基于扩频的频谱水印嵌入与提取方法研究及实现

张余 许金勇 柳永祥 陈勇 刘忠英

(南京电讯技术研究所,南京 210007)



基于扩频的频谱水印嵌入与提取方法研究及实现

张余 许金勇 柳永祥 陈勇 刘忠英

(南京电讯技术研究所,南京 210007)

针对无线电系统身份识别问题,提出了一种基于扩频的频谱水印嵌入与提取方法,该方法中发射端首先选择一个码片速率高、码长长的扩频码来调制用于标识无线电系统身份的频谱水印信号,然后利用加性准则周期性地将其嵌入到无线电信号中．接收端首先将接收的中频信号分成N段,并对每段信号进行解扩和解调,最后利用N次解调结果实施综合融合判决来提取频谱水印．同时基于USRP平台构建了基于扩频的频谱水印嵌入与提取方法的验证系统,理论分析与实验验证结果表明:提出的方法能够在不对原始信号正常解调产生有害干扰的条件下,可有效提取频谱水印,具有较强的通用性和鲁棒性,为有效标识和识别无线电系统提供技术手段．

频谱水印;扩频;频谱水印嵌入;频谱水印提取;USRP平台

DOI 10.13443/j.cjrs.2016022401

引 言

随着信息技术的发展,无线电设备的高密度使用使电磁环境日益复杂,电磁干扰日趋严重,如何有效快速地发现干扰、识别出干扰源是目前电磁频谱管理面临的重大问题[1]．同时,无线电技术的军事应用使得敌我双方电子对抗日趋激烈,无线入侵与攻击成为未来信息化战争中电子对抗的一种重要方式,如何检测无线入侵与攻击信号是防御方急需解决的关键问题之一．频谱水印[2]作为一种信号特征识别技术,通过在无线电设备发射端嵌入用于标识设备身份信息的频谱水印,接收端利用频谱水印的特征来提取频谱水印,可有效地解决无线电设备身份识别问题．

频谱水印技术来源于数字水印技术,目前还处于起步阶段,但在数字水印方面已取得了许多成果．彭静玉等人[3]结合人耳听觉特性,通过对载体音频信号做小波变换自适应选择不可感知部分嵌入水印信息,从而提高水印的鲁棒性和透明性．Priyank Khare等人[4]为保护图像知识产权,利用逻辑图特征来产生混沌序列提高图像水印的鲁棒性．Aniyan, A.等人[5]针对数字图像提出了基于离散余弦变换的盲水印方法,并开展了硬件实验工作,实验结果显示提出的方法能够有效应对多种攻击．Trabelsi, W.等人[6]为在鲁棒性、透明性和性能间找到均衡点,利用基于奇异值分解的频域水印嵌入方法来嵌入水印信息,并插入一个双奇异值来提高水印性能．阮家辉[7]将数字水印技术引入到广播音频监测中,用于甄别广播音频信号源内容．陈亚[8]对离散小波变换系数上直接嵌入水印的算法进行改进,提出了一种基于阈值分类和果蝇优化算法的小波域水印算法,较好地实现了水印不可见性和鲁棒性,并以局部数字水印为研究的出发点,提出了一种基于尺度不变特征变换(Scale Invariant Feature Transform,SIFT)特征点和奇异值分解的小波域水印算法,该算法对常见攻击均具有较好的抵抗线,且含有水印图像视觉效果良好,达到了不可见性与鲁棒性的良好平衡．石熙[9]根据无线传感器网络特点与安全需求,结合数字图像水印技术,研究了传感器网络中基于脆弱水印的认证方案与基于鲁棒性水印的版权保护方案,以较小开销实现了认证和版权保护，尤其适合资源高度受限的网络环境．

现有数字水印研究成果中大多要求接收端解调出原始信号,而日常监测中难以做到,其通用性和适用性较差．虽然CN 102780502 A国家发明专利[10]公开了一种为无线电台施加水印的方法,不需要解调原始信息,但为了不影响原始信号解调,发射振荡器相位变化不能太大,接收端对细微特征的捕捉很困难,接收机实现难度大．张余等人[11]提出了一种基于相关标识符的频谱水印嵌入与提取方法,该方法能够在不对原始信号正常解调产生有害干扰的条件下,有效提取频谱水印,且不需解调原始信号,但是为减少频谱水印嵌入对原始信号正常解调的有害干扰,相关标识符的嵌入必须知道基带信号帧结构,对原无线电系统的修改相对较大.因此,本文提出了一种基于扩频技术的频谱水印嵌入与提取方法,该方法利用码片速率高、码长长的扩频码去调制低速的频谱水印,频谱水印以噪声形式隐藏在无线信号中,对其接收与解调影响较小;利用周期性嵌入频谱水印方式,可通过多次提取频谱水印来实施综合融合判决,有效提高频谱水印的鲁棒性,同时利用USRP搭建了基于扩频技术的频谱水印嵌入与提取的演示验证平台,有效地验证了所提方法的有效性．

1 基于扩频调制的频谱水印嵌入

基于扩频调制的频谱水印嵌入的基本思想是在发射端利用高速的扩频码去调制低速、带宽极窄的频谱水印,将其扩展为与原无线信号带宽相当的“宽带”频谱水印,其信号带宽得到大幅延扩,信号强度大幅下降,然后利用加性准则将信号强度很弱的频谱水印信号加载到无线信号中去,在确保不影响无线信号正常传输的同时,将标识无线电系统身份的频谱水印隐蔽地传递出去．图1给出了基于扩频技术的频谱水印嵌入方法的实现过程,主要包括频谱水印生成和频谱水印嵌入等过程．

图1 基于扩频调制的频谱水印嵌入的实现过程

1.1 频谱水印生成

频谱水印生成主要包括频谱水印设计、频谱水印调制两部分,其中频谱水印设计必须考虑衡量频谱水印性能的嵌入量、不可见性(即水印隐蔽性)和鲁棒性等技术指标,嵌入量越大,不可见性越差,而鲁棒性越好,因此,在设计频谱水印时需要通过调整水印的嵌入量来实现不可见性和鲁棒性间的均衡．然而影响频谱水印嵌入量的主要因素有码速率和码长．为了确保频谱水印不被无线电系统射频滤波器滤掉,扩频调制后的频谱水印信号的带宽不能大于信号带宽且应尽可能大．若频谱水印速率过大,扩频增益相对较小,经过扩频调制后的信号幅度减小比例较小,对无线信号的接收与解调影响较大;若频谱水印速率过小,嵌入水印时间较长,检测与提取周期长,则其适用性受到限制．

因此,为平衡不可见性与鲁棒性两个衡量频谱水印性能的指标,拟对无线电系统进行唯一编号,将其作为标识其身份信息的频谱水印,并用数据表的形式进行一一对应,其编号形式可根据需标识系统的规模和类型进行确定,本文利用M比特二进制序列的编号信息来标识2M个无线电系统．如:用12 bits二进制序列来表示编号为ED3的电台A,其频谱水印序列可表示为111011110011．

假设频谱水印信号序列为w(m),1≤m≤M,取值为0或1,比特速率为Rw,传输带宽为Bw,对其进行加密处理后得到加密后的信号表示为v(m),1≤m≤M,取值为0或1,对其进行数字调制得到基带调制水印信号u(m),1≤m≤M．这里水印加密算法不是此文的重点,密钥分发采用传统方式,通过保密信道发送给频谱水印提取端．

利用码长为pl(pl≫1)、速率为Rc=Rwpl的高速扩频码对基带调制水印信号进行扩频调制．由直扩技术性质可知,扩频调制后频谱水印的传输带宽被延展为plBw．在完成扩频调制后,频谱水印经过脉冲成型滤波器完成脉冲成型．根据功率谱定义与性质可知,未经扩频调制的频谱水印经脉冲成型后的功率谱密度可表示为

2αcos(2πfTw)).

(1)

式中：0≤α≤1;Aw为脉冲成型波形的最大幅值;Tw=1/Rw为频谱水印在扩频调制前的码元持续时间;α为升余弦函数的滚降系数．扩频调制后的频谱水印信号经脉冲成型后的功率谱密度可表示为

2αcos(2πfTc)).

(2)

式中：Tc为扩频码码片周期,Tc=1/(Rwpl)．比较式(1)和(2)可知,扩频调制后频谱水印信号的功率谱密度的幅度降低为扩频调制前的1/pl,而经过脉冲成型后频谱水印信号带宽为plRw(1+α),扩展为原来的pl倍．

为确保频谱水印在经过发射端低通滤波后不被滤掉,在设计扩频码周期时应当确保信号传输带宽等于或接近于信道带宽BC,即:

BC≥plRw(1+α).

(3)

对扩频调制后的频谱水印进行载波调制得到的频谱水印中频信号wm(t)可表示为

wm(t)=q(t)cos(2πfct+θ(t)).

(4)

式中：fc为载波频率;θ(t)为本地振荡器的相位抖动．

1.2 频谱水印嵌入

假设原信号经载波调制后可表示为

(5)

式中：Tb为码元宽度;a(n)为经过基带调制后的信号序列,其功率谱密度函数可表示为

2αcos(2πfTb)),

(6)

gb(t)为脉冲成型波形,通常选用升余弦函数,即:

(7)

式中,Ab为脉冲成型波形的最大幅值．

常见的水印嵌入准则主要有加性准则[12]、乘性准则[12-13]、指数准则[12]．对于乘性准则和指数准则,若不解调原信号,难以采用现有技术来正确提取频谱水印;若解调原信号,将增加提取频谱水印的实现难度及复杂度,且通用性受限;对于加性准则,在不解调原信号的条件下,可以通过现有技术来提高频谱水印提取正确率．因此,综合考虑频谱水印提取的实现难度与原信号对频谱水印的影响,拟采用加性准则来嵌入频谱水印．

利用加性原则将频谱水印加载至原信号后,获得的含有频谱水印的无线电信号x(t)可表示为

x(t)=s(t)+wm(t).

(8)

将频谱水印的嵌入因子定义为

β=Aw/Ab.

(9)

根据功率谱和傅里叶变换的性质可知,含有频谱水印的无线电信号功率谱密度可表示为

Sq(fc+f)+Sq(fc-f)).

(10)

(11)

为确保原信号和频谱水印不被滤掉,且能充分利用频谱资源,原信号的带宽和频谱水印的带宽都应小于且接近于信道带宽BC,即有Rb(1+α)≈Rc(1+α)≤BC.只有满足Aw≪Ab时,频谱水印的嵌入对原信号的解调产生较小的影响．

2 频谱水印检测与提取

根据解调原理,频谱水印检测与提取主要包括PN码同步、频谱水印信号解扩、载波同步与频谱水印解调,如图2所示．

图2 频谱水印检测与提取的实现过程

设频谱水印检测与提取端收到的射频信号经过接收单元、下变频后获得的中频信号r(t)为

r(t)=s(t)+wm(t)+n(t).

(12)

式中,n(t)为加性高斯白噪声．

频谱水印提取端首先通过捕获PN码来完成粗同步,从而使得频谱水印发射端和接收端的PN码的相位相差保持在半个码元内,同时频谱水印提取端可根据接收信号与本地PN码的相关峰来判断是否存在频谱水印．在成功捕获PN码后,同步系统将进入跟踪阶段,通过调整本地PN码的相位来实现PN码的细同步．在此分别选用数字匹配滤波器和超前滞后锁相环来实现PN码粗同步和细同步．

对接收到的中频信号r(t)实施扩频码同步后,利用已同步上的扩频码p′(t)对接收到的中频信号进行相乘运算,可得

r(t)p′(t)=q(t)p(t)p′(t)cos(2πfct+

θ(t))+n″(t) .

(13)

g(t-nTw);n″(t)=s(t)p′(t)+n(t)p′(t)．

由于伪码具有自相关性强、互相关性差的特性,所以 p(t)p′(t)≈1成立,因此,式(13)的第一部分信号可表示为

rw(t)≈q(t)cos(2πfct+θ(t)).

(14)

3 仿真分析

为验证算法的性能,在此对频谱水印的嵌入品质和频谱水印提取错误概率等指标进行仿真分析．其中,嵌入品质用于衡量频谱水印嵌入后对原始信号的影响程度(水印不可见性描述方法之一),定义为原信号与经扩频调制后频谱水印的功率比;频谱水印提取错误概率用于衡量频谱水印鲁棒性,定位为频谱水印提取错误次数与总次数的比值．

仿真实验中使用的频谱信号的比特速率为15.345 kbps,载波频率为50 kHz(近似零中频),脉冲成型波形采用的升余弦函数,其衰减因子为0.5,信道带宽为30 kHz,频谱水印用12比特的二进制标识,其信息速率为12 bps,采用码长为1 023的m序列作为频谱水印的扩频码,脉冲成型波形采用的升余弦函数,其衰减因子为0.8,采用速率为368.28 kHz．

图3给出了嵌入因子对频谱水印不可见性的影响曲线．从图3(a)中可看出,随着嵌入因子的增大,其嵌入品质随之衰减,频谱水印的嵌入对原信号的接收与解调的影响越来越大;当嵌入因子大于0.09时,嵌入品质已小于20 dB,原信号受频谱水印影响较大,原信号接收端难以正确解调提取信息．

由图3(b)可知,随着嵌入因子的增大,即水印的嵌入强度越大,原信号的误码率越高,且其误码率变化率越来越大,即嵌入因子较大时,嵌入因子的细微变化将导致原信号的误码率快速下降．

为分析嵌入因子对频谱水印提取性能的影响,图4给出了频谱水印提取性能曲线．图4(a)显示,当累积5次时,嵌入因子大于0.021 9时,频谱水印误提取率已接近为0;当累积10次时,嵌入因子在大于0.015 6时,频谱水印误提取率就已接近0了,由此可知,累积次数越大,能正确提取频谱水印所要求的嵌入量越小,对原信号的接收和解调影响越小．

(a) 嵌入因子对嵌入品质的影响

(b) 信噪比为6 dB时，嵌入因子对原信号接收误码率的影响图3 嵌入因子对频谱水印不可见性的影响

(a) 信噪比为6 dB时，嵌入因子对频谱水印提取性能的影响

(b) 嵌入因子为0.021 9时，信噪比对频谱水印提取性能的影响图4 频谱水印提取性能曲线

由图4(b)可知,当累积次数为5次时,在信噪比大于-2 dB时,频谱水印检测与提取端能够正确提取频谱水印;而累积次数为10次时,在信噪比大于-8 dB时就能完全正确地提取出频谱水印,因此,累积次数对频谱水印的提取性能有较大影响,但这种影响的变化将随着累积次数的增加而减小．

由以上分析可知,嵌入因子越大,频谱水印误检率越低,原信号误码率越高,频谱水印误检率与原信号的误码率是一个矛盾．因此,在设计频谱水印时,应当在确保接收端能够正确提取频谱水印的条件下,尽量减少频谱水印的嵌入因子,从而减少对原信号的影响．

4 实验验证平台搭建与分析

为验证基于扩频技术的频谱水印嵌入与提取的基本原理和可行性,在此利用USRP平台在实验室内搭建了基于扩频技术的频谱水印嵌入与提取方法的实验验证平台,如图5所示,该实验验证平台利用3套USRP平台来模拟正常通信节点和频谱水印检测与提取节点,其中,节点A为通信信号发送与频谱水印嵌入节点,具备通信信号的设计与生成、频谱水印生成与嵌入以及信号调制、滤波、上变频和发射等功能;节点B为通信信号接收节点,具备通信信号的接收与解调;节点C为频谱水印检测与提取节点,具备信号接收、频谱水印检测与提取等功能．

图5 频谱水印技术演示方案

为更加形象地呈现频谱水印嵌入与提取过程,在此利用Matlab Gui可视化编程软件开发了频谱水印嵌入控制、频谱水印检测与提取和通信信号接收模块,并进行了实验验证,如图6至图8所示．

在此实验中,通信信号的比特速率为20 kbps,频谱水印的比特速率为18 bps,采用的扩频码的码长为1 023,码片速率为20 kbps,USRP的工作频率为170 MHz,通信信号发射端重复发送“Hello Word 000”、“Hello Word 001”、…、“Hello Word 026”;频谱水印用“3 404”八进制编号表示,并在“嵌入水印”单选按钮的控制下在嵌入水印和不嵌入水印间切换．由图7可知,频谱水印检测与接收端接收到的信号的频谱图与发射端基本一致,当监测接收到的信号的相关值大于一个门限值时,接收信号的PN码与本地PN码实现同步,同时检测到频谱水印信号,并在接收信号累积一段时间后,能够正确提取出频谱水印序列,与发射端一致．同时由图8可知,频谱水印的嵌入对通信信号的接收与解调影响不大．

为进一步评估频谱水印提取的性能,在上文对提出方法仿真分析的基础上,利用搭建的实验验证平台进行反复实验评估,其实验结果如表1所示,其中,频谱水印的比特速率均为18 bps,采用的扩频码的码长均为1 023,码片速率均与通信信号比特速率相同,通信信号发射端均重复发送“Hello Word 000”、“Hello Word 001”、…、“Hello Word 026”等信息．

图6 频谱水印嵌入模块可视化界面

图7 频谱水印检测与提取模块可视化界面

图8 通信信号接收模块可视化界面

序号实验对象频谱水印信号比特速率/kbps工作频率/MHz嵌入信噪比均值实验次数正确提取次数正确提取率/%1设备134042017020.0410096962设备234052516020.610098983设备33406302002110098984设备434072080020.051009595

从表1可以看出,提出的频谱水印嵌入与提取方法能够在确保通信信号正确解调条件下正确有效地提取出频谱水印．

5 结 论

针对无线电设备身份识别问题,研究提出了一种基于扩频的频谱水印嵌入与提取方法,该方法利用码片速率高、码长长的扩频码去调制低速频谱水印,不但降低了频谱水印检测难度,还提高了其不可见性;在频谱水印提取端通过多次提取频谱水印来实施综合融合判决,有效提高频谱水印的鲁棒性．理论分析和仿真实验证明:提出的方法能够在不影响原始频谱信号质量的基础上,正确地提取频谱水印．即嵌入因子在0.021 9至0.09范围内,提出的方法能够保证其嵌入频谱水印后的信噪比大于20 dB,且当累积次数为10次时,提出的方法能够在信道信噪比大于-8 dB时完全正确提取出频谱水印,频谱水印具有一定的鲁棒性．此外,利用USRP平台搭建了基于扩频的频谱水印嵌入与提取原理验证平台,并通过实验进一步验证了提出方法的有效性．因此,本文研究成果可为有效标识和识别无线电设备提供技术手段．

[1]王月清, 王健, 王凡, 等.一种电磁环境量化分析方法[J].电波科学学报, 2013, 28(4)：744-748+753.

WANG Y Q, WANG J, WANG F, et al.A method for quantificational analysis for complex electromagnetic environment[J].Chinese journal of radio science, 2013, 28(4):744-748+753.(in Chinese)

[2]刘忠英, 许金勇, 赵杭生.基于频谱信号的频谱水印技术研究[J].河北科技大学学报, 2011, 32(S1):116-118.

LIU Z Y, XU J Y, ZHAO H S.Spectrum watermarking technique based on spectrum signal[J].Journal of Hebei University of Science and Technology, 2011, 32(S1):116-118.(in Chinese)

[3]彭静玉.一种新的自适应音频水印算法[J].计算机应用与软件, 2011, 28(5)：285-287.

PENG J Y.A novel adaptive audio watermark algorithm [J].Computer applications and software, 2011, 28(5)：285-287.(in Chinese)

[4]Priyank Khare, Alok Kumar Verma, Srivastava V K.Digital image watermarking scheme in wavelet domain using chaotic encryption[C]//Students Conference on Engineering and Systems.IEEE, Allahabad, 2014:1-4.DOI：10.1109/SCES.2014.688072

[5]ANIYUAN A, DEEPA J.Hardware implementation of a robust watermarking technique for digital images[C]//2013 IEEE Recent Advances in Intelligent Computational Systems.Trivandrum, 2013：293-298.

[6]TRABELSI W,SELMI M H.Multi-signature robust video watermarking[C]//2014 1st International Conference on Advanced Technologies for Signal and Image Processing (ATSIP).Sousse, 2014：158-163.

[7]赵军, 余松, 葛云露, 等.射频水印系统中的同步算法[J].电波科学学报, 2012, 27(3)：465-469.

ZHAO J, YU S, GE Y L, et al.Watermarking synchronization in RF watermarking system [J].Chinese journal of radio science, 2012, 27(3)：465-469.(in Chinese)

[8]陈亚.基于小波变换域的数字水印算法研究[D].上海:华东师范大学, 2016.

CHEN Y.Research on digital watermarking algorithm based on wavelet transform domain[D].Shanghai：East China Normal University, 2016.(in Chinese)

[9]石熙.数字水印技术在无线传感器网络安全中的应用研究[D].重庆：重庆大学, 2016.

SHI X.Study on the application of digital watermarking in security of wireless sensor networks[D].Chongqing：Chongqing University, 2016.(in Chinese)

[10]刘奕彤.一种为无线电台施加水印的方法：中国, 201110121146.8 [P].2011-05-11.

LIU Y T.A watermarking embedding method for radio station：China, 201110121146.8[P].2011-05-11.(in Chinese)

[11]张余, 许金勇, 柳永祥, 等.基于相关标识符的频谱水印嵌入与提取方法[J].电波科学学报, 2016, 31(1)：185-192.

ZHANG Y, XU J Y, LIU Y X, et al.Spectrum watermark embedding and extracting method based on correlation identifier[J].Chinese journal of radio science, 2016, 31(1):185-192.(in Chinese).

[12]夏嵬.抗几何攻击的鲁棒数字图像水印算法研究[D].武汉：华中科技大学, 2010.

XIA W.Research on geometrically robust digital image watermarking algorithm[D].Wuhan：Huazhong University of Science and Technology, 2010.(in Chinese)

[13]黄儿松, 刘金华, 文汝红.基于小波视觉模型的乘性水印算法[J].计算机应用, 2011, 31(8):2165-2173.

HUANG E S, LIU J H, WEN R H.Multiplicative watermarking algorithm based on wavelet visual model[J].Journal of computer applications, 2011, 31(8)：2165-2173.(in Chinese)

Research and implement of spectrum watermark embedding and extracting method based on spread spectrum

ZHANG Yu XU Jinyong LIU Yongxiang CHEN Yong LIU Zhongying

(NanjingTelecommunicationTechnologyInstitute,Nanjing210007,China)

To effectively identify the radio system, this paper presents a spectrum watermark embedding and extracting method based on the spread spectrum.The spectrum watermark identifying the radio equipment is modulated by the spread spectrum code with high code rate and long code length at the transmitting terminal, and is periodically embedded in the communication signals based on the additive rule.The received intermediate frequency communication signal is divided into N segments at the receiving terminal.The spectrum watermark can be obtained by the fusion decision based on the demodulation of these segmented signals.The experiment system testing the proposed method is built based on the USRP platform.Theory analysis and experiment results show that the proposed method can effectively extract the spectrum watermark with no harmful inference to normal demodulation of the communication signal, and there is no need to demodulate the communication signal.The proposed method can effectively reduce the complexity of spectrum watermark extraction which provides a technique support for effectively identifying and ascertaining the radio system.

spectrum watermark;spread spectrum;spectrum watermark embedding;spectrum watermark extracting;USRP platform

张余, 许金勇, 柳永祥, 等.基于扩频的频谱水印嵌入与提取方法研究及实现[J].电波科学学报,2016,31(5):920-926.

10.13443/j.cjrs.2016022401

ZHANG Y, XU J Y, LIU Y X, et al.Research and implement of spectrum watermark embedding and extracting method based on spread spectrum[J].Chinese journal of radio science,2016,31(5):920-926.(in Chinese).DOI:10.13443/j.cjrs.2016022401

2016-02-24

国家自然科学基金(No.61102092；61471395)

TN014

A

1005-0388(2016)05-0920-07

张余 (1983-),男,四川人,南京电讯技术研究所工程师,硕士,主要从事电磁频谱技术方向的研究.

许金勇 (1976-),男,江西人,南京电讯技术研究所工程师,博士,主要从事电磁频谱技术方向的研究.

柳永祥 (1974-),男,湖北人,南京电讯技术研究所高级工程师,硕士,主要从事电磁频谱技术方向的研究.

联系人：张余 E-mail：zhyu63@163.com