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基于模拟广播信道的文字信息发布系统 中文摘要 基于模拟广播信道的文字信息发布系统 中文摘要 目前，城市公众文字信息发布系统大多利用移动通信网络技术来实现。广播系统 是很成熟的通信系统，利用现有模拟广播信道进行文字信息发布，不仅可以扩展广播 系统的功能，还可以节省无线通信信道资源和流量费用。 本文研究基于模拟广播信道的文字信息发布技术，在不改变模拟广播系统基本架 构和保证播音质量的前提下，在广播信号中嵌入文字信息，形成能实时传送文字信息 的信息发布新系统。 该系统由信息嵌入和信息提取子系统组成，信息嵌入通过数字水印技术实现。论 文首先通过对音频系统中的数据传输技术进行分析比较，找到了适合模拟广播信道发 布文字信息的数字水印技术。对实时音频数字水印算法进行仿真，研究算法在信号幅 度变化、噪声攻击时的稳健性，利用该算法在模拟广播信号中嵌入文字信息。在信息 嵌入端搜索合适的分帧起始点，加入水印信息，同时加入特定的同步码和校验码，数 据缓冲区采用多指针结构。信息提取端采用滑动采样窗口检测同步码，保证收发同步， 实现实时水印添加和提取。接着，利用上述仿真结果，设计制作了基于模拟广播信道 的文字信息发布测试系统。论文详细讨论了硬件和软件的设计与实现，硬件主要包括 处理器及接口电路、音频接口电路和调频收发电路，软件主要有音频信号回放与采集， 音频数据缓冲区、调频模块和变换算法的设计。最后，给出了该信息发布测试系统的 测试结果。研究结果表明，本文提出的基于模拟广播信道的文字信息发布技术是有效 可行的，它不仅可以用于模拟广播信道进行文字信息发布，同时也可用于现场直播节 目的版权保护等其它领域。 关键词：模拟广播，数字水印，文字信息，实时 作者：周红燕 指导老师：刘学观、周鸣籁， a b s t r a c tat e x ti n f o r m a t i o nd i s t r i b u t i n gs y s t e mb a s e do na n a l o gb r o a d c a s t i n gc h a n n e l at e x ti n f o r m a t i o nd i s t r i b u t i n gs y s t e mb a s e do na n a l o g b r o a d c a s t i n gc h a n n e l a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt e c h n o l o g yi sg e n e r a l l yu s e di nt h e p u b l i ct e x ti n f o r m a t i o nd i s t r i b u t i n gs y s t e mi nu r b a na r e a s t h eb r o a d c a s t i n gs y s t e mi s m a t u r en o w i ft h ea n a l o g b r o a d c a s t i n gc h a n n e lc a nb eu s e dt od i s t r i b u t et h et e x t i n f o r m a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o nf i e l d so fb r o a d c a s ts y s t e mw i l lb ee x p a n d e d a tt h es a m et i m e ， t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lr e s o u r c e sa n dc o m m u n i c a t i o nc o s tc a nb es a v e d t h ep a p e ri sf o c u s e do nt h et e x ti n f o r m a t i o nd i s t r i b u t i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h ea n a l o g b r o a d c a s t i n gc h a n n e l t h et e x ti n f o r m a t i o ni se m b e d d e di nt h er a d i os i g n a lw h i l et h eb a s i c s t r u c t u r eo fa n a l o gb r o a d c a s t i n gs y s t e mi sn o tc h a n g e da n dt h eq u a l i t yo fr a d i os i g n a li s e n s u r e d t h er e a l t i m et e x ti n f o r m a t i o ns e n d i n ga n dr e c e i v i n gs y s t e mi sc o n s t r u c t e d t h ew h o l es y s t e mi sc o m p o s e do fi n f o r m a t i o ne m b e d d i n ga n de x t r a c t i n gs u b s y s t e m s t h et e x ti n f o r m a t i o ni se m b e d d e dt h r o u g hd i g i t a lw a t e r m a r kt e c h n o l o g y f i r s t l yb y a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h et e c h n o l o g yf o rd a t at r a n s m i s s i o ni nt h ea u d i os y s t e m ，t h e d i g i t a lw a t e r m a r kt e c h n o l o g yi sc o n c l u d e da st h eb e s tf o rd i s t r i b u t i n gt e x ti n f o r m a t i o ni n t h ea n a l o gb r o a d c a s t i n gc h a n n e li nt h ep a p e r ar e a l - t i m ea u d i ow a t e r m a r ka l g o r i t h mi s s i m u l a t e dt ov e r i f yi t se f f e c tw h e nt h em a g n i t u d eo ft h es i g n a lc h a n g e sa n dt h en o i s e a t t a c k st h es y s t e m t h ea l g o r i t h mi su s e dt oe m b e dt h et e x ti n f o r m a t i o ni nt h ea n a l o gr a d i o s i g n a l i nt h ei n f o r m a t i o ne m b e d d i n gs u b s y s t e m ，as u i t a b l es t a r t i n gp o i n ti ss e ta st h e b e g i n n i n go faf r a m e t h ew a t e r m a r ki sa d d e da n dt h es p e c i f i cs y n c h r o n i z a t i o nc o d ea n d c h e c kc o d ea r ee m b e d d e ds i m u l t a n e o u s l y t h eb u f f e ri sd e s i g n e da sm u l t i p o i n t e rs t r u c t u r e t h es l i d i n gs a m p l i n gw i n d o wi su s e dt od e t e c tt h es y n c h r o n i z a t i o nc o d ei nt h ei n f o r m a t i o n e x t r a c t i n gs u b s y s t e m a d d i n ga n de x t r a c t i n gd i g i t a lw a t e r m a r ki sr e a l i z e di nr e a lt i m e t h e na c c o r d i n gt ot h ea b o v et e c h n o l o g y ，at e s t i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n dc o m p l e t e d t h e p a p e rd i s c u s s e s t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e mi nd e t a i l t h eh a r d w a r ei n c l u d e s t h em c ua n di t si n t e r f a c e s a u d i oi n t e r f a c ea n dt h ef mt r a n s c e i v e rc i r c u i t t h ep l a y b a c k a n ds a m p l i n go fa u d i os i g n a l ，t h es t r u c t u r ea u d i od a t ab u f f e r ，t h ef mm o d u l e sa n dt h e t r a n s f o r m a t i o na l g o r i t h ma r ei n t r o d u c e di nt h es o f t w a r ep a r t a tl a s t ，t h et e s t i n gr e s u l ti s i i 坐e 兰虫! ! 竺苎! 竺翌尘! ! ! ! ! ! ! ! ! 墨墅竺! 竺! 兰! ! ! 竺翌竺堡! ! 墨! 竺箜! 竺! ! 里墨! ! 竺竺! ! 垒坠! 竺! - - _ _ _ i _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - - i _ - - - _ - _ i - _ _ _ _ _ 。- _ 。_ _ - - _ - _ - 。_ - 。- 。- 。_ 。_ 。_ - _ 。一一 g i v e na n dt h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es y s t e mi sv a l i da n dp o s s i b l et ob er e a l i z e d t h et e c h n o l o g yc a nn o to n l yb eu s e dt od i s t r i b u t et h et e x ti n f o r m a t i o ni nt h ea n a l o g b r o a d c a s t i n gc h a n n e lb u ta l s ob eu s e di ns o m eo t h e rf i e l d s ，s u c ha sp r o t e c t i n gt h ec o p y r i g h t o fl i v ep r o g r a m s k e y w o r d s ：a n a l o gb r o a d c a s t ，d i g i t a lw a t e r m a r k ，t e x ti n f o r m a t i o n ，r e a lt i m e w r i t t e n b y ：z h o uh o n g y a n s u p e r v i s e db y ：l i ux u e g u a n ，z h o um i n g l a i l f , l i i i 基于模拟广播信道的文字信息发布系统第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 近年，流媒体应用越来越广泛，如远程教育、宽带网视频点播、互联网直播、视 频会议等。当前流媒体主要包括音频、视频两种形式。对于视频流媒体，现有一些主 流编解码标准，其中m p e g 4 编码技术发展势头最为迅猛。编码格式的固定，为视频 流处理提供了很大的方便。 音频流媒体是信息、信号处理领域的主要媒体形式之一，随着网络技术和通讯技 术的不断发展，音频数据量以极高的速度增加。广播信号是一种重要的音频流媒体。 由于模拟广播信号是连续音频流，在传输过程中存在信号强度变化和各种噪声，难以 做到传输音频信号的同时也进行数据的传输，从而未能提供增值功能，以至对模拟广 播信道的利用也不充分。如能在现有的广播信号中嵌入并提取文字信息，充分利用现 有广播信道，进行各种公众信息的发布，既可节省使用g p r s 通信方式产生的流量费， 也可在地震等突发情况发生时，不会因为部分网络通信设备的损坏而影响发布的及时 性；在一些现场直播的情况下，也可以同时加入水印信息，更好地保护现场直播时的 各种版权。 1 2 国内外研究动态 目前，在音频流中同时传输数据的技术主要有非对称数字用户环路( a d s l ， a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 技术、数字音频广播( d a b ，d i g i t a la u d i o b r o a d c a s t i n g ) 、无线数据广播系统( r d s ，r a d i od a t as y s t e m ) 和数字水印( d i g i t a l w a t e r m a r k i n g ) 技术。 1 9 8 9 年美国贝尔通信研究所为视频点播( v o d ) 业务开发了利用双绞线传输高速 数据的d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 技术。根据用户发送和接收的数据信息速率的不 同，适用于i n t e m e t 接入和v o d 的a d s l 技术，最能够满足广大用户的需要，是最具 有竞争力的一项技术。a d s l 技术实现了音频信号和数据信息同时传输的功能。 起源于德国广播技术研究所的数字音频广播技术，是继调幅( a m ) 和调频( f m ) 之后的第三代广播技术。它由单一频率模块组成，通过复用技术，实现传送立体声或 第一章绪论基于模拟广播信道的文字信息发布系统 单声广播的同时传送文本和数据。目前业内d a b 系统之发展大致可分为：欧规 e u r e k a 14 7 、美国i b o c ( i n b a n do n c h a n n e l ) 、法国d r m ( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) 及部分国家自行发展的d a b 系统。目前我国试播采用e u r e k a 1 4 7 系统。 于1 9 8 5 年提出的r d s 系统，则利用f m 广播的副载波携带数据资料。该系统使 用传统的f m 无线电广播发送少量的数字化信息。r d s 系统标准化了好几个类型的 信息传输包括时间，信息跟踪和电台识别。此系统实现了广播音频信号与数据的 同时传输。 1 9 9 6 年提出的数字水印技术，作为信息隐藏的一种重要手段，广泛应用于版权 保护、票据防伪、声像数据的隐藏标识和篡改提示等领域【l 】。现在多应用于数据文件 中。数字水印作为信息隐藏的一种重要技术，可用在广播信号中嵌入文字信息。但目 前数字水印技术用于实现音频信号和数据信息同时传输，尚未见到报道。 1 3 本文主要工作 本设计主要利用现有模拟广播信道，实现发布文字信息的功能。本文对多种用以 实现声音信号和数据信息同时传输的技术进行分析与比较后，采用数字水印技术实现 文字嵌入，并对系统硬件和软件配置进行了详细阐述。 本文首先简要阐述数字音频水印技术的基本原理，对在模拟广播信道中添加和提 取数字水印信息进行仿真，随后结合课题背景和实际应用，设计制作基于模拟广播信 道的文字信息发布系统，并给出实验结果，验证了该方案在实际应用中的可行性。主 要工作包括： ( 1 ) 数字水印算法在模拟广播信道中的应用研究与仿真。结合模拟广播信道这个 复杂的实际系统，选择合适的数字水印嵌入和提取算法，研究算法对音频幅度和噪声 的敏感性，进而验证算法在实际中的可行性。 ( 2 ) 文字收发系统的硬件设计。设计调频发射机和接收机电路，实现音频信号采 集、处理、回放、无线发射和接收。硬件电路包括a r m 处理器$ 3 c 2 4 1 0 、音频处理 芯片u d a l 3 4 1 、调频收发芯片r d a 5 8 2 0 的电路设计。 ( 3 ) 文字收发系统的软件设计。根据系统要求，在发送端实现音频信号采集、音 频信号中添加文字信息、发送处理后的音频信号等功能；在接收端，实现音频信号接 收时音频信号采集、提取文字信息并显示等功能。 2 基于模拟广播信道的义7 信息发布系统第- 二章音频通信系统中的数据传输技术 第二章音频通信系统中的数据传输技术 目前，用于音频通信系统中的数据信息传输的技术主要有非对称数字用户环路 ( a d s l ) 技术、数字音频广播( d a b ) 技术、无线数据广播系统( r d s ) 技术和音 频数字水印技术。本章将对这几种技术进行介绍和比较，得出适用于模拟广播信道进 行文字信息发布的技术。 2 1 非对称数字用户环路技术 a d s l 采用离散多音频技术，将原来电话线路0 k h z 1 1 m h z 频段划分成2 5 6 个 频宽为4 3 k h z 的子频段。其中4 k h z 以下频段用于传送电话语音信号，2 0 k h z 到 1 3 8 k h z 的频段用来传送数据的上行信号，1 3 8 k h z 到1 1 m h z 的频段用来传送数据的 下行信号【2 】oa d s l 充分利用现有的电话线网络，在线路两端加装a d s l 设备即可为 用户提供高宽带服务，同时它可以与普通电话共存于一条电话线上，在一条普通电话 线上接听、拨打电话的同时进行a d s l 传输。a d s l 接入网的参考模型如图2 1 所示 f 3 1 。 图2 1a d s l 接入网的参考模型 在a d s l 进行数据传输时，会产生高频噪音，影响语音通话质量，所以在两端都 要使用a d s l 信号分离器，将a d s l 数据信号和普通音频电话信号分离出来。信号 分离器是一个低通高通滤波器组，高通滤波器抑制模拟话音信号，低通滤波器抑制 a d s l 信号，这样将两种信号从频率上分开。图中，a t u c ( a d s lt r a n s c e i v e ru n i ta t c e n t r a lo f f i c e ) 和a t u r ( a d s lt r a n s c e i v e ru n i ta tr e m o t eu s e r ) 分别是a d s l 在电 信服务提供商设备端和用户端的收发设备。在服务提供商的设备端，a d s l 收发器通 过v 接口与宽带网络或高速以太网连接，接入数字骨干网络；通过分离器滤波后得 3 第_ 二章音频通信系统中的数据传输技术基于模拟广播信道的文字信息发布系统 到的话音信号送往p s t n 网络进行电路交换。在用户端，通过t 接口和用户内部网络 连接，然后连接用户的网络设备；传统电话通过分离器，将模拟语音信号和a d s l 信号并入同一对双绞线中。 a d s l 技术会造成音质下降，因此并不适合用于在广播信号中嵌入文字信息。 2 2 数字音频广播技术 数字音频广播技术首先将模拟形式的节目转换为数字信号，经压缩、编码、调制、 发射、传输，到达接收端后，再经一系列反变换，变成可收听的模拟节目。它采用了 3 个关键技术，一是掩蔽型自适应通用子频带集成编码与复用( m u s i c a m ，m a s k i n g p a r e m - a d a p t e du n i v e r s a ls u b b a n di n t e g r a t e dc o d i n ga n dm u l t i p l e x i n g ) 技术，此技术为 m p e g 1l a y e r2 ，即m p 2 的信源编码方法；二是编码正交频分复用( c o f d m ，c o d e d o r r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的信道编码和调制技术，三是同步网技 术1 4 j 。m u s i c a m 信源编码方法，在主观质量、数据率、处理过程所需时延和编码器 复杂性等方面，综合性能比较好，适合在d a b 系统中使用。信道编码和调制将频宽 切割成多组声音信号及附加数据压缩数据，经多任务处理，再通过o f d m 调制，可 以在1 5 m h z 的频宽内传送。在传输过程中，可能会出现突发性的比特差错或比特块 差错，为此，采取了时间交织和频率交织技术来预防，从而使原本相邻的信息单元在 时域和频域都尽可能远地分开来传送。在接收端，交织恢复信息原有的顺序，就把原 来可能出现的块差错变成相距较远的单个比特差错。d a b 系统实现了单频网同步运 行，即同步网中的所有发射机的工作频率都相同，调制信号也精确同步。这种技术， 在相同的频谱宽度内，与传统的方法相比通常可传送3 倍多的节目。 在d a b 系统主业务信道中传输的数据，可分为数据流模式和数据包模式。主业 务信道是由公共交织帧序列组成的，从输入源开始直到形成公共交织帧的信号通道如 图2 2 所示【5 】。在流模式中，一个子信道的容量完全被一种应用所占据。特定的流模 式子信道可以应用于数据业务的传输，一个子信道提供n x8 k b s 的净比特率供使用。 对于可变数据率和小于8 k b s 的非同步数据业务，使用流模式没有将传输容量利用到 最佳。这时，可以将多个这样的业务放在同一个子信道传送，借助数据包复合器将它 们组合在一起。数据包在接收机中通过解复合重新恢复出各种数据业务，然后再经解 码器对数据业务进行解码。 4 基于模拟广播倩道的文字信息发布系统 第二章音频通信系统中的数据传输技术 图2 2 输入数据直到形成公共交织帧及传输复合信号的信号通道 d a b 具有抗噪声、抗干扰、抗电波传播衰落、适合高速移动等优点，但d a b 要 求专用的发射和接收机，技术复杂，实现难度大。 2 3 无线数据广播系统技术 无线数据广播系统，应用在载波频率为8 7 5 m h z 1 0 8 0 m h z 的v h f f m 广播电 台上，因为系统采用的是调频发射接收，所以特点是它的接收机不容易被所接收频道 外的信号所干扰。g b 4 3 1 1 - 2 0 0 0 规定：在调频广播中，o 1 5 k h z 的频率为主信道， 2 3 5 3 k h z 用来传输立体声广播的差信号，1 9 k h z 用来传送导频信号，在调频时只允 许占最大频偏的1 0 ( 7 5 k h z ) 【6 j 。r d s 使用5 7 k h z 的副载波，采用相移键控( p s k ) 调制方法，携带11 8 7 5 b i t s s 的数据。5 7 k h z 是f m 立体声导频信号的三倍频，所以 它不会引起与导频信号或者与在3 8 k h z 上不同信号的立体声的交互调制。虽然传输 频宽有限，且有格式上的使用限制，但r d s 仍可被开发供做许多数据广播应用之用。 然而r d s 在接收端，传统的调频接收机已经不能满足要求，需要特定的接收机，故 此项技术用于模拟广播信道发布文字信息，也不是十分适合。 5 第二章音频通信系统中的数据传输技术基于模拟广播信道的文字信息发布系统 2 4 数字音频水印技术 音频水印可以看作是嵌入到强背景上的一种特殊的弱信号，通过检测装置或水印 解码器来进行提取【7 1 。音频水印通常要求是不可察觉的，而不可察觉性建立在人类听 觉系统之上，非常适合广播信道的应用要求。从稳健性的角度，数字音频水印可以分 为稳健水印与脆弱水印【8 1 。稳健水印是指在恶意的攻击下仍不能被更改、难以去除的 水印，除非载体受到严重的破坏。脆弱水印可以根据攻击情况记录受到的攻击。模拟 广播信道传输和水印处理过程是非常复杂的，涉及到a d 、d a 转换过程中的攻击和 信号传输过程中的信号幅值变化和噪声攻击。因此要利用数字水印技术，实现利用模 拟广播信道，发布文字信息的功能，必须要找到一个合适的稳健音频水印算法。 2 4 1 数字音频水印模型 数字音频水印算法主要包括水印的嵌入和检测过程，其基本模型如图2 3 所示 f w ： 7 l ! ：f l p 1 7 g 叫攻击信道目匝“ 小砷 图2 3 数字音频水印的基本模型 图2 3 给出了数字水印的框架，它由两部分组成，一部分是水印的嵌入，另一部 分是水印的提取。 设f 和，分别代表原始音频和嵌入水印后的音频，形与形为原始水印和提取得 到的水印，k 和k 分别表示嵌入和提取时所需的参数。g 为水印的嵌入算法，则 f 。= g ( f p 尸( f ) ，k ，朋甲( 形) ) ( 2 1 ) 其中，f p p 和w p p 分别表示对f 和形的预处理操作，用甲可以是任何一种变换 ( 如f f t ，d w t 等) ，也可以是空操作。 根据提取水印时是否需要原始音频数据，可将水印的检测方法分为非盲检测和盲 检测两类。理论上，非盲水印具有一定的研究价值，但在实际中应用范围却很小，主 6 基于模拟广播信道的文信息发布系统 第二章音频通信系统中的数据传输技术 要应用在版权保护领域。由于水印的检测不需要原始的音频或水印参与，盲水印算法 具有广泛的用途，是当前水印研究的热点。设水印检测操作为d ，f ”为受到攻击后 的音频信号，则盲水印的提取过程可表示为： w = d ( 胛( 尸”) ，k )( 2 2 ) 2 4 2 数字音频水印算法 按照水印隐藏位置，音频水印算法可归类为时域算法、变换域算法和压缩域算法 f l l 1 3 】 o ( 1 ) 时域算法 时域算法是在时空域修改信号样本从而实现水印的嵌入。典型的时域算法有最 低有效位( l s b ，l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) 算法和基于回声隐藏的算法。最低有效位编码 音频数字水印技术的基本思想是首先将水印编码成二进制流，然后用这些二进制流替 换每个样本点的最不敏感的比特位1 4 , 1 5 】。回声隐藏是通过在时域引入回声将水印信息 加入到音频信号中。它利用了人类听觉系统的时域掩蔽特性，将水印信息作为原始数 字音频的环境条件m j 。时域算法的优点是算法简单，水印信息隐藏量大，但是对各种 攻击的抵抗力很低。 ( 2 ) 变换域算法 变换域算法选择合适的变换域，得到音频信号在变换域的特征系数，通过一定的 算法修改频域的系数。这样可以通过分散水印能量扩散到多个样本信息上，提高水印 的稳健性和不可感知性【1 7 , 1 8 1 。常见的变换域算法有离散傅里叶变换( d f t ) 、离散余 弦变换( d c t ) 、改进离散余弦变换( m d c t ) 、离散小波变换( d w t ) 、卡亨南洛维 变换( k l t ) 、z e m i k e 变换和h a d a m a r d 变换等。变换域算法对普通的信号处理和攻 击都具有较好的鲁棒性，嵌入量大而且不可感知性能好，成为目前研究的热点。 ( 3 ) 压缩域算法 针对逐渐成熟的音频感知编码标准，如m p 3 、a a c 等，提出了一些m p e g 编码 的压缩域音频算法，大致可分为两类：一是比特流水印算法，即把输入的音频比特流 部分或完全解码，水印信息经过扩频调制后嵌入到解码后的样本值中，然后重新量化 编码成带水印的音频比特流；二是组合压缩水印算法，利用m p e g 编码过程中的相 关变换和控制，在压缩编码的同时嵌入水印信息1 9 】。压缩域的算法考虑了音频编码中 7 第二章音频通信系统中的数据传输技术 基于模拟广播信道的文7 - 信息发布系统 的压缩系数和水印参数问的优化匹配，因此对音频压缩的鲁棒性比较高。 2 4 3 适于模拟广播信道的稳健数字水印算法 模拟广播信道是个复杂的系统，要对模拟广播信号进行处理，过程也较为复杂。 这其中涉及到a d 、d a 转换，以及信号在传输过程中的幅值变化和噪声攻击。因此 这对所采用的数字水印算法的稳健性提出了很高要求。 在模拟广播信号的发射端，要对模拟广播信号进行数字化处理，从原始的模拟广 播信号到添加数字水印后的音频信号，其变换过程如图2 4 所示： 原始模拟一 j “播信号l a d l 变换器 数字信号处理 ( 添加水印) d a 变换器 携带水印模 拟广播信号 图2 4 发射端信号处理过程 接收端接收到携带水印的模拟广播信号后，要提取水印，信号的变换过程如图 2 5 所示： 携 拟一播信号 a d 数字信号处理 水印信息 变换器 ( 提取水印) 图2 。5 接收端信号处理过程 从上面两幅图可以看出，无论是在发射端，还是接收端，都有a d 、d a 变换， 同时在信号传输的过程中，还有信道传输的影响。音频信号受到的主要影响有：a d 处理过程中的失真和噪声、d a 处理过程中的失真和噪声、模拟信道的噪声和信号幅 值变化。显然，这些因素对水印具有一定的影响。这就要求用于模拟广播信道的数字 水印算法，必须对d 、d a 变换、噪声和信号幅值变化具有一定的稳健性。 针对音频信号在广播信道中因幅值变化与噪声影响产生的波形失真，在水印的嵌 入和检测中采用相应的对策：1 ) 针对幅值改变，在d w t 域采用基于三段低频小波 系数之间的能量关系的嵌入；2 ) 调整嵌入强度因子和嵌入到低频子带来满足抗噪声 攻击的要求【1 0 】。 8 基于模拟广播信道的文信息发布系统第二章音频通信系统中的数据传输技术 2 4 3 1 水印嵌入 嵌入水印过程可以分三个步骤：1 ) 在小波低频域将信号分段：2 ) 分别计算每个 分段的能量；3 ) 基于能量关系加入水印【1 0 i 。 1 ) 在小波低频域将信号分段。假设有3 三个相邻的低频小波系数 ( f ) l 汪0 3 三一l ，将其平均分为3 段，每段长l ，如图2 - 6 所示。 f ( i ) 图2 - 6 三段相邻低频小波系数分段示意图 2 ) 分别计算每个分段的能量。三段低频小波系数的能量e 、e ：和e ，定义如下： 令： l - i e 。= 帅) i ， t - - o 2 l l e ：= ) l ， l = l p = k e n i c d 【b = 一三胁 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中，k = m a x e i ，e 2 ，色 ，e l e d = m e d i u m e l ，e 2 ，e 3 ，e m i i i = m i n e l ，e 2 ，e 3 ) 。 3 ) 基于能量关系嵌入水印。采用如下的关系来嵌入已经转换为0 和1 的 水印序列： 如果要嵌入的信息w ( f ) 为1 ，则令彳和b 满足： 彳一b s( 2 5 ) 在公式( 2 5 ) 中，如果三段系数的能量满足公式( 2 5 ) 的关系，则无需对小波 系数进行任何更改，水印比特1 直接嵌入。如不满足，则需同时调整e 嘲、e 。甜和 e 嘶三者的大小关系，直到满足公式( 2 5 ) 的关系。 嵌入强度被定义作为： 3 l ii s = ( d 胁) i ) 3 ( 2 6 ) z=0| d 为嵌入强度调整因子。如果要嵌入的比特为l 并且a b s ，则采用( 2 7 ) 来 更改相应三段小波系数的值以满足彳一b s ： 9 、ju 广 ：i = e 第一二章音频通信系统中的数据传输技术基于模拟广播信道的文7 - 信息发布系统 ( f ) = f ( i ) x ( 14 一百， f ( i ) x ( 1 一面f l 眦l 。+ e 岫) e 一，e i i l j 。段对应嘭( f ) e 。段对应眇( f ) ( 2 7 ) 其中，俐= a - b - s i = s - a + b 。为了确保e 一e 删e , m 的大小关系在嵌入比特 1 的前后保持不变，我们用公式( 2 8 ) 来限制在公式( 2 6 ) 中嵌入强度的取值： s 粤( k k ) ( 2 8 ) 瓦e d + k 一“ ” 如果要嵌入的信息w ( i ) 为0 ，采用公式( 2 9 ) 来调整三段小波系数的值，一直 至0b a s 。 f ( f ) = f ( i ) x ( 1 一i 拦瓦， 朋，川+ 瓦基， k 和e 曲段对应盼( f ) ( 2 9 ) e 。酣段对应盼( f ) 其中，例= b - a - s i = s + a - b 。同样，用公式( 2 1 0 ) 保证瓦甜 k 。 ，f s ：- 竺 ( e 懈一e m i n ) ( 2 1 0 ) e 。戤+ e i i l c d 、“ “ 2 4 3 2 水印提取 按照嵌入水印时的分段规则，将音频数据作同样长度的分段，并作同样层数同种 类型的小波分解，得到小波系数f ( f ) 。根据与发送时同样的长度3 计算出相应矗、 e ：和e i ，与水印嵌入过程类似，通过计算得到e 二、e 二。和k ，然后计算得到： 厂a = e 一一e 1 删( 2 1 1 ) 1b 。：e 。c d e 。曲 妣 w 。，= 器我- “b 竺 旺 2 4 4 信号幅值变化和噪声攻击下的稳健音频水印算法仿真 上述算法思想给出了音频稳健水印的嵌入和提取方案，但是实际过程中的稳健 性，还受到具体参数设定值的影响，因此有必要对这些参数值进行仿真模拟。 在文字发布系统中，利用国标码对待发布的文字进行编码，而后对编码的每一位 基于模拟广播信道的文字信息发布系统 第二章音频通信系统中的数据传输技术 二进制数，都采用1 6 b i t 的冗余编码方式，具体介绍见4 1 节。因此仿真时，水印是 一幅4 4 的全白图片，即对应文字编码后的一个二进制位。在提取时，根据提取的 1 6 比特二进制数据，构成一幅图片，这样可以很直观地看出提取水印的效果。音频 信号选择了一个w a v 音频文件。 1 ) 嵌入强度因子d 的确定 嵌入强度因子d 决定了彳和b 之间差的大小，也是影响嵌入水印后音频信号质量 的重要因素。根据嵌入的水印比特结合公式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 和( 2 9 ) 来取值。固定选 择h a a r 小波基，采用5 级分解，分析d 的不同取值对音频信号和水印提取效果的影 响。 当嵌入强度d = 1 时，原始音频波形和嵌入水印后的音频波形分别如图2 - 7 ( a ) 和 ( b ) 所示。 0 5 o 5 0 5 0 0 s 原始音频波形图 ( a ) 原始音频波形图 嵌入水印后的音频 0 ( b ) 嵌入水印后音频波形图 图2 7 嵌入水印前后音频波形图( d = 1 ) 可以看出，嵌入水印后音频图和原始音频波形在时域上基本保持一致，实际用人 耳去听，也感觉不到声音上的变化。原始水印和提取水印如图2 8 所示。 原始农卸 提取出的水印 j 图2 8 原始水印和提取水印( d = 1 ) 可以明显看出，虽然此时对原始音频影响并不大，但是水印的提取效果很不理想。 当嵌入强度d = 0 5 时，原始音频波形和嵌入水印后音频波形分别如图2 - 9 ( a ) 和( b ) 第二章音频通信系统中的数据传输技术基于模拟广播信道的文字信息发布系统 所示。 0 1 5 ， 0 o 5 o 5 0 良5 廉始音频波形图 0 。j1 |o 2 ，m ! 一3 一j4 、争| ，j 6 ( a ) 原始音频波形图 嵌入水印后的音频 78 x 佃 5 口。 0 “ i2 譬3- 一 5 。67 8 。x1 0 5 ( b ) 嵌入水印后音频波形图 图2 - 9 嵌入水印前后音频波形图( d = o 5 ) 此时，水印的嵌入对声音在时域上影响依然不大，人耳也不能分辨出加入水印前 后音频信号的变化。原始水印和提取水印如图2 1 0 所示。 原始水印 提取出的水印 图2 1 0 原始水印和提取水印( d = o 5 ) 可以看出，水印的提取效果已经有了一定改善，但是d 的减小使算法的迭代次数 增加，运算量加大。 综合考虑水印提取效果，尤其是有一定噪声和幅值变化时的水印提取效果和运算 量，选取d = o 2 ，可以达到比较理想的效果。 2 ) 小波分解级数的确定 选择合适嵌入强度d 后，对于小波分解级数的确定，也十分重要。分解级数过大， 则运算量变大，算法所用时间增加，同时加入同样长度水印所需原始音频信号长度相 应增长，影响水印嵌入量。要在频域获得长度为工的频域系数，则对应的时域信号长 度可表示为： ：2 石( 2 】3 ) 基于模拟广播信道的文字信息发布系统 第二章音频通信系统中的数据传输技术 其中，k 为小波分解级数。下面比较分解级数k 取不同值时的实验结果，固定d = 0 2 ， 小波基采用h a a r 小波基。 当分解级数k = 2 时，原始音频波形和嵌入水印后音频波形分别如图2 1 1 ( a ) 和( b ) 所示。 原始音频波形图 0 5 _ 0 0 5 d23456 ( a ) 原始音频波形图 嵌入水印后的音频 7 0 8 j ja 0 5 - ( b ) 嵌入水印后音频波形图 图2 1 1 嵌入水印前后音频波形图( k = 2 ) 原始水印和提取水印如图2 1 2 所示。 原始水印 提取出的建印 x1 0 6 图2 1 2 原始水印和提取水印( k = 2 ，无噪声和幅值变化) 此时，加入的水印可以完全提取出来，但当接收端信号幅值变化至原信号的一半， 并有一定噪声时，原始水印和提取水印如图2 1 3 所示。此时信号幅值表示为 口( f ) = a ( i ) xo 5 + 6 ( f ) ，其中b ( i ) = 0 0 1xr a n d ( i ) ，a ( i ) 是声音信号归一化的值，幅值范 围是【1 ，1 】，r a n d ( ) 函数产生【o ，1 】的随机数组。 j j 原始水卸1 。 ， 。薹 麓 提取出的水印 一i l 图2 1 3 原始水印和提取水印( k = 2 ，有噪声和幅度变化) 第二章音频通信系统中的数据传输技术 基于模拟广播信道的文字信息发布系统 由上图可知，此时接收端基本提取不出所加水印。 当分解级数k = 6 ，原始音频波形和嵌入水印后音频波形分别如图2 1 4 ( a ) 和( b ) 所 示。 原始音频波形图 0 ，5 o - 0 ； 0 a 5 0 o 5 23456 ( a ) 原始音频波形图 嵌入水印后的音频 7 。 8 j 。旷 9 荔荔辫黪j 鬃豢终簿囊2 釜，i 霪臻笺i j 鬻i 黪蓦懑i 爱：i i 零雾飘鬟：国7 。? 9 一_ | | x1 0 影 ( b ) 嵌入水印后音频波形图 图2 1 4 嵌入水印前后音频波形图( k = 6 ) 对嵌入水印后音频信号作与k = 2 时一样的幅度和噪声处理，此时的提取效果如 图2 1 5 所示。 原始永印提取出的水印 一 图2 1 5 原始水印和提取水印( k = 6 ，有噪声和幅值变化) 由上图可知，此时水印提取效果比k = 2 时的提取效果有了较大改善，但分解级 数增加，运算量加大，运算时间增至k = 2 时的1 5 倍。综合考虑幅值变化、噪声及 运算量的影响，取k = 5 。 综上所述，实际算法中，令嵌入强度因子d = 0 2 ，小波基函数为音频信号处理中 常用的h a a r 小波基，小波分解级数k = 5 。加入1 6 比特图片信息，原始音频和嵌入水 印后音频如图2 1 6 ( a ) 和( b ) 所示。 1 4 基于模拟广播信道的文字信息发布系统 第二章音频通信系统中的数据传输技术 0 1 5 ： o - 0 5 0 5 毽 o 5 原始音频波形图 0456 ( a ) 原始音频波形图 一 嵌入球印后的音频 78 ： x1 萨 3 。_ 4“5 ：i 一678 x1 0 5 ( b ) 嵌入水印后音频波形图 图2 1 6 嵌入水印前后音频波形图( d = o 2 ，k = 5 ) 此时，嵌入水印对原始音频影响不大，实际人耳也感觉不出两段音乐的差别。 若不考虑噪声和幅度变化影响，原始水印和提取出的水印如图2 1 7 所示。 原始水印 提取出的柬印 图2 1 7 原始水印和提取水印( d = 0 2 ，k = 5 ，无噪声和幅值变化) 同样，在无噪声和幅度不变的情况下，可完全提取出添加的水印信息。但实际过 程中，不仅存在噪声影响，d a 、