關(guān)鍵詞：擴(kuò)頻通信;數(shù)字水印;語(yǔ)音信號(hào)；擴(kuò)頻水?。磺度敕椒?/p>
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(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，它通過(guò)在原始的數(shù)字信息中，隱含特定信息（如身份標(biāo)志等），以確認(rèn)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)，或驗(yàn)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(yīng)用需求的發(fā)展，在特定的應(yīng)用場(chǎng)合（如防止通信信號(hào)被偽造或識(shí)別攻擊性信號(hào)等），需要在通信信號(hào)中加入水印信息，確定所接收的信號(hào)是否屬于有效信號(hào)，但又不損害原始信號(hào)的正常接收和使用。在通信信號(hào)中嵌入水印信息的最常見的圖像通信和語(yǔ)音通信。本文主要研究的是語(yǔ)音中通信水印信息的嵌入方法。
一般來(lái)說(shuō)，話音通信的水印應(yīng)該有如下特性［2］：①不可察覺性，即加入水印后的語(yǔ)音與原語(yǔ)音信號(hào)相比，對(duì)人耳來(lái)說(shuō)應(yīng)該聽不出來(lái)，其處理算法通常是在語(yǔ)音的冗余位置嵌入水印信息，或利用人耳的掩蔽特性。在擴(kuò)頻通信中，可利用碼字的正交性來(lái)達(dá)到嵌入水印信息的目的；②魯棒性，即未經(jīng)授權(quán)的第三方不能通過(guò)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(yǔ)音信號(hào)的質(zhì)量有明顯下降；對(duì)于常用的處理算法，如傳輸、過(guò)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(cè)到；③可靠性，水印嵌入和檢測(cè)方法對(duì)未授權(quán)的第三方而言，應(yīng)該是保密且不易破解的，而合法的使用者，可通過(guò)水印證實(shí)其合法性。
語(yǔ)音通信的水印嵌入主要有時(shí)域和變換域嵌入兩種方式。近年來(lái)，隨著擴(kuò)頻技術(shù)的發(fā)展，利用擴(kuò)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(shí)，隨著抗干擾性、保密性等的要求，擴(kuò)頻技術(shù)已在通信中得到廣泛應(yīng)用［3］，在擴(kuò)頻通信的基礎(chǔ)上，加入擴(kuò)頻水印信息，不僅容易實(shí)現(xiàn)，而且具有非常優(yōu)越的性能。
本文提出一種基于擴(kuò)頻通信的水印嵌入模型，并分析其相關(guān)的性能。
二、水印的嵌入模型
擴(kuò)頻通信是將原始信息通過(guò)與擴(kuò)頻碼（偽隨機(jī)碼）進(jìn)行擴(kuò)頻運(yùn)算，使信號(hào)被擴(kuò)頻到很寬的頻帶上，接收端通過(guò)相關(guān)運(yùn)算，將原始信息還原到原來(lái)的帶寬，同時(shí)將干擾信號(hào)擴(kuò)展到很寬的頻帶上，達(dá)到減少干擾信號(hào)的功率譜密度，從而可通過(guò)濾波的方法，提高信噪比的目的。在擴(kuò)頻信號(hào)中，通過(guò)采用正交擴(kuò)頻碼字，很容易將水印信號(hào)嵌入到原始信號(hào)中，并且具有良好的特性。在擴(kuò)頻信號(hào)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(yǔ)音信息分別被不同的偽碼擴(kuò)頻（正交擴(kuò)頻碼，且碼長(zhǎng)一樣），擴(kuò)頻后的信號(hào)通過(guò)相加器，疊加在一起，再經(jīng)過(guò)調(diào)制，送入信道，類似于多碼擴(kuò)頻通信［4］。在接收端，接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)前端濾波后，分別以信息擴(kuò)頻碼和水印擴(kuò)頻碼進(jìn)行解擴(kuò)、解調(diào)輸出。由于信息與水印擴(kuò)頻碼的正交性，水印信息直接疊加于原始信號(hào)上，并占用相同的帶寬，相互之間不影響，達(dá)到了透明性要求；同時(shí)除非通過(guò)解擴(kuò)頻來(lái)提取水印，再進(jìn)行抵消水印信號(hào)，而傳統(tǒng)的任何方法均不能除去水印信號(hào)，從而達(dá)到了可靠性的要求；由于擴(kuò)頻系統(tǒng)的本身特性，傳輸過(guò)程中的干擾，接收過(guò)程中的各種算法均對(duì)水印信號(hào)信號(hào)的影響較小，故而達(dá)到魯棒性的要求。
在圖中數(shù)字語(yǔ)音信息記為m(t)，信息擴(kuò)頻碼記為Cm(t),水印信息記為w(t)，水印擴(kuò)頻碼記為Cw(t)，其中Cm(t)和Cw(t)正交，即：
式中T為擴(kuò)頻碼的周期時(shí)間。
發(fā)送到信道中的信號(hào)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(diào)制時(shí)，則相位的變化為{0,π/2,π}。
信號(hào)在信道中傳輸時(shí)，要疊加上噪聲和干擾，記為n(t)，則到達(dá)接收端的信號(hào)r(t)可表示為
其中，a為幅度衰減，φ載波相位。為分析簡(jiǎn)潔，在式（3）中，我們沒(méi)考慮傳播中的多徑效應(yīng)、衰落和多譜勒效應(yīng)的影響。
三、性能分析
在假設(shè)接收端的載波和擴(kuò)頻本地碼均能精確同步的情況下，分別對(duì)原始信息和水印信息進(jìn)行解擴(kuò)和解調(diào)，則有：
我們考慮解擴(kuò)頻解調(diào)后經(jīng)過(guò)低通濾波，濾除二次諧波及高頻分量，則有：
式（5）中，第一項(xiàng)為有用信號(hào)的輸出，第二項(xiàng)為水印信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的干擾，第三項(xiàng)為噪聲的輸出。由于信息擴(kuò)頻碼字與水印擴(kuò)頻碼字的正交性，由式（1）可知，式（5）的第二項(xiàng)為0，因此，嵌入的水印對(duì)原始信息沒(méi)有任何影響，保證了透明性要求。在實(shí)際的應(yīng)用中，由于碼字不正交，水印信息對(duì)原始信息的接收有一定影響，但只要信息擴(kuò)頻碼與水印擴(kuò)頻碼之間的互相關(guān)系數(shù)足夠小，則其影響可忽略。
同理，水印信號(hào)的解擴(kuò)解調(diào)輸出為
式（6）的第二項(xiàng)為0，原始信息對(duì)水印信息亦不夠成影響。
由上述的基本原理可知，水印信號(hào)和信息信號(hào)無(wú)論在時(shí)域、頻域還是空間域都混疊在一起，不能通過(guò)濾波及其它數(shù)字信號(hào)的處理方法將原始信號(hào)和水印信號(hào)分開，除非通過(guò)解擴(kuò)頻的方法，恢復(fù)出水印信號(hào)，再將它在混合信號(hào)中加以抵消，才能消除水印信號(hào)。但由于水印擴(kuò)頻碼對(duì)第三方是未知的，所以要獲得擴(kuò)頻碼信息是非常難的，尤其是當(dāng)擴(kuò)頻碼足夠長(zhǎng)時(shí)，破譯擴(kuò)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(kuò)頻系統(tǒng)對(duì)干擾的抑制程度取決于擴(kuò)頻增益。當(dāng)擴(kuò)頻增益足夠高時(shí)，就可以很好地抑制干擾。因此，采用擴(kuò)頻的方法，可以很明顯地提高水印信號(hào)的可靠性。同時(shí)，由于采用正常的接收處理方式，只要對(duì)有用信號(hào)不構(gòu)成損害，也就不能對(duì)水印信號(hào)構(gòu)成損害。反之，若損害了水印信號(hào)，必定損害有用信號(hào)。
由于擴(kuò)頻碼字的正交性，水印的加入對(duì)擴(kuò)頻話音信號(hào)的正常接收不產(chǎn)生任何影響，反之，話音信號(hào)對(duì)水印信號(hào)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(yǔ)音擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，通過(guò)采用同體制的擴(kuò)頻方式，嵌入水印信號(hào)，可取得最佳的水印性能。
四、仿真結(jié)果
我們利用MATLAB［5］對(duì)本文提出的水印算法進(jìn)行了仿真，利用MATLAB庫(kù)中所帶的語(yǔ)音文件，將文件的前一段語(yǔ)音作為原始話音，而文件的后一段語(yǔ)音作為水印信息（當(dāng)然可以利用其它信號(hào)作為水印信號(hào)，如偽隨機(jī)碼等），利用31位的GOLD碼作為擴(kuò)頻地址碼（GOLD碼不完全正交，但其互相關(guān)函數(shù)很?。?。語(yǔ)音信號(hào)為PAM信號(hào)，在進(jìn)行擴(kuò)頻處理時(shí)，未經(jīng)量化處理，直接對(duì)PAM信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻運(yùn)算。其結(jié)果分別如圖3和4所示。
圖3所示為話音信號(hào)、水印信號(hào)及話音和水印擴(kuò)頻后的信號(hào)，圖4所示的是話音與水印信號(hào)分別進(jìn)行擴(kuò)頻后疊加在一起的信號(hào)波形，以及分別對(duì)話音和水印解擴(kuò)頻運(yùn)算后的恢復(fù)的話音和水印信號(hào)。將原始話音和水印與解擴(kuò)后的話音和水印信號(hào)進(jìn)行比較可知，水印信號(hào)對(duì)原始話音以及話音對(duì)水印信號(hào)均不構(gòu)成影響，能完全（未考慮信道中的噪聲及干擾的影響）恢復(fù)話音及水印信號(hào)。
參考文獻(xiàn)
［1］王炳錫, 陳琦, 鄧峰森. 數(shù)字水印技術(shù)［M］.西安： 西安電子科技大學(xué)出版社, 2003.
［2］季 雋, 童學(xué)峰, 武強(qiáng). 數(shù)字音頻信號(hào)的水印嵌入算法［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)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(lè)光新,詹菲. MATLAB與通信仿真［M］.北京：人民郵電出版社, 2000.