基于mc-cdma图像无线传输系统的研究

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摘要摘要移动多媒体业务的不断增长使得人们对无线网络的传输速率和可靠性提出了更高的要求，如何在带宽受限和时变的无线信道下进行图像的传输一直以来是学术界讨论的热点。MC-CDMA(Multi-CarrierCodeDivisionMultipleAddress多载波码分多址)是一项综合技术，它很好的继承了OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing正交频分复用)和CDMA(CodeDivisionMultipleAddress码分多址)各自的优良特性，一方面满足了多个用户对于同一频谱资源的共享，另一方面通过降低子信道速率可以很好地对抗多径传播造成的符号间干扰，在高速多媒体业务传输方面具有独特的优势，也为个人通信网以及第四代移动通信的发展提供了一个很好的解决方案。本文对基于MC-CDMA系统的图像无线传输方法加以研究。首先介绍了图像的矢量量化编码原理，对一种经典的码书训练方法-LBG(Linde、Buzo、Gray提出)算法进行了研究，并讨论了信道编码理论中一种具有较强纠错能力的Turbo码技术的原理、编译码器结构、译码算法等，通过仿真分析了交织长度、译码算法、输出码率、迭代次数等对其误码性能的影响。其次，在OFDM和CDMA基本原理基础上介绍了三种主要的OFDM-CDMA结合方案，进行了分析和比较，并选择MC-CDMA作为本文的研究对象。基于这一传输框架，结合Turbo码技术和矢量量化编码技术，给出一个用于图像无线传输的通信系统模型并进行了仿真实验。结果表明：在较低的信噪比和多径衰落存在的情况下，该系统经过4-5次迭代恢复的图像效果要优于同等条件下使用卷积码的情况，并可与高信噪比时使用较长译码深度的结果相比拟。关键词：多载波码分多址；矢量量化编码；图像无线传输；Turbo码I AbstractAbstractWiththedevelopmentofmobilemultimediaservices,demandsfortherateandreliabilityofwirelessnetworkisgrowingrapidly.Ithasbeenanimportantfieldofacademicresearchthathowtoaccomplishtransmissionofimagesinthetime-varyingwirelesschannelwithalimitedfrequencyband.MC-CDMAisanattractivetechnologywhichremainstheadvantagesofOFDMandCDMAwell.Ithasdemonstratedunusualgoodperformanceinthetransmissionofhigh-speedmultimediadataanditsuppliesareliablesolutionoffuturepersonalcommunicationand4Gsystems.BasedonMC-CDMAtechnology,inthisthesis,researchonthemethodofwirelessimagetransmissionisdone.InthisthesistheprincipleofVQcodingofimagesandatypicaltrainingmethodofcodebook-LBGalgorithmisintroducedandstudied,thentheprinciple,structuresofencoderanddecoder,decodingalgorithmofTurbo-codesarediscussedindetail.Simulationsaredonetoanalysisbiterrorraterelatedtointertwinedlength,outputrate,decodingalgorithm,itertimesetc.thenthreemainexistingcombinationschemesofthesetwotechnologiesareintroducedandcompared,eventuallyMC-CDMAtechnologyischosen.BasedontheVQcodingtechnology,MC-CDMAtechnologyandTurbo-codestechnology,theframeworkofatransmissionsystemofwirelessimageisdesignedandstudied.Simultionresultsdemonstratethatinthecaseoflowersignal-noise-rateinmultipathfadingchannel,thequalityofrestoredimagesinourproposedsystemwithiteringfourorfivetimesisbetterthanthatinconvolutionalsystem.Itcanalsoapproachtheperformanceofthesystemwhichuseslongfeedback-lengthconvolutionalcodesinhigherSNR.Keywords：MC-CDMA;VQ;Wirelessimagetransmission;Turbo-codesII 目录目录摘要.................................................................................................................................IAbstract.........................................................................................................................II第一章绪论................................................................................................................11.1本文的研究背景............................................................................................11.2国内外研究现状............................................................................................21.3论文所做工作与章节安排............................................................................4第二章矢量量化与差错控制编码技术....................................................................62.1图像的矢量量化方法....................................................................................62.2差错控制编码技术........................................................................................92.2.1卷积码原理........................................................................................102.2.2Turbo码技术.....................................................................................112.3本章小结......................................................................................................18第三章MC-CDMA技术.........................................................................................203.1CDMA原理.................................................................................................203.2OFDM原理.................................................................................................213.3OFDM与CDMA结合的几种方案...........................................................253.3.1MC-DS-CDMA..................................................................................263.3.2MT-CDMA.........................................................................................273.3.3MC-CDMA........................................................................................293.3.4三种结合方案的比较........................................................................323.4MC-CDMA性能仿真与分析.....................................................................333.4.1MC-CDMA与OFDM系统误码性能的比较.................................333.4.2循环前缀长度对MC-CDMA系统误码性能的影响......................353.4.3调制方式对MC-CDMA系统误码性能的影响..............................373.4.4用户数目对MC-CDMA系统误码性能的影响..............................383.5本章小结......................................................................................................39第四章基于MC-CDMA的图像无线传输系统的研究........................................414.1MC-CDMA系统信道模型.........................................................................41III 目录4.2基于MC-CDMA的图像无线传输系统框图..................................................434.2.1发射端模型........................................................................................444.2.2接收端模型........................................................................................464.3部分模块的实现方法..................................................................................474.4本文设计的图像无线传输系统性能仿真..................................................524.4.1系统仿真流程图................................................................................524.4.2仿真结果及分析................................................................................54第五章总结与展望................................................................................................625.1全文总结......................................................................................................625.2工作展望......................................................................................................62参考文献......................................................................................................................64致谢..............................................................................................................................67作者攻读硕士学位期间发表的论文..........................................................................68IV 第一章绪论第一章绪论1.1本文的研究背景随着移动通信技术的进一步发展，人们希望能够通过网络收看电视直播，传输图片、语音信息，进行可视电话、实时炒股和在线办公并享受各种电子商务服务，这就对网络的传输速率和可靠性提出了更高的要求，而无线信道的频带资源是有限的，现有的第二代蜂窝移动系统主要针对语音通信而设计，难以很好地满足移动多媒体业务的需求，当信息速率进一步提高，发送信号带宽大到可以与信道的相关带宽相比拟时，就会造成频率选择性衰落，引起符号间干扰(ISIInterSymbolInterference)。目前主要有两种方法克服ISI，第一种是单载波调制加时域均衡的方法，现有的GSM(GlobalSystemforMobileCommunications)系统即采用了这种方法；第二种是DS-CDMA加Rake接收的方法，如IS-95系统，这两种方法均能在一定程度上克服频率选择性衰落造成的符号间干扰，但是对于高速数据业务而言，由于无线信道存在时延扩展，而高速信息流的符号宽度又相对更短，符号间会存在较严重的ISI，此时就对单载波系统的均衡器提出了更高的要求，即抽头数量要足够大，训练符号足够多，训练时间足够长，均衡算法的复杂度就大大增加了，会引起较大的时延，难以适应实时多媒体业务要求。对CDMA系统而言则主要存在扩频增益与高速数据传输的矛盾，在保证相同带宽的前提下，对高速数据流所使用的扩频增益不能太大，否则就会限制CDMA系统噪声平均的优点，使得系统的软容量受到一定的影响。如果保持原来的扩频增益，就必须相应地提高带宽，而且受硬件实现复杂度的限制，CDMA系统中Rake接收机分支数目不能太多，高速宽带系统中可分解的多径数量越多，就会有越多的能量损失。为了支持更高的信息传输速率和更快的用户移动速度，在下一代的无线通信中必须使用频谱效率更高、抗多径干扰能力更强的新型传输技术，而OFDM技术则很好地满足了这一要求。OFDM(正交频分复用)是一种易于实现的多载波调制方案，它的基本思想是将待发送数据流转换为若干个并行的子数据流，同时在相互正交的子载波上传1 第一章绪论送，每个子载波上传输速率可以很低，这样就增加了信息码元的周期，当其大于信道的最大时延扩展，就可以有效减少信道时间弥散带来的ISI。通过在两个OFDM符号间插入一定宽度的循环前缀，可以基本消除多径传播造成的符号间干扰(ISI)和载波间干扰(ICI)。由于数据以并行的方式在子载波上传输，每个子载波都可以看作一个独立信道，由于子信道上传输速率较低，当通过频率选择性衰落信道时，虽然整个信号频带内信道是有衰落的，但是每个子信道上是可以近似看作平坦衰落的，只需要采取简单的频域均衡就可以消除衰落信道的影响，并且其多载波调制部分可以用DFT和IDFT实现，简单直观。由于其较高的频谱利用率，特别适合在带宽受限的无线信道使用，并可以支持高速数据传输。但是OFDM在蜂窝组网方面无法实现CDMA的频率全复用方式。如果以每扇区或每小区频谱效率作为系统容量标准，OFDM仍然需要采用频谱复用方式解决小区间干扰问题，这样使得每小区/扇区频谱效率无法得到提高，此外由于各个子载波上传输的是不同的信息符号，无法获得频域分集，因此OFDM必须与其他多址技术结合才能在蜂窝系统中应用，而CDMA是一种优秀的组网技术，其本身也具有较强的抗多径干扰和高斯白噪声的能力，近年来人们围绕CDMA与OFDM技术的结合及一些关键技术展开了大量的研究，提出了一些可行的结合方案。可以预见，OFDM-CDMA将在未来的通信技术标准中占有重要一席，并可以适应移动多媒体应用的需求。图像通信是移动多媒体通信中一项重要研究内容，无线信道相对有线信道具有较高的误码率，充斥着各种干扰和噪声，信道条件也更为复杂，而压缩图像对于噪声、衰落和冲突的位错误造成的误码是非常敏感的，少量的误码也可能会导致接收图像质量的下降，尤其是位错误发生在关键报头部分时会直接导致译码失败以致难以恢复原始图像内容，因此在进行图像无线传输系统的设计时需要采用合适的数据调制、信道编码、图像压缩、接收检测技术。本文基于MC-CDMA技术设计出一个通信系统模型，将矢量量化编码和Turbo码技术加以结合，来进行图像的无线传输，并通过仿真实验对其传输性能加以研究。1.2国内外研究现状[1]1990年Bingham,J.A.C.的成为多载波技术研究的经典文献，被大量引用，2 第一章绪论但是文章并没有涉及到与CDMA结合的概念。1993年开始有学者陆续提出将传统的CDMA与OFDM技术结合的思想，认为可以通过FFT进行块发送和接收而不必增加设备复杂度，具有很高的频谱利用率，较好地对抗频率选择性衰落造成的符号间干扰，同时也可以提供多种速率传送，以满足不同要求、不同层次的用户。1995年IEEE的“Wirelesspersonalcommunication”专题讨论了多载波通信，提出MC-CDMA是未来宽带无线通信的一项极具前景的多址技术,Fazel.K和Kaiser.S[2][3]在其中发表的文献分别探讨了OFDM在数字视频广播(DVBDigitalVideoBroadcasting)中应用和蜂窝移动通信中的正交多载波扩频多址。1996年Milstein[4][5]和Nakagawa分别发表于IEEE通信杂志上的文章对多载波的接收检测方法进[6]行了理论分析。1997年Hara发表于IEEE的文章对多载波技术与CDMA结合的模式进行了归纳，探讨了多载波的接收技术，并进行了性能分析。随后学术界围绕多载波CDMA技术存在的一些难点和关键技术展开了广泛的研究，如峰值[7][10][11][12][14][7][10][14][7][8][14]平均功率比的降低、系统的同步技术、信道估计方法、[14]多用户检测等。在多载波CDMA技术的应用方面，利用这一系统进行图像无线传输方面的[42]研究还较少，文献提出了使用带权重控制的MC-DS-CDMA系统来进行JPEG2000图像分级传输的方案，它将图像分块，根据JPEG2000图像码流的重要性在MC-DS-CDMA系统中分配不同的权重，即按照优先级对子图像块的各个序列分配不同数目的子载波，接收端根据每个子图像的权重使用伪加权中值滤波器恢复出图像，结果表明，考虑了数据优先级的MC-DS-CDMA方案比通常的MC-DS-CDMA方案恢复出来的图像质量要好，峰值信噪比有较大提高。基于[15][16][15]OFDM系统的图像无线传输的研究主要有文献，文献中提出了基于DFT-OFDM多载波系统和基于小波包变换的多载波系统的自适应分配子载波、比特和功率的图像无线分级传输方法，分别在不同的无线信道中根据各自特性及所采用的均衡方法，研究并设计了不同的图像无线分级传输方案，达到了很好的[16]视觉和传输效果。文献将图像的分级编码与OFDM多载波调制技术相结合，提出了一种基于OFDM系统的无线环境下图像鲁棒性传输的方法，主要基于UEP(UnequalErrorProtection不等差错保护)的思想，将自适应技术应用到多载波系统的图像无线分级传输中，性能要明显优于不采用自适应技术的EEP(Equal3 第一章绪论[17]ErrorProtection等差错保护)系统。文献中将矢量量化编码的方法与Turbo码相结合，对静止图像经过多径瑞利衰落信道传输时不采用信道编码与采用Turbo码作为信道编码方案的两种情况加以了比较，结果表明Turbo码具有很强的抗衰落和多径效应能力，提高了图像无线传输的可靠性。1.3论文所做工作与章节安排MC-CDMA作为一项很有应用前景的技术已经引起了学术界和产业界的广泛关注，但根据收集到的一些文献资料来看，相当一部分涉及的仅仅是对多载波CDMA系统基本原理介绍或某几项关键技术的研究，从应用性的角度加以讨论的尚不多见。本文在OFDM与CDMA基本原理基础上介绍了OFDM-CDMA的三种结合方案并对它们进行了分析比较，从中选择MC-CDMA作为本文的研究对象，并通过仿真对其性能加以分析；对一种具有良好纠错性能的Turbo码的基本原理、编译码器结构、译码算法等进行了研究，仿真分析了迭代次数、交织长度、输出码率、译码算法等对Turbo码误码性能的影响；最后基于MC-CDMA这一物理传输方案，结合矢量量化编码和Turbo码技术，设计了一个用于图像无线传输的通信系统模型，并在AWGN信道和多径瑞利衰落存在的情况下对其传输性能进行了仿真分析，与信道编码方式为卷积码的情况进行了比较，同时兼顾到系统误码性能与复杂度考虑如何进行合理的参数设置。全文内容分为五章，具体安排如下：第一章引言主要论述了本文的研究背景，对国内外多载波CDMA技术以及应用多载波技术进行图像无线传输的研究现状做了总结和归纳，介绍了作者所做工作。第二章对本文采用的矢量量化编码的原理及一种直观的码书设计方法—LBG算法进行了研究，介绍了实际通信系统中应用较为广泛的卷积码原理，对信道编码理论中一种具有较强纠错能力的Turbo码技术的原理、编译码器结构、译码算法等加以研究，通过仿真实验分析了交织长度、译码算法、输出码率、迭代次数等对Turbo码误码性能的影响。第三章在OFDM和CDMA基本原理的基础上阐述了目前三种主要的OFDM-CDMA结合方案MC-CDMA、MC-DS-CDMA、MT-CDMA的基本原理并4 第一章绪论对它们进行了比较，通过仿真实验对MC-CDMA系统的误码性能进行了分析。第四章给出了本文设计的基于MC-CDMA的图像无线传输系统的结构框图和发送端、接收端模型，介绍了MC-CDMA系统的信道模型、部分模块的实现方法，对本文设计的图像无线传输系统的性能进行了仿真，与信道编码方式为卷积码的情况作了比较并给出结论。第五章对全文工作加以总结，并对今后的工作进行了展望。5 第二章矢量量化与差错控制编码技术第二章矢量量化与差错控制编码技术2.1图像的矢量量化方法矢量量化又称为VQ(VectorQuantitation)，是低比特率图像编码的一种有效方法，它克服了标量量化每次仅孤立地考虑一个模拟样本值并量化的方法的不足，可以充分利用样本之间的相关性，对序列中的许多样本进行联合量化，用一个矢量值代替相似的一组值，这样就有可能减少量化误差，进一步提高图像压缩率，这是矢量量化的基本思想。k矢量量化过程可以定义为从k维欧几里德空间R到一个有限子集C的映射，kk也就是QR:C，其中C={,,,.......,........YYYYY|YR}称为码书，N为码书123iNi长度，这个映射应该满足：kQXX(|R)Yl(2.1)k其中X(,xxxx,,,.....)x为R上的一个k维矢量，Y(y,yy,......y)1234kll1l2,l3lk为码书C的码字，并且满足最邻近规则即对于任意输入矢量X，总可以从码书中找到一个码字，使它与输入矢量X的失真测度是码书中所有码字最小的，即要满足2.2式。DXY(,)min(,)DXYli1iN(2.2)其中DXY(,)是矢量X与码字Y的失真测度，可以是它们的均方误差或P范ii数、无穷范数。经过矢量量化器输出的是一个代表输入矢量的码字Y的位置，当用于图像传l输则仅需要发送这些索引序列，接收端根据这些索引序列在码书中查表，找出对应位置的码字并将图像信息重建出来，由于矢量量化是一种有损压缩技术，重建图像与原始图像可能存在一定的失真，但只要控制在一定的范围内，就可以认为压缩过程是有效的。实际应用中为每幅待压缩的图像都设计一个码书是不现实的，通常的做法是以一些代表性图像构成的训练集为基础，为一类图像设计一个6 第二章矢量量化与差错控制编码技术最优的码书。矢量量化编码中一项非常重要的技术是码书的设计，码书的训练质量会直接影响矢量量化器的性能及复杂度，因此码书生成算法是矢量量化编码中一项重要研究内容，本文采用了经典的LBG算法，并给出了详细的算法流程。LBG算法是Y.Linde、A.Buzo、R.M.Gray于1980年共同提出的，由于其理论比较严密，实施过程简便，设计的码书性能较好，得到了广泛的应用，并成为各种改进算法的基础。它既适用于信源分布已知的场合，也可用于信源分布未知而仅知训练序列的场合。基于训练序列的LBG算法的过程如下：000(一)初始化，给定码书长度、失真控制门限、初始码书Y={,yy,......,y}以12J及训练序列T={ff,,.....f}，NJ，m=0，Ds12N0。mmm(二)给定Y{y,y,......y}，求训练序列T的最小失真划分P(Y)，如果有mJ12smmmdfy()min{(,dfy)}(2.3)j,ijl1lJm则判定fS其中df()，y是两向量之间的欧氏距离。jiji(三)计算平均失真N1mDmDYPY{,(mm)}min{(,dfyjl)}N1lJj1(2.4)DDmm1如果则停止迭代，且Y即为所求码书，否则继续。mDm(四)对划分P(Y)求最佳恢复码字，其中s是s中元素个数。mii^^^1fPY((mi)){(),fSi1,2,3,.....}JfS()ijfSifSji(2.5)^(五)令YfPY(())，m=m+1，转到第二步继续执行。mm1经过上面的步骤后，就可以有效地设计出性能较好的码书，LBG算法基于最佳矢量量化器设计的最佳划分和最佳码书这两个必要条件，其特点是物理概念清晰、算法理论严密、实现比较容易，但是也存在一些缺点：(一)每次迭代的最佳划分阶段，从码书中搜索训练矢量的最近码字需要大量的存储空间和繁琐的计算。7 第二章矢量量化与差错控制编码技术(二)初始码书的选择会影响码书训练的收敛速度和最终码书的性能。(三)码书的自适应能力不强。下面以512×512，256个灰度级的标准测试图像lena为例，来说明矢量量化编码的良好压缩性能。首先将lena图像分成若干个4×4的子图像块，通过LBG算法生成码书文件，码书长度为64，然后根据最小距离准则将输入的每个子图像块矢量映射为码书中某一码字的索引值，这个索引值就可以唯一地代表该子图像块，接收的时候按照索引值在码书中查表，根据找到的码字来重建图像，如图2-1、2-2所示。图2-1原始lena图像图2-2矢量解码后图像Fig2-1originallenaimageFigure2-2restoredimageaftervector-decoding原始图像2-1需要占用存储空间512×512×log256=256KB(1KB=1024×28)，码书长度为64，码字长度为16，矢量量化编码以后压缩图像2-2占用空间2(512/4)×log2(64)=98304bit=12KB，每个像素需要比特数为0.375，压缩比为21.3，可以看出存储的数据量大幅减少了，提高了压缩率，图像失真也控制在允许范围内。同样以图2-1的lena图像为例应用LBG算法设计一个256×16的码书，对另一幅标准图像baboon(图2-3)进行矢量量化编码，接收端重建图像如图2-4，此时每个像素需要的比特数为0.5，压缩比为16，可以看出恢复的图像质量还是较好的。需要指出的是码书的大小会影响LBG算法生成码书的速度，通常来说矢量维数越大，码字个数越多，量化失真就越小，重建图像质量越好，但相应的存储空间和搜索时间开销也增加了。8 第二章矢量量化与差错控制编码技术图2-3原始baboon图像图2-4应用通用码书矢量译码恢复的图像Fig2-3originalbaboonimageFig2-4restoredimageaftervector-decodingusinguniversalcodbook2.2差错控制编码技术差错控制编码的基本思想是在待传输信息序列中附加一些监督码元信息，这些多余的码元与信息码元之间满足一定的规则约束关系，接收端去检验这种约束关系，一旦传输过程中出现错误，约束关系将遭到破坏，从而可以发现乃至纠正错误。由于额外附加了一些比特信息以提高数据传输的可靠性，一定程度上降低了信息传输速率，但从整体来看这种成本付出是值得的。随着大规模集成电路、高速信号处理技术的广泛应用，采用信道编码方法提高通信系统性能花费的代价要比增加发射功率或采用更大尺寸天线等措施小得多，因此信道编译码器是通信系统设计中一个非常重要的环节。香农信道编码定理指出：若信道有D个输入符号，S个输出符号，信道容量为C，被传送信息的码长为N，信息传输速率为R，则当RT+tss(3.1)通常也采用等效的基带信号来描述OFDM输出信号，如式3.2。N1idiexp[2j(tts)]recttt(sT/2)tsttsTst()i0T0tt或t>T+tss(3.2)s(t)的实部和虚部分别对应OFDM符号的同相和正交分量，在实际应用中可以分别与相应的子载波的余弦分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM符号。这里ffiT/，接收端将接收到的同相和正交分量映射回数据信息，ic完成子载波解调。21 第三章MC-CDMA技术j2ftj2ft00ede~0d0积分器j2ft1ej2ft1~ded1st()1积分器并/串串/并..+信道变换变换....ej2fN1tej2fN1tdN1积分器~dN1图3-2基本的OFDM调制与解调框图Fig3-2basicmodulationanddemodulationmodelofOFDM时域上每个OFDM符号在其周期T内都包含很多个非零的子载波，并且相邻子载波之间相差一个周期，体现在频域上就可以看做周期为T的矩形脉冲频谱与一组位于各个子载波频率上的函数的卷积，在相互重叠的各个子信道内就形成若干Sinc函数频谱。在每个子载波频谱最大值处所有其他子载波的频谱值恰好为0，各路子载波组合在一起，总的频谱形状非常接近矩形频谱，其宽度接近传输信号的奈奎斯特带宽，所以OFDM系统的频谱利用率是很高的。图3-3和3-4分别给出了包含多个正交子载波的OFDM符号频谱图和实际仿真得到的OFDM发送符号功率谱波形，可以看出实际的OFDM符号功率谱形状非常接近矩形频谱，但其带外功率谱密度衰减比较慢，容易造成频谱泄漏，为了让带宽外[21]功率谱密度下降更快，可以对OFDM符号采用加窗技术。22 第三章MC-CDMA技术图3-3OFDM符号频谱图Fig3-3frequencyspectrumofOFDMsymbol图3-4实际仿真的OFDM发送功率谱波形Fig3-4waveformofpowerspectrumofOFDMsymbol为了解调出第k路子载波信号，将接收信号与第k路的解调载波kexp[j2(tt)]相乘，然后在OFDM符号持续时间T内积分，即可得到相应sT^的发送信号估计值d，如式3.3。k^N11tTskidkexp[j2（t-ts)]diexp[2j(tts)]dtTtsTi0TN11tTsikdisexp[2j(tt)]dtTTtsi0di(3.3)实际上OFDM复等效基带信号可以采用离散傅立叶变换(DFT)来实现，令式kT3.2中的t0,t(k0,1,2,N1)可以得到sNN12kisk()skTN(/)diexp(j)0kN1(3.4)i0N接收端为了恢复出原始的数据符号d，可以对s(k)进行DFT变换得到：iN12kidisk()exp(j)0iN1k0N(3.5)23 第三章MC-CDMA技术从上面的分析可以看出，OFDM系统的调制解调完全可以由IDFT/DFT来代替，通过N点DFT运算，把频域数据符号d变换为时域的形式s(k)，经载波调i制后发送到信道中，在接收端进行相干解调，将基带信号进行N点DFT运算，即可获得发送的数据信号d。i（二）保护间隔和循环前缀的应用为了最大限度地消除多径造成的符号间干扰(ISI)，可以在两个OFDM符号间插入一段保护间隔，保护长度T一般要大于无线信道最大时延扩展，这样一个sOFDM符号的多径分量就不会对下一个符号造成影响，以前的做法是插入一段空白时隙，然而这种情况下由于多径传播的影响会使子载波之间正交性遭到破[21]坏，不同的子载波会产生干扰。[40]1980年Peled和Ruiz在文献中提出将循环前缀或循环扩展(Cyclicprefix)应用于OFDM以解决子载波正交性的问题，为OFDM技术的发展做出了贡献。他们在保护间隔内加入了OFDM符号的循环扩展，而不再是空白时隙，即将每个OFDM符号的后T时间中的样点复制到OFDM符号的最前面形成前缀，这是g一种循环复制，增加了OFDM符号的长度。通过在每个符号的起始位置增加循环前缀可以减少或完全消除由于多径传播造成的ISI和ICI。加入了循环前缀的OFDM符号如图3-5所示。复制IFFT保护保护IFFT输出IFFT输出输出间隔间隔TgTFFT时间Ts符号N-1符号N符号N+1图3-5加入循环前缀的OFDM符号示意图Fig3-5OFDMsymbolinsertingCyclicPrefix24 第三章MC-CDMA技术OFDM符号的总长度为TTT，T为抽样的保护间隔长度，T为sgFFTgFFTIFFT变换产生的无保护间隔的OFDM符号长度，则在接收端抽样开始时刻T应x该满足TT，其中是信道的最大多径时延扩展。当子载波个数较大maxxgmax时，OFDM符号周期T相对于信道的脉冲响应较大，ISI影响较小，如果保smax护间隔T远大于，则可以完全克服ISI。同时由于在一个FFT周期内OFDMgmax符号的延时副本中也包含了整数个波形周期，这样时延小于保护间隔T的多径信g号在解调过程中就不会产生ICI。当然加入循环前缀以后会引起一定的功率和信息速率的损失，但是从它可以有效消除多径传播造成的ISI和ICI的效果来看，这种代价付出是值得的。在给定带宽的OFDM系统中，符号周期与子载波数目是成比例的，增加OFDM符号周期固然对频率选择性衰落有更强的承受能力，但是对于时间选择性衰落却更为敏感。随着子载波数目的增加，子载波间隔相应减少，会对多普勒效应造成的频率偏移更加敏感，子载波更易受到ICI的破坏，而且会在输出端产生很大的峰值平均功率比(PAPRPeakAveragePowerRate)，对发射机功率放大器的线性范围要求提高，增加系统的复杂度，因此在实际的OFDM系统中需要[21]合理设置子载波个数，一般以512或1024为宜。3.3OFDM与CDMA结合的几种方案前两节已经对CDMA和OFDM技术的基本原理做了介绍，由于CDMA系统相对其他系统具有容量较高、可以软切换、软容量、抗多径干扰和噪声能力强、发射功率低、保密性能好等诸多优势，在无线通信领域中占有了重要地位。CDMA已成为第三代移动通信标准主要的空中接口技术，但是CDMA系统对多址干扰(MultipleAddressInterferenceMAI)很敏感，并且随着传输速率的进一步增加，每个码片所占时宽变短，导致系统对信道多径扩展和多普勒频移更加敏感，定时同步要求更高，相关的接收机技术更为复杂，限制了其在高速数据和多媒体通信领域的应用，而新兴的正交频分复用技术由于其较高的频谱效率、抗多径干扰和频率选择性衰落能力，并能支持高速数据传输，成为了4G的核心技术，将并行多25 第三章MC-CDMA技术[7]载波传输理论与CDMA技术结合，成为当前的一大研究热点。OFDM-CDMA是一种综合技术，在频域上它利用了正交扩频序列实现多个用户共享同一频谱资源即码分多址，在时域上经串并变换它将数据分配到各个独立的子信道上并行高速传输，这样一方面满足了多个用户对同一资源的共享，另一方面通过降低子信道速率，起到很好的抗码间干扰的作用，改善系统的误码性能，可以支持高速数据传输。可以预见，OFDM-CDMA将为个人通信网以及第四代移动通信的发展提供一个很好的解决方案，成为下一代移动通信的核心技术[7]之一。目前将OFDM与CDMA技术结合加以研究的多载波CDMA方案主要有基于时域扩频的MC-DS-CDMA(Multi-Carrier-DS-CDMA多载波直扩CDMA)、MT-CDMA(Multi-ToneCDMA多音调CDMA)和基于频域扩频的MC-CDMA方案，下面分别阐述3种结合方案的原理。3.3.1MC-DS-CDMAMC-DS-CDMA最早是由多伦多大学的V.Dasilva和E.S.Sousal于1993年10月在ICUPC会议上提出来的。它首先按照子载波数目对各个用户的信息进行串并变换，并行的每一路数据用相同的短扩频码进行扩频，并调制到各个子载波上，相邻的子带频谱之间有1/2的重叠，各个子载波的间隔按照扩频后最小码元周期进行确定，子载波之间仍然保持了正交的特性。这种方案的扩频是在串并变换以后各个子信道上进行的，属于时域扩频的范畴。如果子载波数目为1，就成为一般的DS-CDMA。MC-DS-CDMA采用了OFDM信令，有助于建立同步信号，因此适用于上行通信链路。图3-6给出了MC-DS-CDMA发送和接收系统框图，可以将MC-DS-CDMA发送信号表示为：NbGMDj'Smcdscdma()tbicptlTj()l(c)cos(2ft02itT/b）il11(3.6)jjjjN为子载波数，G为扩频增益，C（t）[CC....C]为第j个用户的扩bMD12GMD1频序列，子载波间隔为f，T'为码元周期，T'/TNG，T为用户的bbbbMDbT'b符号周期。26 第三章MC-CDMA技术图3-7给出了MC-DS-CDMA的频谱示意图，可以清楚地看到各个子载波之间是相互正交的。cos(2ft)1jCt()j数据流St()MD串/并.j变换.Ct()cos(2ft2)..时间jcos(2ft)Ct()Nbjcos(2ft1)Ct()低通滤波器判决器jCt()cos(2ft)2接收信号低通滤波器判决器...并/串.变换...j.cos(2ft)Ct()Nb低通滤波器判决器图3-6MC-DS-CDMA发送与接收系统框图Fig3-6transmitterandreceivermodelofMC-DS-CDMA图3-7MC-DS-CDMA发射信号频谱Fig3-7spectrumoftransmittedsignalofMC-DS-CDMA3.3.2MT-CDMAMT-CDMA是比利时的L.Vandendorpe于1993年提出的，与MC-DS-CDMA一样，它也是在时域对信号进行扩频的，但其扩频是在IFFT变换之后进行的，扩频后信号带宽也远大于MC-DS-CDMA，接收机对每一路子载波解调信号进行27 第三章MC-CDMA技术RAKE接收。其发送与接收系统框图如图3-8所示。设OFDM符号周期为T，s然后经过长度为L的扩频序列扩频，扩频后每个子载波的带宽扩展为LT/，而s相邻子载波间隔仍然为1/T，因此子载波之间有较多的重叠，也不再保持正交性。sMT-CDMA方案使用了与子载波数目成正比的更长的扩频码，与DS-CDMA方案[21]相比，可以容纳更多的用户。图3-9给出了MT-CDMA发送信号频谱示意图。RK/bRbjCn串/并..并串.IFFT.低通滤波器变换变换....cos(2ft)1RakeRake接收机接收机1cos(2ft)2Rake接收机2接收信号......cos(2.ft).NbRake接收机Nb图3-8MT-CDMA发送与接收系统框图Fig3-8transmitterandreceivermodelofMT-CDMA图3-9MT-CDMA发送信号频谱图Fig3-9spectrumoftransmittedsignalofMT-CDMA28 第三章MC-CDMA技术3.3.3MC-CDMAMC-CDMA是最早的OFDM与CDMA结合方案，分别由伯克利大学的Linnartz、Fettweis和德国的Fazel、Papke独立提出，它继承了OFDM与CDMA各自的优点，此方案是将每个信息符号先与扩频序列各个码片对应相乘，并将相乘后每路信号调制到各个子载波上。由于该方案的扩频是在傅立叶逆变换(IDFT)之前进行的，因此属于频域扩频的范畴。图3-10给出了基本的MC-CDMA系统发射与接收框图，其发射信号可以表示为：N1Smccdma()takcim()m()cos(2ftc2itT/b)i0(3.7)这里采用BPSK调制，用户m的扩频序列用ci()表示，设第m个用户的第mk个比特数据为akm()，取值为1，持续时间为Tb，子载波数目为N，akm()经过复制器复制成N份后与该用户的扩频码每个码片对应相乘，并调制到各个不同的子载波上，然后将N个支路的信号组合起来形成发送信号。29 第三章MC-CDMA技术c(0)cos(2ft)mccos(2ft2tT/)c(1)cbm.St()mccdmaakm().复制器..cos(2ft2(N1)/tT)cbcN(1)m2/Tbccos(2ft0,0)c0(0)d0,02/Tbcos(2ftc2tT/b0,1)c0(1)d0,1r(t)..积分..判决2/Tcos(2.ft2(tN1)/T).bcb0,N1.cN0(1)d.0,N1图3-10MC-CDMA基本发送和接收系统框图Fig3-10basictransmitterandreceivermodelofMC-CDMA图3-10的接收机假设用户0的信号为期望的有用信号，存在M个活动用户，信道的影响包含在和内，则接收信号可以表示为：mi,mi,MN112itrt()mim,,ciak()m()cos(2ftcmi)nt()(3.8)mi00Tb从接收机框图可以看到，每个子载波支路的振荡器的频率中都包含相位偏差iN0,1,1，以实现接收机与期望信号的定时同步。为了提取出期望0,i的信号分量，需要利用扩频码字之间的正交性。假设用户已实现了定时同步，则接收机模型输出的第k个数据符号的判决变量为：MN112(kT1)bv0mim,cidak()0,im()cos(2ftc2itT/bmi,)TkTbmi00b(3.9)^cos(2ft2itT/)dtcb0,i30 第三章MC-CDMA技术^其中0,i表示接收机估计到的第i个子载波支路上的相位偏差，对应的噪声项可以表示为：N1^(kT1)b2nt()d0,icos(2ftc2itT/b0,i)dt(3.10)kTbTi0b^如果可以精确估计信道的相位变化，即0,i0,i，则判决变量可以简化为：N1M1N1^v0ak0()0,id0,iciakcim()m()()0mi,d0,icos(mi,)(3.11)i0m1i0^其中mi,0,imi,，式3.11由三项组成，第一项为期望用户信号，第二项为其他用户带来的干扰分量，第三项为噪声部分。如果假设信道没有畸变，即1及0，这时式3.11可以进一步表示为：mi,mi,MN11v0Nak0()akmm()cici()()0(3.12)mi10如果各个用户的扩频序列完全正交，则第二项可以消去，但是实际的无线信道条件是复杂的，各个子载波上频率响应也不相同，可能会使用户之间扩频序列的正交性遭到破坏，因此需要采用合适的数据检测方法。MC-CDMA系统数据检测方法主要有单用户检测和多用户检测两种。单用户检测包括正交恢复合并(OrthogonalityRestoringCombiningORC)、等增益合并(EqualGainCombiningEGC)、最大比合并(MaximumRateCombiningMRC)、最小均方差合并(MinimumMeanSquareErrorCombiningMMSEC)。多用户检测方法主要有最大似然检测技术(MaximumLikelihoodDetectionMLD)和迭代检测(IterativeDetectionID)等。多用户检测技术充分利用了多用户干扰信息，可以有效消除多址干扰，提高系统性能，但是计算复杂度比较高，而且要获知当前所有[21][26]活动用户的信息只有基站能够做到，因此比较适合在上行链路中使用。文献对MC-CDMA系统的数据检测技术作了分析并比较了下行链路下单用户和多用户情况时四种合并技术的误码率性能。31 第三章MC-CDMA技术3.3.4三种结合方案的比较描述一个CDMA系统的主要性能指标包括：子载波符号周期、子载波数目、[41]处理增益、码片周期和需要的带宽。文献通过表3-1对MC-DS-CDMA、MC-CDMA、MT-CDMA和DS-CDMA四种传输体制加以了比较。传输体制子载波符号子载波数扩频码码子载波间隔所占带宽周期目片周期DS-CDMAT1T/LLT/sssMC-CDMANTcsNT1(NGc1)MCcsGTNTmcscsMC-DS-CDMANTNNTcsGDS(NGc1)MDcscGNTNTMDcscsMT-CDMANTNNTcs1(NGc1MT)cscGNTNTMTcscs表3-1MC-DS-CDMA、MC-CDMA、MT-CDMA和DS-CDMA性能比较Table3-1ComparisonofMC-DS-CDMA,MC-CDMA,MT-CDMAandDS-CDMA通过分析可以得出如下结论：(一)与DS-CDMA相比，多载波CDMA具有较长的码长，更容易得到序列同步，并减少了多址接入干扰(MAI)，在抗MAI方面明显优于DS-CDMA。当在DS-CDMA系统中使用矩形脉冲时，MC-CDMA和MC-DS-CDMA方案需要的带宽是DS-CDMA的一半，而MT-CDMA需要的带宽则与DS-CDMA相同。如果使用具有小的滚降因子的奈奎斯特滤波器，MC-CDMA和MC-DS-CDMA需要的带宽则与DS-CDMA类似。(二)从频谱分布来看，MC-CDMA和MC-DS-CDMA的频谱分布较好，子载波之间保持了正交性，抗干扰性能好，易于发射机实现，而MT-CDMA频谱覆叠较多，子载波不再保持正交，从这一点上看MC-CDMA和MC-DS-CDMA性能要比MT-CDMA好。(三)三种结合方案最显著的区别就是扩频实现的位置不同，MC-CDMA32 第三章MC-CDMA技术方案扩频是在频域完成，最终信号仍然是OFDM符号，OFDM与CDMA各自的特性都得到了保留，仍然具有OFDM抗码间串扰的优良性能；而在MC-DS-CDMA和MT-CDMA中，扩频在时域完成，最终信号相当于调制在各个子载波上的多个CDMA信号的叠加，一定程度上削弱了系统的抗码间干扰(ISI)能力。(四)DS-CDMA将信息同时调制在不同的时隙(Chip)上，但是使用同一频率，接收时对时间码片进行分集接收，MC-DS-CDMA和MT-CDMA各个子载波上携带的信息是不同的，而MC-CDMA方案在所有的子载波上传送的都是相同的信息符号，具有频率分集的效果，接收时对频率码片进行分集接收，可以充分利用分散在频域的信号的能量。分集技术在频率选择性衰落信道中的作用是很明[6]显的，而其他两种结合方案是在时域完成扩频的，就没有这种好处。文献分析表明当用户数较大时，MC-CDMA性能要明显好于MC-DS-CDMA，更加好于MT-CDMA，而且MC-CDMA中子载波数目增加时，每个符号周期的码片数目也同样增加，因此可以使用更长的扩频序列。综上所述，MC-CDMA具有概念清楚、结构简单、实现方便的特点，并且综合性能优于其他两种结合方案，因此得到了广泛的研究与应用，特别适合在下行链路中使用。本文选用MC-CDMA这一物理传输方案，并基于其诸多的优点对图像的无线传输方法加以研究。3.4MC-CDMA性能仿真与分析3.4.1MC-CDMA与OFDM系统误码性能的比较MC-CDMA来源于OFDM技术，同样是存在子载波的相互正交，但是又在这一基础上加入了另一重正交，即不同扩频序列之间的正交，下行链路上通常使用的是完全正交的扩频码，只要保证理想的定时同步和信道估计，就可以较好地恢复出不同用户扩频序列之间的正交性，由于MC-CDMA不同的子载波携带着相同码元的信息，因此具有频域分集的特性，接收时可以将分散在频域的信号能量加以合并，因而具有较好的误码性能，这一点在受高斯白噪声影响的信道中表现得较为明显，而OFDM系统的误码特性则更多地与标准的单载波数字传输33 第三章MC-CDMA技术[26]系统比较相似。为了比较在高斯白噪声信道和瑞利衰落存在情况下两者的误码性能，定义时域采样周期为0.1s，OFDM符号长度为512bit，其持续时间为51.2s，多径延迟滤波器矩阵为[sqrt(0.1897)0sqrt(0.3785)00sqrt(0.2388)0000sqrt(0.0951)0000sqrt(0.06)00000sqrt(0.0379)]，6径信道，最大时延为2.2s，循环前缀长度GI=80*0.1=8s，最大多普勒频移10HZ，扩频序列为16位长度的Walsh-Hadamard序列，载波数为16，QPSK调制方式，信道编码采用(2，1，6)的卷积码，EGC合并方式，进行仿真实验，其SNR-BER曲线如图3-11所示。MC-CDMA与OFDM系统误码性能的比较010MC-CDMAOFDM-110-210ber-310-410-5051015SNR（dB）图3-11MC-CDMA与OFDM信噪比-误码率曲线比较Fig3-11signal-noiseratewithbiterrorrateforMC-CDMAandOFDM由图3-11可以看出，在多径衰落信道下OFDM可以承受的信噪比大于10dB。当SNR<6dB时系统的误码率会迅速恶化，低信噪比情况下误码曲线较为平滑，而MC-CDMA系统只有在SNR小于-2dB时误码性能才快速恶化，当SNR大于0时也具有较好的误码性能。即使用户信息完全湮没在噪声里时，误码率仍3然可以达到10，而此时OFDM系统已无能为力，可以看出MC-CDMA系统性34 第三章MC-CDMA技术能是优于OFDM系统的。3.4.2循环前缀长度对MC-CDMA系统误码性能的影响循环前缀概念的提出推动了OFDM技术的发展与应用，大大增强了其抗ISI和ICI能力。为了分析循环前缀长度对MC-CDMA系统误码率的影响，设子载波数目为8，每个OFDM符号长度为512个比特，扩频序列为8位长度的Walsh码，用户数设为3，QPSK调制方式，信道编码为(2，1，6)的卷积码，经过AWGN信道和4径瑞利衰落信道，最大时延扩展为35个取样点，接收端卷积码译码采用维特比算法，译码深度设为10，发送数据量总共为128000个比特，分别取0、40、80个点的循环前缀长度，对MC-CDMA系统进行仿真，可以得到其SNR-BER曲线如图3-12所示。不同保护间隔长度对MC-CDMA系统误码性能的影响-110保护间隔长度为0时保护间隔长度为40时保护间隔长度为80-210-310误码率-410-510-5-4-3-2-1012345信噪比(dB)图3-12保护间隔长度对MC-CDMA系统误码性能的影响Fig3-12signalnoiseratewithbiterrorrateusingdifferentlengthsofcyclicprefix可以看到，插入一定长度的循环前缀确实对抵抗由于多径传播引起的ISI，降低系统的误码率具有一定的效果。信噪比较低时尚不明显，但随着信噪比的增35 第三章MC-CDMA技术加，可以看出循环前缀长度为80、数据标志为方块的曲线下降的趋势很明显，显示出了对于零保护间隔或者保护间隔不够大情况下的较大优势，但是保护间隔也不是越大越好的，过长的保护间隔反而会影响系统的效率，造成一部分功率的损失。这时会希望OFDM符号周期越长越好，但是这样做意味着要增加子载波的数量，导致子载波间隔较小，系统的复杂度增加，峰值平均功率比也增加了，子载波对频率偏差造成的ICI也更加敏感。实际系统中一般选择符号周期长度为保护间隔的5倍，这样由于插入保护间隔造成的信噪比损耗只有1dB左右。本节仿真实验采用的(2，1，6)的卷积码，码率为1/2，编码约束长度为6，译码算法采用维特比算法，维特比算法的译码深度对MC-CDMA系统的误码性能也是有一定影响的。为了分析应用了卷积码的MC-CDMA系统误码率与译码深度的关系，取信噪比为7dB，其他仿真参数不变，对不同的译码深度进行了仿真，结果如图3-13所示。卷积码译码深度对MC-CDMA系统的误码性能的影响-210SNR=7dB-310误码率-410-5102468101214译码深度图3-13译码深度对MC-CDMA系统误码性能的影响Fig3-13signalnoiseratewithbiterrorrateinMC-CDMAsystemusingdifferentfeedbackdepth可以看出增加译码器译码深度对于降低MC-CDMA系统的误码率是有较大36 第三章MC-CDMA技术好处的，但是译码深度代表着译码时延的概念，过长的译码深度会造成较大的时N1延，而且译码深度M和状态数2决定了需要存储的内容，因为在路径合并成N1一条之前长度为M的2条路径必须全部保存起来，只有当具有最大似然函数N1累加值的路径判别后才能将存储器内容刷新，存储容量至少为M2个量度和支路，增加M值会成倍增加需要的存储空间，因此在MC-CDMA系统中应用卷积码作为信道编码方式时需要根据误码率和复杂度的要求合理选择译码深度，一[27]般设置为10左右。3.4.3调制方式对MC-CDMA系统误码性能的影响为了分析不同的调制方式对MC-CDMA系统误码性能的影响，在AWGN和瑞利衰落信道下分别使用BPSK、QPSK、16QAM调制方式对MC-CDMA系统进行仿真，其SNR-BER曲线如图3-14所示。不同调制方式对MC-CDMA系统误码性能的影响010BPSK调制方式QPSK调制方式16QAM调制方式-110-210误码率-310-410-5-4-3-2-1012345信噪比(dB)图3-14不同调制方式对MC-CDMA系统误码性能的影响Fig3-14SNR-BERrelationsofMC-CDMAsystemusingdifferentmodulationmethods图3-14说明在同样信噪比情况下采用BPSK调制方式的MC-CDMA系统误37 第三章MC-CDMA技术码率要低于QPSK调制的情况，QPSK调制的MC-CDMA系统误码率又低于16-QAM调制，这是因为BPSK、QPSK相对于16-QAM而言，有较强的星座容错能力，但是采用16-QAM调制时每个子载波包含的比特数是4，是BPSK的4倍，QPSK的2倍，因此采用16-QAM的MC-CDMA系统可以支持更高速率的传输，但是在MC-CDMA系统的研究中更多地采用QPSK调制方式，可以取得较好的误码性能。本文设计的基于MC-CDMA的图像无线传输系统的调制方式即是采用了QPSK。3.4.4用户数目对MC-CDMA系统误码性能的影响与CDMA系统一样，MC-CDMA系统同样是用户干扰受限的，一个用户在收发信息的同时可能会受到其他用户信息的干扰，为了将多址干扰(MAI)降至最小，除了通常的增加”好码”的数量，提高不同用户扩频序列的正交性外，还可以结合多用户检测和多址干扰对消技术，尽可能地降低接收端判决的误码率。为了分析用户数目对MC-CDMA系统误码率的影响，取一个OFDM符号包含512个比特，循环前缀为80个比特，扩频序列为8位长度的Walsh码，采用QPSK调制，信道编码为(2,1,6)的卷积码，信号通过AWGN信道，经历6径瑞利衰落过程，数据合并方式为EGC，分别针对一个用户、两个用户、三个用户、五个用户进行仿真实验，得到SNR-BER曲线如图3-15所示。38 第三章MC-CDMA技术用户数与MC-CDMA误码率的关系-110单个用户两个用户三个用户五个用户-210误码率-310-41001234567信噪比(dB)图3-15用户数目与MC-CDMA系统误码率的关系Fig3-15SNR-BERrelationsofMC-CDMAsystemwhendifferentnumberofusersexist可以看出，单个用户与两个用户情况下的误码率曲线基本相近，在零信噪比3时误码率可以达到10数量级，三个用户时误码性能就有了一定的降低，零信噪21比情况下误码率约为10数量级，而五个用户时误码率则接近10数量级，误码情况不尽如人意，这是由于仿真过程中使用的数据合并方式是EGC(等增益合并),这是一种较为简单的方法，如果使用MMSEC(最小均方误差合并)或者多用户检测技术，可以进一步提高系统性能，但是复杂度也相应增加了。3.5本章小结本章阐述了CDMA和OFDM的基本原理，介绍了三种主要的OFDM-CDMA结合方案MC-CDMA、MC-DS-CDMA、MT-CDMA并对它们进行了比较，并选择MC-CDMA作为本文研究对象，通过仿真实验比较了MC-CDMA系统和OFDM系统在多径瑞利衰落信道和高斯白噪声信道下的误码性能，证明MC-CDMA系统一定程度上要优于OFDM系统，分析了循环前缀长度、调制方39 第三章MC-CDMA技术式、用户数目等对MC-CDMA系统的影响。40 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究第四章基于MC-CDMA的图像无线传输系统的研究前面两章已经对本文将要设计的图像无线传输系统涉及的主要技术加以了介绍和讨论。已有的研究显示，MC-CDMA的接收机采用FFT技术和可变增益分集合并，其每一支路的增益仅由该子信道的衰落控制，它既利用了OFDM频率利用率高、抗多径、抗频率选择性衰落、发送接收结构简单的特点，又吸收了CDMA系统用户容量高、可采用RAKE接收的优点，是一种可适用于宽带移动通信系统下行链路的调制技术，并且整体性能要优于其他两种结合方案，因此本文选择MC-CDMA系统作为研究对象，并基于MC-CDMA技术的优点，结合矢量量化编码和Turbo码技术，对图像的无线传输方法加以研究，给出了系统模型并通过仿真实验对设计的图像无线传输系统的性能加以分析并给出结论。4.1MC-CDMA系统信道模型任何通信系统的设计都不可避免地要考虑到传输信道的特性，特别是对于无线信道，其参数是时变的，发射信号在传播过程中会受到环境中各种物体遮挡、吸收、反射、折射的影响，形成多条路径分量到达接收机，它们具有不同的传播时延、相位和振幅，并叠加了信道噪声，这些因素会使复合信号相互抵消或增强，造成严重的衰落，使得接收端信号产生波形展宽、重叠和畸变，引起误码的产生，造成系统性能的下降。因此设计和研究一个图像无线传输系统必须考虑其信道模型，以降低不理想的无线信道对传输过程的影响。以图3-10描述的MC-CDMA基本的发送与接收框图为例来分析MC-CDMA系统的信道模型。这里假设每个子载波经历平坦衰落，各个子载波之间是相互独立的，每个子载波的信道特性可以由两个参数来描述：幅度衰落和相位旋转。在室内环境下，第m个用户的信道传递函数可以表示为：1jH[]fiemi,(4.1)mcmi,Tb41 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究其中和分别表示第m个用户在频率1/fiT/上的随机幅值与相位变化，mi,mi,cb根据上面的假设可知和在一个符号周期T内保持恒定不变。mi,mi,b第m个用户的第i个数据调制子载波的平均功率为：_122pE[cos(2f2itT/)]E()(4.2)mi,mi,cbmi,mi,2_其中独立同分布的假设可以保证所有子载波的平均功率p是相同的，因此mi,mi,__第m个用户的总功率为pNp。mmi,特别是呈现瑞利衰落时，即的概率分布为：mi,mi,2mi,,mif()exp()(4.3)mi,mi,222mi,,mi22其均值E()，均方值E()2，因此可以得到第m个用户mi,,mimi,,mi2_222的总功率pN，其中表示瑞利随机变量的同相和正交分量的方差。mmi,对于下行链路，移动终端通过同一信道接收到期望用户0的信号(不适一般性)及其他干扰用户信号。对于所有用户信号而言，其幅度和相位旋转都是相同的，即有：(4.4)mi,0,imi,0,i这就意味着对期望用户信号进行幅度和相位纠正时，也可以纠正干扰信号幅值和相位。实际仿真过程中考虑到瑞利衰落信道存在多径时延，可以调用仿真软件的FIR滤波器来方便地实现。如果只存在直射信道，则把矩阵第一个参数设置为1就可以了，还存在其他多径信道的话就把矩阵对应位置的参数值设置为需要的值。例如设定FIR滤波器的矩阵值为[10000.7000.3]就表示在第4和第7个抽样时刻上的多径信号各自的幅度为直射信号的70%和30%。信道噪声大小用dB表示，首先计算原始信号功率并根据参数设置中给定的SNR来计算信道噪声的功率(标准偏差的平方)，然后根据高斯分布和所计算的噪声功率产生出高斯白噪声信号叠加在原始信号上。42 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究4.2基于MC-CDMA的图像无线传输系统框图本地通用码书Index发送给用户uTurbo码MC-CDMAD/A高斯白噪声矢量编码器的静止图像编码器调制器变换信道Index’Turbo码MC-CDMAA/D恢复图像矢量译码器瑞利衰落信道译码器解调器变换本地通用码书计算PSNR图4-1基于MC-CDMA的图像无线传输系统框图Fig4-1frameworkofourproposedsystemforwirelessimagetransmissionbasedonMC-CDMA本文设计的基于MC-CDMA的图像无线传输系统如图4-1所示，这里只画出了单个用户的情况。假设信源是未经压缩的静态图像，目标用户是u，首先对静止图像进行分割，将其划分为若干个子图像块，然后将训练样本随机分配于初始码书中进行迭代训练，设计出需要的码书并进行矢量量化编码，(这里为了节省LBG算法处理的时间使用了本地通用码书，根据均方误差最小规则在码书中搜索出与输入矢量失真最小的码字的索引值作为发送序列)，对其Turbo编码后进行QPSK调制并经串并变换、复制以后与用户u分配的扩频序列的每个码片对应相乘，并将各个码片调制到不同的子载波上，经并/串变换后添加循环前缀完成MC-CDMA调制，并对信道衰落情况做出估计，经D/A变换由天线发射出去。经过高斯白噪声信道和瑞利衰落信道，接收端经历相反的过程后通过Turbo译码器多轮迭代译码可以得到发送序列的估计值，在本地存储的通用码书中查表，进行矢量译码后恢复出原始图像并计算其峰值信噪比。43 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究4.2.1发射端模型[39]这里采用文献中使用的改进的MC-CDMA发射与接收模型，发射端模型如图4-2所示。uC00....复制器1.Cu.SF1SF-1..uCSF0..复制器2....Cu..第u个用户数据.SF12S.F-1.IDFT或.QPSK调制串/并变换P/S加CP.IFFT.1:NSF/..c....uC0....复制器..C.u.NSFc/SF1Nc图4-2发射端模型(MC-CDMA调制部分)Fig4-2transmittermodel系统基于下行链路，总的子载波数为N，扩频序列长度为SF。首先将发送c给第u个用户的数据串/并变换为N/SF路，这N/SF路输出的数据可以表示ccuuuu为{aiai(),(),......a()}i，ai()为第n路上的第i个信息比特。每路输出进01(Nc/SF)1n入复制模块复制为SF路相同的数据，然后与该用户分配的扩频序列码片对应相乘完成频域扩频，扩频后的N路数据进行IFFT操作和并/串变换，最后在OFDMc符号之间插入循环前缀T以消除多径传播引起的码间干扰。对于基站端，是将所g有用户信号线性叠加后形成发送信号，由射频单元发送出去。44 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究第u个用户的发送信号的等效低通形式为：(Nc/SF1)SF1Suu()tatCme()()j2(f0((Ncs/SFmn))f')(tiT')ptiT(')MCnussin00m(4.5)其中Ts'(Nc/SFT)s，fT'1/s'，第u个用户的扩频序列为Tc[(0),(1),.....(cccSF1)]，T'是每个子载波上符号周期，f'为最小的子载uuuus波间隔，pt()为矩形脉冲波形，其表达式为：s1'TtTgspt()s0其他(4.6)这里选用的扩频序列是Walsh-Hadamard码，这种码具有良好的互相关性能，而且在码组中所有码序列都是相互正交的。在MC-CDMA系统中只要做到理想的定时同步及信道估计，就可以较好地恢复不同用户扩频码之间的正交性。在MC-CDMA系统中，如果每个传输数据的的子信道带宽都小于信道的相干带宽，可以认为它们都是频率非选择性慢衰落信道。发送的若干个OFDM符号经过瑞利衰落信道，那么第u个用户的第m个子信道的传输函数就可以表示jmu,为：hmu,,mue，其中mu,和mu,分别表示第u个用户在第m个子载波上幅度衰落值和相位偏移值。如果发射机与接收机之间没有视距，那么幅度衰落mu,服从瑞利分布，相位mu,服从[02]内的均匀分布。45 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究4.2.2接收端模型信道估计G(0).合并G(SF-1).模块1G(SF)..合并.G(2SF-1).模块2...DQ并去串.F..P/保/.T..S串护并.或..K变间变.F..解.F..换调隔换.T........GN()SFc..合并..GN(1)模块.c.N/SFc图4-3第u个用户接收模块示意图（MC-CDMA解调部分）Fig4-3receivermodel(MC-CDMAdemodulation)图4-3是第u个用户的接收机模型，假设符号与载波都已实现完全同步，接收信号经过下变频以后，恢复出原始基带信号，接收信号的表达式为：UuurMC()tsMC(t)h(,)tdnt()u1(Nc/SF1)SF1Uhuu()taicmptiTe()()(')j2((Ncs/SFmn))ftiT'(')nt()nm,nussin0m0u1(4.7)uh是第u个用户在对应k路子载波上(k=(N/SFmn))的传输函数，n(t)nm,c是均值为0，双边功率谱密度为N/2的高斯白噪声。046 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究接收机端进行的是与发射端相反的操作，去保护间隔，串并变换，FFT变换，在FFT变换以后通过信道估计模块获取的信道信息来完成以后的合并，在进入合并模块前，第u个用户每路子载波接收信号还要乘以一定的增益因子完成信道均衡和信号解扩。合并模块的作用是将传输相同信息的子载波数据线性叠加后送入解调器进行判决，最后恢复出原始信息数据。4.3部分模块的实现方法(一)扩频序列生成对于下行链路Walsh序列是比较适合的，它是一种完全正交序列，互相关函数为0，自相关为冲激函数，由Hadamard矩阵的行组成。最基本的矩阵为M=1，H1其次是M=2，有1HH1111H=2HH1111(4.8)其他高阶矩阵可由式4.9给出的迭代公式求得：HHMMH2MHHMM(4.9)为了产生一定长度的Walsh序列，可以调用仿真软件的工具箱函数hadamard，其输入参数N定义了Walsh序列的长度，一般为2的整数次幂。通过该函数可以生成NN的Walsh矩阵，它的每一行都对应一个彼此正交的Walsh序列。例如，为了产生1616的Walsh矩阵，可以在仿真软件的工作区命令提示符后输入hadamard(16)，显示结果如图4-4所示。47 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究图4-4hadamard函数生成的1616Walsh矩阵Fig4-4generated16*16Hadamardmatrix可以看出，生成的扩频码矩阵是完全符合4.9式的Walsh函数的形式的。(二)Turbo编译码器2.2.2节对Turbo码的原理、编译码器结构、译码算法等做了介绍，并通过仿真分析了Turbo码的误码性能与交织长度、译码算法、码率、迭代次数等的关系。由于Turbo在编码器引入了交织技术，译码时采用多次迭代译码，因此具有较好的纠错性能，已成为第三代移动通信标准的信道编码方案之一。本文引入Turbo码到设计的图像无线传输系统中的目的是希望它能够在较差的信道条件下依然可以提供不错的差错保护能力，支持图像的鲁棒传输。Turbo码编译码器实现的流程图如图4-5所示。48 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究定义信噪比，误帧数初始化为0随机产生一定长度的0、1序列加尾比特作为一帧，定义输出码率、卷积码生成矩阵、交织长度、译码算法等交织，两个RSC编码器编码输出经删余矩阵与原始信息复用，Turbo码输出计算噪声信号方差，在Turbo码输出信号上叠加高斯白噪声信号接收端两个RSC译码器迭代译码计算误帧数和每次迭代误码比特否是否达到指定的误帧限是Turbo译码输出图4-5Turbo码编译码器流程图Fig4-5flowchartofTurbo-codesencoderanddecoder(三)调制解调模块调制解调模块包括图4-2中的QPSK调制与解调、IFFT变换及反变换。QPSK调制称为四相绝对相移调制，它是利用载波的四种不同的相位来表征数字信息，每一个载波相位代表两个比特位，其对应关系如表4-1所示。49 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究双比特码元载波相位00010901118001270表4-1QPSK矢量对应参考表可以编写仿真程序实现MC-CDMA系统中QPSK调制，下面给出程序段：function[iout,qout]=qpsk(inputdata,num_user,num_data,mod_level)level2=mod_level./2;num_odata=num_data/mod_level;inputdata2=inputdata.*2-1;count=0;forj=1:num_odataisi=zeros(num_user,1);isq=zeros(num_user,1);fori=1:level2isi=isi+2.^(level2-i).*inputdata2((1:num_user),i+count);isq=isq+2.^(level2-i).*inputdata2((1:num_user),level2+i+count);endiout((1:num_user),j)=isi;qout((1:num_user),j)=isq;count=count+mod_level;end其QPSK解调的程序段如下：function[dedata]=deqpsk(idata,qdata,num_user,num_data,mod_level)dedata=zeros(num_user,mod_level*num_data);dedata((1:num_user),(1:mod_level:mod_level*num_data-1))=idata((1:num_user),(1:num_data))>=0;50 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究dedata((1:num_user),(2:mod_level:mod_level*num_data))=qdata((1:num_user),(1:num_data))>=0;早期的OFDM系统需要大量的载波信号发生器，实现起来很困难。1971年WeinsteinS.B和EbertP.M提出利用DFT变换的方式来代替滤波器组件，引起学术界的广泛关注。随着IFFT算法的出现及DSP技术的发展，OFDM技术的应用范围被大大拓展了。IFFT是非常有效的执行变换的工具，并且保证了所产生的载波都是正交的。快速傅立叶变换(FastFourierTransformFFT)把一个周期的时域信号转换为等价的频域形式，它寻找正交的正弦分量组成等价的波形，正弦波形的幅度和相位代表着时域信号的频谱。IFFT则执行相反操作，把长度为2的幂次方个复数值转换成相同个数点的时域值。设序列x(n)(n=0，1，2，N-1)的DFT变换为X(k)(k=0，1，2，N-1)，x(n)与X(k)之间的关系为：N12jknxne()N0kN1Xk()n00其他(4.10)4.10式称为DFT变换式。N121jknXke()N0nN1x()nNk00其他(4.11)4.11式称为IDFT变换式，与3.2介绍的OFDM发送信号形式3.4比较可以看出，其基本形式是相同的，这就是可以用DFT技术来实现OFDM系统多载波调制的基本依据。对于FFT变换，可以调用仿真软件内置函数fft实现，其输入参数为待变换数据和变换点数，变换点数可以缺省，如果待变换数据长度小于变换点数，需要补零以对齐，反之则需要进行截短处理。(四)循环前缀添加模块MC-CDMA系统继承了OFDM一个重要的特性就是可以抗多径传播造成的ISI，这是通过在OFDM符号间添加循环前缀来实现的。接收端得到一个完整的51 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究当前符号之前，循环前缀使得来自前一个符号的多径干扰信号得以消失。添加循环前缀的操作可以通过以下的程序段实现：ofdm_symbol=ifft(inp_symbol,num_subc);%FFT变换if(guard_interval>length(ofdm_symbol))error('保护间隔大于OFDM符号的长度');endguard_symbol=ofdm_symbol(end-guard_interval+1:end);%添加循环前缀ofdm_symbol=[guard_symbolofdm_symbol];4.4本文设计的图像无线传输系统性能仿真4.4.1系统仿真流程图仿真过程围绕4.2节描述的系统框图进行，假设收发端码元是建立在理想同步的条件下的，接收端数据合并方式是EGC，系统仿真流程如图4-6所示。这里使用的是512512、256个灰度级的lena图像，码书大小为6416，码字的索引值从1到64，每个索引值需要6个比特来表示，则代表整幅图像的码字索引值总的比特数为98304bit，采用QPSK调制，总的子载波数为512，发射端串并变换为64个支路，每个支路上信息经复制后与用户分配的8位长度的Walsh序列各个码片对应相乘，完成频域扩频，并调制到各个子载波上。这里进行512点FFT变换，考虑到仿真软件单次计算能力的限制，对0，1形式的索引序列采取分帧传送的方式，每帧长度为9984bit，通过Turbo编码后进行QPSK调制、频域扩频和IFFT变换，经并串变换加CP后送入信道传输，接收端进行一系列相反操作，最后经Turbo译码器多次码迭代译码后计算误帧数，如果达到指定的误帧限则停止迭代，将数据输出到一个预先定义的元胞数组CELL_IMAGE的单元内，继续下一帧的传送，当所有数据发送完毕，取出元胞数组的值，通过2进制向10进制转换得到索引序列的估计值，经矢量译码器恢复出原始图像并计算峰值信噪比(PeakSignalNoiseRatePSNR)。52 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究初始化，定义MC-CDMA系统参数及信道参数已发送帧计数器l=0，定义turbo译码误帧限及其他参数对发送给用户u的静止图像lena进行矢量量化编码，得到index10进制向2进制变换，得到0，1发送序列分帧传送，每次传送9982bit信息位附加两位尾比特，进行Turbo编码和QPSK调制输出数据每64个为单位进行串并变换，各支路复制后与用户u的扩频序列各个码片对应相乘并调制到各个子载波上，进行512点fft变换发并串变换，添加循环前缀，送送入信道，叠加高斯白噪同声，经历多径瑞利衰落过程样一接收端相反操作，通过信道帧估计得出信道衰落信息并作出补偿，进行检测、合并和QPSK解调经Turbo译码器多次迭代译码，计算每次迭代平均误比特率和误帧数否达到指定误帧限否？是输出存放到元胞数组对应单在本地通用元里，并将已发送帧计数器l码书中查加一计算峰值信表，根据查噪比PSNR表结果得到恢复图像索引值序列是否已发送完毕？否是取出元胞数组中数是据，经2进制向10进制变换，得到接收索引值图4-6本文设计的图像无线传输系统仿真流程图Fig4-6simulationflowchartofourproposedsystem53 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究4.4.2仿真结果及分析3.4节已经通过仿真实验对MC-CDMA系统和OFDM系统在AWGN信道和瑞利衰落信道下的误码性能进行了比较，并研究了MC-CDMA系统下不同循环前缀长度、调制方式、用户数目时的信噪比-误码率关系。为了提高仿真速度，信道编码方式没有采用Turbo码而只是以卷积码代替。本小节将在MC-CDMA系统的基础上，结合Turbo码技术和图像的矢量量化编码方法，如图4-1所示将所有模块串联起来，从整体的角度来对本文给出的图像无线传输系统的性能加以研究，并与信道编码方式为卷积码的情况进行比较。这里原始图像取512512、256个灰度级的lena图像，如图4-7所示。图4-7原始lena图像(512512)Fig4-7originallenaimage(512512)(一)信道编码方式为卷积码的MC-CDMA图像无线传输系统的仿真定义卷积码生成矩阵为(53，75)，码率1/2，约束长度为6，QPSK调制，扩频序列为8位长度的Walsh序列，OFDM符号长度为512bit，512个子载波，循环前缀长度为80bit，经过高斯白噪声信道，经历瑞利衰落过程，多径数为6，信道最大时延为2.2s，接收端卷积码译码器采用软判决维特比算法，译码深度为16，一个数据帧长度为30000bit，仿真结果如下：54 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究图4-8SNR=1dB时恢复图像图4-9SNR=3dB时恢复图像(PSNR=22.74dB)(PSNR=25.30dB)Fig4-8restoredimagewhenSNR=1dBFig4-9restoredimagewhenSNR=3dB图4-10SNR=4dB时恢复图像图4-11SNR=8dB时恢复图像(PSNR=26.08dB)(PSNR=28.16dB)Fig4-10restoredimagewhenSNR=4dBFig4-11restoredimagewhenSNR=8dB图4-8、4-9、4-10、4-11分别是信噪比为1dB、3dB、4dB、8dB时卷积码译码器输出经矢量译码后恢复的图像。可以看出，小信噪比情况下即使译码深度取得较大，但由于无线信道噪声和多径的影响，接收图像还是存在较多的噪点。特别是在1dB时，图像质量较差，PSNR为22.74dB。随着信噪比的增加，图像质4量在不断改善，平均误比特率逐渐接近10数量级，SNR=8dB时可以看出PSNR相对1dB时提高了5.42dB，信噪比进一步提高到12dB时(图4-12)，PSNR相对8dB时又提高了0.52dB,恢复图像已经比较清楚。55 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究图4-12SNR=12dB时恢复图像(PSNR=28.68dB)Fig4-12restoredimagewhenSNR=12dB为了分析存在多个用户同时工作时的MC-CDMA图像无线传输系统的传输性能，取其他仿真参数不变，每个用户分配8位长度的Walsh扩频序列，即满载用户是10，在10dB信噪比下和6径瑞利衰落信道下分别针对2，4，5，7个用户时目标用户恢复图像进行仿真实验，结果如图4-13到图4-16所示。图4-13两个用户时目标用户恢复图像图4-14四个用户时目标用户恢复图像(PSNR=28.01dB)(PSNR=26.62dB)Fig4-13restoredimagewhen2userexistFig4-14restoredimagewhen4userexist56 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究图4-15五个用户时目标用户恢复图像图4-16七个用户时目标用户恢复图像(PSNR=22.41dB)(PSNR=21.97dB)Fig4-15restoredimagewhen5userexistFig4-16restoredimagewhen7userexist可以看出由于系统使用了完全正交的Walsh序列，在多个用户同时工作时，目标用户处恢复的图像效果还是较好的，即使由于无线信道衰落的影响造成各个用户扩频序列正交性遭到破坏，仍然可以通过一定的数据检测方式来恢复用户之间的正交。图中显示出当用户数小于等于4时，能够保持较高的峰值信噪比，图像附加的噪声也比较少。用户数为4时，其PSNR可以达到26.62dB，可以满足普通图像传输的质量要求，随着用户数目的增加，由于扩频序列失去正交造成用户之间干扰的影响更加明显，图像质量有一定的退化，当存在7个用户时恢复图像的PSNR降为21.97，比4个用户时下降了4.65dB，是不够理想的。这里仿真采用的数据检测方式是简单的EGC方式，并不能很好地恢复用户序列之间正交性，因此可以考虑采用性能更好的MMSEC或多用户检测方式以提高性能。(二)信道编码方式为Turbo码的图像无线传输系统的仿真与卷积码的情况相对应，下面对信道编码方式为Turbo码的图像无线传输系统的性能进行仿真，即按照图4-1的系统模型进行。这里对Turbo码的一些参数设置可能并不是最优的，交织长度也没有取得很大，以减少仿真软件单次计算的负担，提高仿真速度。设Turbo输出码率为1/2，分量码生成矩阵为[7，5]，每帧长度是9984个bit(9982个信息比特+2个尾比特)，采用随机交织方式，Turbo译码器采用LOG-MAP算法，OFDM符号长度同样取512个比特，循环前缀长度为80个比特，用户扩频序列为8位长度的Walsh序列，总的子载波数为512，57 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究使用QPSK调制与解调，通过AWGN信道和6径瑞利衰落信道，信道最大时延扩展为2.2s，多径延迟滤波器矩阵为[sqrt(0.1897)0sqrt(0.3785)00sqrt(0.2388)0000sqrt(0.0951)0000sqrt(0.06)00000sqrt(0.0379)]，在1dB信噪比下进行仿真，在不同的迭代下恢复的图像如图4-17、4-18、4-19所示。图4-171dB情况下iter=1恢复图像图4-181dB情况下iter=2恢复图像(PSNR=16.29dB)(PSNR=18.17dB)Fig4-17restoredimagewhenitering1timeFig4-18restoredimagewhenitering2timesinthecaseof1dBinthecaseof1dB图4-191dB情况下iter=4恢复图像(PSNR=22.96dB)Fig4-19restoredimagewhenitering4timesinthecaseof1dB可以看出，在1dB信噪比下迭代1次以后图像质量并不理想，夹杂着大量58 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究的雪花噪声，其PSNR为16.29dB，2次迭代以后图像质量有了一定的改善，PSNR提高了1.88dB，到4次迭代以后误码噪声大大减少，PSNR增加到22.96dB，与同样信噪比情况下使用较长译码深度的卷积码得到的恢复图像(图4-8)比较可知PSNR有了0.22dB的提高，这说明低信噪比时多径衰落信道下Turbo码具有比卷积码更好的纠错性能，这是由Turbo码自身的特性决定的。注意到Turbo码的误码性能是与迭代次数有关系的，选择较大的迭代次数会使其具有更好的纠错[28]能力，有利于图像在无线信道中进行可靠传输。文献指出当迭代次数为5次以上时，已经可以取得较好的误码性能。通过增加信噪比可以进一步改善恢复图像质量。图4-20、4-21、4-22、4-23分别仿真了3dB信噪比情况下基于MC-CDMA的图像无线传输系统Turbo迭代1次、2次、3次、5次输出经过矢量译码恢复的图像。可以看出，同样是迭代1次，3dB信噪比时恢复图像(图4-20)要明显好于1dB信噪比的情况(图4-17)，噪点数量有较大的减少，PSNR提高了8.62dB。增加迭代次数到3次后，图像质量已经有了很大的改善，峰值信噪比达到27.66dB，进一步增加迭代次数到5次时，PSNR进一步上升到28.05dB,已经比较接近原始图像水平。对比采用卷积码的MC-CDMA图像无线传输系统的恢复图像4-8、4-9、4-10、4-11、4-12可以看出，3dB信噪比下Turbo码迭代3次以后图像质量就很接近8dB信噪比时译码深度为16的卷积码的情况，两者PSNR仅相差0.5dB，5次迭代以后图像质量就可以接近卷积码情况下12dB信噪比时取得的恢复效果，两者PSNR相差0.11dB,[23]而根据中对维特比译码算法的介绍可知，译码深度16的卷积码译码过程会需要大量的存储器，也会造成较大的时延，而综合比较Turbo码和卷积码的时延性能时，软件仿真过程中注意到Turbo码在误帧限设置为3，迭代3-4次时译码时间仅稍多于卷积码。59 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究图4-203dB情况下iter=1恢复图像图4-213dB情况下iter=2恢复图像(PSNR=24.91dB)(PSNR=26.24dB)Fig4-20restoredimagewhenitering1timeFig4-21restoredimagewhenitering2inthecaseof3dBtimesinthecaseof3dB图4-223dB情况下iter=3恢复图像图4-233dB情况下iter=5恢复图像(PSNR=27.66dB)(PSNR=28.05dB)Fig4-22restoredimagewhenitering3Fig4-23restoredimagewhenitering5timesinthecaseof3dBtimesinthecaseof3dB据此可以得出结论，在基于MC-CDMA的图像无线传输系统中使用Turbo码在较低信噪比下可以取得卷积码在较大的信噪比下才能达到的误码性能，这意味着可以大大减少发送信号的功率，因此将Turbo码应用于图像的无线通信系统中不仅提高了传输的可靠性，显著降低系统误码率，而且具有较好的经济效益。当然仿真结果并不意味着信道编码方式就是决定系统最终误码性能的唯一因素，还取决于调制方式、信道估计、合并检测策略等，这里MC-CDMA系统本身具有的较好的抗多径传播造成的ISI能力以及频率分集，易于有效合并分散在频域60 第四章基于MC-CMDA的图象无线传输系统的研究的信号能量，提高系统性能的特征对最终图像质量的改善起了较为重要的作用。从上面的仿真结果来看，在基于MC-CDMA的图像无线传输系统中，静止图像通过AWGN信道和多径瑞利衰落信道在3dB或以上信噪比时经过3-4次迭代后，就可以较好地恢复原始图像，主观质量令人满意，而且3-4次的迭代次数复杂度并没有太多增加，这意味着时延的降低，更易于满足实时图像无线传输业务的需求。61 第五章总结与展望第五章总结与展望5.1全文总结本论文中作者所做工作主要有以下几点：(一)针对图像的矢量量化编码原理、码书训练方法进行了研究，介绍了LBG算法的流程并编写仿真程序实现了码书的训练、矢量量化编码及矢量量化译码的全过程。(二)介绍了一种在实际通信系统中应用较为广泛的卷积码的原理，并对一种具有较好纠错性能的Turbo码技术进行了研究，介绍了其编译码原理、编译码器结构、译码算法等，并通过仿真实验分析了交织长度、译码算法、输出码率、迭代次数等对Turbo码误码性能的影响。(三)阐述了多载波CDMA的理论基础，即OFDM和CDMA技术各自的原理。并介绍了3种主要的OFDM与CDMA结合方案，分别是基于时域扩频的MC-DS-CDMA、MT-CDMA技术和基于频域扩频的MC-CDMA技术，并通过仿真对MC-CDMA系统的性能加以研究，与OFDM系统进行了分析和比较。(四)基于MC-CDMA技术的良好特性，结合图像的矢量量化编码和Turbo码技术设计了一个通信系统以实现图像的无线传输，给出了系统的结构框图和发送端与接收端的框图，说明了部分模块的实现方法，最后在介绍系统仿真流程图的基础上对本文设计的图像无线传输系统的性能进行研究，并与信道编码方式为卷积码的情况加以比较并给出结论。5.2工作展望本文将MC-CDMA技术、Turbo码和图像的矢量量化编码技术相结合，设计出一个通信系统以实现图像的无线传输，可以看出系统总体性能是良好的，但是并不完善，进一步研究可以围绕以下几个方面展开：(一)本文设计的图像无线传输系统并没有涉及OFDM对于频率偏移较为敏感、峰值平均功率比较大以及CDMA中多用户干扰会明显影响系统性能等问题62 第五章总结与展望的解决措施，所有的研究都是基于收发端完美同步的基础上的，而解决MC-CDMA系统的定时同步问题同样重要，需要在今后的研究中进一步讨论。(二)Turbo码技术采用了交织编码和迭代译码的思想，在小信噪比情况下可以取得较好的纠错性能，结构也不复杂，但是其处理时延比较大。下一步可以考虑改进译码算法，进行迭代过程的优化以降低时延，提高其实时处理能力。(三)本文设计初衷是希望能够充分利用MC-CDMA系统支持高速数据传输、多个用户可以同时通信的特点，结合图像压缩编码或视频压缩算法，设计出一个图像通信系统以进行静止或运动图像的无线传输。但限于视频编码方面知识的欠缺，本文就未做尝试了，另一方面如果能够通过FPGA结合DSP的方式硬件实现本文设计的图像无线传输系统将是一件很有意义的工作，今后可以继续朝着这一方向努力。(四)限于仿真软件对于大量数据计算能力的欠缺及计算机硬件的配置，本文就没有对多用户情况下使用Turbo码的基于MC-CDMA的图像无线传输系统的性能加以研究了。为了提高仿真速度，可以考虑使用专门的通信仿真软件如Simulink和Systemview来搭建系统模型进行进一步的研究。63 参考文献参考文献[1]Bingham,J.A.C.“Multicarriermodulationfordatatransmission:anideawhosetimehascome”[J].IEEECommunicationsMagazine,1990,28(5):5~14[2]K.Fazel,S.Kaiser.”Aconceptofdigitalterrestrialtelevisionbroadcasting”[J]WirelessPersonalCommunications,1995,2(1):9~27[3]K.Fazel,S.Kaiser,M.Schnell.”AflexibleandhighperformancecellularmobilecommunicationssystembasedonOrthogonalMulti-CarrierSSMA[J].WirelessPersonalCommunications,1995,2:121~144[4]Milstein.B,Kondo.S“PerformanceofMulti-Carrier-DS-CDMAsystems”[J].1996,44(2):238~246[5]Nakagawa,M.“PerformanceoforthogonalmulticarrierCDMAinamultipathfadingchannel”[J].1996,44(3):356~367[6]Hara.S,Prasad.R.”OverviewofmulticarrierCDMA”[J].CommunicationsMagazine,IEEE,1997,35(12):126~133[7]于源.OFDM-CDMA宽带移动通信系统的研究[D].北京：北京邮电大学,2001[8]廖明等.无线宽带数据传输中多载波CDMA系统的性能[J].电讯技术,2004(4)[9]曹常义,何雪云,单方骥.一种基于正交补偿扩频码的多载波CDMA系统[J].通讯世界2002(55)[10]李伟华.MC-CDMA系统中定时与频偏估计、峰平比的研究以及基于小波的MC-CDMA[D].北京：北京邮电大学,2002[11]方琰崴.多载波CDMA降低峰平比方法研究[D].南京：南京航空航天大学2002[12]周毅,朱雪龙.OFDM系统中基于部分传输序列圆周移位最优的降低峰值平均功率比的算法[J].电子学报,1999(08)[13]陈吉忠,方琰崴.降低峰值平均功率比的多载波CDMA[J].通信技64 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致谢致谢值此论文完成之际，心情无比激动，首先要感谢我尊敬的导师胡艳军教授，本课题自始至终都得到了她全面、系统、认真的指导。胡老师科研态度严谨，实事求是，对待同学十分和蔼，平易近人，为学生的研究活动提供了极大的物质和精神支持，赢得了同学们一致的尊敬和爱戴。在此向胡老师致以最诚挚的谢意!感谢所有为05级通信与信息系统专业授过课的老师、教授们,包括李晓辉教授、王贵竹教授、朱军教授、吴小培教授、许耀华老师，他们渊博的学识和严谨的工作作风、对学生高度负责的态度给学生留下了深刻的印象，起到榜样和表率的作用，激励着同学们在感兴趣的领域不断探索。感谢所在实验室的兄弟姐妹们，虽然大家专业各不相同，但实验室里自始至终都活跃着浓浓的研究和讨论氛围，特别是与微波和电磁场专业沙威博士的交流让我获益良多，得到了他许多实际而具体的帮助，在此对他表示感谢！能在这样一个充满友谊和智慧的集体里生活和工作，使我深感幸运，与他们相处的每一天都给我留下了美好的回忆。同时我要特别感谢辛勤养育我多年的父母和关心我的家人，在我成长过程中迈出的每一步，都离不开他们大力支持，正是他们的殷殷期望和无私奉献，才给了我不断前进的动力。最后谨借此机会向所有给予我关心、支持和帮助的人士表示由衷的感谢！67