測自己的學習掌握情況，自己設計并編寫一些基本的信源編碼實例，并接著選擇課外實驗部分。學生有了一定的實驗基礎，在相對輕松的環境下選做實驗，有利于發揮潛在的創新能力。

3 結 語

“信息論基礎”課程的實驗教學體系包括該課程的操作性驗證性實驗、引導型設計性實驗和綜合型應用性實驗，使學生在充分理解、掌握課程基本知識，同時又適當地引導學生進行設計性實驗，啟發學生的創新性思維。該課程的軟件教學實驗及實踐環節培養學生的自導學習能力、應用開發能力以及協作溝通精神，創造良好的學習氛圍，并能夠讓學生初步了解如何做科研，并培養學術道德。

參考文獻：

[1] 曹紅梅，張 濤.仿真實驗在信息論與編碼課程中的應用[J].實驗室科學，2014，17（04）：97100.

[2] 傅祖蕓，趙建中.信息論與編碼（第2版）[M].北京：電子工業出版社，2014.

[3] 張小峰，逄 珊，鄒海林.信息論與編碼的教學改革探討[J].計算機教育，2011（13）：1114.

[4] 張正言，田雨波，張 冰.M ATLAB在“信息論與編碼”實驗教學中的應用[J].實驗室科學，2010，13（03）：109112.

[5] 郭里婷.“信息論與編碼”實驗教學的探討[J].電氣電子教學學報，2012，34（03）：7980.

[6] 張正言，黃煒嘉，張 冰.信息論與編碼實驗教學平臺的設計[J].現代電子技術，2011，34（03）：191193.

[7]楊曉萍，錢志鴻，高 博.信息論教學內容和方法的改革[J].電氣電子教學學報，2012，34（03）：3638.

[8] 霍劍青.應用信息技術培養創新型人才實驗教學模式的思考與實踐[J].物理與工程，2013，23（06）：2629+37.

（責任編輯：張 江）