??? 摘 要:? 提出了一種基于濾波多音頻(FMT)調制技術的自適應圖像傳輸" title="圖像傳輸">圖像傳輸方法。通過將自適應子載波分配與圖像分割技術相結合，實現在頻率選擇性慢衰落信道" title="衰落信道">衰落信道中高質量的圖像傳輸。仿真結果與理論分析證明該方法相對于傳統圖像傳輸在接收圖像峰值信噪比(PSNR)及接收端" title="接收端">接收端均衡復雜度方面的優勢。
??? 關鍵詞:? 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需要寬帶、高速的系統性能來滿足如數據、聲音、圖像及實時視頻之類的高質量多媒體傳輸業務[1]，高速寬帶的通信方式已成為通信發展的必然趨勢。多載波調制MCM(Multicarrier Modulation)作為一種新型高速的傳輸技術被人們廣泛地應用于現代無線通信系統中。
??? MCM技術相對于其它調制技術的顯著特點是通過多條子信道并行傳輸數據。其實現方法可大體分為子載波相互重疊和非相互重疊兩大類。正交頻分復用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)和濾波多音頻FMT(Filtered Multitone)是兩類MCM的典型技術。由于對信道彌散作用的魯棒性和低的實現復雜度，OFDM技術已被用于眾多無線技術的標準中，例如數字視頻廣播(DVB)、數字音頻廣播(DAB)、高性能局域網(HIPERLAN/2)及IEEE 802.11a[2]等。而FMT技術最初提出用于甚高速用戶環路(VDSL)[3]，則主要被用于有線環境當中。
??? 本文提出了一種基于FMT技術的有效圖像傳輸方法，通過將自適應子信道分配與字節分割技術相結合并將其用于室外無線環境里，實現頻率選擇性慢衰落信道中低均衡復雜度條件下的有效圖像傳輸。
1 系統模型
??? 圖1給出了本文的系統模型。發送和接收圖像的數據分別表示為S和R，信源S將根據不同的重要等級分為Ng組, Ak為映射之后的符號，u是采用格雷編碼的映射函數：
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??? 調制產生的符號被送入自適應分配單元,作為系統中最重要的單元，其功能是將調制并分割好的符號流根據不同的重要等級和信道狀態信息 CSI(Channel State Information)送入相應的子信道中，即實現自適應的子信道分配。
??? 經過IFFT之后，St(m)為輸出符號：
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??? 其中M為子載波數，
是第i個子信道的調制符號。與OFDM不同，St(m)并不是在信道中傳輸的符號，它們還需經過一發送濾波器組，其中每一個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，FMT技術較OFDM在抗系統頻偏方面有較大的優勢，與其他噪聲相比，子信道間的ICI在FMT系統中幾乎可以忽略不計。通過發送濾波器組的符號經串并轉換后，便得到送入信道的FMT符號：
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??? 為了建立室外無線信道的仿真環境，采用了由美國高級電視技術中心ATTC(Advanced Television Technology Center)提供的典型數字電視(Digital Television)信道。方程(4)給出了該信道的時域沖擊響應(CIR)[4]。信道的頻域傳輸函數如圖2所示。
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??? 由圖2可見，信道的頻率選擇性導致不同的子信道經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，數據經串并轉換后送入一接收濾波器組（發送濾波器的匹配濾波器），濾波后的數據進行FFT變換。為有效消除系統產生的ISI，采用了判決反饋均衡器DFE(Decision Feedback Equalizer)的結構。DFE可由分數間隔均衡器FSE(Fractional Spaced Equalizer)和波特間隔均衡器BSE(Band Spaced Equalizer)兩部分組成。其中FSE的長度應大于信道的總長度[5]的二倍(1/2分數間隔的FSE)，而BSE的功能則在于判決并將結果反饋給FSE。系統中需均衡的信道由兩部分組成，即實際信道和由發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。
??? 均衡后的數據在送往自適應逆分配單元的同時被用于信道估計" title="信道估計">信道估計，在逆分配單元中數據將經歷與分配單元相反的處理過程，而信道估計器將得到的信道狀態信息分別送給分配單元和逆分配單元。假設信道估計是理想的，并忽略計算和傳輸CSI的時延。接收圖像將在數據解調后重構。
2 自適應技術與分割方法
??? （1）FMT系統中的自適應信道分配技術
??? FMT技術可通過將信道分成若干個互不重疊并可認為平坦衰落子信道的方法實現串行數據的并行傳輸。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據)的方法，FMT技術具有良好的抗系統頻偏和提高系統性能的能力。雖然信道分割技術被用于FMT技術中，由于頻率選擇性的影響，不同子信道仍會擁有不同的信道增益。當固定調制方式的數據在該信道中傳輸時，各個子信道的性能是不等的。處于較好子信道中的數據會有一個較好的BER性能，而相對較差子信道中的傳輸數據則會出現較高的比特錯誤率。
??? 因此，需要采用自適應技術，根據信道的傳輸特性更加合理地利用子信道傳輸數據。這里假設信源根據不同的傳輸要求被分成Ng(大于零的整數)組，經信道估計器估計出的信道同樣需根據其頻域子信道的離散傳輸函數值h(fn)(1≤n≤M)分成相應的組數。此后，系統將根據信源數據不同的傳輸要求把具有不同重要等級的數據送入到相應等級的子信道中去，從而完成自適應子載波分配工作。
??? （2）分割方法
??? 雖然用于實現不同重要等級數據傳輸的方式有很多，但多數是根據不同的視覺影響效果將圖像劃分成幾個區域。例如lenna圖像，人們總會保護圖像中人物臉部的像素值，并將這一區域的數據設置為重要等級，在傳輸中重點保護，而將背景區域設置得等級較低。這種方法稱為區域分割。然而利用這種方法分割圖像存在兩點不足。首先，該方法只能將噪點放到相對低級的區域中去，并沒有從本質上減少被噪聲失真的像素的灰度級；其次，缺乏靈活性。如果信源圖像發生變化，分割方式也必須隨之實時地改變。這意味著在實際通信系統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，分割對象不再是整幅圖像，而是圖像中表示每一個像素的字節。這種方法稱為字節分割。為了表示接收圖像的質量，引入了峰值信噪比PSNR和最小均方誤差MSE兩個參數：
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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圖像中的像素值[6]。可見，PSNR的值越高代表接收圖像的質量越好。
??? 本文信源采用位深度為8，灰度級為28＝256，256×256大小的house.bmp圖像。假設Pi代表一像素，
為像素的值，有：
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??? 由于圖像在信道中傳輸的基本單位是比特，從式(7)可見，當bm或bn(m≠n)在傳輸中發生錯誤時，像素產生的灰度級損失是不同的。從中可以得到這樣一個啟發：如果將表示一個像素的字節分成8個比特，根據每一個比特不同的權值" title="權值">權值將其分為不同重要等級的數據，然后用較好的子信道傳輸權值高的比特，較差的子信道傳輸權值低的比特，將得到相對于區域分割更好的PSNR值。
??? （3）理論分析
??? 根據式(5)、(6)可知，提高PSNR必須降低MSE的值。
的絕對差值：
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??? 顯然，通過減小δx,y可獲得較小的MSE，根據畢達哥拉斯定理，則需要減小
此時接收圖像與原始圖像無差別。由此可知，權值高的比特重點保護，權值低的比特次之，將得到較小的
換句話說，可以獲得較高的PSNR值。
3 仿真結果與分析
??? 系統仿真中采用了64個子信道和方型16QAM星座圖，通過改變子信道的個數和星座圖的大小可根據不同的要求對系統作出適當調整。為體現提出方法的良好性能，筆者對三種傳輸方法分別進行了模擬仿真，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、無實際信道均衡方法(I)的接收圖像仿真結果。可見，受信道頻率選擇性衰落影響失真的像素點根據信道的衰落特性非均勻地散落在接收圖像中;非自適應含實際信道均衡方法(II)的仿真結果如圖3(b)所示。由于需要對實際信道均衡，DFE中FSE的長度應大于整個信道(實際信道加等效信道)長度的兩倍(1/2分數間隔的FSE)。接收圖像清楚地表明：由于DFE的良好性能，采用方法II可以大幅度提高接收圖像的視覺效果，當然這是以增加接收端FSE長度，增加系統復雜度為代價的。采用本文提出方法(III)進行圖像傳輸的仿真結果由圖3(c)給出，接收圖像清楚地表明：采用方法III可以在無需均衡信道，降低系統均衡復雜度的前提下，有效提高接收圖像的質量與視覺效果。相對于方法II，DFE中FSE的長度只是由發送濾波器和接收濾波器構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。這一結果與理論分析是一致的，自適應子信道分配只是調整了發送數據在子信道中的排列次序，并沒有降低系統BER性能的措施，因此同樣沒有對實際信道進行均衡的方法I和III理應擁有同樣的誤碼性能。而方法II除了對等效信道均衡外，實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勢。
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??? 三種方法接收圖像的PSNR性能如圖5所示。可以清晰地看到，采用本文提出的方法III進行圖像傳輸時，可得到顯著的PSNR增益，擁有最佳的PSNR曲線。非自適應帶實際信道均衡的方法II性能其次。傳統圖像傳輸方法I的性能最不理想。與傳統方法相比，采用方法III在PSNR＝40時，可節省超過6dB的SNR。
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??? 本文提出了一種在FMT系統中有效的圖像傳輸方法，通過將整幅圖像的字節分割嵌入到FMT自適應子信道分配中去的方法，實現室外環境頻率選擇性慢衰落信道中高質量的圖像傳輸。根據仿真結果和理論分析得出兩點結論：
??? （1）字節分割與區域分割相比更具靈活性，可用于動態圖像的傳輸；
??? （2）采用本文提出的方法，可在大幅度提高接收圖像質量的前提下有效降低接收端均衡的復雜度。
參考文獻
1 H.Gharavi and W.Y.Ng.H.263 compatible video coding and transmission. Proc. Workshop on wireless Image/Video Commun., Loughborough UK, 1996; Sept:115～120
2 R. van Nee, G. Awater, M. Morikura, H. Takanashi, M.?Webster, and K.W. Halford.New high-rate wireless LAN?standards. IEEE Commun. Mag., 1999;Dec:82～88
3 G. Cherubini, E. Eleftheriou, S. Olcer and J.M. Cioffi.Filter Bank Modulation Techniques for Very High-Speed Digitial? Subscriber Lines. IEEE Communications Magazine, May 2000
4 C. S. Yeh and Yinyi Lin.Channel Estimation Using pilot?Tones in OFDM systems. IEEE Trans. on Broadcasting,1999;45(11):400～409
5 John M. Cioff, Glen P. Dulevoir, M. Vedat Eyuboglu and?G. David Forney.MMSE Decision Feedback Equalizers and?Coding. IEEE Trans. on Commu.,1995;43(10)
6 R. Rinaldo and G. Calvagno.Image Coding by Block Prediction of Multiresolution subimages. IEEE Trans. on Image Processing., 1995;4(7)
7 John G. Proakis.Digital Communications. Fourth Edition