石新民 陳軍

摘 要：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實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了較詳細(xì)的討論。然后運(yùn)用軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真與分析，探討正交相移鍵控最佳醫(yī)學(xué)影像圖像接收處理的系統(tǒng)的抗噪性能。仿真實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)合理，其結(jié)果與理論分析一致。

關(guān)鍵詞：正交相移鍵控;醫(yī)學(xué)影像圖像;接收;解調(diào)器;檢測(cè)器;仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.4;R445.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

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(mén)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?；诖耍疚难芯苛苏幌嘁奇I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。

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。

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：

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

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)的流程如圖3所示。檢測(cè)器計(jì)算接收信號(hào)的相位，再選擇相位最接近的信號(hào)向量。令θ為相位角，則相位與輸出關(guān)系為：如果-π≤θ<-34π和34π≤θ<π，輸出信號(hào)判為10;如果π4≤θ<34π，輸出信號(hào)判為01;如果-34π≤θ<-π4，輸出信號(hào)判為11;如果-π4≤θ<π4，輸出信號(hào)判為00。

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

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。

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。

由圖6（a）、（b）可以得出：當(dāng)相位角為0時(shí)，判決輸出為00-0;當(dāng)相位角為2時(shí)，判決輸出為01-1;當(dāng)相位角為-2時(shí)，判決輸出為11-3;當(dāng)相位角為-3時(shí)，判決輸出為10-2。通過(guò)分析檢測(cè)輸出結(jié)果，完全與-π≤angler<-34π∪34π≤angler<π時(shí)，輸出信號(hào)判為2，當(dāng)π4≤angler<34π時(shí)輸出信號(hào)判為1，當(dāng)-34π≤angler<-π4時(shí)輸出信號(hào)判為3，當(dāng)-π4≤angler<π4時(shí)輸出信號(hào)判為0完全符合。

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。

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。

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。

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（責(zé)任編輯：曾 晶）

Abstract：

The model of orthogonal-phase-shift keying for optimal medical image receiving and processing is studied. The simulation design of orthogonal-phase-shift keying for optimal medical image receiving and processing is discussed in detail.Then the software is used for experimental simulation and analysis to discuss the anti-noise performance of the orthogonal-phase-shift keying system for the best medical image receiving and processing. The simulation results show that the designed system is reasonable， and the results are consistent with the theoretical analysis.

Key words：

orthogonal phase shift keying; medical images; receiving; demodulator; detector; simulation