“信息论基础”实验教学内容仿真系统

王燕妮，周军妮，王慧琴，赵素文

收稿日期：2018-01-19

基金项目：西安建筑科技大学校级教学改革项目（JG021621）；陕西省自然科学基础研究计划项目（2016JM6079）

作者簡介：王燕妮（1975-），女，陕西蒲城人，副教授，主要从事信息论和信号处理等方面的教学及研究工作.

摘 要：为了更好地展示“信息论基础”课程的重要性，使学生理解与掌握该课程的主要内容，分析并设计基于MATLAB的信息编码软件仿真系统。以通信工程信息处理理论中的信源编码为主线，建立容易理解且容易操作的模块式仿真教学平台。采用MATLAB中图形用户界面，设计操作按钮和输入文本等界面，通过软件编程可以实现信源压缩编码方法中的香农信息编码、离散费诺编码和霍夫曼最佳编码以及连续信源编码方法中的均匀信息编码与非均匀量化编码。实验系统的工作参数可以人工调整，根据参数的不同自动发生变化，方便学生全面观察通信系统工作过程。该仿真系统不仅能模拟信源、信道等各个部分的工作过程和结果，还能对过程和结果进行分析。

关键词：通信工程；信息论；实验教学；信源编码；图形用户界面

中图分类号：TN 911.2 文献标识码：A 文章编号：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

随着信息技术的迅猛发展，信息的快速准确处理与传输已经是全民高度关注的主要热点之一，因此全国范围内各大高校信息工程类的人才培养计划则同样受到了密切关注。“信息论基础”是信息工程类学科的专业基础课程，其课程建设的效果与该专业对学生的培养质量有直接关系，同时影响到信息类专业学科的建设[1]。

学生认识上的片面性[2]。通常学生在学习信息论基础课程的过程中，会把信息论课程与自己专业内的其他专业基础课程相比较，这样则感觉信息论课程的理论知识太强，对于一名工程类的学生来说，可能在工程应用方面会不实用，这样则导致学生不够重视这门课程[3-4]。

开设实验教学存在困难。“信息论基础”课程的大部分教学内容是比较抽象的，对于概率论与数理统计、随机过程、高等数学等数学基础知识的要求比较高[5]。在学习过程中，由于该课程的理论与生活中的细节问题相差较远，学生的实践环节和开发能力环节较少等，实验很难开展[6-7]。

因此，将结合学生自身能力，从信息工程类专业的特点考虑，设计容易理解、方便实用的“信息论基础”课程仿真教学系统，依据学生的实际学习情况，将启发学生综合实践操作能力和信息论基础课程的特点结合起来，从低级别到高级别逐步学习、理解并完成与课程内容进度一致的相关实验，把理论知识和学生实践之间的环节连接起来。

1 软件实验系统设计

“信息论基础”课程的软件实验教学部分，将选用MATLAB语言进行设计。采用其环境中的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）设置、编写、分析信源編码的输入与输出等信息变量。在此基础上，拓展设计并完成各种离散输入信号的压缩编码与连续输入信号的压缩编码。在设置好的图形用户界面，学生只需要快捷地输入需要操作的文本信息，选择所需的信源编码方法，软件系统将根据后台编程自动完成编码处理的过程，输出该编码方法的信息熵、效率、平均码长以及各个信源所对应的码字，同时可以通过编程对输出的编码效率进行比较，选择较好的编码方法。

1.1 实验平台的搭建

该信息论实验仿真教学系统采用简单操作到复杂训练、基础理论理解到综合知识应用的设计思路，建立由低层次到高层次分段式的操作型验证性实验、引导型设计性实验和综合型应用性实验教学体系。

该实验平台教学系统可以根据信息论基础课程的理论知识及拓展教学环节，将实验平台分为课内实验和课外选做实验2部分。其中课内实验为必做性实验，基本属于验证性实验，内容主要包括有离散信源信息量的计算、信息熵的计算；无失真、有失真离散信源以及输入连续信源的编码；信道容量的计算问题和信道编码等模块的实验演示。课外的选做实验部分以生活中实践认知为出发点，选用和信息论内容相关的综合应用实例，以培养学生灵活应用、综合开发能力为主，针对性地开设启发与设计一体的综合性实验，内容包括有数字图像的压缩编码、视频图像信息的编码、语音信号的编码等综合性实验[8]。在以上的两部分实验中，其中必做实验为基础，而选做实验是开拓学生视野以及锻炼灵活应用能力的综合性实验。

1.2 实验系统操作界面设计

实验操作系统分为两大部分，分别是离散信源的编码体系和连续信源的编码体系。离散信源的编码体系有香农信息编码方法、霍夫曼信息编码方法、费诺信息编码方法和算术信源编码方法等；连续信源的编码体系则分为均匀编码和非均匀编码。编码即是将信息的输出形式进行变换，用尽可能少的码字符号来表示更多的信息量，使信道可以传输、接收端可以识别。

输入信源在发出以后，由于信源自身结构、知识等冗余，各个信息符号之间存在有很多的时间和空间相关性，信源编码则是减少冗余信息，以最少的码字符号表示最多的信息量，提高信息传递效率。信源编码系统根据信源符号之间的制约特点，找到一种高效地表示信号的方式，在此可以通过去除相关性和高概率低码长的方法来实现。

首先在MATLAB中新建一个GUI界面；然后在新界面上分别添加离散信源编码和连续信源编码需要的输入控件、输出控件和控制控件；最后调整控件位置并且给输入控件赋初值完成GUI初始界面设计。系统界面设计流程图如图1所示。

打开MATLAB软件，点击File选择New再选择GUI就会弹出GUIDE Quick Start界面如图2所示。该界面最上方有两个选项，其中的一个是Create New GUI，选项功能是建立一个新的GUI界面。选项下边对应着建立新的GUI界面的类型选择Blank GUI（Default），点击OK键就可以建立一个新的空白编辑状态下的GUI界面。在界面中添加一个静态文本框控件，编辑控件String属性和FontSize属性，分别为“MATLAB信源编码实验界面”和“18”，即改变静态文本框中的内容和内容字号的大小。另一个选项是Open Existing GUI，即进入已存在的GUI界面编辑状态。点击该选项选择一个GUI界面，打开后可以对已有的GUI界面再次编辑。

在新建立的GUI“MATLAB信源编码实验界面”仿真平台中，按顺序补充离散信源的编码和连续信源的编码控件，实现平台操作界面的设计。

根据信源编码原理，离散信源的输入有2个变量，分别是符号的个数N和各自符号的概率p，因此需要在离散信源编码的用户界面中设置N和p按钮。选取两个文本控件作为符号个数N和概率p的按钮框；然后分别选择控件框，并将其标识为香农信息编码、费诺编码和霍夫曼压缩编码，实现以上各种信源编码。由于编码的评价需要计算客观指标，以此来比较各种编码的优良率。客观指标通常包括编码效率、平均码长等。在该实验系统平台上，分别设置输入信源的熵、编码的效率、平均码长等向量显示框。

若输入为连续信源，其信息变量则包含信号的幅值，可采用变量a表示，频率通常采用变量f表示，相位用p表示，量化电平采用d表示。与以上离散信源同样的方法，在用户界面设置相应的按钮控件，来表示四个输入向量。由于信源为连续信源，还需设置两个控件框，表示为均匀编码和非均匀编码。采用控件按钮可以观察输出的信息，包括信源编码后的码字符号和量化误差等。根据以上设计思想，完成操作界面的设置如图3所示。

2 软件实现

实践操作界面设计完成后，需要对界面中每一个编码控制控件进行程序编写以完成整个信源编码系统验证。

信源编码实现的总流程图如图4所示。

离散信源编码实现流程图如图5所示。

在离散信源编码中，读取信源个数和各符号的概率，首先判断符号概率是否正确，即判断概率是否满足完备集。如果符号概率不满足完备集的概念，则弹出错误界面，并提示重新输入符号。如果符号概率正确，则继续执行以下操作。选择不同的编码方法，例如香农编码、费诺编码、霍夫曼编码等，根据计算输出相应的信息熵、码字符号、平均码长和编码效率等客观指标。

在设置好的“信息论基础”实践教学平台界面上点击“信源编码” 按钮，则会自动转入相应的仿真环境，在此学生可以自由选择、查看与信源编码实验相关的实验目的、实验要求、实验原理、实验内容及实验源程序代码，获得相应的分析与帮助。一切就绪之后，按照界面的提示要求，分别输入信源的符号个数与事件的发生概率，则可实现相应的编码运算，同时可以得到符号的码字、平均码长等。通过“性能分析”按钮，可以获得编码效率，实验结果如图6所示。

如果顺利完成了课程要求的课内必做实验后，学生可以自测自己的学习掌握情况，自己设计并编写一些基本的信源编码实例，并接着选择课外实验部分。学生有了一定的实验基础，在相对轻松的环境下选做实验，有利于发挥潜在的创新能力。

3 结 语

“信息论基础”课程的实验教学体系包括该课程的操作性验证性实验、引导型设计性实验和综合型应用性实验，使学生在充分理解、掌握课程基本知识，同时又适当地引导学生进行设计性实验，启发学生的创新性思维。该课程的软件教学实验及实践环节培养学生的自导学习能力、应用开发能力以及协作沟通精神，创造良好的学习氛围，并能够让学生初步了解如何做科研，并培养学术道德。

参考文献：

[1] 曹红梅，张 涛.仿真实验在信息论与编码课程中的应用[J].实验室科学，2014，17（04）：97100.

[2] 傅祖芸，赵建中.信息论与编码（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2014.

[3] 张小峰，逄 珊，邹海林.信息论与编码的教学改革探讨[J].计算机教育，2011（13）：1114.

[4] 张正言，田雨波，张 冰.M ATLAB在“信息论与编码”实验教学中的应用[J].实验室科学，2010，13（03）：109112.

[5] 郭里婷.“信息论与编码”实验教学的探讨[J].电气电子教学学报，2012，34（03）：7980.

[6] 张正言，黄炜嘉，张 冰.信息论与编码实验教学平台的设计[J].现代电子技术，2011，34（03）：191193.

[7]杨晓萍，钱志鸿，高 博.信息论教学内容和方法的改革[J].电气电子教学学报，2012，34（03）：3638.

[8] 霍剑青.应用信息技术培养创新型人才实验教学模式的思考与实践[J].物理与工程，2013，23（06）：2629+37.

（责任编辑：张 江）