基于相關(guān)標(biāo)識(shí)符的頻譜水印嵌入與提取方法

張余　許金勇　柳永祥　劉忠英　陳勇

(南京電訊技術(shù)研究所,南京 210007)

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基于相關(guān)標(biāo)識(shí)符的頻譜水印嵌入與提取方法

張余許金勇柳永祥劉忠英陳勇

(南京電訊技術(shù)研究所,南京 210007)

摘要為有效標(biāo)識(shí)無線電設(shè)備身份信息，快速確定無線電干擾，提出了一種基于相關(guān)標(biāo)識(shí)符的頻譜水印嵌入與提取方法.該方法中發(fā)射端在標(biāo)識(shí)符嵌入控制模塊的控制下將頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符嵌入到通信信號(hào)中，然后通過對(duì)含有頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符的通信信號(hào)小波分解低頻系數(shù)進(jìn)行量化來嵌入頻譜水?。唤邮斩送ㄟ^分析相關(guān)標(biāo)識(shí)符的自相關(guān)和互相關(guān)特性來檢測(cè)頻譜水印，對(duì)接收到的中頻信號(hào)小波分解低頻系數(shù)實(shí)施量化處理來提取頻譜水印.理論分析與仿真結(jié)果表明:提出的方法能夠在不對(duì)原始信號(hào)正常解調(diào)產(chǎn)生有害干擾的條件下，可有效提取頻譜水印，不需解調(diào)原始信號(hào)，可有效減少頻譜水印提取的復(fù)雜度，為有效標(biāo)識(shí)和識(shí)別無線電設(shè)備身份提供了技術(shù)手段.

關(guān)鍵詞頻譜水??；相關(guān)標(biāo)識(shí)符；小波分解；頻譜水印嵌入；頻譜水印提取

DOI10.13443/j.cjors.2015031701

Spectrum watermark embedding and extracting method based on correlation identifier

ZHANG YuXU JinyongLIU YongxiangLIU ZhongyingCHEN Yong

(NanjingTelecommunicationTechnologyInstitute，Nanjing210007，China)

Abstract To effectively identify the radio equipment and quickly ascertain the radio interference， this paper presents a spectrum watermark embedding and extracting method based on the correlation identifier. The correlation identifier that identified the embedding location of spectrum watermark was firstly embedded into communication signals under the control of identifier embedded control module in the transmitting terminal. Then the spectrum watermark was embedded by quantizing the low-frequency of wavelet decomposition of the communication signal with correlation identifier. The spectrum watermark was detected by analyzing these characteristic of autocorrelation and cross-correlation of correlation identifier. And it was extracted by quantizing the low-frequency of wavelet decomposition of received signals in the receiving terminal. Theory analysis and simulation results show that the proposed method can effectively extract the spectrum watermark without harmful inference to normal demodulation of communication signals， and there is no need to demodulate the communication signal， which can effectively reduce the complexity of spectrum watermark extracting. Thus， it provides a technical support for effectively identifying and ascertaining the radio equipment.

Keywordsspectrum watermark； correlation identifier； wavelet composition； spectrum watermark embedding； spectrum watermark extracting

引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們生活與國防建設(shè)對(duì)無線電應(yīng)用的依賴越來越強(qiáng)，無線電設(shè)備種類越來越多，數(shù)量越來越大，相互干擾日趨嚴(yán)重，無意輻射和超標(biāo)輻射等現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，給無線電設(shè)備使用與管理帶來了巨大威脅，如何快速識(shí)別干擾源、查出干擾是頻譜管控急需解決的難題之一.無線電干擾源識(shí)別問題引起了學(xué)者們廣泛關(guān)注.頻譜水印技術(shù)[1]利用待傳信息中冗余空間嵌入攜帶設(shè)備身份的隱蔽信息，達(dá)到秘密信息偽裝傳遞之目的，并通過檢測(cè)隱蔽信息對(duì)輻射源進(jìn)行識(shí)別.利用水印技術(shù)特點(diǎn)，可將無線電設(shè)備身份信息嵌入到用頻設(shè)備的信息傳輸中，在不對(duì)原始信息正常傳輸產(chǎn)生有害干擾條件下，對(duì)無線電設(shè)備進(jìn)行身份標(biāo)識(shí)，為無線電設(shè)備管理提供一種有效的身份識(shí)別途徑.頻譜水印技術(shù)來源于數(shù)字水印技術(shù)，目前還處于起步階段，但數(shù)字水印技術(shù)已取得許多成果.季秀蘭等人[2]為加強(qiáng)數(shù)字圖像版權(quán)保護(hù)，充分利用支持向量機(jī)非線性逼近能力計(jì)算水印嵌入強(qiáng)度，將水印自適應(yīng)地嵌入到離散余弦變換各系數(shù)中，解決了水印嵌入強(qiáng)度和離散余弦變換系數(shù)的選擇難題.Naresh Kumar Trivedi等人[3]利用心理聲學(xué)聽覺模型來計(jì)算音頻信號(hào)掩蓋門限，使其嵌入的使用信息不可感知，并對(duì)水印實(shí)施擴(kuò)頻調(diào)制來提高其魯棒性；Priyank Khare等人[4]為保護(hù)圖像知識(shí)產(chǎn)權(quán)，利用邏輯圖特征來產(chǎn)生混沌序列提高圖像水印的魯棒性. Aniyan， A.等人[5]針對(duì)數(shù)字圖像提出基于離散余弦變換的盲水印方法，并開展了硬件實(shí)驗(yàn)工作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示提出的方法能有效應(yīng)對(duì)多種攻擊.Trabelsi， W. 等人[6]為在魯棒性、透明性和性能間找到均衡點(diǎn)，利用基于奇異值分解的頻域水印嵌入方法來嵌入水印，并插入一個(gè)雙奇異值來提高水印性能.趙軍等人[7]針對(duì)基帶信號(hào)水印嵌入算法中水印同步問題，提出了利用水印圖像清晰度評(píng)價(jià)技術(shù)識(shí)別幀同步位方法，該方法中由于在發(fā)射端基帶嵌入水印，在接收端需解調(diào)原始信號(hào)才能有效提取水印.

現(xiàn)有數(shù)字水印研究成果中大多要求接收端解調(diào)出原始信號(hào)，而日常監(jiān)測(cè)中難以做到，其通用性和適用性較差.雖然CN 102780502 A國家發(fā)明專利[8]公開了一種為無線電臺(tái)施加水印的方法，不需解調(diào)原始信息，但為了不影響原始信號(hào)解調(diào)，發(fā)射振蕩器相位變化不能太大，接收端對(duì)細(xì)微特征的捕捉很困難，接收機(jī)實(shí)現(xiàn)難度大.因此，文章提出了一種基于相關(guān)標(biāo)識(shí)符的頻譜水印嵌入與提取方法.該方法利用相關(guān)碼作為頻譜水印嵌入位置的標(biāo)識(shí)，可減少接收端頻譜水印存在性檢測(cè)的復(fù)雜度，有利于頻譜水印嵌入起始位置的精確定位；選擇原始中頻信號(hào)小波分解低頻系數(shù)作為頻譜水印的嵌入位置，可提高頻譜水印的魯棒性；利用量化準(zhǔn)則來嵌入與提取頻譜水印信號(hào)，在頻譜水印提取時(shí)不需解調(diào)原始無線電信號(hào)，可提高其通用性，減少接收端頻譜水印提取的復(fù)雜度.

1基于相關(guān)標(biāo)識(shí)符的頻譜水印嵌入方法

為使己方接收設(shè)備能容易地發(fā)現(xiàn)和提取頻譜水印而第三方難以提取，在嵌入頻譜水印時(shí)，首先選擇一個(gè)自相關(guān)性強(qiáng)、互相關(guān)性弱的相關(guān)碼來標(biāo)識(shí)頻譜水印的嵌入，然后對(duì)含有標(biāo)識(shí)信息的通信信號(hào)進(jìn)行小波分解，并通過對(duì)小波分解系數(shù)的量化來實(shí)現(xiàn)頻譜水印的嵌入，在確保不影響原始通信信號(hào)正常傳輸?shù)耐瑫r(shí)，將標(biāo)識(shí)無線電設(shè)備身份的頻譜水印隱蔽地傳遞出去.圖1給出了基于相關(guān)標(biāo)識(shí)符的頻譜水印嵌入方法的實(shí)現(xiàn)過程，主要包括標(biāo)識(shí)符生成與嵌入、頻譜水印生成、頻譜水印嵌入等過程，圖中字母或變量的含義見下文.

圖1　基于相關(guān)標(biāo)識(shí)符的頻譜水印嵌入的實(shí)現(xiàn)過程

1.1標(biāo)識(shí)符生成與嵌入

假設(shè)頻譜水印嵌入位置的標(biāo)識(shí)符序列為b(n)，經(jīng)基帶調(diào)制和脈沖成型后的基帶標(biāo)識(shí)符信號(hào)z(t)可表示為

(1)

式中，g3(t)，g4(t)分別為二進(jìn)制序列1和0對(duì)應(yīng)的脈沖成型波形.為便于分析，通常選用存在g3(t)=-g4(t)關(guān)系的波形來成型.經(jīng)載波調(diào)制后的中頻標(biāo)識(shí)符信號(hào)zc(t)可表示為

zc(t)=z(t)cos(2πfct+φz).

(2)

式中: fc為無線電設(shè)備發(fā)射端載波頻率； φz為頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符載波調(diào)制后的初始相位.

為確保頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符的嵌入不擾亂無線電設(shè)備信息的傳輸，標(biāo)識(shí)符只能嵌入到通信信號(hào)的有用信息序列后、同步序列前，因此，標(biāo)識(shí)符嵌入必須在標(biāo)識(shí)符嵌入控制模塊控制下實(shí)現(xiàn)嵌入，標(biāo)識(shí)符嵌入控制模塊將記錄無線電設(shè)備信號(hào)有用信息和同步碼的位置，并將此信息傳遞給信號(hào)合成器來控制頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符的嵌入.

信號(hào)合成器在標(biāo)識(shí)符嵌入控制模塊的控制下，將頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符周期性嵌入到原始信號(hào)序列的上一幀有用序列后和下一幀同步序列前，得到含有頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符后的信號(hào)y(l)，可表示為

(3)

式中， yi(l)為第i段含有頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符的通信信號(hào)，可表示為

yi(l)=

(4)

式中: tz0為嵌入頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符的起始時(shí)間； tz為嵌入頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符的持續(xù)時(shí)間； txl為嵌入頻譜水印的周期，必須保證頻譜水印所有信息在此周期內(nèi)能夠完全被嵌入，且包括M幀原始信號(hào)數(shù)據(jù)，若每幀數(shù)據(jù)進(jìn)行載波調(diào)制后的持續(xù)時(shí)間為tf，則txl=M×tf.tz0，tz，txl和tf的單位均為s.

嵌入頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符將增加系統(tǒng)的開銷，若頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符嵌入過于頻繁，頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符序列長度過長，增加開銷將更多，系統(tǒng)將無法忍受，設(shè)計(jì)合適的頻譜水印嵌入標(biāo)識(shí)符是保證頻譜水印透明度和頻譜水印檢測(cè)魯棒性的關(guān)鍵.為便于頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符的檢測(cè)，在此選用自相關(guān)性強(qiáng)、互相關(guān)性弱的16bits的m序列作為頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符，在頻譜水印提取端充分利用其自相關(guān)特性來檢測(cè)頻譜水印的嵌入位置，既可降低其檢測(cè)復(fù)雜度，也可保證增加的開銷在系統(tǒng)忍受的范圍之內(nèi).

1.2頻譜水印生成

通信信號(hào)不存在像音頻信號(hào)那樣具有人類聽覺系統(tǒng)的掩蔽效應(yīng)[9]，受噪聲影響較大，若采用圖像形式的水印來標(biāo)識(shí)其頻譜身份，將會(huì)影響通信信號(hào)本身的特征，因此，在此采用編號(hào)序列作為頻譜水印來標(biāo)識(shí)無線電設(shè)備身份.

頻譜水印主要由無線電設(shè)備型號(hào)和編號(hào)等信息組成，如編號(hào)為3 201的超短波調(diào)頻電臺(tái)的頻譜水印可用12個(gè)字符96bits的序列V來表示.為增加頻譜水印檢測(cè)的魯棒性，提高頻譜水印檢測(cè)的正確率，用擴(kuò)頻增益為P的擴(kuò)頻碼對(duì)頻譜水印序列進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，得到擴(kuò)頻調(diào)制后的水印序列為W，擴(kuò)頻調(diào)制后的序列長度為96Pbits.

1.3頻譜水印嵌入

頻譜水印嵌入包括分段通信信號(hào)采樣、小波分解、頻譜水印信號(hào)嵌入和小波重構(gòu)等過程.

1) 分段通信信號(hào)采樣

以采樣率fs對(duì)第i段含有頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符的通信信號(hào)進(jìn)行采樣，得到第i段離散通信信號(hào)yi(k)，可表示為

yi(k)=

(5)

式中，[u]表示對(duì)變量u向下取整； [u]表示對(duì)變量u向上取整.用矢量形式可表示為

yi=[zi，xi].

(6)

式中:zi=z(m)，[((i-1)(tz+txl)+tz0)fs]≤m<[((i-1)(tz+txl)+tz+tz0)fs]；xi=x(m)，[((i-1)(tz+txl)+tz+tz0)fs]≤m<[(i(tz+txl)+tz0)fs].

2) 小波分解

對(duì)第i段含有頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符的通信信號(hào)yi進(jìn)行n層小波分解，得到第n層小波分解的低頻系數(shù)Ca，n和各層小波分解的高頻系數(shù)Cd，n、…、Cd，2、Cd，1，其中第n層小波分解低頻系數(shù)的長度為[(tz+txl)fs]/2n，各層小波分解高頻系數(shù)的長度分別為[(tz+txl)fs]/2n、…、[(tz+txl)fs]/22、[(tz+txl)fs]/2，且第n層小波分解低頻系數(shù)的長度必須滿足大于經(jīng)擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜水印的序列長度，即[(tz+txl)fs]/2n≥96P.

3) 頻譜水印信號(hào)嵌入

通信信號(hào)可通過小波分解分成近似分量和細(xì)節(jié)分量，近似分量集中了信號(hào)的大部分能量，可表征信號(hào)的絕大多數(shù)信號(hào)特征，而細(xì)節(jié)分量?jī)H表示信號(hào)的細(xì)微特征，受噪聲影響較大，容易受濾波、除噪等信號(hào)處理的影響[10-11].因此，選擇原始中頻信號(hào)小波變換的近似分量作為水印嵌入的對(duì)象.

由于量化水印方法[12]是根據(jù)不同的水印信息用不同量化器去量化原始信號(hào)，不像常見數(shù)字水印中利用的加性準(zhǔn)則[13]、乘性準(zhǔn)則[13-14]和指數(shù)準(zhǔn)則[13]的水印嵌入方法那樣在水印提取端要求知道原始信號(hào)或原始信號(hào)變換域的變換系數(shù)，因此，以嵌入系數(shù)α為量化步長對(duì)各小波分解低頻系數(shù)Ca，n進(jìn)行量化，并根據(jù)頻譜水印信號(hào)與量化結(jié)果間的關(guān)系嵌入水印.

利用量化準(zhǔn)則可得到小波分解低頻系數(shù)的量化結(jié)果，即

Cq，n(m)=[|Ca，n(m)|/α+1/2].

(7)

式中:Cq，n(m)為第n層中頻信號(hào)的小波分解第m個(gè)低頻系數(shù)的量化結(jié)果；Ca，n(m)為第n層中頻信號(hào)的小波分解第m個(gè)低頻系數(shù)； |h|表示對(duì)h的取模運(yùn)算.

為便于頻譜水印檢測(cè)，在此以分段中頻信號(hào)小波分解的第一個(gè)低頻系數(shù)為起點(diǎn)嵌入水印信號(hào).

當(dāng)m≤96P時(shí)，若2mod(Cq，n(m)，2)-1=w(m)，則

Cb，n(m)=sign(Ca，n(m))Cq，n(m)α.

(8)

式中: mod(h，2)表示對(duì)h取模2的余數(shù)； sign(h)表示取h的符號(hào).若2mod(Cq，n(m)，2)-1≠w(m)，但如Cq，n(m)=[|Cq，n(m)|/α]，則

Cb，n(m)=sign(Ca，n(m))(Cq，n(m)+1)α.

(9)

若2mod(Cq，n(m)，2)-1≠w(m)，但如Cq，n(m)≠[|Cq，n(m)|/α]，則

Cb，n(m)=sign(Ca，n(m))(Cq，n(m)-1)α.

(10)

當(dāng)m>96P，Cq，n(m)=Ca，n(m).

4) 中頻信號(hào)重構(gòu)

2基于相關(guān)標(biāo)識(shí)符的頻譜水印檢測(cè)與提取方法

基于相關(guān)標(biāo)識(shí)符的頻譜水印檢測(cè)與提取的實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示，主要包括頻譜水印信號(hào)檢測(cè)與嵌入位置定位和頻譜水印提取，圖中字母和變量的含義見下文.

圖2　基于相關(guān)標(biāo)識(shí)符的頻譜水印檢測(cè)與提取的實(shí)現(xiàn)過程

2.1頻譜水印信號(hào)檢測(cè)與嵌入位置定位

(11)

(12)

式中，ti為滑動(dòng)窗第i次滑動(dòng)的起始時(shí)間.然后求h(t)的功率譜密度S(f)，即

S(f)=|FFT(h(t))|2.

(13)

只要通過搜索S(f)的相關(guān)峰值來確定是否存在頻譜水印信號(hào)，若有相關(guān)峰存在，則停止搜索，否則繼續(xù)滑動(dòng)窗口，進(jìn)行相乘運(yùn)算和功率譜運(yùn)算，直到出現(xiàn)較大的峰值.

由于頻譜水印提取過程與頻譜水印嵌入過程類似，在提取頻譜水印時(shí)必須精確定位頻譜水印，否則難以準(zhǔn)確提取頻譜水印，因此，精確定位頻譜水印嵌入標(biāo)識(shí)符是能否成功提取頻譜水印的關(guān)鍵.當(dāng)檢測(cè)到頻譜水印存在后，利用現(xiàn)有載頻同步算法精確估計(jì)頻譜水印嵌入標(biāo)識(shí)符的相位，實(shí)現(xiàn)頻譜水印嵌入位置的精確定位.

2.2頻譜水印提取

根據(jù)頻譜水印嵌入標(biāo)識(shí)符定位結(jié)果，對(duì)接收到的中頻信號(hào)實(shí)施分段和采樣，獲得第j段離散中頻信號(hào)rj(n).假設(shè)頻譜水印檢測(cè)端已知分段長度tz+txl和采樣率fs，對(duì)于半合作狀態(tài)的頻譜水印檢測(cè)而言，此假設(shè)是合理的.

Uj={uj(k)|，0≤k≤P}，

(14)

(15)

根據(jù)以上方法，對(duì)接收端獲得的d段中頻信號(hào)進(jìn)行相同處理，提取頻譜水印，最后根據(jù)大數(shù)定理，對(duì)恢復(fù)的頻譜水印序列實(shí)施大數(shù)判決，獲得頻譜水印序列綜合判決結(jié)果V′.

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證算法的性能，在此對(duì)頻譜水印進(jìn)行了透明性、魯棒性、水印提取正確概率和嵌入量仿真分析實(shí)驗(yàn).其中透明性用于衡量所嵌入的水印信息不能影響原始通信信號(hào)的質(zhì)量，在此，利用信噪比來衡量通信信號(hào)的客觀質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，它將嵌入的水印信息看作是添加到原始通信信號(hào)里的噪聲，用來評(píng)價(jià)嵌入水印后的通信信號(hào)與原始通信信號(hào)間的失真度；魯棒性用來表示頻譜水印算法抗外界干擾的能力，可以利用提取出的頻譜水印信息與原始頻譜水印之間的相似性來衡量頻譜水印算法的魯棒性；正確提取概率用來表示正確提取頻譜水印的可能性，定義為在滿足頻譜水印的透明性和魯棒性要求情況下，在實(shí)施N次提取頻譜水印操作中，正確提取頻譜水印的次數(shù)；嵌入量用于衡量在原始通信信號(hào)中嵌入頻譜水印的強(qiáng)度.由于頻譜水印的長度一定，嵌入量(用嵌入系數(shù)表示，嵌入系數(shù)越大，嵌入量越大)直接表現(xiàn)為頻譜水印周期嵌入的次數(shù)，若嵌入次數(shù)越多，即嵌入量越大，越有利于頻譜水印的檢測(cè)與提取，但通信信號(hào)的透明性越差，反之，則嵌入量越小，通信信號(hào)的透明性越好，但越不利于頻譜水印的檢測(cè)與提取.

3.1頻譜水印檢測(cè)性能分析

實(shí)驗(yàn)中使用的通信信號(hào)幀結(jié)構(gòu)由同步幀、有用信息幀和截止幀組成，頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符在標(biāo)識(shí)符嵌入控制模塊控制下周期性地嵌入到通信信號(hào)截止幀和同步幀之間，其比特速率為10kbps，小波分解時(shí)采樣率為2MHz，用長度為96bits的二進(jìn)制序列表示頻譜水印，利用長度為P的m序列對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制.頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符采用長度為16bits的m序列.圖3給出了m序列長度為63bits，頻譜水印嵌入系數(shù)為0.5，收到5段中頻信號(hào)，每段中頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間為0.1s的某段中頻信號(hào)嵌入頻譜水印前后的時(shí)域比較圖.

(a) 嵌入頻譜水印前的中頻信號(hào)

(b) 嵌入頻譜水印后的中頻信號(hào)

(c) 嵌入頻譜水印前后中的中頻信號(hào)幅度差值圖3　某段中頻信號(hào)嵌入頻譜水印信號(hào)前后的時(shí)域比較圖

通過對(duì)比嵌入水印前后中頻信號(hào)波形圖可知，嵌入頻譜水印的中頻信號(hào)在幅度上有細(xì)微差別，但并不會(huì)改變其主要特征和分布趨勢(shì)，且根據(jù)計(jì)算可知，嵌入水印前后的信噪比為22.9dB，對(duì)原通信信號(hào)的解調(diào)影響不大.

3.2頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符檢測(cè)性能分析

為檢驗(yàn)頻譜水印嵌入位置標(biāo)識(shí)符檢測(cè)性能，圖4給出了頻譜水印嵌入標(biāo)識(shí)符定位性能曲線.由圖4(a)可知，嵌入系數(shù)對(duì)頻譜水印嵌入標(biāo)識(shí)符定位性能幾乎沒有影響.而從圖4(b)可知，當(dāng)嵌入系數(shù)一定時(shí)，信噪比對(duì)其影響較大，在信噪比大于6dB時(shí)，頻譜水印嵌入標(biāo)識(shí)符位置檢測(cè)錯(cuò)誤率就可低于10-3.圖4(c)給出了頻譜水印嵌入標(biāo)識(shí)符定位精度(用頻譜水印嵌入標(biāo)識(shí)符檢測(cè)獲得的位置偏離真實(shí)位置的符號(hào)數(shù))對(duì)頻譜水印提取正確率影響性能曲線，由大量實(shí)驗(yàn)分析可知，當(dāng)頻譜水印嵌入標(biāo)識(shí)符定位精度小于等于1個(gè)碼元長度，提出的算法能夠正確地提取頻譜水印，反之則難以正確提取頻譜水印.

(a) 信噪比為10 dB時(shí)，嵌入系數(shù)對(duì)標(biāo)識(shí)符定位錯(cuò)誤率的影響

(b) 嵌入系數(shù)為0.5，信噪比對(duì)標(biāo)識(shí)符定位錯(cuò)誤率的影響

(c) 信噪比為10 dB時(shí)，嵌入系數(shù)為0.5，標(biāo)識(shí)符定位精度對(duì)頻譜水印提取正確率的影響圖4　相關(guān)標(biāo)識(shí)符定位性能曲線

圖5　中頻信號(hào)分段長度對(duì)嵌入水印前后的信噪比

3.3頻譜水印提取性能分析

為分析嵌入系數(shù)對(duì)頻譜水印算法透明性的影響，針對(duì)分段信號(hào)的不同持續(xù)時(shí)間，仿真分析了頻譜水印算法的透明性，如圖5所示.圖5中嵌入品質(zhì)表示嵌入頻譜水印前后的信噪比，m序列長度為63bits，針對(duì)5段中頻信號(hào)實(shí)施頻譜水印嵌入操作(即累積5次)，為確保頻譜水印能完全嵌入到每段中頻信號(hào)中去，其持續(xù)時(shí)間必須大于0.05s.由圖5可知，隨著每段中頻信號(hào)長度增加，其嵌入品質(zhì)逐漸增大，增加幅度隨著每段中頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間的增加而降低，當(dāng)每段中頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間大于某一值后，嵌入品質(zhì)增加越來越不明顯.同時(shí)，頻譜水印嵌入系數(shù)對(duì)嵌入品質(zhì)影響也較大，如當(dāng)每段中頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間為0.4s時(shí)，若嵌入系數(shù)為0.4，則嵌入品質(zhì)為31.477 5dB；若嵌入系數(shù)為0.5，則嵌入品質(zhì)為28.9dB；若嵌入系數(shù)為0.6，則嵌入品質(zhì)為27.382 4dB.

為分析頻譜水印提取的性能，圖6、7給出了頻譜水印提取的性能曲線.其中，圖6中將提取的頻譜水印與原始頻譜水印間的相似系數(shù)為1的情況視為接收端能夠正確提取頻譜水印，每段中頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間為0.1s.

由圖6(a)可知，當(dāng)利用5段中頻信號(hào)累積來提取頻譜水印時(shí)，頻譜水印嵌入系數(shù)大于等于0.4時(shí)，能完全正確地提取水印，頻譜水印嵌入系數(shù)小于等于0.3時(shí)，幾乎完全不能正確提取水??；當(dāng)利用10段中頻信號(hào)累積來提取頻譜水印時(shí)，頻譜水印嵌入系數(shù)大于等于0.4時(shí)，能完全正確提取水印，頻譜水印嵌入系數(shù)大于等于0.35時(shí)，其提取正確率可達(dá)98.2%，頻譜水印嵌入系數(shù)小于等于0.3時(shí)，幾乎完全不能正確提取水?。划?dāng)利用15段中頻信號(hào)累積來提取頻譜水印時(shí)，頻譜水印嵌入系數(shù)大于等于0.3時(shí)，能完全正確提取水印，頻譜水印嵌入系數(shù)小于等于0.2時(shí)，幾乎完全不能正確提取水印.因此，嵌入系數(shù)對(duì)頻譜水印提取正確率的影響大，而累積次數(shù)對(duì)頻譜水印提取正確率有一定影響，但不是很明顯.

由圖6(b)可知，當(dāng)嵌入系數(shù)為0.5時(shí)，嵌入水印前后信噪比為22.904dB.由圖可以看出，在累積次數(shù)一定時(shí)，隨著信噪比的提高，頻譜水印提取正確率逐步提高，當(dāng)信噪比高于一定值時(shí)，其正確率可達(dá)到100%.如累積5次，信噪比大于等于8dB時(shí)，其頻譜水印提取正確率為100%；累積10次，信噪比大于等于7dB時(shí)，其頻譜水印提取正確率為98.5%；累積15次，信噪比大于等于7dB時(shí)，其頻譜水印提取正確率為100%.因此，在嵌入系數(shù)一定時(shí)，頻譜水印提取正確率不但與信噪比有關(guān)，還與累積次數(shù)有關(guān)，當(dāng)累積次數(shù)和信噪比達(dá)到某一個(gè)值后，其頻譜水印提取正確率可達(dá)100%.

(a) 信噪比為10 dB

(b) 嵌入系數(shù)為0.5圖6　頻譜水印提取正確率性能曲線

圖7(a)給出嵌入系數(shù)為0.5，每段中頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間為0.1s，頻譜水印采用不同長度的擴(kuò)頻碼情況下，信噪比對(duì)頻譜水印提取正確率的影響曲線.由圖可知:當(dāng)頻譜水印采用的擴(kuò)頻碼長度為63，信噪比大于等于8dB時(shí)，能夠完全正確提取水印信息；當(dāng)頻譜水印采用的擴(kuò)頻碼長度為127，信噪比大于等于7dB時(shí)，能夠完全正確提取水印信息.因此，頻譜水印采用的擴(kuò)頻碼長度對(duì)頻譜水印提取有一定的影響，擴(kuò)頻碼長度越長，其頻譜水印提取算法越能在更低的信噪比條件下正確提取頻譜水印.

(a) 嵌入系數(shù)為0.5

(b) 嵌入系數(shù)為0.5圖7　頻譜水印提取正確率隨信噪比變化曲線

圖7(b)給出了在不同相似系數(shù)要求下，信噪比對(duì)頻譜水印提取正確率的影響曲線，圖中嵌入系數(shù)為0.5，每段中頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間為0.1s，累積次數(shù)為5次.若相似度要求不高時(shí)，頻譜水印提取算法能夠在信噪比較低的情況下，提取出頻譜水印.如相似系數(shù)大于0.7時(shí)，可在信噪比為5dB以上的噪聲環(huán)境中提取頻譜水?。幌嗨葡禂?shù)大于0.9時(shí)，可在信噪比為6dB以上的噪聲環(huán)境中提取頻譜水印.

4結(jié)論

針對(duì)無線電設(shè)備頻譜身份識(shí)別問題，研究提出了一種基于相關(guān)標(biāo)識(shí)符的頻譜水印嵌入與提取方法.理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)證明:提出的頻譜水印嵌入與提取方法的有效性，能夠在不影響原始通信信號(hào)的正確解調(diào)的基礎(chǔ)上，正確地提取頻譜水印，即在嵌入系數(shù)為0.5條件下，提出方法能夠保證其嵌入頻譜水印后的信噪比大于20dB，頻譜水印的嵌入不會(huì)對(duì)原始信號(hào)解調(diào)造成有明顯影響，頻譜水印嵌入透明性好；在信道信噪比大于7dB時(shí)，頻譜水印嵌入標(biāo)識(shí)符定位錯(cuò)誤率小于0.000 3，頻譜水印提取正確率能夠達(dá)到100%，頻譜水印具有一定的魯棒性.這些研究成果將為有效標(biāo)識(shí)和識(shí)別無線電設(shè)備身份、快速定位無線電干擾提供技術(shù)手段.

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張余(1983-),男,四川人,南京電訊技術(shù)研究所工程師,碩士,主要從事電磁頻譜技術(shù)方向的研究.

許金勇(1976-),男,江西人,南京電訊技術(shù)研究所工程師,博士,主要從事電磁頻譜技術(shù)方向的研究.

柳永祥(1974-),男,湖北人,南京電訊技術(shù)研究所高級(jí)工程師,碩士,主要從事電磁頻譜技術(shù)方向的研究.

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)TN014

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1005-0388(2016)01-0185-08

收稿日期：2015-03-17

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資助項(xiàng)目: 國家自然科學(xué)基金(No.61102092；61471395)

聯(lián)系人： 張余 E-mail: zhyu63@163.com