基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法*

刘文洁，文 红，陈松林，祁 蓉，陈 洁，雷文鑫

（电子科技大学 通信抗干扰国家级重点实验室，四川 成都 611731）

0 引 言

语音通信是信息传递的重要途径。随着通信技术的发展，各种通信新技术不断涌现，数字化语音通信越来越广泛地应用于军事、外交、经济、文化生活及科学研究等各领域[1]。同时，语音通信的保密和安全也越来越重要。

因为人的应用听力范围仅为500～3 000 Hz，所以传统的语音通信只使用低频范围的声音频谱，而包括手机麦克风在内的一些音频电子器件也采用了低于44 kHz的音频采样率，并应用LPF来消除20 kHz以上的信号。但是，实际语音通信信道中，存在没有利用的冗余信息，语音通信也面临着一系列的安全挑战。

为解决上述问题，本文提出基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法。首先，对信号的幅度调制过程和音频电路的非线性效应进行建模；其次，提出冗余型潜信道通信理论，频谱分析通过音频电路的信号；最后，将得到的频率信息低通滤波还原出原始低频语音信号，实现潜信道声波通信。此方法提出了基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法，针对语音通信的特点，实现了声音的频谱资源的有效利用，在保证信息完整性传输的同时，保证了信息的可靠性。

1 调幅波一般性建模

幅度调制信号的原理是，在波形上幅度随基带信号规律变化，在频谱结构上是基带信号频谱结构在频域内的简单搬移[2]。

对信号的幅度调制过程进行一般性建模。设调制信号与载波相乘，则一般性建模得到调幅波的模型为：

其中，m(t)为调幅波模型的输入信号，SAM(t)为调幅波模型的输出信号，Kcos(ωct+0φ)表示余弦载波信号，ωc为载波信号的角频率，0φ为载信号的初始相位，K为载波信号的幅值。

对其进行傅里叶变换，可得：

其中，SAM( f )为输出信号频谱，M( f )为输入信号频谱，fc为载波频率，fm为基带信号频率。可知，该调幅波模型将基带信号频率搬移到了载波频率附近。

一般地，如果输入信号为余弦信号并叠加一个直流分量，调幅过程的表达式为：

其中，ωm为基带信号角频率，Km为基带信号原始幅值，Kc为直流分量，m是一个常数。

2 音频电路的非线性效应

音频电路把声波转换成电信号。从本质上讲，在输入与输出信号传输特性中，可以粗略地将电路视为具有平方律非线性的电路[2-3]。电子设备的非线性可以产生谐波，具有非线性的设备能够产生新的频率[4]，并通过一个经过加工的输入信号向下转换信号，恢复出基带信号。

对音频电路的非线性问题进行建模，将其模型化为：

式中，sin(t)为输入信号，sout(t)为输出信号，A为一次项增益系数，B为二次项增益系数。

如果将人耳可听范围的低频语音信号作为基带信号，将该语音信号通过调幅波模型产生高频声波，即：

此时，m(t)为输入的音频信号。

将高频声波通过音频电路，可得输出信号如下：

分析该输出信号的频谱，即对该信号做傅里叶变换得：

根据傅里叶变换后的频谱成分，得到如下的角频率：ωm-ωc，ωm+ωc，ωm-2ωc，ωm+2ωc，ωm。

LPF后所有高频成分将被移除，fm频率部分将保持不变，从而实现信号的恢复。

3 基于声波的潜信道隐蔽安全通信

信道是人们有意设计用来传输各种信号的通道。而潜信道又名隐信道，是由Simmons在1978年 为了证明当时美国用于核查系统中的安全协议的基本缺陷而提出的[5]。顾名思义，潜信道就是指普通人感觉不到又确实存在的信道，因此可以利用这些感觉不到而又真实存在的信道来传送秘密信息。潜信道的种类较多，有些潜信道是设计者有意打下的埋伏，有些潜信道则是无意之中构建的[6]。

目前，潜信道的系统理论还没有形成。大体来说，潜信道分为以下几类。

（1）数字签名中的潜信道。事实上，以DSS数字签名方案等为代表的大多数数字签名方案中都存在潜信道[7]。这种数字签名中的潜信道也是Simmons在1985年发现的。

（2）操作系统中的潜信道。如果通信双方都接入同一个计算机系统，就有许多方法来构造潜信道。比如，当运行在一个特定安全级别的系统的一部分（即一个共享资源）能向另一个系统的一部分（可能有不同安全级别）提供服务时，潜信道就可能出现。此外，在OSI网络模型结构中也存在许多可以用来传输秘密信息的潜信道。

（3）冗余型潜信道。对于任何通信系统，只要允许冗余信息的存在，就一定会有潜信道的存在。事实上，冗余信息所在之处就是潜信道，因为可以将冗余信息替换成秘密信息。

对于语音通信系统，事实上存在冗余信息，如声音的频谱资源，因而可以利用频谱构建冗余型潜信道。人们进行正常的语音通信如打电话时，所使用的声音频率范围是几千赫兹。如果使用大于 20 000 Hz的高频声波来传递信息，人耳将不可听，从而实现信息的秘密发送。图1为基于声波的潜信道隐蔽安全通信场景示意图。

图1 基于声波的潜信道隐蔽安全通信示意

基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法是，利用信号幅度调制将语音信号变换为高频声波，通过对音频电路进行建模，利用非线性效应产生的谐波，低通滤波后向下还原原始信号。图2为基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法流程图。

4 实验验证

根据上述通信模型，搭建一个基于声波的潜信道隐蔽安全通信系统。采用2台安卓手机作为发送者B和接收者A，在有效接收范围内，秘密发送者C利用潜信道向接收者A发送信息，在接受端A收到了来自C的秘密信息。

实验过程中，如果发送方B进行正常的语音通信，使用人耳可听范围内的声音频率与接收方A进行通信；如果实验方C利用章节1中所述的调幅波一般性模型生成高频声波，实现语音信号的不可听性，利用冗余型潜信道进行信号传输，将达到使用低频语音信道的发送方的不可察觉性。而对于接收方A而言，由于章节2中所述的麦克风的非线性效应，将使用谐波恢复原始信号，从而实现基于声波的潜信道隐蔽安全通信。

图2 潜信道隐蔽安全通信流程

如图3、图4所示，上述实验结果分别展示了原始的声音信号波形图和高频信号与还原后声音信号的波形图对比。实验结果表明，如果发送人耳不可听的高频声波信息，在接收方利用音频电路的非线性可以成功恢复出原始的音频信息，从而实现基于声波的潜信道隐蔽安全通信。

图3 实验波形1

图4 实验波形2

5 结 语

数字化语音通信广泛应用于社会的各个领域，人们越来越重视其安全性。本文以冗余型潜信道通信为基础，利用高频声波进行隐秘通信，将语音信息隐藏于公开信道中，达到通信的不可听性，然后在所搭建的实验平台上进行验证，结果表明利用潜信道发送高频声音信息可以实现秘密通信。该模型提出了基于声波的冗余型潜信道通信理论，针对语音通信的特点，实现了声音的频谱资源的有效利 用；通过对音频电路的非线性效应相关理论进行数学建模并分析，具有更高的可信度；同时，利用潜信道实现语音隐蔽安全通信，在保证信息不为敌方发现能安全传输的同时，保证了信息的可靠传输。