專利名稱：基于音頻的隱藏通信系統(tǒng)和通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以音頻信號為載體的隱藏通信系統(tǒng)及通信方法，包括通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和涉及到的有關(guān)技術(shù)。
背景技術(shù)：
隱藏通信技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。它可以將一種信息隱藏在另一種信息中，并發(fā)送給信息的接收者。該技術(shù)在很多情況下可以得到應(yīng)用。例如，在當(dāng)今社會，信息安全問題已顯得越來越突出，然而傳統(tǒng)的加密方法又容易暴露被加密信息的重要性和信息擁有者的身份，于是隱藏通信便成為了一種新的信息安全策略。它可以將要保護(hù)的重要信息隱藏在被稱為載體的普通信息中，如普通的視頻、音頻和圖像信息，再進(jìn)行傳輸或存儲，這樣就可以有效地避免重要信息被發(fā)現(xiàn)和破壞。另外，由于隱藏通信技術(shù)能夠在保證載體信息主觀質(zhì)量不受影響的前提下嵌入其它信息，因此對很多媒體產(chǎn)品來說，可以利用該技術(shù)將與其內(nèi)容相關(guān)的信息，如內(nèi)容簡介、作者說明等等，隱藏在其中，并在接收設(shè)備中提取，使之更方便于用戶使用。
音頻信息是日常生活中一種常見的信息形式，是隱藏通信的常用載體。當(dāng)前的音頻隱藏通信技術(shù)包括低比特位法、回聲隱藏法、相位編碼法、擴展頻譜法等。其中擴展譜隱藏法在保密性、抗干擾性等方面都優(yōu)于其它方法而成為該領(lǐng)域的主流技術(shù)。該方法借鑒了擴頻通信技術(shù)的思想，將隱藏數(shù)據(jù)表示為一段擴頻序列，嵌入到音頻載體信號中，并在接收方利用相關(guān)檢測法對信息進(jìn)行提取。這種方法的優(yōu)點在于表示信息的信號能量被分散到較寬的頻帶上，功率譜密度很低，不會影響原始信號的主觀質(zhì)量。另外，即使信道中含有加性或卷積噪聲干擾，信息也不會被完全破壞。擴展譜方法主要存在兩種形式一種是時域形式，即將擴頻序列直接疊加在載體信號上；另一種是頻域形式，即將擴頻序列嵌入到載體信號的頻譜中。
然而當(dāng)前的有關(guān)技術(shù)和方法大多針對如何在數(shù)字音頻信號中隱藏信息，所隱藏的數(shù)據(jù)量也很有限。而如何在模擬音頻信道中進(jìn)行較高數(shù)據(jù)量的隱藏通信尚未得到很好的解決。具體而言，其所面臨的問題集中在以下兩個方面
一是在接收方無法擁有原始載體信息的情況下，當(dāng)前的技術(shù)難以提高信息的嵌入量。在這種基于擴展譜方法的音頻信息隱藏技術(shù)中，一個比較突出的問題在于原始音頻載體會對信息提取造成影響，因為相對于隱藏信息而言，載體音頻信號相當(dāng)于一種干擾噪聲，又被稱作“載體噪聲”，而在很多應(yīng)用中，接收方又無法事先擁有載體信號(在這種情況下提取信息一般被稱作“盲提取”)，也就無法從接收信號中將其完全去除。由于這種噪聲的存在，系統(tǒng)只能靠減小信息的嵌入量來保證信息提取的可靠性，因此隱藏的信息量受到了嚴(yán)重的限制。如何避免或減小載體噪聲的影響，以提高信息的嵌入量，已成為這一領(lǐng)域的研究熱點。
二是在模擬信道中進(jìn)行隱藏通信時，難以實現(xiàn)發(fā)送方與接收方的同步。對通信系統(tǒng)而言，同步是一個極為重要的問題。隱藏通信不同于傳統(tǒng)意義上的通信系統(tǒng)，它無法直接地在信道中加入同步信號，否則就失去了隱藏的意義。然而，在模擬音頻信道中，發(fā)送方和接收方的信號抽樣率不可能完全相同，失步問題必然存在。因此實現(xiàn)隱藏信息的發(fā)送方與接收方的同步是需要我們進(jìn)一步解決的問題。
這些問題的解決以及相關(guān)系統(tǒng)的產(chǎn)生將會得到如下一些應(yīng)用1.可作為保密通信，用于涉及國家安全及商業(yè)機密的通信領(lǐng)域中。
2.可利用其對現(xiàn)有模擬調(diào)頻廣播進(jìn)行升級改造，使之在具有音頻廣播功能的基礎(chǔ)上能同時傳輸用于商業(yè)廣告和信息提示等方面的文字信息。這種升級方式的優(yōu)點在于投入成本低，且能對現(xiàn)有的音頻廣播系統(tǒng)兼容。
3.可廣泛應(yīng)用在語言教學(xué)領(lǐng)域中(如復(fù)讀機等各種語言教學(xué)設(shè)備)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在模擬音頻信道中進(jìn)行較高數(shù)據(jù)量的隱藏通信系統(tǒng)和方法，具體解決兩方面問題一是如何改進(jìn)擴展譜技術(shù)中的信息嵌入和提取方法，以盡量減小載體噪聲干擾，使得在盲提取情況下，提高信息的嵌入量；二是如何在模擬音頻信道中實現(xiàn)隱藏信息的接收同步。
本發(fā)明所采取的技術(shù)方案基于一種改進(jìn)的頻域擴展譜信息隱藏技術(shù)。它利用“雙相碼”作為隱藏信息的基帶形式，通過對擴頻序列進(jìn)行“雙相調(diào)制”以從頻譜上避開與載體噪聲的混疊。另外，發(fā)明中還引入了信道編碼方法，能從而提高信息的嵌入量和提取的可靠性。
本發(fā)明中還重點解決了隱藏通信中的同步問題。系統(tǒng)利用擴展譜技術(shù)在音頻信號的高頻段將信號幀同步信息隱藏其中，再由接收方將其提取并調(diào)整同步點，以實現(xiàn)信號幀同步。
另外，本發(fā)明還利用了聽覺掩蔽模型估計信息嵌入深度；引用了信道編碼技術(shù)提高信息傳輸?shù)目煽啃浴?br> 根據(jù)本發(fā)明的隱藏通信系統(tǒng)包括發(fā)送方子系統(tǒng)和接收方子系統(tǒng)。
發(fā)送方子系統(tǒng)包括信道編碼模塊，用于對要隱藏發(fā)送的信息進(jìn)行編碼；信息嵌入模塊，該模塊利用“雙相調(diào)制”擴頻序列嵌入技術(shù)，將編碼后的隱藏信息嵌入在載體音頻信號中，并同時嵌入信號幀同步信息；模擬音頻發(fā)送模塊，用于將處理后的嵌有隱藏信息的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，并發(fā)送到信道中；接收方子系統(tǒng)包括模擬音頻采集模塊，用于接收信道中的模擬信號，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；信號幀同步模塊，用于將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號進(jìn)行信號幀同步；信息提取模塊，用于從同步后的信號提取隱藏信息；信道解碼模塊，用于將提取出的隱藏信息糾錯；信息顯示模塊，用于將隱藏信息顯示出來。
根據(jù)本發(fā)明的基于音頻的隱藏通信系統(tǒng)，特點在于隱藏信息在模擬音頻信道中傳輸，因此發(fā)送方和接收方子系統(tǒng)中分別包含了模擬音頻發(fā)送和采集模塊(有什么結(jié)構(gòu)特點，請寫出來，好像說了半截話)。另外接收子系統(tǒng)中的核心模塊信息提取模塊是基于數(shù)字信號處理器(DSP)實現(xiàn)的。
根據(jù)本發(fā)明的基于音頻的隱藏通信方法，具體步驟如下在發(fā)送方子系統(tǒng)中1)在信道編碼模塊對要隱藏發(fā)送的信息進(jìn)行編碼；2)將上一步編碼后的隱藏信息輸入到信息嵌入模塊，利用“雙相調(diào)制”擴頻序列嵌入技術(shù)，嵌入在載體音頻信號中，并同時嵌入信號幀同步信息；3)將處理后的嵌有隱藏信息的數(shù)字信號，在模擬音頻發(fā)送模塊中轉(zhuǎn)換為模擬信號，并發(fā)送到信道中；
在接收方子系統(tǒng)中1)通過模擬音頻采集模塊接收信道中的模擬信號，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；2)將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號輸入到信號幀同步模塊，進(jìn)行信號幀同步；3)同步后的信號輸入到信息提取模塊提取隱藏信息；4)將上一步得到的信號輸入到信道解碼模塊，進(jìn)行糾錯；5)最后將糾錯后的信息輸入到信息顯示模塊，將隱藏信息顯示出來。
根據(jù)本發(fā)明的基于音頻的隱藏通信系統(tǒng)，包括信息發(fā)送子系統(tǒng)和信息接收子系統(tǒng)兩部分。系統(tǒng)中采用的技術(shù)主要包括，時頻域轉(zhuǎn)換、擴頻序列的“雙相調(diào)制”、同步技術(shù)和信道編碼。下面將分別介紹各個技術(shù)內(nèi)容。
1.時頻域轉(zhuǎn)換時頻域的相互轉(zhuǎn)換是頻域擴展譜信息隱藏的必要步驟。在本發(fā)明中采用了加窗傅氏變換的方法。
2.“雙相調(diào)制”擴頻序列的嵌入與提取“雙相調(diào)制”擴頻序列嵌入技術(shù)的基本思想是利用“雙相碼”，即以一個周期的方波表示“0”，其反相波形表示“1”，對根據(jù)隱藏信息從擴頻序列集中選擇出的擴頻序列進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制后的結(jié)果，包含原序列和其反相序列，嵌入在連續(xù)的若干幀信號的低頻頻譜中。提取信息時需要遍歷擴頻序列集中的每一個序列，分別對若干幀接收信號的低頻頻譜作相關(guān)，對所得的相關(guān)結(jié)果序列還要與方波信號作內(nèi)積，并依據(jù)內(nèi)積結(jié)果的絕對值作信息判決。該技術(shù)的特征是擴頻序列與其自身的反相序列先后嵌入到連續(xù)若干幀信號中，原序列與其反相序列的嵌入順序以及序列本身都表示著單位隱藏信息(如一個字節(jié))的內(nèi)容。這種嵌入方式有利于在提取信息時，減小載體音頻信號的干擾。
3.同步信息的嵌入和提取由于在發(fā)送方信息是分幀嵌入的，因此接收方必須先實現(xiàn)信號幀同步，才能進(jìn)行相關(guān)提取。信號幀同步信息的嵌入是指將與單位隱藏信息(如一個字節(jié))嵌入周期具有相同周期的方波信號嵌入音頻信號中。嵌入方法與“雙相調(diào)制”擴頻序列嵌入的方法類似，不同之處在于所嵌入擴頻序列是固定的，并利用固定相位的方波信號對其進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的結(jié)果嵌入在每幀信號的高頻頻譜中。提取時用嵌入序列對每幀接收信號的高頻頻譜作相關(guān)，并對由若干幀得到的相關(guān)序列通過傅氏分析提取相位信息，以零相位所在位置作為幀同步點。
4.信道糾錯編碼在通信系統(tǒng)中常利用糾錯編碼的方法對誤碼進(jìn)行糾正，本系統(tǒng)引入了ReedSolomon(RS)編碼技術(shù)進(jìn)行信道糾錯。RS碼是一種多進(jìn)制的分組糾錯碼，可以糾正不大于分組長度一半的任意多個錯，糾錯效率高。
以上我們詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和所采用技術(shù)的詳細(xì)內(nèi)容。其中信息的嵌入部分和信道編碼部分在計算機中實現(xiàn)；接收同步、信息提取以及信道解碼等工作將在DSP中完成。
本發(fā)明中所采用的技術(shù)能夠有效地解決在模擬音頻信道中進(jìn)行隱藏通信的關(guān)鍵問題。其技術(shù)優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面“雙相調(diào)制”擴頻序列嵌入技術(shù)能有效地減小載體噪聲對信息提取的干擾。根據(jù)實驗觀察和理論分析，在頻域擴展譜方法中，載體噪聲的能量主要集中在直流和低頻段，而高頻能量相對較小。本發(fā)明中采用的雙相碼基帶信號能量主要集中在高頻段，這一特性使相關(guān)檢測所得到的有用信息與載體噪聲在頻譜上得到一定程度上的分離，再通過核函數(shù)內(nèi)積方法能夠?qū)⒛芰枯^大的低頻部分載體噪聲去除掉。根據(jù)本發(fā)明的基于音頻的隱藏通信系統(tǒng)，由于在信息嵌入過程中利用了掩蔽模型計算嵌入深度，載體音頻的主觀質(zhì)量沒有明顯下降。我們采取主觀評測的方法對聲音質(zhì)量予以鑒定。被試為6名聽力檢測正常的學(xué)生，其中男女各半。評測對象是10段聲音信號。包括演唱歌曲4段、樂曲3段和純凈語音3段。測試過程是使6名被試人用收音機分別收聽10段聲音的原始信號和嵌入信息后的信號，比較二者的區(qū)別，并對后者作出主觀評價。測試結(jié)果表明經(jīng)隱藏處理的聲音信號與原始信號略有差別，但聽不到明顯的噪聲失真。
本發(fā)明中系統(tǒng)采用的載體信號為16kHz抽樣率16位比特量化的音頻信號，信息嵌入數(shù)據(jù)量達(dá)到16bytes/s，即128bits/s。另外，為了保證信息的可靠性，系統(tǒng)引入了信道編碼，可以保證在25％的信道誤碼率情況下能將隱藏數(shù)據(jù)無誤傳輸。綜合計算，系統(tǒng)的有效信息傳輸率為32bits/s。
發(fā)明中所提出的同步技術(shù)已在實驗中被證實是可行的。實驗中系統(tǒng)設(shè)定信息發(fā)送方與接收方的抽樣率均為16000Hz，而實際系統(tǒng)中的誤差使雙方的抽樣率相差近10Hz。通過同步技術(shù)，接收子系統(tǒng)能實時地調(diào)整同步點，準(zhǔn)確地跟蹤信號幀起始端，并順利地進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)。。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)地說明圖1是根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，其中圖1a是發(fā)送方子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，圖1b是接收方子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2是時頻域的相互轉(zhuǎn)換示意圖；圖3是DSP系統(tǒng)板的硬件組成；圖4是DSP系統(tǒng)板上的信號處理流程圖。
圖5是同步序列和信息序列嵌入的示意圖；圖6是核函數(shù)；具體實施方式
下面參照本發(fā)明的附圖，更詳細(xì)地描述本發(fā)明的最佳實施例。
根據(jù)本發(fā)明的基于音頻的隱藏通信系統(tǒng)包括信息發(fā)送子系統(tǒng)和信息接收子系統(tǒng)兩部分，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中圖1a是發(fā)送方子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，圖1b是接收方子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。以下將結(jié)合附圖詳細(xì)介紹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明中實現(xiàn)了一個以廣播音頻信號為載體以調(diào)頻廣播為傳輸方式的隱藏通信系統(tǒng)。系統(tǒng)將文本信息嵌入音頻信號中，處理后的信號通過調(diào)頻廣播發(fā)送，再由調(diào)頻收音機接收并將解調(diào)的聲音信號輸入一個DSP設(shè)備，通過信息提取算法把隱藏信息提取出來，并顯示在液晶屏上。其中信息的嵌入部分和信道編碼部分在計算機中實現(xiàn)；接收同步、信息提取以及信道解碼等工作將在DSP中完成。系統(tǒng)包括發(fā)送方子系統(tǒng)和接收方子系統(tǒng)，以下將予以分別介紹。
1.發(fā)送方子系統(tǒng)的實現(xiàn)1)硬件組成該子系統(tǒng)以計算機作為信號和信息處理平臺，實現(xiàn)信道編碼和信息嵌入模塊中的算法。模擬音頻發(fā)送模塊包括計算機聲卡以及無線調(diào)頻發(fā)射電路，發(fā)射頻率為88.1MHz，發(fā)射功率0.5w。
2)實施流程在發(fā)送方，需要輸入的音頻信號是以離散采樣值的方式保存在wav文件中。其采樣速率為16kHz，量化精度16位。需要嵌入的信息是與音頻內(nèi)容有關(guān)的文本信息，以字節(jié)形式輸入。以下將按圖1a所示的發(fā)送方子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖詳細(xì)介紹各模塊的具體實現(xiàn)過程信道編碼模塊系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⑹且宰止?jié)為單位，可以表示成256進(jìn)制的碼字，因此本模塊中選用256進(jìn)制碼字的Reed Solomon(RS)信道編碼器。編碼器將每8個輸入字節(jié)作為一組，經(jīng)分組編碼輸出28個含糾錯碼的碼組，再添加4個作為幀頭的特定碼字組成一幀數(shù)據(jù)，輸入到信息嵌入模塊。
信息嵌入模塊該模塊首先將音頻數(shù)字信號分幀作變換，并在轉(zhuǎn)換后的頻譜中嵌入表示隱藏信息和信號幀同步信息的擴頻序列，再將處理后的信息恢復(fù)為時域信號，輸入到音頻發(fā)送模塊。以下將分別介紹模塊中涉及的時頻域轉(zhuǎn)換技術(shù)、“雙相調(diào)制”擴頻序列嵌入技術(shù)、和信號幀同步信息嵌入技術(shù)。
(a)時頻轉(zhuǎn)換技術(shù)在本發(fā)明中采用了加窗傅氏變換的方法實現(xiàn)時頻域轉(zhuǎn)換。具體步驟包括將一段短時信號幀加漢寧窗后作傅氏變換，得到頻譜信息并作中間處理。處理后的頻譜經(jīng)由反傅氏變換后再加漢寧窗并與上一幀信號的變換加窗結(jié)果進(jìn)行混疊相加。圖2顯示了該模塊的具體流程。其中幀長為512個樣點，幀移128個樣點。
(b)“雙相調(diào)制”擴頻序列嵌入本發(fā)明中采取的方法是一種改進(jìn)的頻域擴展譜信息隱藏技術(shù)。在一般的頻域擴展譜方法中，擴頻序列的嵌入是通過對頻譜系數(shù)的修正來實現(xiàn)的。如(1)式Y(jié)(n)=X(n)·10αwj(n)---(1)]]>其中，X(n)是原始信號的頻譜，Y(n)是修正后的結(jié)果。wj(n)為擴頻序列wj的第n個片斷，wj(n)∈{-1，+1}，而α表示嵌入深度。一般來說，擴品序列的選取和嵌入方式隨信息的編碼方式不同而存在兩種方式一種方式適用于對多進(jìn)制信息編碼，即根據(jù)要隱藏的多進(jìn)制信息符號，從已知的擴頻序列集中挑選出一個序列嵌入載體中。在這種方式下，擴頻序列集的容量N與單個信息符號的信息量R有關(guān)，N＝2R。另一種方式則適用于二進(jìn)制信息編碼，即固定擴頻序列wj而用α的正負(fù)極性來表示0和1。
信息的提取也存在相應(yīng)的兩種方式一種是遍歷已知擴頻序列集中的每一個序列wi作為本地序列與接收信號的對數(shù)譜作相關(guān)，如(2)式，并根據(jù)最大的相關(guān)結(jié)果作判決。另一種則以固定的嵌入序列wj進(jìn)行相關(guān)接收，通過相關(guān)值的正負(fù)作判決。
Ci=Σnwi(n)·1g[|Y(n)|]---(2)]]>在本發(fā)明中，系統(tǒng)結(jié)合了上述兩種信息嵌入與提取方式，并對擴展譜技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。
通過上述時頻變換方法，系統(tǒng)將音頻載體信號由時域轉(zhuǎn)換到頻域，然后利用頻域擴展譜方法，將一個字節(jié)(byte)信息B隱藏在連續(xù)8幀信號中。區(qū)別于一般方法，在本發(fā)明中，擴頻序列要經(jīng)過一次“雙相調(diào)制”后再嵌入載體中，具體的實現(xiàn)方式如下根據(jù)字節(jié)B的前7位比特信息從一個包含27＝128個擴頻序列的碼集合中挑選出待嵌入的擴頻序列wj。同時根據(jù)B的末位比特選擇一個“雙相碼”，即用一個周期的方波表示1，它的反相波形表示0，并以此調(diào)制選出的wj。嵌入過程相當(dāng)于原始載體頻譜X(n)乘以一個修正項10αwj(n)S，如(3)式Y(jié)(n)=X(n)·10αwj(n)S---(3)]]>其中S代表雙相碼信號。具體來說，當(dāng)隱藏字節(jié)B的末位為1時，令S在前4幀中等于1，而在后4幀中等于-1；當(dāng)字節(jié)B的末位為0時，則S的取值順序相反。
參數(shù)α是通過計算載體信號的聽覺掩蔽閾值得到的。本發(fā)明使用了MPEG-I音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)中推薦的第一心理聲學(xué)模型作為掩蔽模型。
嵌入信息時，每一個字節(jié)隱藏在連續(xù)8個這樣的幀信號中。所用到的擴頻序列碼集是由128個127位長的Gold碼組成的集合。8kHz的信號帶寬被分解為256條譜線。其中0.125kHz-4.056kHz頻段(對應(yīng)于第4條至第130條譜線)用以嵌入“雙相調(diào)制”后的擴頻序列。
生成的頻譜Y(n)再經(jīng)過上述時頻轉(zhuǎn)換技術(shù)恢復(fù)成時域信號并發(fā)送到音頻信道中進(jìn)行傳輸。
(c)同步信息的嵌入信號幀同步信息的嵌入方法與上面介紹的隱藏字節(jié)信息嵌入方法(如(3)式)類似。在每幀信號的高頻段中均嵌入一段固定的63位長的擴頻序列ws(稱為同步序列)，而S的取值仍為+1或-1，且每隔四幀變換一次。這一過程相當(dāng)于將周期變化的信號通過擴展譜方法隱藏到音頻信號的高頻中。
將音頻信號頻帶范圍內(nèi)的的4.087kHz-6.022kHz用作信號幀同步帶，用于嵌入同步序列，對應(yīng)譜分析所得到的第131條到第193條譜線。
模擬音頻發(fā)送模塊隱藏信息的音頻信號可以實時方式由計算機聲卡播放，也可存為數(shù)字音頻文件，非實時播放。聲卡輸出的模擬音頻信號經(jīng)無線調(diào)頻電路調(diào)制發(fā)送。2.接收方子系統(tǒng)的實現(xiàn)1)硬件組成接收方子系統(tǒng)由兩部分組成調(diào)頻收音機和DSP系統(tǒng)板。
收音機用于完成調(diào)頻信號的接收和音頻信號的解調(diào)工作。本系統(tǒng)使用的是德生公司出產(chǎn)的R102型調(diào)頻調(diào)幅立體聲收音機。調(diào)頻接收頻段87-108MHz，靈敏度10微伏。將接收頻率固定在88.1MHz，可接收到發(fā)送子系統(tǒng)發(fā)射的信號。
解調(diào)的聲音信號被輸入到自行開發(fā)的基于DSP的嵌入式系統(tǒng)中。該系統(tǒng)的硬件組成以及信號處理流程分別如圖3和圖4所示其中A/D轉(zhuǎn)換器是由TI公司出產(chǎn)的TLC320AD50I。該器件的采樣精度為16位，最大采樣率可以達(dá)到22.05kHz。且信噪比可達(dá)到89db。適用于音頻信號采集。在本系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率被設(shè)置為16kHz，通過SPI串行方式完成與DSP的通信。A/D工作在主方式下，DSP工作在從方式下。
信息提取算法在DSP器件TMS320VC5509中完成。該器件是TI公司生產(chǎn)的16位整型數(shù)字信號處理器。它具有運算速度高、功耗低等特點。在本系統(tǒng)中，DSP的工作主頻被設(shè)置為72MHz。
DSP程序存儲在一片8Mbits容量的閃速存儲器(Flash)AM29LV8000中。另外，系統(tǒng)中還配有一片CPLD用于完成一些基本的邏輯功能，包括對晶振分頻作為AD的時鐘輸入，以及給出DSP和RAM的復(fù)位信號等等。
DSP通過SPI方式將提取的文本信息傳輸?shù)揭壕э@示模塊中。該模塊以NEC公司的uD16682A為控制芯片。液晶屏幕分辨率為128*64，可顯示8*4行漢字。所用到的二級字庫存儲在閃存中。
DSP5509內(nèi)置了USB模塊，作為DSP系統(tǒng)板與微機的通信接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和程序的在線升級。
2)工作流程以下將按圖1b所示的接收方子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖詳細(xì)介紹各模塊的具體實現(xiàn)過程。
模擬音頻采集模塊由收音機將無線調(diào)頻信號解調(diào)為音頻信號，并將解調(diào)結(jié)果輸入給A/D轉(zhuǎn)換器。A/D器以DMA方式將轉(zhuǎn)換結(jié)果直接寫入DSP的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中。在DSP中，共開設(shè)了3塊地址連續(xù)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，每塊大小為1K(字)。每當(dāng)DMA寫滿一塊緩沖區(qū)，就向DSP發(fā)送一次中斷，DSP接到中斷后開始處理該緩沖區(qū)，同時DMA繼續(xù)觸發(fā)，將新的數(shù)據(jù)寫入下一塊緩沖區(qū)中。
信號幀同步模塊在接收方，從接收信號的任意時刻開始，按照(4)式利用同步擴頻序列連續(xù)對256幀信號同步頻帶內(nèi)的譜線作相關(guān)，得到一組256個相關(guān)值CS(k)。對這組相關(guān)值作傅氏變換，可估計出周期為8的正弦波的零相位位置，也就是單位字節(jié)隱藏信息的嵌入起始位置。圖5是同步信號嵌入和提取的示意圖。
信息提取模塊從估計得到的信號幀同步點開始，重新取幀進(jìn)行隱藏信息的提取。具體過程是，先將接收信號的第k幀變換到頻域，再用碼集中的所有擴頻序列wi(i＝0-127)與該幀信號的頻譜值Yk作相關(guān)，得到相關(guān)結(jié)果Cik，以此方法得到連續(xù)8幀的相關(guān)結(jié)果序列，如(4)式所示Cik=Σnwi(n)·1gYk(n)]]>=Σnwi(n)·(αwj(n)Sk+1gXk(n))]]>=α·SkΣwi(n)·wj(n)+Σwi(n)·1gXk(n)]]>=αρik+nik]]>i=0-127,k=0-7---(4)]]>相關(guān)結(jié)果中的αρik是與隱藏信息有關(guān)的有用信息，而nik則是干擾信息提取的載體噪聲。理論上，當(dāng)i≠j時，wi與wj不相關(guān)，ρik為零；當(dāng)i＝j(luò)時，ρik是一個單周期交流信號，其相位可以反映S的變化規(guī)律，即可以用來判斷隱藏字節(jié)的末位比特。具體的方法是將得到的128組相關(guān)序列Cik分別與圖6所示的核函數(shù)作內(nèi)積，得到128個結(jié)果Ii，用t來記錄其中模值最大者的下標(biāo)Ii=Σk=0N/2-1Cik-Σk=N/2N-1Cik---(5)]]>t=argi[Max(|Ii|)]---(6)]]>這一最大似然判決結(jié)果t用以表示接收字節(jié)B’的前7位。當(dāng)It＞0時，B’的末位為1，反之為0。
信道解碼模塊由上一模塊提取出的字節(jié)以數(shù)據(jù)流方式串行輸入到信道解碼模塊。該模塊先檢測幀頭信息，待檢測到4個特定的代表幀頭的字節(jié)信息，再對后續(xù)28個碼字作RS信道解碼，解出代表隱藏文本信息的8個字節(jié)，輸入到信息顯示模塊。
信息顯示模塊DSP根據(jù)RS解碼所得到漢字區(qū)位碼，在字庫中尋址，得到對應(yīng)的點陣信息，然后通過串口輸入至液晶屏控制芯片的RAM之中。具體輸入的格式為先輸入欲顯示漢字的地址，順序如下頁地址(屏幕分為8頁)，起始顯示得行地址。對應(yīng)在屏上相應(yīng)的位置，然后輸入點陣數(shù)據(jù)，其中1代表亮0代表暗。
盡管為說明目的公開了本發(fā)明的具體實施例和附圖，其目的在于幫助理解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實施例和附圖所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種基于音頻的隱藏通信系統(tǒng)，包括發(fā)送方子系統(tǒng)和接收方子系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如下發(fā)送方子系統(tǒng)包括信道編碼模塊，用于對要隱藏發(fā)送的信息進(jìn)行編碼；信息嵌入模塊，該模塊利用“雙相調(diào)制”擴頻序列嵌入技術(shù)，將編碼后的隱藏信息嵌入在載體音頻信號中，并同時嵌入信號幀同步信息；模擬音頻發(fā)送模塊，用于將處理后的嵌有隱藏信息的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，并發(fā)送到信道中；接收方子系統(tǒng)包括模擬音頻采集模塊，用于接收信道中的模擬信號，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；信號幀同步模塊，用于將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號進(jìn)行信號幀同步；信息提取模塊，用于從同步后的信號提取隱藏信息；信道解碼模塊，用于將提取出的隱藏信息糾錯；信息顯示模塊，用于將隱藏信息顯示出來。
2.如權(quán)利要求1所述的基于音頻的隱藏通信系統(tǒng)，其特征在于接收子系統(tǒng)中的信息提取模塊是基于數(shù)字信號處理器實現(xiàn)的。
3.一種基于音頻的隱藏通信方法，具體步驟如下在發(fā)送方子系統(tǒng)中1)在信道編碼模塊對要隱藏發(fā)送的信息進(jìn)行編碼；2)將上一步編碼后的隱藏信息輸入到信息嵌入模塊，利用“雙相調(diào)制”擴頻序列嵌入技術(shù)，嵌入在載體音頻信號中，并同時嵌入信號幀同步信息；3)將處理后的嵌有隱藏信息的數(shù)字信號，在模擬音頻發(fā)送模塊中轉(zhuǎn)換為模擬信號，并發(fā)送到信道中；在接收方子系統(tǒng)中1)通過模擬音頻采集模塊接收信道中的模擬信號，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；2)將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號輸入到信號幀同步模塊，進(jìn)行信號幀同步；3)同步后的信號輸入到信息提取模塊提取隱藏信息；4)將上一步得到的信號輸入到信道解碼模塊，進(jìn)行糾錯；5)最后將糾錯后的信息輸入到信息顯示模塊，將隱藏信息顯示出來。
4.如權(quán)利要求3所述的基于音頻的隱藏通信方法，其特征在于，“雙相調(diào)制”擴頻序列的嵌入，具體為利用“雙相碼”，即以一個周期的方波表示“0”，其反相波形表示“1”，對根據(jù)隱藏信息從擴頻序列集中選擇出的擴頻序列進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制后的結(jié)果，包含原序列和其反相序列，嵌入在連續(xù)的若干幀信號的低頻頻譜中。
5.一種基于音頻的隱藏通信方法，需要對信號進(jìn)行時頻域之間的相互轉(zhuǎn)換，和信道糾錯編碼，以及同步信息的嵌入與提取，其特征在于對信號進(jìn)行“雙相調(diào)制”擴頻序列的嵌入與提取，具體為利用“雙相碼”，即以一個周期的方波表示“0”，其反相波形表示“1”，對根據(jù)隱藏信息從擴頻序列集中選擇出的擴頻序列進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制后的結(jié)果，包含原序列和其反相序列，嵌入在連續(xù)的若干幀信號的低頻頻譜中。
6.如權(quán)利要求5所述的基于音頻的隱藏通信方法，其特征在于對信號時頻域的相互轉(zhuǎn)換時，采用了加窗傅氏變換的方法。
7.如權(quán)利要求5所述的基于音頻的隱藏通信方法，其特征在于“雙相調(diào)制”擴頻序列的提取，具體為提取信息時需要遍歷擴頻序列集中的每一個序列，分別對若干幀接收信號的低頻頻譜作相關(guān)，對所得的相關(guān)結(jié)果序列還要與方波信號作內(nèi)積，并依據(jù)內(nèi)積結(jié)果的絕對值作信息判決。
8.如權(quán)利要求5所述的基于音頻的隱藏通信方法，其特征在于擴頻序列與其自身的反相序列先后嵌入到連續(xù)若干幀信號中，原序列與其反相序列的嵌入順序以及序列本身都表示著單位隱藏信息的內(nèi)容。
9.一種基于音頻的隱藏通信方法，需要接收方與發(fā)送方同步，其特征在于信號幀同步信息的嵌入與提取，具體為信號幀同步信息的嵌入與“雙相調(diào)制”擴頻序列嵌入的方法類似，不同之處在于所嵌入擴頻序列是固定的，并利用固定相位的方波信號對其進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的結(jié)果嵌入在每幀信號的高頻頻譜中；提取時用嵌入序列對每幀接收信號的高頻頻譜作相關(guān)，并對由若干幀得到的相關(guān)序列通過傅氏分析提取相位信息，以零相位所在位置作為幀同步點。
10.如權(quán)利要求9所述的基于音頻的隱藏通信方法，其特征在于采用ReedSolomon編碼技術(shù)進(jìn)行信道糾錯。
全文摘要
本發(fā)明提供一種以音頻信號為載體，以模擬音頻通道為信道的隱藏通信系統(tǒng)。本發(fā)明的系統(tǒng)是以在模擬音頻通道中傳輸隱藏信息為目的，并具體解決了系統(tǒng)對載體噪聲干擾的抵抗和信息傳輸?shù)慕邮胀降燃夹g(shù)關(guān)鍵。在發(fā)送子系統(tǒng)中，系統(tǒng)通過改進(jìn)的擴展譜方法，即“雙相調(diào)制”擴展譜技術(shù)，將隱藏信息嵌入到普通的音頻信號中。該技術(shù)的采用能夠有效地減小音頻載體信號對隱藏信息解調(diào)的干擾。同時針對隱藏信息的編碼方式，系統(tǒng)引用了RS信道編碼方案，以增強對噪聲干擾的魯棒性。另外，利用上述改進(jìn)的擴展譜技術(shù)，系統(tǒng)在載體的高頻段中嵌入信號幀同步信息，并在接收方子系統(tǒng)中對其進(jìn)行相關(guān)提取，并通過同步信號的相位調(diào)整信號幀同步點來實現(xiàn)信息的接收同步。
文檔編號H04B1/707GK1863039SQ20051006912
公開日2006年11月15日 申請日期2005年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月11日
發(fā)明者遲惠生, 吳璽宏, 張志平, 曲天書, 羅定生 申請人:北京大學(xué)