CN105049880A - 一种视频信号调制中的非平等保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字模拟混合调制领域，特别是公开了一种视频信号调制中的非平等保护方法；解决了现有数字模拟混合调制过程中没有对DCT系数重要性进行区分，导致模拟信号失真大、数字信号误码率高的问题；本发明通过对视频信号的DCT系数进行区分，然后对两种系数乘以不同的缩放因子，从而将重要系数幅值放大，非重要系数幅值缩小，降低重要系数的失真率，另外在调制信号时，将重要DCT系数映射到Q分量上，非重要DCT系数乘以缩放因子后映射到I分量，数字调制信号映射到I分量，I/Q分量相互正交保证了I分量和Q分量之间不会产生干扰，这样重要系数与数字信号之间没有任何干扰且非重要系数和数字信号的干扰也得到了有效的抑制。

Description

一种视频信号调制中的非平等保护方法

技术领域：

本发明属于数字模拟混合调制领域，特别是涉及一种视频信号调制中的非平等保护方法。

背景技术：

数字模拟混合调制是一种用于视频信号无线传输的技术，该技术把视频信号分成模拟信号和数字信号两个部分，分别进行模拟调制和数字调制后，并将调制后的信号叠加在一起用于无线传输。

现有数字模拟混合调制过程为：首先使用视频压缩标准(如H.264或MPEG-4)对原始的视频序列进行视频压缩，压缩后的数据是数字编码部分；然后将解压缩的视频数据和原始的视频数据求残差，对残差数据进行DCT变换，变换后的DCT系数是模拟编码部分。

数字信号部分使用BPSK调制技术进行数字调制。模拟信号的调制包括2个步骤：信号缩放和I/Q正交调制。信号缩放是指把每一个DCT信号乘以一个缩放因子。I/Q正交调制是指将一对DCT信号直接映射到同相I分量和正交Q分量。接着把数字调制后的信号和模拟调制后的信号叠加到一起，最后使用OFDM正交频分复用技术传输混合后的信号。

现有的数字模拟混合调制方式有两个明显的不足：1是视频信号进过DCT变换后，DCT系数的重要性是不同的。由于人眼的特性，DCT系数中的低频信号比较重要，对恢复视频质量的影响较大。而数字模拟混合调制中没有对DCT信号的重要性加以区分。2是调制信号是数字部分和模拟部分的叠加，因此数字部分和模拟部分之间存在干扰，在限制发射功率的条件下会导致数字部分误码率的增加。

发明内容：

本发明克服现有技术存在的不足，解决了现有数字模拟混合调制过程中没有对DCT系数重要性进行区分，导致模拟信号失真大、数字信号误码率高的问题，旨在提供一种失真少、误码率低且能够有效抑制模拟信号和数字信号相互干扰的视频信号调制中的非平等保护方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种视频信号调制中的非平等保护方法，按照以下步骤进行：

步骤1)原始视频序列使用数字视频压缩标准进行编码，构成视频的数字编码部分，然后对该数字编码部分进行解码，获得重构视频序列，原始视频序列与重构视频序列求差，获得残差视频序列，对残差视频序列进行DCT变换，变换后的DCT系数构成视频的模拟编码部分；

步骤2)视频的模拟编码部分也就是残差视频序列的DCT系数，将一帧的DCT系数分成M个子块，每个子块包含N个DCT系数值，设x_i(j)表示第i个子块的第j个DCT系数值，计算每个子块中DCT系数的均值和方差，记为μ_i和λ_i。设y_i(j)表示x_i(j)去掉均值后的信号，即y_i(j)＝x_i(j)-μ_i；

将这些DCT子块分成重要和非重要的两个部分，对M个DCT子块进行排序，其中前半部分是重要的DCT系数，而后半部分是非重要的DCT系数；

步骤4)对去均值后的模拟信号y_i乘以两个缩放因子，即 $u_i=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_1{g}_i{y}_i,& i=1,2,...,\frac{M}{2}\\ {\mathrm{\α}}_2{g}_i{y}_i,& \frac{M}{2}+1,...,M\end{array}\right.,$ 其中缩放因子g_i的取值和DCT系数的重要性无关，其计算公式是其中P是信号总功率，是一个给定的常数；

缩放因子α₁和α₂与系数的重要性有关，在发射功率一定的条件下，将重要的系数幅值增大，非重要的系数幅值减小，这样在接收端重要的系数失真较小，而非重要的系数失真较大，其中系数α₁和α₂其计算公式是 $\underset{i=\frac{M}{2}+1}{\overset{M}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_i=\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{P}\·\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_i}\·\underset{i=\frac{M}{2}+1}{\overset{M}{\Σ}}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_i}}{{\mathrm{\α}}_2^2},$ $\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_i}={{\mathrm{\α}}_1}^2\underset{i=1}{\overset{\frac{M}{2}}{\Σ}}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_i}+{{\mathrm{\α}}_2}^2\underset{i=\frac{M}{2}+1}{\overset{M}{\Σ}}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_i},,$ 其中是噪声与信号的功率比值，是一个给定的常数；

步骤5)调制信号可以表示为I分量和/或Q分量，I/Q分量相互正交，将视频信号的数字编码部分使用数字调制技术调制到I分量，记为矢量Z_d，将模拟信号部分的重要DCT系数映射到Q分量，记为矢量Z_a1，且非重要DCT系数映射到I分量，记为矢量Z_a2，且最后的调制信号是Z＝Z_d+Z_a1+Z_a2。

优选的是，步骤3)中的排序方式为：根据λ_i对这些子块进行降序排列，其中前半部分是重要的DCT系数，而后半部分是非重要的DCT系数。

优选的是，步骤3)中的排序方式为：对M个DCT子块进行Z字扫描，按Z字扫描的方向进行排序，其中前半部分是重要的DCT系数，而后半部分是非重要的DCT系数。

优选的是，所述步骤1)中使用的数字视频压缩标准为H.264，或为MPEG-4。

优选的是，所述步骤5)中的数字调制技术为BPSK。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。本发明通过将视频信号的DCT系数区分为重要和非重要两个部分，针对重要系数和非重要系数乘以不同的缩放因子，实现对信号的非平等保护，可以更好的保留重要系数，重要系数失真较小，而非重要的系数失真较大。

调制信号可以表示为I分量和/或Q分量，I/Q分量相互正交，视频信号的数字编码部分使用数字调制技术(如BPSK)调制到I分量，将模拟信号部分的重要DCT系数映射到Q分量，非重要DCT系数映射到I分量，可以使模拟信号和数字信号的干扰得到有效的抑制。

附图说明

图1为步骤1)的实施框图。

图2为步骤2)中DCT系数分块的示意图。

图3为步骤5)中调制信号的示意图。

图4为在η值相同的条件下，使用和不使用本发明调制方法的误码率对比图。

图5为误码率相同的条件下，使用和不使用本发明调制方法的图像峰值信噪比对比图。

图6为Z字扫描的示意图。

具体实施方式：

实施例一

一种视频信号调制中的非平等保护方法，按照以下步骤进行：

步骤1)如图1框图所示，先将原始视频序列使用数字视频压缩标准，构成视频的数字编码部分，所采用的数字视频压缩标准可以为H.264，也可以为MPEG-4进行编码，然后对该数字编码部分进行解码，获得重构视频序列，原始视频序列与重构视频序列求差，获得残差视频序列，对残差视频序列进行DCT变换，变换后的DCT系数构成视频的模拟编码部分。

步骤2)视频的模拟编码部分也就是残差视频序列的DCT系数，如图2所示，将一帧的DCT系数分成M个子块，每个子块包含N个DCT系数值，设x_i(j)表示第i个子块的第j个DCT系数值，计算每个子块中DCT系数的均值和方差，记为μ_i和λ_i，设y_i(j)表示x_i(j)去掉均值后的信号，即y_i(j)＝x_i(j)-μ_i；

步骤3)将这些DCT子块分成重要和非重要的两个部分，根据方差λ_i对这些子块进行降序排列，其中前半部分是重要的DCT系数，而后半部分是非重要的DCT系数；

步骤4)对去均值后的模拟信号y_i乘以两个缩放因子，即 $u_i=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_1{g}_i{y}_i,& i=1,2,...,\frac{M}{2}\\ {\mathrm{\α}}_2{g}_i{y}_i,& \frac{M}{2}+1,...,M\end{array}\right.,$ 其中缩放因子g_i的取值和DCT系数的重要性无关，其计算公式是其中P是信号总功率，是一个给定的常数；

缩放因子α₁和α₂与系数的重要性有关，在发射功率一定的条件下，将重要的系数幅值增大(α₁＞1)，非重要的系数幅值减小(α₂＜1)，这样在接收端重要的系数失真较小，而非重要的系数失真较大，其中系数α₁和α₂其计算公式是 其中是噪声与信号的功率比值，是一个给定的常数；

步骤5)调制信号可以表示为I分量和/或Q分量，I/Q分量相互正交，如图3所示，将视频信号的数字编码部分使用数字调制技术BPSK调制到I分量，记为矢量Z_d，将模拟信号部分的重要DCT系数映射到Q分量，记为矢量Z_a1，且非重要DCT系数映射到I分量，记为矢量Z_a2，且最后的调制信号是Z＝Z_d+Z_a1+Z_a2。I/Q分量相互正交保证了I分量和Q分量之间不会产生干扰。由于非重要的系数乘以了一个缩小因子，调制到I分量，它和数字信号的干扰得到了有效的抑制。重要的DCT系数被调制到Q分量，它和数字信号之间没有任何干扰。

下面通过计算机仿真实验对比本发明的非平等保护方法和现有模拟数字混合调制方法的失真率与误码率。

假设在同等的发射功率条件下，设P_a表示模拟信号的功率，P_d表示数字信号的功率，表示模拟信号的功率占总信号功率的比例。η越高表示分配给模拟信号的功率越大，因此模拟信号的失真越小，但同时数字信号的误码率越大。

图4为在η值相同的条件下，使用和不使用本发明的非平等保护方法误码率对比图。从图中可以看出采用本发明的非平等保护方法能够明显降低数字信号的误码率。

另外在给定误码率上限的条件下，图5给出了使用和不使用非平等保护方法的图像峰值信噪比(PSNR)的比较。PSNR越高，视频(图像)质量越好。从图中可以看出，采用本发明的非平等保护方法能够有效提高视频传输的质量。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，如图6所示，步骤3)中的排序方式为：对M个DCT子块进行Z字扫描，按Z字扫描的方向进行排序，其中前半部分是重要的DCT系数，而后半部分是非重要的DCT系数。采用Z字扫描的方式同样能够将重要系数和非重要系数区分开，而且这种排序方式相对于实施例一中的排序方式更为简便，节省时间，但是最后的图像质量与实施一种的排序方式相比有所下降。可以根据实际需要选择合适的排序方式。

上面对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种视频信号调制中的非平等保护方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

步骤1)原始视频序列使用数字视频压缩标准进行编码，构成视频的数字编码部分，然后对该数字编码部分进行解码，获得重构视频序列，原始视频序列与重构视频序列求差，获得残差视频序列，对残差视频序列进行DCT变换，变换后的DCT系数构成视频的模拟编码部分；

步骤2)视频的模拟编码部分也就是残差视频序列的DCT系数，将一帧的DCT系数分成M个子块，每个子块包含N个DCT系数值，设x_i(j)表示第i个子块的第j个DCT系数值，计算每个子块中DCT系数的均值和方差，记为μ_i和λ_i，设y_i(j)表示x_i(j)去掉均值后的信号，即y_i(j)＝x_i(j)-μ_i；

步骤3)将这些DCT子块分成重要和非重要的两个部分，对M个DCT子块进行排序，其中前半部分是重要的DCT系数，而后半部分是非重要的DCT系数；

步骤4)对去均值后的模拟信号y_i乘以两个缩放因子，即 $u_i=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\α}}_l{g}_i{y}_i,& i=1,2,...,\frac{M}{2}\\ {\mathrm{\α}}_2{g}_i{y}_i,& \frac{M}{2}+1,...,M\end{array}\right.,$ 其中缩放因子g_i的取值和DCT系数的重要性无关，其计算公式是其中P是信号总功率，是一个给定的常数；

缩放因子α₁和α₂与系数的重要性有关，在发射功率一定的条件下，将重要的系数幅值增大，非重要的系数幅值减小，这样在接收端重要的系数失真较小，而非重要的系数失真较大，其中系数α₁和α₂其计算公式是是噪声与信号的功率比值，是一个给定的常数；

步骤5)调制信号可以表示为I分量和/或Q分量，I/Q分量相互正交，将视频信号的数字编码部分使用数字调制技术调制到I分量，记为矢量Z_d，将模拟信号部分的重要DCT系数映射到Q分量，记为矢量Z_a1，且非重要DCT系数映射到I分量，记为矢量Z_a2，且最后的调制信号是Z＝Z_d+Z_a1+Z_a2。

2.根据权利要求1所述的一种视频信号调制中的非平等保护方法，其特征在于：步骤3)中的排序方式为：根据λ_i对这些子块进行降序排列，其中前半部分是重要的DCT系数，而后半部分是非重要的DCT系数。

3.根据权利要求1所述的一种视频信号调制中的非平等保护方法，其特征在于：步骤3)中的排序方式为：对M个DCT子块进行Z字扫描，按Z字扫描的方向进行排序，其中前半部分是重要的DCT系数，而后半部分是非重要的DCT系数。

4.根据权利要求2或3任一项所述的一种视频信号调制中的非平等保护方法，其特征在于：所述步骤1)中使用的数字视频压缩标准为H.264，或为MPEG-4。

5.根据权利要求2或3任一项所述的一种视频信号调制中的非平等保护方法，其特征在于：所述步骤5)中的数字调制技术为BPSK。