基于頻譜信號的頻譜水印技術(shù)研究

劉忠英，許金勇，趙杭生

（總參第63研究所，江蘇南京 210007）

基于頻譜信號的頻譜水印技術(shù)研究

劉忠英，許金勇，趙杭生

（總參第63研究所，江蘇南京 210007）

將頻譜水印技術(shù)用在用頻設(shè)備頻譜身份識別上，介紹了頻譜水印技術(shù)的原理，提出了一種基于頻譜信號的頻譜水印技術(shù)，將頻譜水印技術(shù)用在頻譜管理上，可為復(fù)雜電磁環(huán)境中用頻設(shè)備管理提供一種有效的解決途徑。

頻譜水印技術(shù)；復(fù)雜電磁環(huán)境；電磁頻譜管理

隨著無線電技術(shù)的飛速發(fā)展，各種無線電設(shè)備種類越來越多，數(shù)量越來越大，特別是寬帶移動無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，大規(guī)模臺站數(shù)量的增加，使得頻譜資源緊張的同時，電磁環(huán)境也越來越復(fù)雜，無線電干擾逐年增加，無意輻射和超標輻射等現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。同時，軍民都存在頻譜使用比較混亂的現(xiàn)象，違規(guī)操作和使用頻譜的事件時有發(fā)生［1］。這些都對用頻設(shè)備的使用和管理造成了嚴重威脅，電磁頻譜管理面臨的挑戰(zhàn)越來越大，需要一種有效的頻譜身份識別技術(shù)手段，來加大對用頻設(shè)備的管理和監(jiān)督。

在軍事上，未來一體化聯(lián)合作戰(zhàn)中，敵我雙方的用頻武器裝備類型多、覆蓋的空域頻域范圍廣，戰(zhàn)場上不僅有敵我雙方的主要參戰(zhàn)力量，而且還有地方支援力量參加，涉及通信、光電、導(dǎo)航、武器制導(dǎo)、氣象等各種用頻裝備，并集中了大功率、高靈敏度的電子設(shè)備。如此繁多的用頻裝備在有限的戰(zhàn)場空間展開，且部分裝備頻率使用重疊，電磁頻譜將十分擁擠。加之敵我雙方激烈的電子對抗行動，使得無論是平時還是戰(zhàn)時的戰(zhàn)場電磁環(huán)境都呈現(xiàn)出復(fù)雜多變的態(tài)勢［2］，增大了戰(zhàn)場頻譜管理和調(diào)度的難度。同時用頻武器裝備需要根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境需要，尤其需要根據(jù)敵方用頻武器裝備的用頻信息進行用頻參數(shù)調(diào)整，或者采取相應(yīng)措施進行對抗。這就需要我軍具備有效的識別敵我用頻武器裝備、獲取戰(zhàn)場敵我雙方用頻信息的能力。到目前為止，我軍還沒有在戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境中區(qū)分敵我用頻信息或敵我身份的有效措施或技術(shù)手段，進一步加大了戰(zhàn)場電磁頻譜管理的難度。

將頻譜水印技術(shù)用在用頻設(shè)備頻譜身份識別上，介紹了頻譜水印技術(shù)的原理，提出了一種基于頻譜信號的頻譜水印技術(shù)，將頻譜水印技術(shù)用在頻譜管理上，可為復(fù)雜電磁環(huán)境中用頻設(shè)備管理提供一種有效的解決途徑。

1 頻譜水印技術(shù)原理及特點

頻譜水印技術(shù)本質(zhì)上是一種水印技術(shù)，目前數(shù)字水印技術(shù)的研究和應(yīng)用得到了較好的發(fā)展。數(shù)字水印技術(shù)是一種信息隱藏技術(shù)［3］，它是利用待傳數(shù)字信息中的冗余空間嵌入攜帶隱蔽信息，達到秘密信息偽裝傳遞的目的。這些隱蔽信息可以是版權(quán)標志、用戶身份標志或者是產(chǎn)品信息標志等，通過檢測隱蔽的標志信息，數(shù)字水印可以用來進行版權(quán)保護、用戶身份識別或產(chǎn)品信息標注等。近年來數(shù)字水印技術(shù)取得了較好的研究成果，主要的應(yīng)用研究重點仍然是集中在數(shù)字多媒體（圖像和音頻）的版權(quán)保護上［4－5］。由于水印具有隱藏性的身份標識作用，在載體中嵌入水印對載體信息影響不明顯，因此利用數(shù)字水印技術(shù)的特點，可將頻譜用戶標志信息嵌入到用頻裝備的信息傳輸中，在不影響用頻裝備信息傳輸?shù)那闆r下，對用頻裝備進行身份標識和識別，起到標識用頻裝備身份的作用，即頻譜水印技術(shù)。將頻譜水印技術(shù)用在用頻裝備頻譜身份識別上，方便用頻裝備的用頻管理，可為復(fù)雜電磁環(huán)境中用頻裝備管理提供一種有效的身份識別途徑。目前關(guān)于頻譜水印技術(shù)應(yīng)用在用頻裝備身份識別上還未見相關(guān)研究報道。頻譜水印技術(shù)的原理如圖1所示。

圖1 頻譜水印技術(shù)的原理框圖

頻譜水印技術(shù)的主要特點有：1）不影響原設(shè)備信息傳輸；2）隱藏性不易發(fā)現(xiàn)；3）攜帶身份標志用于身份識別。

頻譜水印技術(shù)可用于身份識別的特點決定了其在軍事和民事電磁頻譜管理中的典型應(yīng)用。在民用電磁頻譜管理中，可利用頻譜水印技術(shù)的身份識別特點有效準確監(jiān)測用頻設(shè)備的超范圍使用、超功率使用，而且證據(jù)確鑿，便于監(jiān)管和處罰。在軍事上，可用于敵我識別，也可用于用頻設(shè)備監(jiān)控，在復(fù)雜電磁環(huán)境中便于掌握用頻設(shè)備的狀態(tài)以便及時調(diào)用，在平時的軍事訓練演習中也便于訓練。在應(yīng)急情況下，可監(jiān)測電子設(shè)備是否處于正常的工作狀態(tài)，也可監(jiān)測是否有敵臺干擾等等。

2 基于頻譜信號的頻譜水印技術(shù)

從頻譜水印技術(shù)的原理圖1可知，頻譜水印的關(guān)鍵技術(shù)點是如何從信源中提取有效特征并進行水印生成以及有效的提取水印，即水印生成技術(shù)和檢測技術(shù)。

2．1 頻譜水印生成和檢測技術(shù)

頻譜水印是基于用頻裝備頻譜信號的水印技術(shù)，由于頻譜信號無論是在基帶信號還是在頻帶信號（頻帶信號包括已調(diào)制的中頻信號或射頻信號），其信號冗余度一般較小，很難直接插入水印，本文認為頻譜水印必須緊密地和頻譜信號的信號特征相關(guān)聯(lián)，這個頻譜信號特征可以是基帶信號或者是頻帶信號，由于基帶信號和頻帶信號的特征各有不同，必須首先研究頻譜信號的基本特征并將其提取出來，作為頻譜水印生成和嵌入的基礎(chǔ)。本文提出基于頻譜信號特征的水印生成和水印嵌入方法，重點研究一種基于基帶信號特征提取的頻譜水印生成和嵌入技術(shù)，如圖2為基于基帶信號特征提取的頻譜水印生成和嵌入原理示意圖。

圖2 基帶信號頻譜水印生成和嵌入原理示意圖

在水印生成過程中，從信號中提取何種特征是非常關(guān)鍵的問題。從信號中可提取的特征包括信號自身所產(chǎn)生的特征，也包括變換域所產(chǎn)生的特征。信號自身的特征包括相位特征、頻率特征、時域特征等。對于用于水印生成的變換域特征，其變換域方法必須是可逆的。因此，變換域特征可以包括FFT變換域特征、DCT變換域特征、頻譜擴展變換特征等。本文提出一種基于擴頻技術(shù)的基帶信號頻譜水印生成和嵌入技術(shù)，其主要思想如下。

第1步：將基帶頻譜信號x（t）用長度為L的擴頻碼D（t）擴展，即得到擴頻信號x（t）·D（t）。

第2步：用種子產(chǎn)生長度為L的高斯偽隨機序列G（t），該種子為本地頻譜信號的水印標識，高斯偽隨機序列G（t）為本地水印。

第3步：將水印G（t）疊加到擴頻信號x（t）·D（t）上，然后將疊加后的信號用擴頻碼D（t）解擴后即可將水印G（t）嵌入到基帶頻譜信號中，設(shè)嵌入水印后信號為xq（t），嵌入算法表達式為

式中λ為水印嵌入的深度因子，可根據(jù)實際信道傳輸情況、水印嵌入信噪比來調(diào)整大小。λ＝1表示不嵌入水印，λ＝0表示全嵌入水印。

展開式（1），可得：

由于高斯序列G（t）是與擴頻碼D（t）不相關(guān)的隨機序列，式（2）中的第2項G（t）·D（t）相當于是對信號G（t）進行擴頻，得到的將是一個隨機噪聲序列，也就是說按式（1）在信號x（t）上嵌入確知水印G（t）后，對x（t）來說相當于疊加了一個隨機噪聲，只要嵌入信噪比滿足要求，水印G（t）對信號x（t）來說是不可察覺的。

將嵌入水印后的信號xq（t）傳輸?shù)浇邮斩?，在接收端，對xq（t）用擴頻碼D（t）進行擴頻處理后，再利用高斯隨機序列的相關(guān)性進行水印檢測，和發(fā)送端高斯序列做相關(guān)運算后，相關(guān)峰值較大的為檢測到了水印，表達式為式（3）再用高斯序列G（t）做相關(guān)運算可得：

式（4）中左邊一項相當于噪聲，右邊一項為檢測到的相關(guān)峰值，其中g(shù)為G（t）的自相關(guān)峰值。

2．2 多幀連續(xù)檢測水印技術(shù)

傳輸用的通信信號等頻譜信號一般都是連續(xù)傳輸，而且是以幀為單位進行基帶數(shù)字傳輸，因此可以利用基帶信號的數(shù)字幀結(jié)構(gòu)進行頻譜水印的連續(xù)嵌入和起始檢測單位，如圖3所示。以頻譜信號傳輸?shù)膸^同步作為水印起始檢測的標志，可方便實現(xiàn)水印的同步檢測。每幀連續(xù)嵌入水印，則在接收檢測端可采用多幀水印連續(xù)檢測的結(jié)果和多次聯(lián)合判決的方法來保證水印檢測的可靠性。

圖3 多幀連續(xù)檢測水印示意圖

設(shè)幀1的水印檢測自相關(guān)峰向量為y1，設(shè)幀2的水印檢測自相關(guān)峰向量為y2，設(shè)幀n的水印檢測自相關(guān)峰向量為yn，則總的聯(lián)合判決可表示為

3 結(jié) 語

頻譜水印技術(shù)作為一種身份識別技術(shù)，用于用頻設(shè)備的管理和監(jiān)督，可為復(fù)雜電磁環(huán)境頻譜管理提供一種較好的解決途徑。目前，關(guān)于水印技術(shù)應(yīng)用在用頻設(shè)備身份識別上還未見相關(guān)研究報道。本文初步提出了一種基于頻譜信號特征的頻譜水印技術(shù)，還未進行相關(guān)深入的研究，希望本文的研究內(nèi)容能引發(fā)廣大學者對頻譜水印技術(shù)的研究興趣，爭取盡快將頻譜水印技術(shù)用于頻譜管理。

［1］ 涂勵耘．電磁環(huán)境污染現(xiàn)狀及對策［J］．中國無線電，2007（7）：13－14．

［2］ 王先義，陳丹俊，劉 斌，等．復(fù)雜電磁環(huán)境戰(zhàn)場頻譜管理［J］．中國電子科學研究院學報，2008，3（4）：338－344．

［3］ 余秋菊．基于shamir理論的數(shù)字水印技術(shù)研究［D］．西安：西北大學，2010．

［4］ 戴明輝，劉真祥．數(shù)字水印技術(shù)研究與展望［J］．網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2010（8）：20－22．

［5］ 孫水發(fā)．數(shù)字水印技術(shù)研究［D］．杭州：浙江大學，2005．

TP929．5

A

1008－1542（2011）07－0116－03

2011－06－20；責任編輯：張 軍

劉忠英（1973－），女，湖北潛江人，高級工程師，博士，主要從事電磁頻譜技術(shù)方面的研究。