一种基于压缩编码码流特性的非正交多载波调制方法

技术领域

本发明涉及非正交多载波领域，基于图像压缩数据码流的频率特性，尤其涉及一种基于压缩编码码流特性的非正交多载波调制方法(F-NNMC)。

背景技术

无线图像传输中，对数据传输效率和接收图像质量的要求越来越高，而图像庞大的数据量和宝贵的带宽资源形成矛盾，需要在保证接收端图像质量的前提下达到更高的频谱效率。

无线图像传输的主要难点是图像数据量大，信道复杂、带宽有限且具有严重的干扰性，因此有效的图像压缩算法和带宽高效调制是满足声纳图像传输要求的关键技术。图像压缩的本质是去除图像中的冗余信息，减小传输数据的大小，同时保持图像可接受的视觉质量。为了应对带宽的限制，一般采用多载波调制。多载波调制可分为正交调制和非正交调制。

对于正交多载波调制来说，正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing,OFDM)由于其抗多径干扰能力强，是应用最广泛的多载波调制方案。但是，它需要严格的同步，并且存在较高的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)。正交波分复用(Orthogonal Wavelet Division Multiplexing,OWDM)作为OFDM的替代方案被开发出来，虽然OWDM与OFDM相比降低了峰均功率比，但其频谱效率不足以传输大数据量的图像。近年来，有人提出了滤波器组多载波(Filter Bank Multicarrier，FBMC)和广义频分复用(Generalized Frequency Division Multiplexing，GFDM)，通过使用附加滤波器来提高频谱效率，但导致硬件复杂度较高。

对于非正交多载波调制，频谱高效频分复用(Spectral Efficient FrequencyDivision Multiplexing,SEFDM)在给定带宽内引入非正交重叠子载波，以提高频谱效率。稀疏非正交频分复用(Sparse Non-orthogonal Frequency Division Multiplexing,SN-OFDM)和稀疏非正交小波分复用(Sparse Non-orthogonal Wavelet DivisionMultiplexing,SN-OWDM)将稀疏表示原理应用于非正交调制过程，提高了频谱效率。

但以上研究都只关注数据大小和传输带宽方面的传输效率，对信源压缩和调制分别进行研究。

发明内容

本发明提供了一种基于压缩编码码流特性的非正交多载波调制方法，本发明提高了数据传输速率的同时降低了传输误码率，一定程度上解决了无线图像传输时具有的数据量大、频谱效率低、接收图像质量差的问题，保证了传输的高效性和可靠性，详见下文描述：

一种基于压缩编码码流特性的非正交多载波调制方法，所述方法将多载波调制与压缩图像数据的特性相结合，方法包括：

在压缩后的比特流图像的频谱中，频率特性比等于高频成分总幅值与低频成分总幅值之比；

依照比特流图像的频率特性将不同频率的子载波进行不同程度的扩展，并在时域上做相应的移位，其他位置补零，产生一个具有非均匀非正交特性的多载波调制矩阵；

将0～1的压缩比特流看作是一种新的图像类型，调制矩阵是根据压缩比特流图像的频率特性设计，对压缩后的比特流进行星座图映射调制，由非均匀非正交多载波调制矩阵进行调制，最后发送到信道；

在接收端，对接收到的信号依次进行模数转换和串并变换，实施解调过程，将解调后的符号通过星座解映射还原成压缩比特流，最后通过解码器解压缩恢复出原图像。

其中，扩展后的子载波是原正交基的一部分，对同一频率的正交子载波进行多次复用平移生成非正交子载波。

进一步地，所述方法通过复用平移生成新的多载波调制矩阵，具有非均匀非正交的特性。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明将所提出的方法应用于无线图像传输中，提高图像传输的高效性和可靠性；子载波之间的非正交性提高了频谱效率，非均匀的子载波结构可以承载更多传输数据的有效信息，提高可靠性；

2、本发明首次提出了将多载波调制方案与传输数据特性相结合的思想，将图像的压缩比特流视为一种新型图像，在对压缩比特流进行频谱分析的基础上，生成新的子载波结构；由于不同图像压缩方式的压缩比特流图像具有相似的频率特性，因此提出的F-NNMC调制方案能够适应不同的图像压缩算法；

3、本发明设计的新型子载波是原正交基的一部分，多次对同一正交子载波复用平移产生非正交子载波进行数据传输，节省了频率资源，保证了无线图像传输的高频谱效率；

4、本发明使用多载波调制的方法，提高了接收端图像的峰值信噪比(PSNR)和结构相似度(SSIM)，保证了接收图像的高质量；

5、与现有的调制方案相比，所提出的F-NNMC方案以更少的频谱资源实现了更低的误码率(BER)，接收图像具有更高的峰值信噪比(PSNR)和结构相似度(SSIM)。

附图说明

图1为测试图像和相应的压缩比特流图像；

其中，(a)为侧扫声呐图；(b)为侧扫声呐图，JPEG压缩；(c)为侧扫声呐图，SPIHT压缩。

图2为压缩比特流图像的滤波频谱图；

其中，(a)为侧扫声呐图,JPEG压缩,r＝2.74；(b)为侧扫声呐图,SPIHT压缩,r＝2.72。

图3为基于正交基生成非均匀非正交多载波示意图；

其中，(a)为正交基；(b)为非均匀非正交多载波。

图4为F-NNMC多载波调制系统框图；

图5为不同正交基下的F-NNMC性能示意图；

其中，(a)为PSNR性能示意图；(b)为SSIM性能示意图；(c)为BER性能示意图。

图6为F-NNMC与现有调制方案的性能对比示意图；

其中，(a)为PSNR性能对比示意图；(b)为SSIM性能对比示意图；(c)为BER性能对比示意图。

图7为不同调制方案的压缩图像传输效果对比示意图。

其中，(a)为原图像；(b)为OFDM传输效果图,PSNR＝15.5173,SSIM＝0.0462；(c)为OWDM传输效果图,PSNR＝17.9306,SSIM＝0.1414；(d)为SN-OWDM传输效果图,PSNR＝21.6519,SSIM＝0.3501；(e)为F-NNMC传输效果图,PSNR＝36.7511,SSIM＝0.9176。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例首次提出将调制与传输压缩数据的特性相结合，图像的压缩数据被看作一种具有独特频率特性的新型图像，基于压缩图像数据的频谱分析结果，提出了非均匀非正交的多载波调制技术(Non-uniform Non-orthogonal Multicarrier ModulationBased on Frequency Characteristic of Compressed Image Data)，用于解决无线图像传输时高效性和可靠性无法兼顾的问题，提高图像传输性能。在此多载波调制方法中，新的子载波只是原正交基的一部分，对同一频率的正交子载波进行多次复用平移生成非正交子载波，以减少所使用的子载波频率，在相同带宽内传输更多的数据量；非均匀的子载波结构使调制能够承载更多的传输数据的有效信息。

在以往的研究中，图像压缩和调制是分开研究的，本发明实施例首次将调制技术与压缩图像数据的特性相结合以提高传输性能。为满足图像传输对高效性和可靠性的要求，本发明实施例提出了一种基于压缩图像数据频率特性的非均匀非正交多载波调制方案(F-NNMC)。图像的压缩数据被认为是一种具有独特频率特性的新型图像，通过此类图像的频谱分析对传统的正交变换基，如离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)、离散余弦变换(Discrete Cosine Transform,DCT)、离散小波变换(Discrete WaveletTransform,DWT)进行一定的复用平移，生成新的调制变换矩阵，具有非均匀非正交的特性。非均匀的子载波结构相较于现有方法能更好地承载压缩图像数据的有效信息，降低了传输误码率(BER)，从而有效地降低解压图像的失真，提高了接收图像的PSNR和SSIM；非正交的特性能多次利用同一子载波频率进行数据传输，节省了频率资源，显著提高了频谱利用率。

一、图像压缩数据的频率特性

(1)压缩比特流图像

图像压缩是在有限的带宽内传输大数据量声纳图像的必要步骤，通过减少图像数据的冗余度和关联度。由于声纳图像的压缩比特流是一种新的图像类型，因此在不同压缩算法下研究该类图像独特的频率特性。

本发明实施例选择了两种流行的压缩算法JPEG和SPIHT进行阐述。图1为测试图像及其对应的压缩比特流图像。测试图像的大小为128×128。

(2)频谱分析

傅里叶变换是一种重要的图像处理工具，广泛应用于图像频谱分析。其输出表示频域的频谱，而输入则是空间域的图像。对于大小为m×n的图像，二维DFT由下式给出。

其中，f(x,y)代表空间域图像，指数项为频域中各点对应的基函数。该方程可以理解为，将空间图像与对应的基函数相乘，再将结果相加，即可得到频域内各点F(u,v)的值。功率谱F

频谱中的低频分量对应图像的轮廓，高频分量对应图像的细节。压缩比特流图像具有剧烈的像素值变化和明显的高频特征，其频率特性可以通过傅里叶变换进行分析。选择巴特沃斯低通滤波器来分离高低频分量，从而得到图像的高低频分量之比。二阶巴特沃斯低通滤波器的滤波函数可表示如下：

其中，F

根据图像傅里叶变换的原理，在压缩后的比特流图像的功率谱中，频率特性比r约等于高频成分总幅值A

图2中的(a)、(b)的数值分别为2.74、2.72，这说明由不同的压缩算法产生的比特流图像具有相似的频率特性。

二、非均匀非正交子载波的生成

图3为非均匀非正交多载波的生成过程，基于正交基DFT、DCT或DWT，依照比特流图像的频谱分析结果将其中不同频率的子载波进行不同程度的扩展，并在时域上做相应的移位，其他位置补零，产生一个具有非均匀非正交特性的变换基。

三、F-NNMC多载波调制系统

(1)发送过程

在F-NNMC系统中，传输图像的像素值范围为0至255，通过压缩算法进行编码。所得到的0～1的压缩比特流可以看作是一种新的图像类型，调制矩阵是根据压缩比特流图像的频率特性设计的。然后对压缩后的比特流进行星座图映射调制，输出QAM信号，经串并变换后得到并行信号X，由所提出的非均匀非正交多载波矩阵进行调制，对调制信号S加上循环前缀，输出的数据经过并串变换后再经数模转换，最后发送到信道。

(2)接收过程

在接收端，首先对接收到的信号依次进行模数转换和串并变换，然后实施解调过程，将F-NNMC解调后的符号

四、图像质量评价指标

峰值信噪比和结构相似度都是用于评价图像质量的客观标准。

(1)峰值信噪比(PSNR)

峰值信噪比只关心图像的像素值差异，不能代表感官质量，数值越大越好。

(2)结构相似度(SSIM)

结构相似度基于亮度、对比度和结构三个相对独立的主观度量，衡量图像间的结构相似度，取值0～1，越大越好。SSIM相较PSNR更符合人眼对图像品质的判断。

图5为不同正交基下F-NNMC的性能曲线图。(a)、(b)、(c)分别表示信噪比与峰值信噪比、结构相似度和传输误码率的曲线图。其中r表示频率特性比，r的取值影响调制系统中高低频子载波的数量分配。

图6为F-NNMC与现有调制方案的性能对比，压缩算法选择了应用广泛的JPEG和SPIHT。图7为不同调制方案对压缩图像的传输效果对比。由以上图例可以看出，本发明所提出的F-NNMC调制方案的传输性能优良，能够满足无线图像传输对高效性和可靠性的要求，相较于现有调制方案有着更为广阔的应用前景。

结果表明，与现有方案相比，F-NNMC调制方法可以提高接收端图像的峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio，PSNR)和结构相似度(Structural Similarity，SSIM)，有效降低传输误码率(Bit Error Rate,BER)，从而在保证图像质量的前提下提高频谱效率。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。