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(hào)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(shí)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(hào)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(wú)線電技術(shù)的飛速發(fā)展，各種無(wú)線電設(shè)備種類越來(lái)越多，數(shù)量越來(lái)越大，特別是寬帶移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，大規(guī)模臺(tái)站數(shù)量的增加，使得頻譜資源緊張的同時(shí)，電磁環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，無(wú)線電干擾逐年增加，無(wú)意輻射和超標(biāo)輻射等現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。同時(shí)，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(shí)有發(fā)生［1］。這些都對(duì)用頻設(shè)備的使用和管理造成了嚴(yán)重威脅，電磁頻譜管理面臨的挑戰(zhàn)越來(lái)越大，需要一種有效的頻譜身份識(shí)別技術(shù)手段，來(lái)加大對(duì)用頻設(shè)備的管理和監(jiān)督。

在軍事上，未來(lái)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(chǎng)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(chǎng)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?dāng)澄译p方激烈的電子對(duì)抗行動(dòng)，使得無(wú)論是平時(shí)還是戰(zhàn)時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境都呈現(xiàn)出復(fù)雜多變的態(tài)勢(shì)［2］，增大了戰(zhàn)場(chǎng)頻譜管理和調(diào)度的難度。同時(shí)用頻武器裝備需要根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)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(jìn)行用頻參數(shù)調(diào)整，或者采取相應(yīng)措施進(jìn)行對(duì)抗。這就需要我軍具備有效的識(shí)別敵我用頻武器裝備、獲取戰(zhàn)場(chǎng)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(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境中區(qū)分?jǐn)澄矣妙l信息或敵我身份的有效措施或技術(shù)手段，進(jìn)一步加大了戰(zhàn)場(chǎng)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(shí)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(hào)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(diǎn)

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(dá)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(biāo)志、用戶身份標(biāo)志或者是產(chǎn)品信息標(biāo)志等，通過(guò)檢測(cè)隱蔽的標(biāo)志信息，數(shù)字水印可以用來(lái)進(jìn)行版權(quán)保護(hù)、用戶身份識(shí)別或產(chǎn)品信息標(biāo)注等。近年來(lái)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(diǎn)仍然是集中在數(shù)字多媒體（圖像和音頻）的版權(quán)保護(hù)上［4－5］。由于水印具有隱藏性的身份標(biāo)識(shí)作用，在載體中嵌入水印對(duì)載體信息影響不明顯，因此利用數(shù)字水印技術(shù)的特點(diǎn)，可將頻譜用戶標(biāo)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(duì)用頻裝備進(jìn)行身份標(biāo)識(shí)和識(shí)別，起到標(biāo)識(shí)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(shí)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(shí)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(shí)別上還未見相關(guān)研究報(bào)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(diǎn)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(biāo)志用于身份識(shí)別。

頻譜水印技術(shù)可用于身份識(shí)別的特點(diǎn)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(shí)別特點(diǎn)有效準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)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(shí)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(shí)調(diào)用，在平時(shí)的軍事訓(xùn)練演習(xí)中也便于訓(xùn)練。在應(yīng)急情況下，可監(jiān)測(cè)電子設(shè)備是否處于正常的工作狀態(tài)，也可監(jiān)測(cè)是否有敵臺(tái)干擾等等。

2 基于頻譜信號(hào)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(diǎn)是如何從信源中提取有效特征并進(jìn)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(cè)技術(shù)。

2．1 頻譜水印生成和檢測(cè)技術(shù)

頻譜水印是基于用頻裝備頻譜信號(hào)的水印技術(shù)，由于頻譜信號(hào)無(wú)論是在基帶信號(hào)還是在頻帶信號(hào)（頻帶信號(hào)包括已調(diào)制的中頻信號(hào)或射頻信號(hào)），其信號(hào)冗余度一般較小，很難直接插入水印，本文認(rèn)為頻譜水印必須緊密地和頻譜信號(hào)的信號(hào)特征相關(guān)聯(lián)，這個(gè)頻譜信號(hào)特征可以是基帶信號(hào)或者是頻帶信號(hào)，由于基帶信號(hào)和頻帶信號(hào)的特征各有不同，必須首先研究頻譜信號(hào)的基本特征并將其提取出來(lái)，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(hào)特征的水印生成和水印嵌入方法，重點(diǎn)研究一種基于基帶信號(hào)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(hào)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(hào)頻譜水印生成和嵌入原理示意圖

在水印生成過(guò)程中，從信號(hào)中提取何種特征是非常關(guān)鍵的問(wèn)題。從信號(hào)中可提取的特征包括信號(hào)自身所產(chǎn)生的特征，也包括變換域所產(chǎn)生的特征。信號(hào)自身的特征包括相位特征、頻率特征、時(shí)域特征等。對(duì)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(kuò)展變換特征等。本文提出一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的基帶信號(hào)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(hào)x（t）用長(zhǎng)度為L(zhǎng)的擴(kuò)頻碼D（t）擴(kuò)展，即得到擴(kuò)頻信號(hào)x（t）·D（t）。

第2步：用種子產(chǎn)生長(zhǎng)度為L(zhǎng)的高斯偽隨機(jī)序列G（t），該種子為本地頻譜信號(hào)的水印標(biāo)識(shí)，高斯偽隨機(jī)序列G（t）為本地水印。

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

式中λ為水印嵌入的深度因子，可根據(jù)實(shí)際信道傳輸情況、水印嵌入信噪比來(lái)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(kuò)頻碼D（t）不相關(guān)的隨機(jī)序列，式（2）中的第2項(xiàng)G（t）·D（t）相當(dāng)于是對(duì)信號(hào)G（t）進(jìn)行擴(kuò)頻，得到的將是一個(gè)隨機(jī)噪聲序列，也就是說(shuō)按式（1）在信號(hào)x（t）上嵌入確知水印G（t）后，對(duì)x（t）來(lái)說(shuō)相當(dāng)于疊加了一個(gè)隨機(jī)噪聲，只要嵌入信噪比滿足要求，水印G（t）對(duì)信號(hào)x（t）來(lái)說(shuō)是不可察覺的。

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

式（4）中左邊一項(xiàng)相當(dāng)于噪聲，右邊一項(xiàng)為檢測(cè)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(cè)水印技術(shù)

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

圖3 多幀連續(xù)檢測(cè)水印示意圖

設(shè)幀1的水印檢測(cè)自相關(guān)峰向量為y1，設(shè)幀2的水印檢測(cè)自相關(guān)峰向量為y2，設(shè)幀n的水印檢測(cè)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(yǔ)

頻譜水印技術(shù)作為一種身份識(shí)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(shí)別上還未見相關(guān)研究報(bào)道。本文初步提出了一種基于頻譜信號(hào)特征的頻譜水印技術(shù)，還未進(jìn)行相關(guān)深入的研究，希望本文的研究?jī)?nèi)容能引發(fā)廣大學(xué)者對(duì)頻譜水印技術(shù)的研究興趣，爭(zhēng)取盡快將頻譜水印技術(shù)用于頻譜管理。

［1］ 涂勵(lì)耘．電磁環(huán)境污染現(xiàn)狀及對(duì)策［J］．中國(guó)無(wú)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(chǎng)頻譜管理［J］．中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，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(xué)，2010．

［4］ 戴明輝，劉真祥．?dāng)?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)．?dāng)?shù)字水印技術(shù)研究［D］．杭州：浙江大學(xué)，2005．

TP929．5

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1008－1542（2011）07－0116－03

2011－06－20；責(zé)任編輯：張 軍

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