基于正交相移鍵控的最佳醫(yī)學(xué)影像圖像接收實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)*

石新民，陳 軍

(甘肅中醫(yī)藥大學(xué) 定西校區(qū) 醫(yī)學(xué)教學(xué)部,甘肅 定西,743000)

醫(yī)學(xué)影像圖像在其傳輸和接收過(guò)程中常受到與研究對(duì)象無(wú)關(guān)的噪聲干擾而使接收到的可觀測(cè)信息失真，給醫(yī)生準(zhǔn)確診斷、分析帶來(lái)困難[1-3]。因此，在信號(hào)接收時(shí)提高醫(yī)學(xué)影像圖像質(zhì)量、抑制噪聲干擾成為關(guān)鍵因素。郭興波等[4]通過(guò)兩路SOQPSK波形的時(shí)域相關(guān)性,探討了不降低接收性能指標(biāo)的情況下,把相關(guān)器從128個(gè)減少到8個(gè)的一種簡(jiǎn)單最大似然接收機(jī)性能問(wèn)題；張麗娜等[5]探討了數(shù)字調(diào)制解調(diào)的相移鍵控，其通過(guò)載波相位變化進(jìn)行信息傳遞，提高了抗干擾能力；關(guān)浩等[6]針對(duì)多輸入多輸出系統(tǒng)傳輸信道模糊、信道容量受限以及信號(hào)誤碼率較高的問(wèn)題,提出先對(duì)信號(hào)進(jìn)行正交相移鍵控調(diào)制,然后再將改進(jìn)的恒模算法與自適應(yīng)波束形成技術(shù)結(jié)合用于MIMO系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行均衡處理,使信號(hào)具有較強(qiáng)的抗干擾性,增強(qiáng)了傳輸信息的可靠性和穩(wěn)定性。采用正交相移鍵控調(diào)制均衡技術(shù)，可以解決信道容量與誤碼率相矛盾的問(wèn)題,降低碼間串?dāng)_和信道干擾,還可以校正相位誤差,獲得較快的收斂速度以及低誤碼率,使信號(hào)得到最佳恢復(fù)；SHU等[7]研究了偏振解復(fù)用的實(shí)時(shí)相干接收機(jī)中高效補(bǔ)償偏振效應(yīng),同時(shí)降低系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘頻率要求與FPGA資源的使用量的并行流水型恒模算法，取得了較好的效果；黃波等[8-9]利用格雷編碼調(diào)制數(shù)據(jù),探討了編碼后QPSK調(diào)制和BPSK調(diào)制的設(shè)計(jì)星座圖。最后,由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列實(shí)現(xiàn)兩路調(diào)制數(shù)據(jù)編碼,電路實(shí)現(xiàn)90°移相器及功率合成器研究?；诖?，本文研究了正交相移鍵控最佳醫(yī)學(xué)影像圖像接收處理的模型，對(duì)正交相移鍵控的最佳醫(yī)學(xué)影像圖像接收處理的仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行了較詳細(xì)的討論。然后運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與分析，探究了所設(shè)計(jì)的正交相移鍵控最佳醫(yī)學(xué)影像圖像接收處理系統(tǒng)的抗噪性能。

1 醫(yī)學(xué)影像圖像正交相移鍵控接收處理的模型分析

解調(diào)器和檢測(cè)器是接收處理信號(hào)的兩個(gè)核心部分。解調(diào)器是將接收波形變換成n維向量的過(guò)程，檢測(cè)器是判別可能信號(hào)波形中被發(fā)送的波形信號(hào)[10-15]。接收處理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 接收處理結(jié)構(gòu)圖

1.1 正交相移鍵控的最佳醫(yī)學(xué)影像圖像接收處理的工作原理

正交相移鍵控最佳醫(yī)學(xué)影像圖像接收處理原理圖如圖2所示。

圖2 正交相移鍵控最佳醫(yī)學(xué)影像圖像接收處理原理圖

最佳醫(yī)學(xué)影像圖像接收處理是無(wú)線通信終端的重要器件。通過(guò)該器件，接收端可從噪聲背景中提取出有用信號(hào)，使輸出信噪比最大化。相關(guān)解調(diào)器將接收信號(hào)和噪聲展開(kāi)成一系列線性加權(quán)正交基函數(shù)[16-19]。正交相移鍵控的基函數(shù)為：

f1(t)=cos(ω0t)

(1)

f2(t)=sin(ω0t)

(2)

由于時(shí)域的乘積等價(jià)于頻域的卷積，將接收信號(hào)分別與基函數(shù)相乘再積分，達(dá)到最佳解調(diào)。

正交相移鍵控的最佳醫(yī)學(xué)影像圖像接收功能主要是對(duì)輸入的高斯白噪聲信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)相關(guān)解調(diào)器和檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)最佳接收。其輸出為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，對(duì)輸出數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以求得因受高斯白噪聲影響而產(chǎn)生的誤碼率及信噪比。

1.2 正交相移鍵控的最佳醫(yī)學(xué)影像圖像接收處理設(shè)計(jì)流程圖

圖3 正交相移鍵控的最佳醫(yī)學(xué)影像圖像接收處理設(shè)計(jì)流程圖

2 正交相移鍵控的最佳醫(yī)學(xué)影像圖像接收處理的仿真研究

2.1 正交相移鍵控的最佳醫(yī)學(xué)影像圖像接收處理的仿真設(shè)計(jì)

本研究利用MATLAB平臺(tái)[18，20-21]仿真最佳醫(yī)學(xué)影像圖像接收處理過(guò)程，對(duì)輸入疊加噪聲的正交相移鍵控調(diào)制信號(hào)進(jìn)行接收。首先通過(guò)rand int生成原始的隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)，然后調(diào)制原始信號(hào)，再將高斯白噪聲加入調(diào)制信號(hào)中。解調(diào)器將信號(hào)和噪聲分別在一組基函數(shù)上展開(kāi)，張成信號(hào)空間，這樣相關(guān)解調(diào)器實(shí)現(xiàn)最佳解調(diào)功能。檢測(cè)器依據(jù)最大似然函數(shù)的最小距離來(lái)判決輸出[22-24]。所以，正交相移鍵控的仿真模塊分別為解調(diào)器模塊和檢測(cè)器模塊。其模塊功能分別如下：

1)相關(guān)解調(diào)器模塊

將接收波形變換成n維向量r=[r1,r2,…,rn],其中n是發(fā)送信號(hào)波形的維數(shù)。正交相移鍵控的基函數(shù)為：f1=cos(2πfct)，f2=sin(2πfct)。將接收信號(hào)分別與基函數(shù)相乘再求和，即，

out1(i)=sum(r1((i-1)*T+1:i*T))

out2(i)=sum(r2((i-1)*T+1:i*T))

同理，將加入高斯白噪聲后的調(diào)制信號(hào)與基函數(shù)相乘，有：r1=signa1.*f1，r2=signa2.*f2，再積分得到out1(i)和out2(i)。

最后，對(duì)其歸一化處理，有demodulat=[out1/max(abs(out1));out2/max(abs(out2))]。

2)檢測(cè)器模塊

檢測(cè)器計(jì)算接收信號(hào)r的相位，再選擇相位最接近r的信號(hào)向量s。r的相位是angler=arctanr2/r1。

調(diào)用angle來(lái)求相位角：

angler=angle(demodulat(2,:)+demodulat(1,:))

再將判決結(jié)果的十進(jìn)制變成二進(jìn)制，即data=de2bi(data4,2)。

2.2 正交相移鍵控的醫(yī)學(xué)影像圖像接收處理仿真結(jié)果及分析

信道模塊之后的相關(guān)解調(diào)器模塊，其功能主要是對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。信號(hào)通過(guò)計(jì)算接收信號(hào)在基函數(shù)上的投影，實(shí)現(xiàn)相關(guān)解調(diào)。運(yùn)行相關(guān)解調(diào)器模塊，當(dāng)信道模塊中有加性高斯白噪聲干擾和沒(méi)有加性高斯白噪聲干擾時(shí)的結(jié)果分別如圖4、5所示。

圖4 有加性高斯白噪聲的相關(guān)解調(diào)圖 圖5 沒(méi)有噪聲的相關(guān)解調(diào)圖

如圖4所示為有加性高斯白噪聲干擾的情況圖。其中：圖4(a)是基函數(shù)f1=cos(2πfct)的圖形；圖4(b)是接收信號(hào)與基函數(shù)f1=cos(2πfct)相乘的圖形；圖4(c)是基函數(shù)f2=sin(2πfct)的圖形；圖4(d)是接收信號(hào)與基函數(shù)f2=sin(2πfct)相乘的圖形；圖4(e)是接收到的信號(hào)圖形。由圖4(b)、(d)可觀察到：當(dāng)基函數(shù)f1=cos(2πfct)與接收信號(hào)相乘后，采樣點(diǎn)的幅度值基本上都在0幅度以下，即平均值為負(fù)；當(dāng)基函數(shù)f2=sin(2πfct)與接收信號(hào)相乘后，采樣點(diǎn)的幅度值基本上都在0幅度以上，即平均值為正。

與圖4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)相對(duì)應(yīng)，圖5(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示為沒(méi)有噪聲干擾情況的圖。對(duì)比圖4與圖5，可以看出：沒(méi)有噪聲時(shí)，接收信號(hào)與基函數(shù)相互作用之后，波長(zhǎng)與幅度都是均勻的；當(dāng)有噪聲存在時(shí)，接收信號(hào)與基函數(shù)相互作用之后，幅度變得參差不齊，但是通過(guò)與基函數(shù)相乘達(dá)到了歸一化目的，起到了抑制噪聲的作用。

信號(hào)通過(guò)相關(guān)解調(diào)器模塊進(jìn)入檢測(cè)模塊，經(jīng)檢測(cè)模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行判決輸出。檢測(cè)器端是保證最佳信號(hào)接收效果的重要部分，其輸出結(jié)果如圖6所示。

圖6 相位角與判決輸出圖

如圖7(a)、(b)所示，圖7(a)為原始的發(fā)送信號(hào)圖；圖7(b)為原始信號(hào)圖7(a)經(jīng)信道受加性高斯白噪聲干擾后傳輸，再經(jīng)解調(diào)、檢測(cè)等，最終接收到的信號(hào)圖。比較7(a)、(b)兩圖，明顯看到存在誤差，說(shuō)明噪聲對(duì)信號(hào)傳送的影響情況。

圖7 發(fā)送的原始信號(hào)與接收到的信號(hào)對(duì)比圖

通過(guò)觀察信噪比對(duì)誤碼率的影響，由圖8可見(jiàn)：提高信噪比，可以降低誤碼率，當(dāng)信噪比為-7.9 dB，誤碼率達(dá)到零，且誤碼率隨干擾信息的增加而增大的關(guān)系。

圖8 信噪比與誤碼率的關(guān)系圖

3 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)分析正交相移鍵控的最佳醫(yī)學(xué)影像接收處理過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，對(duì)正交相移鍵控的最佳醫(yī)學(xué)影像圖像接收處理的仿真實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了較詳細(xì)的討論。采用隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)通過(guò)正交相移鍵控調(diào)制后疊加高斯白噪聲對(duì)設(shè)計(jì)的接收機(jī)進(jìn)行仿真測(cè)試，完成了其對(duì)高斯白噪聲的抗干擾作用，探討了正交相移鍵控的最佳醫(yī)學(xué)影像接收機(jī)的誤碼率與信噪比的規(guī)律及抗噪性能。仿真表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)合理，可靠。該研究方法對(duì)后續(xù)其他通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及科學(xué)研究有一定參考價(jià)值。