基于頻譜信號的頻譜水印技術研究

劉忠英，許金勇，趙杭生

（總參第63研究所，江蘇南京 210007）

基于頻譜信號的頻譜水印技術研究

劉忠英，許金勇，趙杭生

（總參第63研究所，江蘇南京 210007）

將頻譜水印技術用在用頻設備頻譜身份識別上，介紹了頻譜水印技術的原理，提出了一種基于頻譜信號的頻譜水印技術，將頻譜水印技術用在頻譜管理上，可為復雜電磁環境中用頻設備管理提供一種有效的解決途徑。

頻譜水印技術；復雜電磁環境；電磁頻譜管理

隨著無線電技術的飛速發展，各種無線電設備種類越來越多，數量越來越大，特別是寬帶移動無線網絡的應用，大規模臺站數量的增加，使得頻譜資源緊張的同時，電磁環境也越來越復雜，無線電干擾逐年增加，無意輻射和超標輻射等現象經常發生。同時，軍民都存在頻譜使用比較混亂的現象，違規操作和使用頻譜的事件時有發生［1］。這些都對用頻設備的使用和管理造成了嚴重威脅，電磁頻譜管理面臨的挑戰越來越大，需要一種有效的頻譜身份識別技術手段，來加大對用頻設備的管理和監督。

在軍事上，未來一體化聯合作戰中，敵我雙方的用頻武器裝備類型多、覆蓋的空域頻域范圍廣，戰場上不僅有敵我雙方的主要參戰力量，而且還有地方支援力量參加，涉及通信、光電、導航、武器制導、氣象等各種用頻裝備，并集中了大功率、高靈敏度的電子設備。如此繁多的用頻裝備在有限的戰場空間展開，且部分裝備頻率使用重疊，電磁頻譜將十分擁擠。加之敵我雙方激烈的電子對抗行動，使得無論是平時還是戰時的戰場電磁環境都呈現出復雜多變的態勢［2］，增大了戰場頻譜管理和調度的難度。同時用頻武器裝備需要根據戰場環境需要，尤其需要根據敵方用頻武器裝備的用頻信息進行用頻參數調整，或者采取相應措施進行對抗。這就需要我軍具備有效的識別敵我用頻武器裝備、獲取戰場敵我雙方用頻信息的能力。到目前為止，我軍還沒有在戰場復雜電磁環境中區分敵我用頻信息或敵我身份的有效措施或技術手段，進一步加大了戰場電磁頻譜管理的難度。

將頻譜水印技術用在用頻設備頻譜身份識別上，介紹了頻譜水印技術的原理，提出了一種基于頻譜信號的頻譜水印技術，將頻譜水印技術用在頻譜管理上，可為復雜電磁環境中用頻設備管理提供一種有效的解決途徑。

1 頻譜水印技術原理及特點

頻譜水印技術本質上是一種水印技術，目前數字水印技術的研究和應用得到了較好的發展。數字水印技術是一種信息隱藏技術［3］，它是利用待傳數字信息中的冗余空間嵌入攜帶隱蔽信息，達到秘密信息偽裝傳遞的目的。這些隱蔽信息可以是版權標志、用戶身份標志或者是產品信息標志等，通過檢測隱蔽的標志信息，數字水印可以用來進行版權保護、用戶身份識別或產品信息標注等。近年來數字水印技術取得了較好的研究成果，主要的應用研究重點仍然是集中在數字多媒體（圖像和音頻）的版權保護上［4－5］。由于水印具有隱藏性的身份標識作用，在載體中嵌入水印對載體信息影響不明顯，因此利用數字水印技術的特點，可將頻譜用戶標志信息嵌入到用頻裝備的信息傳輸中，在不影響用頻裝備信息傳輸的情況下，對用頻裝備進行身份標識和識別，起到標識用頻裝備身份的作用，即頻譜水印技術。將頻譜水印技術用在用頻裝備頻譜身份識別上，方便用頻裝備的用頻管理，可為復雜電磁環境中用頻裝備管理提供一種有效的身份識別途徑。目前關于頻譜水印技術應用在用頻裝備身份識別上還未見相關研究報道。頻譜水印技術的原理如圖1所示。

圖1 頻譜水印技術的原理框圖

頻譜水印技術的主要特點有：1）不影響原設備信息傳輸；2）隱藏性不易發現；3）攜帶身份標志用于身份識別。

頻譜水印技術可用于身份識別的特點決定了其在軍事和民事電磁頻譜管理中的典型應用。在民用電磁頻譜管理中，可利用頻譜水印技術的身份識別特點有效準確監測用頻設備的超范圍使用、超功率使用，而且證據確鑿，便于監管和處罰。在軍事上，可用于敵我識別，也可用于用頻設備監控，在復雜電磁環境中便于掌握用頻設備的狀態以便及時調用，在平時的軍事訓練演習中也便于訓練。在應急情況下，可監測電子設備是否處于正常的工作狀態，也可監測是否有敵臺干擾等等。

2 基于頻譜信號的頻譜水印技術

從頻譜水印技術的原理圖1可知，頻譜水印的關鍵技術點是如何從信源中提取有效特征并進行水印生成以及有效的提取水印，即水印生成技術和檢測技術。

2．1 頻譜水印生成和檢測技術

頻譜水印是基于用頻裝備頻譜信號的水印技術，由于頻譜信號無論是在基帶信號還是在頻帶信號（頻帶信號包括已調制的中頻信號或射頻信號），其信號冗余度一般較小，很難直接插入水印，本文認為頻譜水印必須緊密地和頻譜信號的信號特征相關聯，這個頻譜信號特征可以是基帶信號或者是頻帶信號，由于基帶信號和頻帶信號的特征各有不同，必須首先研究頻譜信號的基本特征并將其提取出來，作為頻譜水印生成和嵌入的基礎。本文提出基于頻譜信號特征的水印生成和水印嵌入方法，重點研究一種基于基帶信號特征提取的頻譜水印生成和嵌入技術，如圖2為基于基帶信號特征提取的頻譜水印生成和嵌入原理示意圖。

圖2 基帶信號頻譜水印生成和嵌入原理示意圖

在水印生成過程中，從信號中提取何種特征是非常關鍵的問題。從信號中可提取的特征包括信號自身所產生的特征，也包括變換域所產生的特征。信號自身的特征包括相位特征、頻率特征、時域特征等。對于用于水印生成的變換域特征，其變換域方法必須是可逆的。因此，變換域特征可以包括FFT變換域特征、DCT變換域特征、頻譜擴展變換特征等。本文提出一種基于擴頻技術的基帶信號頻譜水印生成和嵌入技術，其主要思想如下。

第1步：將基帶頻譜信號x（t）用長度為L的擴頻碼D（t）擴展，即得到擴頻信號x（t）·D（t）。

第2步：用種子產生長度為L的高斯偽隨機序列G（t），該種子為本地頻譜信號的水印標識，高斯偽隨機序列G（t）為本地水印。

第3步：將水印G（t）疊加到擴頻信號x（t）·D（t）上，然后將疊加后的信號用擴頻碼D（t）解擴后即可將水印G（t）嵌入到基帶頻譜信號中，設嵌入水印后信號為xq（t），嵌入算法表達式為

式中λ為水印嵌入的深度因子，可根據實際信道傳輸情況、水印嵌入信噪比來調整大小。λ＝1表示不嵌入水印，λ＝0表示全嵌入水印。

展開式（1），可得：

由于高斯序列G（t）是與擴頻碼D（t）不相關的隨機序列，式（2）中的第2項G（t）·D（t）相當于是對信號G（t）進行擴頻，得到的將是一個隨機噪聲序列，也就是說按式（1）在信號x（t）上嵌入確知水印G（t）后，對x（t）來說相當于疊加了一個隨機噪聲，只要嵌入信噪比滿足要求，水印G（t）對信號x（t）來說是不可察覺的。

將嵌入水印后的信號xq（t）傳輸到接收端，在接收端，對xq（t）用擴頻碼D（t）進行擴頻處理后，再利用高斯隨機序列的相關性進行水印檢測，和發送端高斯序列做相關運算后，相關峰值較大的為檢測到了水印，表達式為式（3）再用高斯序列G（t）做相關運算可得：

式（4）中左邊一項相當于噪聲，右邊一項為檢測到的相關峰值，其中g為G（t）的自相關峰值。

2．2 多幀連續檢測水印技術

傳輸用的通信信號等頻譜信號一般都是連續傳輸，而且是以幀為單位進行基帶數字傳輸，因此可以利用基帶信號的數字幀結構進行頻譜水印的連續嵌入和起始檢測單位，如圖3所示。以頻譜信號傳輸的幀頭同步作為水印起始檢測的標志，可方便實現水印的同步檢測。每幀連續嵌入水印，則在接收檢測端可采用多幀水印連續檢測的結果和多次聯合判決的方法來保證水印檢測的可靠性。

圖3 多幀連續檢測水印示意圖

設幀1的水印檢測自相關峰向量為y1，設幀2的水印檢測自相關峰向量為y2，設幀n的水印檢測自相關峰向量為yn，則總的聯合判決可表示為

3 結 語

頻譜水印技術作為一種身份識別技術，用于用頻設備的管理和監督，可為復雜電磁環境頻譜管理提供一種較好的解決途徑。目前，關于水印技術應用在用頻設備身份識別上還未見相關研究報道。本文初步提出了一種基于頻譜信號特征的頻譜水印技術，還未進行相關深入的研究，希望本文的研究內容能引發廣大學者對頻譜水印技術的研究興趣，爭取盡快將頻譜水印技術用于頻譜管理。

［1］ 涂勵耘．電磁環境污染現狀及對策［J］．中國無線電，2007（7）：13－14．

［2］ 王先義，陳丹俊，劉 斌，等．復雜電磁環境戰場頻譜管理［J］．中國電子科學研究院學報，2008，3（4）：338－344．

［3］ 余秋菊．基于shamir理論的數字水印技術研究［D］．西安：西北大學，2010．

［4］ 戴明輝，劉真祥．數字水印技術研究與展望［J］．網絡安全技術與應用，2010（8）：20－22．

［5］ 孫水發．數字水印技術研究［D］．杭州：浙江大學，2005．

TP929．5

A

1008－1542（2011）07－0116－03

2011－06－20；責任編輯：張 軍

劉忠英（1973－），女，湖北潛江人，高級工程師，博士，主要從事電磁頻譜技術方面的研究。