即时通讯音频信道载波传输研究

李建文，牛永钢

(1．陕西科技大学 电气与信息工程学院，陕西 西安710021;2．陕西银行学校信息技术专业部，陕西 西安710065)

0 引言

1 2DPSK载波调制解调原理

即时通讯工具已成为互联网络进行联系交流的重要手段，但日趋严重的信息安全威胁着每一个使用者，众多的病毒、木马、黑客工具可以轻易窃取使用者的聊天信息，监控使用者传输的隐私信息。基于数字载波通信原理应用音频信道进行传输，可将相对重要的信息隐秘于音频载波中进行传送。文中以2DPSK载波调制解调为理论基础，将其应用在即时通讯中，目的是开辟新的通信模式，增强信息的安全。通过实验对该理论的应用加以验证，说明该方法是可行的。

式中，k是码元的序号，ak是第k个码元的取值，ak的取值可以是1或者是0。如果需要将二进制序列代码进行远距离传输，则必须将基带信号调制到载波信号上再进行传输。在数字载波通信中常采用的调制方式有:ASK、FSK、PSK、DPSK等。信号经过信道进行的传输过程中，必然会受到各种干扰，使信号的波形发生变化，其中容易受到影响的是信号的幅

二进制数字序列信号可表示为:度和频率。通过实践证明，使用相位键控调制信号的可靠性较高，并且由于PSK信号中没有载波分量，信号传输的能量利用率高，性能优于其它一些调制方式［1］。

二进制差分相移键控(2DPSK，Binary Differential Phase Shift Keying)是一种利用前后码元的相对载波相位值传送数字信息的调制传输方式［2］。当一个码元取值为1时，该码元的载波相位与相邻的前一个码元相位相同。当码元取值为0时，该码元的载波相位与相邻的前一个码元的载波相位相差180°［3］。2DPSK 的调制有两种方法，分别是“模拟调制法”和“键控调制法”。解调也有两种方法“同步解调法”和“差分相干解调法”。差分相干解调与同步解调相比，方法简单。此外差分相干解调对载波频率的稳定度要求不高，因而应用差分相干解调法更为广泛［4－6］。

2 即时通讯音频载波传输方案

目前常用的即时通讯工具都提供了音、视频聊天功能，音频是一种频率在0．02～20 kHz范围随时间变化的波形信号。如使用即时通讯工具的两方需要传输一些相对隐秘的信息，使用音频信道进行传输，可以在一定程度上避免文字信息和语言音频信息被黑客软件直接窃取导致失密的情况［7］。使用一定协议结构的数字载波有利于信息的隐藏和保密传输。此外，也可以使用这一载波信道传输控制信息，用于实现远程控制。应用即时通讯音频载波传输的流程如图1所示。

图1 流程图Fig．1 Flow chart

考虑到设计的实用和简便在这里采用了模拟调制法和差分相干解调法，将二进制码元序列进行差分编码与载波相乘调制成2DPSK载波信号再通过有噪信道进行传输，在接收方进行差分相干解调，最后输出二进制码元序列。

2．1 发送方案

首先产生一定长度的二进制序列作为传输的内容，将该二进制序列进行增样产生基带传输信号。进行差分编码，差分编码原理为cfcode［n］=b［n］⊕cfcode［n－1］;cfcode为差分编码，b［n］为基带编码。再对差分编码进行增样处理。2DPSK信号通过相邻时隙载波相位是否变化来携带信息。设pdc为相位差变量，当信息sign的一个码字为1时，pdc=π，否则pdc=0。

2．2 接收方案

首先接收方将带有噪声的2DPSK信号进行带通滤波处理，利用MATLAB构造FIRI型带通滤波器，使滤波器和信号频带对准［8］。将延时相乘后的demod［］进行低通滤波处理。matlab部分代码如下:

hLPF=fir1(100，2*pi* ［Rb］/fs);

mt_zero=filter(hLPF，1，demodbroad);

最后进行抽样判决，matlab部分代码如下:

if sum(mt((i－1)*T+1:i*T))＞ 0;

bn((i－1)*T+1:i*T)=0;

else

bn((i－1)*T+1:i*T)=1;

3 即时通讯音频载波传输实验

3．1 实验环境

软件环境:Windows xp sp3专业版、matlab7．1、cool Edit pro2．1、腾讯 QQ2013。

硬件及连接拓扑:PC 2台;路由器1台;连接互联网，如图2所示。

图2 实验所用网络拓扑Fig．2 Network topology of the experiment

3．2 实验过程

第一步:定义载波频率为1．8 kHz，基带速率为1 200 b/s。使用 3．5插头连线连接 PC1的“PHONE”和“MIC”接口。

第二步:预定义信号的码元sign=［1 0 1 1 0 1 0 1］，使用Matlab软件运行调制程序进行2DPSK载波调制。

第三步:将经过调制的载波信号矩阵数据转换为PCM编码并保存为WAV文件形式命名为test．wav。

第四步:在PC1和PC2上启动登录QQ2013即时通讯工具，在好友会话中启用语音聊天，建立双方的音频信道。

第五步:在PC2上进行音频设置，录音属性中只设置为“立体声混音”，实现系统内录功能。打开cool Edit pro，新建波形文件，设置录制参数，这里的参数如图3所示。

图3 设置录音参数Fig．3 Setting－up of the recording parameters

在PC1上播放载波测试test．wav文件，在PC2上观察录制波形信号，根据波形确定录制结束，停止录制。在PC2上所观察到的音频波形如图4所示。

图4 接收端观察到的信号波形Fig．4 Signal waveforms observed at the receiving end

由于该音频还包含一些无用的信息，为了更好地演示程序效果，还需要对该音频信号进行适当修剪。保存该音频信号波形，命名为Receive．wav。

第六步:使用Matlab软件运行解调程序，提取接收到的Receive．wav文件数据进行解调处理。

3．3 实验结果

通过观察解调后的码元波形如图5所示，可以发现接收到的载波经解调还原的二进制码元与发送端预定的码元信息完全一致，实验成功。

图5 接收端解调后的信息码元Fig．5 Demodulated signal waveforms observed at the receiving end

4 结语

利用及时通讯工具的音频信道可以进行数字载波传输。载波信号长度可以在很短的时间完成部分或全部重要数据的传输，所呈现出的效果又近似于干扰或噪音，不易引起监听者的注意，具有一定的隐蔽性。实验结果证明了此方案具有提高信息保密的可行性，对进一步的开发和利用提供了一定理论和实践的支持。

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