基于频谱信号的频谱水印技术研究

刘忠英，许金勇，赵杭生

（总参第63研究所，江苏南京 210007）

基于频谱信号的频谱水印技术研究

刘忠英，许金勇，赵杭生

（总参第63研究所，江苏南京 210007）

将频谱水印技术用在用频设备频谱身份识别上，介绍了频谱水印技术的原理，提出了一种基于频谱信号的频谱水印技术，将频谱水印技术用在频谱管理上，可为复杂电磁环境中用频设备管理提供一种有效的解决途径。

频谱水印技术；复杂电磁环境；电磁频谱管理

随着无线电技术的飞速发展，各种无线电设备种类越来越多，数量越来越大，特别是宽带移动无线网络的应用，大规模台站数量的增加，使得频谱资源紧张的同时，电磁环境也越来越复杂，无线电干扰逐年增加，无意辐射和超标辐射等现象经常发生。同时，军民都存在频谱使用比较混乱的现象，违规操作和使用频谱的事件时有发生［1］。这些都对用频设备的使用和管理造成了严重威胁，电磁频谱管理面临的挑战越来越大，需要一种有效的频谱身份识别技术手段，来加大对用频设备的管理和监督。

在军事上，未来一体化联合作战中，敌我双方的用频武器装备类型多、覆盖的空域频域范围广，战场上不仅有敌我双方的主要参战力量，而且还有地方支援力量参加，涉及通信、光电、导航、武器制导、气象等各种用频装备，并集中了大功率、高灵敏度的电子设备。如此繁多的用频装备在有限的战场空间展开，且部分装备频率使用重叠，电磁频谱将十分拥挤。加之敌我双方激烈的电子对抗行动，使得无论是平时还是战时的战场电磁环境都呈现出复杂多变的态势［2］，增大了战场频谱管理和调度的难度。同时用频武器装备需要根据战场环境需要，尤其需要根据敌方用频武器装备的用频信息进行用频参数调整，或者采取相应措施进行对抗。这就需要我军具备有效的识别敌我用频武器装备、获取战场敌我双方用频信息的能力。到目前为止，我军还没有在战场复杂电磁环境中区分敌我用频信息或敌我身份的有效措施或技术手段，进一步加大了战场电磁频谱管理的难度。

将频谱水印技术用在用频设备频谱身份识别上，介绍了频谱水印技术的原理，提出了一种基于频谱信号的频谱水印技术，将频谱水印技术用在频谱管理上，可为复杂电磁环境中用频设备管理提供一种有效的解决途径。

1 频谱水印技术原理及特点

频谱水印技术本质上是一种水印技术，目前数字水印技术的研究和应用得到了较好的发展。数字水印技术是一种信息隐藏技术［3］，它是利用待传数字信息中的冗余空间嵌入携带隐蔽信息，达到秘密信息伪装传递的目的。这些隐蔽信息可以是版权标志、用户身份标志或者是产品信息标志等，通过检测隐蔽的标志信息，数字水印可以用来进行版权保护、用户身份识别或产品信息标注等。近年来数字水印技术取得了较好的研究成果，主要的应用研究重点仍然是集中在数字多媒体（图像和音频）的版权保护上［4－5］。由于水印具有隐藏性的身份标识作用，在载体中嵌入水印对载体信息影响不明显，因此利用数字水印技术的特点，可将频谱用户标志信息嵌入到用频装备的信息传输中，在不影响用频装备信息传输的情况下，对用频装备进行身份标识和识别，起到标识用频装备身份的作用，即频谱水印技术。将频谱水印技术用在用频装备频谱身份识别上，方便用频装备的用频管理，可为复杂电磁环境中用频装备管理提供一种有效的身份识别途径。目前关于频谱水印技术应用在用频装备身份识别上还未见相关研究报道。频谱水印技术的原理如图1所示。

图1 频谱水印技术的原理框图

频谱水印技术的主要特点有：1）不影响原设备信息传输；2）隐藏性不易发现；3）携带身份标志用于身份识别。

频谱水印技术可用于身份识别的特点决定了其在军事和民事电磁频谱管理中的典型应用。在民用电磁频谱管理中，可利用频谱水印技术的身份识别特点有效准确监测用频设备的超范围使用、超功率使用，而且证据确凿，便于监管和处罚。在军事上，可用于敌我识别，也可用于用频设备监控，在复杂电磁环境中便于掌握用频设备的状态以便及时调用，在平时的军事训练演习中也便于训练。在应急情况下，可监测电子设备是否处于正常的工作状态，也可监测是否有敌台干扰等等。

2 基于频谱信号的频谱水印技术

从频谱水印技术的原理图1可知，频谱水印的关键技术点是如何从信源中提取有效特征并进行水印生成以及有效的提取水印，即水印生成技术和检测技术。

2．1 频谱水印生成和检测技术

频谱水印是基于用频装备频谱信号的水印技术，由于频谱信号无论是在基带信号还是在频带信号（频带信号包括已调制的中频信号或射频信号），其信号冗余度一般较小，很难直接插入水印，本文认为频谱水印必须紧密地和频谱信号的信号特征相关联，这个频谱信号特征可以是基带信号或者是频带信号，由于基带信号和频带信号的特征各有不同，必须首先研究频谱信号的基本特征并将其提取出来，作为频谱水印生成和嵌入的基础。本文提出基于频谱信号特征的水印生成和水印嵌入方法，重点研究一种基于基带信号特征提取的频谱水印生成和嵌入技术，如图2为基于基带信号特征提取的频谱水印生成和嵌入原理示意图。

图2 基带信号频谱水印生成和嵌入原理示意图

在水印生成过程中，从信号中提取何种特征是非常关键的问题。从信号中可提取的特征包括信号自身所产生的特征，也包括变换域所产生的特征。信号自身的特征包括相位特征、频率特征、时域特征等。对于用于水印生成的变换域特征，其变换域方法必须是可逆的。因此，变换域特征可以包括FFT变换域特征、DCT变换域特征、频谱扩展变换特征等。本文提出一种基于扩频技术的基带信号频谱水印生成和嵌入技术，其主要思想如下。

第1步：将基带频谱信号x（t）用长度为L的扩频码D（t）扩展，即得到扩频信号x（t）·D（t）。

第2步：用种子产生长度为L的高斯伪随机序列G（t），该种子为本地频谱信号的水印标识，高斯伪随机序列G（t）为本地水印。

第3步：将水印G（t）叠加到扩频信号x（t）·D（t）上，然后将叠加后的信号用扩频码D（t）解扩后即可将水印G（t）嵌入到基带频谱信号中，设嵌入水印后信号为xq（t），嵌入算法表达式为

式中λ为水印嵌入的深度因子，可根据实际信道传输情况、水印嵌入信噪比来调整大小。λ＝1表示不嵌入水印，λ＝0表示全嵌入水印。

展开式（1），可得：

由于高斯序列G（t）是与扩频码D（t）不相关的随机序列，式（2）中的第2项G（t）·D（t）相当于是对信号G（t）进行扩频，得到的将是一个随机噪声序列，也就是说按式（1）在信号x（t）上嵌入确知水印G（t）后，对x（t）来说相当于叠加了一个随机噪声，只要嵌入信噪比满足要求，水印G（t）对信号x（t）来说是不可察觉的。

将嵌入水印后的信号xq（t）传输到接收端，在接收端，对xq（t）用扩频码D（t）进行扩频处理后，再利用高斯随机序列的相关性进行水印检测，和发送端高斯序列做相关运算后，相关峰值较大的为检测到了水印，表达式为式（3）再用高斯序列G（t）做相关运算可得：

式（4）中左边一项相当于噪声，右边一项为检测到的相关峰值，其中g为G（t）的自相关峰值。

2．2 多帧连续检测水印技术

传输用的通信信号等频谱信号一般都是连续传输，而且是以帧为单位进行基带数字传输，因此可以利用基带信号的数字帧结构进行频谱水印的连续嵌入和起始检测单位，如图3所示。以频谱信号传输的帧头同步作为水印起始检测的标志，可方便实现水印的同步检测。每帧连续嵌入水印，则在接收检测端可采用多帧水印连续检测的结果和多次联合判决的方法来保证水印检测的可靠性。

图3 多帧连续检测水印示意图

设帧1的水印检测自相关峰向量为y1，设帧2的水印检测自相关峰向量为y2，设帧n的水印检测自相关峰向量为yn，则总的联合判决可表示为

3 结 语

频谱水印技术作为一种身份识别技术，用于用频设备的管理和监督，可为复杂电磁环境频谱管理提供一种较好的解决途径。目前，关于水印技术应用在用频设备身份识别上还未见相关研究报道。本文初步提出了一种基于频谱信号特征的频谱水印技术，还未进行相关深入的研究，希望本文的研究内容能引发广大学者对频谱水印技术的研究兴趣，争取尽快将频谱水印技术用于频谱管理。

［1］ 涂励耘．电磁环境污染现状及对策［J］．中国无线电，2007（7）：13－14．

［2］ 王先义，陈丹俊，刘 斌，等．复杂电磁环境战场频谱管理［J］．中国电子科学研究院学报，2008，3（4）：338－344．

［3］ 余秋菊．基于shamir理论的数字水印技术研究［D］．西安：西北大学，2010．

［4］ 戴明辉，刘真祥．数字水印技术研究与展望［J］．网络安全技术与应用，2010（8）：20－22．

［5］ 孙水发．数字水印技术研究［D］．杭州：浙江大学，2005．

TP929．5

A

1008－1542（2011）07－0116－03

2011－06－20；责任编辑：张 军

刘忠英（1973－），女，湖北潜江人，高级工程师，博士，主要从事电磁频谱技术方面的研究。