關鍵詞：擴頻通信;數(shù)字水印;語音信號；擴頻水印；嵌入方法
A Method of Inserting Spread Spectrum Watermarking into Spread Spectrum Signal
HE Shi-biao1,2,YANG Shi-zhong1
(1.Institute of Communication & Tracking Telemetry Command,Chongqing University,Chongqing400044,China,
2.Chongqing Communication Institute,Chongqing 400035,China)
Ａｂｓｔｒａｃｔ：A new method based on Multi-code Direct Sequence Spread Spectrum（MC-DSSS）technology is proposed to insert a spread spectrum watermarking into a spread spectrum communication signal。In this method，the spread spectrum signal plus spread spectrum watermarking are transmitted into channel，but their spread codes are orthogonal。The theoretical analysis and simulation indicate that there are many advantages in this watermarking，such as transparency，reliability，robustness and anti-jamming.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Spread spectrum communication;Digital watermarking;Voice signal;Spread spectrum watermarking;Inserting method
一、引言
數(shù)字水印是20世紀90年代發(fā)展起來的一項新技術，它通過在原始的數(shù)字信息中，隱含特定信息（如身份標志等），以確認數(shù)字產(chǎn)品的版權，或驗證信息是否屬偽造和有害［1］。數(shù)字水印一般是加在圖像、音頻、視頻或文本中，依據(jù)使用的目的不同，水印可分為可見性水印和不可見性水印。隨著應用需求的發(fā)展，在特定的應用場合（如防止通信信號被偽造或識別攻擊性信號等），需要在通信信號中加入水印信息，確定所接收的信號是否屬于有效信號，但又不損害原始信號的正常接收和使用。在通信信號中嵌入水印信息的最常見的圖像通信和語音通信。本文主要研究的是語音中通信水印信息的嵌入方法。
一般來說，話音通信的水印應該有如下特性［2］：①不可察覺性，即加入水印后的語音與原語音信號相比，對人耳來說應該聽不出來，其處理算法通常是在語音的冗余位置嵌入水印信息，或利用人耳的掩蔽特性。在擴頻通信中，可利用碼字的正交性來達到嵌入水印信息的目的；②魯棒性，即未經(jīng)授權的第三方不能通過一些處理方法，去除或修改嵌入的水印信息，或者去除水印信息后，原語音信號的質量有明顯下降；對于常用的處理算法，如傳輸、過濾、采樣等，嵌入的水印信息損壞很小，并在一定的正確概率下可以被檢測到；③可靠性，水印嵌入和檢測方法對未授權的第三方而言，應該是保密且不易破解的，而合法的使用者，可通過水印證實其合法性。
語音通信的水印嵌入主要有時域和變換域嵌入兩種方式。近年來，隨著擴頻技術的發(fā)展，利用擴頻方式將水印嵌入到原始信息中，顯示出很大的優(yōu)越性。同時，隨著抗干擾性、保密性等的要求，擴頻技術已在通信中得到廣泛應用［3］，在擴頻通信的基礎上，加入擴頻水印信息，不僅容易實現(xiàn)，而且具有非常優(yōu)越的性能。
本文提出一種基于擴頻通信的水印嵌入模型，并分析其相關的性能。
二、水印的嵌入模型
擴頻通信是將原始信息通過與擴頻碼（偽隨機碼）進行擴頻運算，使信號被擴頻到很寬的頻帶上，接收端通過相關運算，將原始信息還原到原來的帶寬，同時將干擾信號擴展到很寬的頻帶上，達到減少干擾信號的功率譜密度，從而可通過濾波的方法，提高信噪比的目的。在擴頻信號中，通過采用正交擴頻碼字，很容易將水印信號嵌入到原始信號中，并且具有良好的特性。在擴頻信號中嵌入水印信息的框圖如圖1 所示，接收端處理如圖2所示。
在發(fā)端的情況，水印信息和語音信息分別被不同的偽碼擴頻（正交擴頻碼，且碼長一樣），擴頻后的信號通過相加器，疊加在一起，再經(jīng)過調制，送入信道，類似于多碼擴頻通信［4］。在接收端，接收到的信號經(jīng)過前端濾波后，分別以信息擴頻碼和水印擴頻碼進行解擴、解調輸出。由于信息與水印擴頻碼的正交性，水印信息直接疊加于原始信號上，并占用相同的帶寬，相互之間不影響，達到了透明性要求；同時除非通過解擴頻來提取水印，再進行抵消水印信號，而傳統(tǒng)的任何方法均不能除去水印信號，從而達到了可靠性的要求；由于擴頻系統(tǒng)的本身特性，傳輸過程中的干擾，接收過程中的各種算法均對水印信號信號的影響較小，故而達到魯棒性的要求。
在圖中數(shù)字語音信息記為m(t)，信息擴頻碼記為Cm(t),水印信息記為w(t)，水印擴頻碼記為Cw(t)，其中Cm(t)和Cw(t)正交，即：
式中T為擴頻碼的周期時間。
發(fā)送到信道中的信號為
其中，m(t)、w(t)、Cm(t),Cw(t)都取值{-1,+1}，則其組合m(t)Cm(t)+w(t)Cw(t)可能的取值為{-2,0,+2}，采用相位調制時，則相位的變化為{0,π/2,π}。
信號在信道中傳輸時，要疊加上噪聲和干擾，記為n(t)，則到達接收端的信號r(t)可表示為
其中，a為幅度衰減，φ載波相位。為分析簡潔，在式（3）中，我們沒考慮傳播中的多徑效應、衰落和多譜勒效應的影響。
三、性能分析
在假設接收端的載波和擴頻本地碼均能精確同步的情況下，分別對原始信息和水印信息進行解擴和解調，則有：
我們考慮解擴頻解調后經(jīng)過低通濾波，濾除二次諧波及高頻分量，則有：
式（5）中，第一項為有用信號的輸出，第二項為水印信號對有用信號的干擾，第三項為噪聲的輸出。由于信息擴頻碼字與水印擴頻碼字的正交性，由式（1）可知，式（5）的第二項為0，因此，嵌入的水印對原始信息沒有任何影響，保證了透明性要求。在實際的應用中，由于碼字不正交，水印信息對原始信息的接收有一定影響，但只要信息擴頻碼與水印擴頻碼之間的互相關系數(shù)足夠小，則其影響可忽略。
同理，水印信號的解擴解調輸出為
式（6）的第二項為0，原始信息對水印信息亦不夠成影響。
由上述的基本原理可知，水印信號和信息信號無論在時域、頻域還是空間域都混疊在一起，不能通過濾波及其它數(shù)字信號的處理方法將原始信號和水印信號分開，除非通過解擴頻的方法，恢復出水印信號，再將它在混合信號中加以抵消，才能消除水印信號。但由于水印擴頻碼對第三方是未知的，所以要獲得擴頻碼信息是非常難的，尤其是當擴頻碼足夠長時，破譯擴頻碼的信息幾乎是不可能的。因此，在這樣的系統(tǒng)中，較好地保證了水印信息的魯棒性。
擴頻系統(tǒng)對干擾的抑制程度取決于擴頻增益。當擴頻增益足夠高時，就可以很好地抑制干擾。因此，采用擴頻的方法，可以很明顯地提高水印信號的可靠性。同時，由于采用正常的接收處理方式，只要對有用信號不構成損害，也就不能對水印信號構成損害。反之，若損害了水印信號，必定損害有用信號。
由于擴頻碼字的正交性，水印的加入對擴頻話音信號的正常接收不產(chǎn)生任何影響，反之，話音信號對水印信號亦不能夠成任何影響，非常好地保證了透明性要求。
由上述可知，在語音擴頻通信系統(tǒng)中，通過采用同體制的擴頻方式，嵌入水印信號，可取得最佳的水印性能。
四、仿真結果
我們利用MATLAB［5］對本文提出的水印算法進行了仿真，利用MATLAB庫中所帶的語音文件，將文件的前一段語音作為原始話音，而文件的后一段語音作為水印信息（當然可以利用其它信號作為水印信號，如偽隨機碼等），利用31位的GOLD碼作為擴頻地址碼（GOLD碼不完全正交，但其互相關函數(shù)很小）。語音信號為PAM信號，在進行擴頻處理時，未經(jīng)量化處理，直接對PAM信號進行擴頻運算。其結果分別如圖3和4所示。
圖3所示為話音信號、水印信號及話音和水印擴頻后的信號，圖4所示的是話音與水印信號分別進行擴頻后疊加在一起的信號波形，以及分別對話音和水印解擴頻運算后的恢復的話音和水印信號。將原始話音和水印與解擴后的話音和水印信號進行比較可知，水印信號對原始話音以及話音對水印信號均不構成影響，能完全（未考慮信道中的噪聲及干擾的影響）恢復話音及水印信號。
參考文獻
［1］王炳錫, 陳琦, 鄧峰森. 數(shù)字水印技術［M］.西安： 西安電子科技大學出版社, 2003.
［2］季 雋, 童學峰, 武強. 數(shù)字音頻信號的水印嵌入算法［J］.計算機應用, 2003，23（7）：34~36.
［3］Marvin K Simon, Jim K Omvra, Robert A Scholti,et al. SPREAD SPECTRUM Communications Handbook［M］.北京：人民郵電出版社, 2002.
［4］Manning Rd N E. Spresd Spectrum Wireless Technology［J］.Wi-Lan Inc.，2000.
［5］王立寧, 樂光新,詹菲. MATLAB與通信仿真［M］.北京：人民郵電出版社, 2000.