基于正交相移键控的最佳医学影像图像接收实现设计

石新民 陈军

摘 要：研究了正交相移键控最佳医学影像图像接收处理的模型，对正交相移键控的最佳医学影像图像接收处理的仿真实现设计进行了较详细的讨论。然后运用软件进行实验仿真与分析，探讨正交相移键控最佳医学影像图像接收处理的系统的抗噪性能。仿真实验表明所设计的系统合理，其结果与理论分析一致。

关键词：正交相移键控;医学影像图像;接收;解调器;检测器;仿真

中图分类号：TP391.4;R445.9

文献标志码：A

医学影像图像在其传输和接收过程中常受到与研究对象无关的噪声干扰而使接收到的可观测信息失真，给医生准确诊断、分析带来困难[1-3]。因此，在信号接收时提高医学影像图像质量、抑制噪聲干扰成为关键因素。郭兴波等[4]通过两路SOQPSK波形的时域相关性，探讨了不降低接收性能指标的情况下，把相关器从128个减少到8个的一种简单最大似然接收机性能问题;张丽娜等[5]探讨了数字调制解调的相移键控，其通过载波相位变化进行信息传递，提高了抗干扰能力;关浩等[6]针对多输入多输出系统传输信道模糊、信道容量受限以及信号误码率较高的问题，提出先对信号进行正交相移键控调制，然后再将改进的恒模算法与自适应波束形成技术结合用于MIMO系统中对信号进行均衡处理，使信号具有较强的抗干扰性，增强了传输信息的可靠性和稳定性。采用正交相移键控调制均衡技术，可以解决信道容量与误码率相矛盾的问题，降低码间串扰和信道干扰，还可以校正相位误差，获得较快的收敛速度以及低误码率，使信号得到最佳恢复;SHU等[7]研究了偏振解复用的实时相干接收机中高效补偿偏振效应，同时降低系统对时钟频率要求与FPGA资源的使用量的并行流水型恒模算法，取得了较好的效果;黄波等[8-9]利用格雷编码调制数据，探讨了编码后QPSK调制和BPSK调制的设计星座图。最后，由现场可编程门阵列实现两路调制数据编码，电路实现90°移相器及功率合成器研究。基于此，本文研究了正交相移键控最佳医学影像图像接收处理的模型，对正交相移键控的最佳医学影像图像接收处理的仿真设计进行了较详细的讨论。然后运用仿真软件进行了实验与分析，探究了所设计的正交相移键控最佳医学影像图像接收处理系统的抗噪性能。

1 医学影像图像正交相移键控接收处理的模型分析

解调器和检测器是接收处理信号的两个核心部分。解调器是将接收波形变换成n维向量的过程，检测器是判别可能信号波形中被发送的波形信号[10-15]。接收处理结构如图1所示。

1.1 正交相移键控的最佳医学影像图像接收处理的工作原理

正交相移键控最佳医学影像图像接收处理原理图如图2所示。

最佳医学影像图像接收处理是无线通信终端的重要器件。通过该器件，接收端可从噪声背景中提取出有用信号，使输出信噪比最大化。相关解调器将接收信号和噪声展开成一系列线性加权正交基函数[16-19]。正交相移键控的基函数为：

由于时域的乘积等价于频域的卷积，将接收信号分别与基函数相乘再积分，达到最佳解调。

正交相移键控的最佳医学影像图像接收功能主要是对输入的高斯白噪声信号进行处理，通过相关解调器和检测器，实现最佳接收。其输出为二进制数据，对输出数据与输入数据进行比较，可以求得因受高斯白噪声影响而产生的误码率及信噪比。

1.2 正交相移键控的最佳医学影像图像接收处理设计流程图

正交相移键控的最佳医学影像图像接收处理设计的流程如图3所示。检测器计算接收信号的相位，再选择相位最接近的信号向量。令θ为相位角，则相位与输出关系为：如果-π≤θ<-34π和34π≤θ<π，输出信号判为10;如果π4≤θ<34π，输出信号判为01;如果-34π≤θ<-π4，输出信号判为11;如果-π4≤θ<π4，输出信号判为00。

2 正交相移键控的最佳医学影像图像接收处理的仿真研究

2.1 正交相移键控的最佳医学影像图像接收处理的仿真设计

本研究利用MATLAB平台[18，20-21]仿真最佳医学影像图像接收处理过程，对输入叠加噪声的正交相移键控调制信号进行接收。首先通过rand int生成原始的随机二进制数，然后调制原始信号，再将高斯白噪声加入调制信号中。解调器将信号和噪声分别在一组基函数上展开，张成信号空间，这样相关解调器实现最佳解调功能。检测器依据最大似然函数的最小距离来判决输出[22-24]。所以，正交相移键控的仿真模块分别为解调器模块和检测器模块。其模块功能分别如下：

1）相关解调器模块

2.2 正交相移键控的医学影像图像接收处理仿真结果及分析

信道模块之后的相关解调器模块，其功能主要是对调制信号进行解调。信号通过计算接收信号在基函数上的投影，实现相关解调。运行相关解调器模块，当信道模块中有加性高斯白噪声干扰和没有加性高斯白噪声干扰时的结果分别如图4、5所示。

如图4所示为有加性高斯白噪声干扰的情况图。其中：图4（a）是基函数f1=cos（2πfct）的图形;图4（b）是接收信号与基函数f1=cos（2πfct）相乘的图形;图4（c）是基函数f2=sin（2πfct）的图形;图4（d）是接收信号与基函数f2=sin（2πfct）相乘的图形;图4（e）是接收到的信号图形。由图4（b）、（d）可观察到：当基函数f1=cos（2πfct）与接收信号相乘后，采样点的幅度值基本上都在0幅度以下，即平均值为负;当基函数f2=sin（2πfct）与接收信号相乘后，采样点的幅度值基本上都在0幅度以上，即平均值为正。

与图4（a）、（b）、（c）、（d）、（e）相对应，图5（a）、（b）、（c）、（d）、（e）所示为没有噪声干扰情况的图。对比图4与图5，可以看出：没有噪声时，接收信号与基函数相互作用之后，波长与幅度都是均匀的;当有噪声存在时，接收信号与基函数相互作用之后，幅度变得参差不齐，但是通过与基函数相乘达到了归一化目的，起到了抑制噪声的作用。

信号通过相关解调器模块进入检测模块，经检测模块对信号进行判决输出。检测器端是保证最佳信号接收效果的重要部分，其输出结果如图6所示。

由图6（a）、（b）可以得出：当相位角为0时，判决输出为00-0;当相位角为2时，判决输出为01-1;当相位角为-2时，判决输出为11-3;当相位角为-3时，判决输出为10-2。通过分析检测输出结果，完全与-π≤angler<-34π∪34π≤angler<π时，输出信号判为2，当π4≤angler<34π时输出信号判为1，当-34π≤angler<-π4时输出信号判为3，当-π4≤angler<π4时输出信号判为0完全符合。

如图7（a）、（b）所示，图7（a）为原始的发送信号图;图7（b）为原始信号图7（a）经信道受加性高斯白噪声干扰后传输，再经解调、检测等，最终接收到的信号图。比较7（a）、（b）两图，明显看到存在误差，说明噪声对信号传送的影响情况。

通过观察信噪比对误码率的影响，由图8可见：提高信噪比，可以降低误码率，当信噪比为-7.9 dB，误码率达到零，且误码率随干扰信息的增加而增大的关系。

3 结语

本研究通过分析正交相移键控的最佳医学影像接收处理过程的数学模型，对正交相移键控的最佳医学影像图像接收处理的仿真实现进行了较详细的讨论。采用随机二进制数通过正交相移键控调制后叠加高斯白噪声对设计的接收机进行仿真测试，完成了其对高斯白噪声的抗干扰作用，探讨了正交相移键控的最佳医学影像接收机的误码率与信噪比的规律及抗噪性能。仿真表明所设计的系统合理，可靠。该研究方法对后续其他通信系统的设计及科學研究有一定参考价值。

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（责任编辑：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