??? 摘 要:? 提出了一種基于濾波多音頻(FMT)調(diào)制技術(shù)的自適應(yīng)圖像傳輸" title="圖像傳輸">圖像傳輸方法。通過將自適應(yīng)子載波分配與圖像分割技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在頻率選擇性慢衰落信道" title="衰落信道">衰落信道中高質(zhì)量的圖像傳輸。仿真結(jié)果與理論分析證明該方法相對(duì)于傳統(tǒng)圖像傳輸在接收?qǐng)D像峰值信噪比(PSNR)及接收端" title="接收端">接收端均衡復(fù)雜度方面的優(yōu)勢(shì)。
??? 關(guān)鍵詞:? 圖像傳輸? 濾波多音頻(FMT)?? 峰值信噪比(PSNR)
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??? 未來的無線通信系統(tǒng)需要寬帶、高速的系統(tǒng)性能來滿足如數(shù)據(jù)、聲音、圖像及實(shí)時(shí)視頻之類的高質(zhì)量多媒體傳輸業(yè)務(wù)[1]，高速寬帶的通信方式已成為通信發(fā)展的必然趨勢(shì)。多載波調(diào)制MCM(Multicarrier Modulation)作為一種新型高速的傳輸技術(shù)被人們廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中。
??? MCM技術(shù)相對(duì)于其它調(diào)制技術(shù)的顯著特點(diǎn)是通過多條子信道并行傳輸數(shù)據(jù)。其實(shí)現(xiàn)方法可大體分為子載波相互重疊和非相互重疊兩大類。正交頻分復(fù)用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)和濾波多音頻FMT(Filtered Multitone)是兩類MCM的典型技術(shù)。由于對(duì)信道彌散作用的魯棒性和低的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，OFDM技術(shù)已被用于眾多無線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)中，例如數(shù)字視頻廣播(DVB)、數(shù)字音頻廣播(DAB)、高性能局域網(wǎng)(HIPERLAN/2)及IEEE 802.11a[2]等。而FMT技術(shù)最初提出用于甚高速用戶環(huán)路(VDSL)[3]，則主要被用于有線環(huán)境當(dāng)中。
??? 本文提出了一種基于FMT技術(shù)的有效圖像傳輸方法，通過將自適應(yīng)子信道分配與字節(jié)分割技術(shù)相結(jié)合并將其用于室外無線環(huán)境里，實(shí)現(xiàn)頻率選擇性慢衰落信道中低均衡復(fù)雜度條件下的有效圖像傳輸。
1 系統(tǒng)模型
??? 圖1給出了本文的系統(tǒng)模型。發(fā)送和接收?qǐng)D像的數(shù)據(jù)分別表示為S和R，信源S將根據(jù)不同的重要等級(jí)分為Ng組, Ak為映射之后的符號(hào)，u是采用格雷編碼的映射函數(shù)：
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??? 調(diào)制產(chǎn)生的符號(hào)被送入自適應(yīng)分配單元,作為系統(tǒng)中最重要的單元，其功能是將調(diào)制并分割好的符號(hào)流根據(jù)不同的重要等級(jí)和信道狀態(tài)信息 CSI(Channel State Information)送入相應(yīng)的子信道中，即實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的子信道分配。
??? 經(jīng)過IFFT之后，St(m)為輸出符號(hào)：
??? 
??? 其中M為子載波數(shù)，
是第i個(gè)子信道的調(diào)制符號(hào)。與OFDM不同，St(m)并不是在信道中傳輸?shù)姆?hào)，它們還需經(jīng)過一發(fā)送濾波器組，其中每一個(gè)濾波器都是一擁有高度頻譜約束性原型濾波器(Prototype Filter)的頻移版本。由此可見，F(xiàn)MT技術(shù)較OFDM在抗系統(tǒng)頻偏方面有較大的優(yōu)勢(shì)，與其他噪聲相比，子信道間的ICI在FMT系統(tǒng)中幾乎可以忽略不計(jì)。通過發(fā)送濾波器組的符號(hào)經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后，便得到送入信道的FMT符號(hào)：
??? 
??? 為了建立室外無線信道的仿真環(huán)境，采用了由美國高級(jí)電視技術(shù)中心ATTC(Advanced Television Technology Center)提供的典型數(shù)字電視(Digital Television)信道。方程(4)給出了該信道的時(shí)域沖擊響應(yīng)(CIR)[4]。信道的頻域傳輸函數(shù)如圖2所示。
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??? 由圖2可見，信道的頻率選擇性導(dǎo)致不同的子信道經(jīng)歷的衰落是不相同的，在這里假定信道為慢衰落信道。
??? 接收端，數(shù)據(jù)經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后送入一接收濾波器組（發(fā)送濾波器的匹配濾波器），濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換。為有效消除系統(tǒng)產(chǎn)生的ISI，采用了判決反饋均衡器DFE(Decision Feedback Equalizer)的結(jié)構(gòu)。DFE可由分?jǐn)?shù)間隔均衡器FSE(Fractional Spaced Equalizer)和波特間隔均衡器BSE(Band Spaced Equalizer)兩部分組成。其中FSE的長度應(yīng)大于信道的總長度[5]的二倍(1/2分?jǐn)?shù)間隔的FSE)，而BSE的功能則在于判決并將結(jié)果反饋給FSE。系統(tǒng)中需均衡的信道由兩部分組成，即實(shí)際信道和由發(fā)送濾波器與接收濾波器形成的等效信道，本文采用了兩部分分別均衡的方法。
??? 均衡后的數(shù)據(jù)在送往自適應(yīng)逆分配單元的同時(shí)被用于信道估計(jì)" title="信道估計(jì)">信道估計(jì)，在逆分配單元中數(shù)據(jù)將經(jīng)歷與分配單元相反的處理過程，而信道估計(jì)器將得到的信道狀態(tài)信息分別送給分配單元和逆分配單元。假設(shè)信道估計(jì)是理想的，并忽略計(jì)算和傳輸CSI的時(shí)延。接收?qǐng)D像將在數(shù)據(jù)解調(diào)后重構(gòu)。
2 自適應(yīng)技術(shù)與分割方法
??? （1）FMT系統(tǒng)中的自適應(yīng)信道分配技術(shù)
??? FMT技術(shù)可通過將信道分成若干個(gè)互不重疊并可認(rèn)為平坦衰落子信道的方法實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的并行傳輸。由于原型濾波器高的頻譜約束性，再加之選擇性傳輸(不在處于深衰落的子信道中傳輸數(shù)據(jù))的方法，F(xiàn)MT技術(shù)具有良好的抗系統(tǒng)頻偏和提高系統(tǒng)性能的能力。雖然信道分割技術(shù)被用于FMT技術(shù)中，由于頻率選擇性的影響，不同子信道仍會(huì)擁有不同的信道增益。當(dāng)固定調(diào)制方式的數(shù)據(jù)在該信道中傳輸時(shí)，各個(gè)子信道的性能是不等的。處于較好子信道中的數(shù)據(jù)會(huì)有一個(gè)較好的BER性能，而相對(duì)較差子信道中的傳輸數(shù)據(jù)則會(huì)出現(xiàn)較高的比特錯(cuò)誤率。
??? 因此，需要采用自適應(yīng)技術(shù)，根據(jù)信道的傳輸特性更加合理地利用子信道傳輸數(shù)據(jù)。這里假設(shè)信源根據(jù)不同的傳輸要求被分成Ng(大于零的整數(shù))組，經(jīng)信道估計(jì)器估計(jì)出的信道同樣需根據(jù)其頻域子信道的離散傳輸函數(shù)值h(fn)(1≤n≤M)分成相應(yīng)的組數(shù)。此后，系統(tǒng)將根據(jù)信源數(shù)據(jù)不同的傳輸要求把具有不同重要等級(jí)的數(shù)據(jù)送入到相應(yīng)等級(jí)的子信道中去，從而完成自適應(yīng)子載波分配工作。
??? （2）分割方法
??? 雖然用于實(shí)現(xiàn)不同重要等級(jí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞接泻芏?，但多?shù)是根據(jù)不同的視覺影響效果將圖像劃分成幾個(gè)區(qū)域。例如lenna圖像，人們總會(huì)保護(hù)圖像中人物臉部的像素值，并將這一區(qū)域的數(shù)據(jù)設(shè)置為重要等級(jí)，在傳輸中重點(diǎn)保護(hù)，而將背景區(qū)域設(shè)置得等級(jí)較低。這種方法稱為區(qū)域分割。然而利用這種方法分割圖像存在兩點(diǎn)不足。首先，該方法只能將噪點(diǎn)放到相對(duì)低級(jí)的區(qū)域中去，并沒有從本質(zhì)上減少被噪聲失真的像素的灰度級(jí)；其次，缺乏靈活性。如果信源圖像發(fā)生變化，分割方式也必須隨之實(shí)時(shí)地改變。這意味著在實(shí)際通信系統(tǒng)中大量的工作將用于分割方法的改變上，顯然是行不通的。
??? 因此，筆者提出了一種新的分割方法，分割對(duì)象不再是整幅圖像，而是圖像中表示每一個(gè)像素的字節(jié)。這種方法稱為字節(jié)分割。為了表示接收?qǐng)D像的質(zhì)量，引入了峰值信噪比PSNR和最小均方誤差MSE兩個(gè)參數(shù)：
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??? 其中Nx和Ny分別表示圖像的長和寬。
y)代表原始圖像和接收?qǐng)D像中的像素值[6]。可見，PSNR的值越高代表接收?qǐng)D像的質(zhì)量越好。
??? 本文信源采用位深度為8，灰度級(jí)為28＝256，256×256大小的house.bmp圖像。假設(shè)Pi代表一像素，
為像素的值，有：
??? 
??? 由于圖像在信道中傳輸?shù)幕締挝皇潜忍?，從?7)可見，當(dāng)bm或bn(m≠n)在傳輸中發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，像素產(chǎn)生的灰度級(jí)損失是不同的。從中可以得到這樣一個(gè)啟發(fā)：如果將表示一個(gè)像素的字節(jié)分成8個(gè)比特，根據(jù)每一個(gè)比特不同的權(quán)值" title="權(quán)值">權(quán)值將其分為不同重要等級(jí)的數(shù)據(jù)，然后用較好的子信道傳輸權(quán)值高的比特，較差的子信道傳輸權(quán)值低的比特，將得到相對(duì)于區(qū)域分割更好的PSNR值。
??? （3）理論分析
??? 根據(jù)式(5)、(6)可知，提高PSNR必須降低MSE的值。
的絕對(duì)差值：
??? 
??? 顯然，通過減小δx,y可獲得較小的MSE，根據(jù)畢達(dá)哥拉斯定理，則需要減小
此時(shí)接收?qǐng)D像與原始圖像無差別。由此可知，權(quán)值高的比特重點(diǎn)保護(hù)，權(quán)值低的比特次之，將得到較小的
換句話說，可以獲得較高的PSNR值。
3 仿真結(jié)果與分析
??? 系統(tǒng)仿真中采用了64個(gè)子信道和方型16QAM星座圖，通過改變子信道的個(gè)數(shù)和星座圖的大小可根據(jù)不同的要求對(duì)系統(tǒng)作出適當(dāng)調(diào)整。為體現(xiàn)提出方法的良好性能，筆者對(duì)三種傳輸方法分別進(jìn)行了模擬仿真，表1給出了各種方法的不同之處。
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??? 圖3(a)給出了采用非自適應(yīng)、無實(shí)際信道均衡方法(I)的接收?qǐng)D像仿真結(jié)果。可見，受信道頻率選擇性衰落影響失真的像素點(diǎn)根據(jù)信道的衰落特性非均勻地散落在接收?qǐng)D像中;非自適應(yīng)含實(shí)際信道均衡方法(II)的仿真結(jié)果如圖3(b)所示。由于需要對(duì)實(shí)際信道均衡，DFE中FSE的長度應(yīng)大于整個(gè)信道(實(shí)際信道加等效信道)長度的兩倍(1/2分?jǐn)?shù)間隔的FSE)。接收?qǐng)D像清楚地表明：由于DFE的良好性能，采用方法II可以大幅度提高接收?qǐng)D像的視覺效果，當(dāng)然這是以增加接收端FSE長度，增加系統(tǒng)復(fù)雜度為代價(jià)的。采用本文提出方法(III)進(jìn)行圖像傳輸?shù)姆抡娼Y(jié)果由圖3(c)給出，接收?qǐng)D像清楚地表明：采用方法III可以在無需均衡信道，降低系統(tǒng)均衡復(fù)雜度的前提下，有效提高接收?qǐng)D像的質(zhì)量與視覺效果。相對(duì)于方法II，DFE中FSE的長度只是由發(fā)送濾波器和接收濾波器構(gòu)成等效信道長度的兩倍，大大縮減了均衡器的長度，降低了接收端復(fù)雜度。
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??? 圖4給出了三種方法的誤碼率曲線。從中可見，采用方法I和方法III擁有同樣的BER性能，方法II的性能曲線最好。這一結(jié)果與理論分析是一致的，自適應(yīng)子信道分配只是調(diào)整了發(fā)送數(shù)據(jù)在子信道中的排列次序，并沒有降低系統(tǒng)BER性能的措施，因此同樣沒有對(duì)實(shí)際信道進(jìn)行均衡的方法I和III理應(yīng)擁有同樣的誤碼性能。而方法II除了對(duì)等效信道均衡外，實(shí)際信道也得到了均衡，加之DFE的良好性能，在BER性能方面自然存在優(yōu)勢(shì)。
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??? 三種方法接收?qǐng)D像的PSNR性能如圖5所示?？梢郧逦乜吹?，采用本文提出的方法III進(jìn)行圖像傳輸時(shí)，可得到顯著的PSNR增益，擁有最佳的PSNR曲線。非自適應(yīng)帶實(shí)際信道均衡的方法II性能其次。傳統(tǒng)圖像傳輸方法I的性能最不理想。與傳統(tǒng)方法相比，采用方法III在PSNR＝40時(shí)，可節(jié)省超過6dB的SNR。
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??? 本文提出了一種在FMT系統(tǒng)中有效的圖像傳輸方法，通過將整幅圖像的字節(jié)分割嵌入到FMT自適應(yīng)子信道分配中去的方法，實(shí)現(xiàn)室外環(huán)境頻率選擇性慢衰落信道中高質(zhì)量的圖像傳輸。根據(jù)仿真結(jié)果和理論分析得出兩點(diǎn)結(jié)論：
??? （1）字節(jié)分割與區(qū)域分割相比更具靈活性，可用于動(dòng)態(tài)圖像的傳輸；
??? （2）采用本文提出的方法，可在大幅度提高接收?qǐng)D像質(zhì)量的前提下有效降低接收端均衡的復(fù)雜度。
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