申 健， 雷 菁， 李保國(guó)， 賴雄坤

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用現(xiàn)代通信技術(shù)將秘密信息隱藏在背景音樂(lè)中進(jìn)行傳遞、做到掩人耳目瞞天過(guò)海，不是沒(méi)有可能。音頻隱寫在應(yīng)用前景方面也具有廣闊的空間，隨著廣播電臺(tái)、電話等通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于商業(yè)秘密、個(gè)人隱私、軍事情報(bào)等機(jī)密信息的安全傳輸。文中使用FPGA和PC機(jī)搭建整個(gè)信息隱藏系統(tǒng)，將需要傳遞的信息隱藏在一段音頻中，發(fā)送時(shí)采用混合擴(kuò)頻技術(shù)并使用RS碼進(jìn)行差錯(cuò)控制。測(cè)試結(jié)果表明，基于混合擴(kuò)頻技術(shù)的信息隱藏系統(tǒng)具有很強(qiáng)的安全性[1]。

1 基本原理

1.1 信息隱藏原理

所要傳輸?shù)拿孛苄畔⑹且欢挝谋?，所使用的傳輸載體是一段音頻信號(hào)。嵌入信息中的每個(gè)漢字先按照相應(yīng)的ASCII碼轉(zhuǎn)換為16 bit的比特信息流，然后再嵌入到音頻信號(hào)中。當(dāng)嵌入信息的幅度足夠小時(shí)，能充分保證原始音頻的質(zhì)量。為了保證接收隱藏信息的可靠性，因此采用混合擴(kuò)頻技術(shù)。

混合擴(kuò)頻是將擴(kuò)頻和跳頻相結(jié)合的一種技術(shù)，它在直接擴(kuò)頻的技術(shù)上增加了跳頻的功能，使整個(gè)系統(tǒng)既有很好的保密性和抗截獲性、又能增加系統(tǒng)的各項(xiàng)增益；既能抵抗窄帶信號(hào)干擾、又能抵抗跟蹤式和阻塞式干擾，使得系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)大大增強(qiáng)[2]。首先將編碼后的序列進(jìn)行直接擴(kuò)頻處理，再根據(jù)設(shè)定的頻點(diǎn)加入載頻實(shí)現(xiàn)跳頻。在此過(guò)程中，系統(tǒng)獲得的增益為跳頻增益與擴(kuò)頻增益之和。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

按照以上的基本原理，設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

圖1 基于混合擴(kuò)頻技術(shù)的信息隱藏系統(tǒng)整體框

從圖1中可以看出，發(fā)送端的工作過(guò)程為：首先使用上位機(jī)將需要傳輸?shù)奈谋炯佑?xùn)練序列后發(fā)送至 FPGA，再在 FPGA上實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)碼編碼，擴(kuò)頻，跳頻，并加入同步頭，成幀。最后，采集音頻信號(hào)，并將成幀之后的數(shù)據(jù)與音頻信號(hào)混合，經(jīng)成形濾波后通過(guò)音頻芯片輸出到擴(kuò)音器。同樣，接受端的工作過(guò)程為：首先通過(guò)計(jì)算機(jī)，使用聲卡對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行采集，同時(shí)檢測(cè)同步碼。在檢測(cè)到同步碼之后，調(diào)用解跳解擴(kuò)、自適應(yīng)均衡以及譯碼程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的還原，最后將還原的數(shù)據(jù)恢復(fù)成文本。在發(fā)送端與接收端之間，利用空氣作為音頻信號(hào)的傳輸媒介。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

圖 2給出了發(fā)送端系統(tǒng)的硬件框圖，主要包含RS-232串口通信、FPGA、ALC101聲音芯片以及PC機(jī)等幾大模塊，它們共同組成了系統(tǒng)的發(fā)送端。數(shù)據(jù)源位于計(jì)算機(jī)端，為一段待傳輸文本。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) PC機(jī)通過(guò)RS-232串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至FPGA[3]。本系統(tǒng)所使用的FPGA是Xilinx Spartan3E芯片，由它完成RS碼編碼、擴(kuò)頻、跳頻、成幀和信息隱藏的運(yùn)算。在音頻信號(hào)采集方面，本系統(tǒng)所使用的是ALC101聲音芯片。它將某一背景音樂(lè)（即載體音樂(lè)）采集進(jìn)入FPGA，再將加入隱藏信息后的音頻信號(hào)播放發(fā)送。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的接收端主要使用PC機(jī)進(jìn)行處理。在音頻信號(hào)采集方面，系統(tǒng)通過(guò)編程控制PC機(jī)聲卡實(shí)現(xiàn)。之后的同步、解擴(kuò)解跳、自適應(yīng)均衡、譯碼以及信息的恢復(fù)，均由PC機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 嵌入的信息

系統(tǒng)中嵌入的秘密信息是一個(gè)文本，每個(gè)漢字按照相應(yīng)的ASCII碼轉(zhuǎn)換為16 bit的信息。為了后續(xù)編碼和混合擴(kuò)頻等步驟提供方便，固定文本長(zhǎng)度為20個(gè)漢字，即傳輸?shù)男畔?20 bit。當(dāng)文本長(zhǎng)度小于20個(gè)漢字時(shí)，人為地將它補(bǔ)齊20個(gè)，在接收端進(jìn)行信息還原的時(shí)候?qū)⑻畛涞男畔⒊ゼ纯伞?/p>

3.2 擴(kuò)頻

擴(kuò)頻通信是用比信號(hào)帶寬寬得多的頻帶來(lái)傳輸信息，它不僅具有很好的抗干擾、抗截獲性能，也能使系統(tǒng)獲得較高的增益、方便后續(xù)的解調(diào)。為了獲得較好的擴(kuò)頻增益和信息隱藏效果，擴(kuò)頻序列采用Gold序列，它具有很好的自相關(guān)性及偽隨機(jī)性[4-6]。

3.3 跳頻

跳頻通信具有很好的抗跟蹤式和阻塞式干擾的性能。在系統(tǒng)中，加入跳頻技術(shù)可以進(jìn)一步加強(qiáng)信息安全保密，使竊聽(tīng)方難以捕獲到隱藏的信息[7]。出于簡(jiǎn)化的考慮，采用固定頻點(diǎn)循環(huán)跳頻的方法。由于這里將秘密信息隱藏在一段音頻文件中進(jìn)行傳輸，所以要將跳頻的頻點(diǎn)設(shè)置在音頻信號(hào)的頻率范圍以內(nèi)，即 2～20 kHz，因此這里設(shè)置的固定頻點(diǎn)為4 kHz、8 kHz、12 kHz、16 kHz，信號(hào)的載波就在這幾個(gè)固定頻點(diǎn)之間順序變換。圖3展示了一幀信息內(nèi)信號(hào)載頻的變化。

圖3 一幀信息內(nèi)信號(hào)載頻的變化

圖3中0cf代表同步碼的載頻，其余為信息碼的載頻，其中1cf為4 kHz，2cf為8 kHz,3cf為12 kHz，為16 kHz。在系統(tǒng)的接受端，當(dāng)同步完成后，就可以按照各個(gè)頻點(diǎn)的固定設(shè)置進(jìn)行解跳。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于以音頻信號(hào)為載體的信息隱藏的攻擊多采用感官攻擊和結(jié)構(gòu)攻擊等方法。所謂感官攻擊，是指利用人類感官對(duì)媒體模式失真和噪聲的辨識(shí)能力來(lái)判斷是否含有隱密信息的一類方法。在本系統(tǒng)中，低幅度嵌入的技術(shù)手段有效降低了嵌入信息對(duì)原始音頻信號(hào)的影響，在聽(tīng)覺(jué)上無(wú)明顯差異。另一種常用的攻擊方法是結(jié)構(gòu)攻擊，它是利用由于信息的隱藏而造成載體原有結(jié)構(gòu)的破壞或特殊結(jié)構(gòu)的引入來(lái)判斷是否含有隱密信息[8-9]。在本系統(tǒng)中，小幅信息嵌入確保了隱藏秘密信息的音頻同原始音頻在時(shí)域上波形的一致性。在頻域上，由于擴(kuò)頻技術(shù)的使用，使得秘密信息的頻譜隱藏在噪聲頻譜融之中，確保頻譜結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生明顯的改變。信息嵌入前后音頻信號(hào)的波形如圖4和圖5所示，前后音頻信號(hào)的頻譜圖如圖6和圖7所示，圖中可清楚地看出信息隱藏前后音頻信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜均無(wú)明顯變化。

圖5 嵌入信息后音頻信號(hào)波形

圖6 未加入隱藏信息的音頻頻譜

圖7 加入隱藏信息的音頻頻譜

5 結(jié)語(yǔ)

文中介紹了一套完整的通信系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)能夠完整地實(shí)現(xiàn)保密通信的全過(guò)程。將文本信息隱藏至音頻信號(hào)后[10]，音頻無(wú)明顯失真，聲音品質(zhì)高效果好，在頻譜結(jié)構(gòu)上與原始音頻信號(hào)無(wú)過(guò)多差異。非授權(quán)第三方（即不知道秘密信息存在的對(duì)象）在感官和結(jié)構(gòu)上基本不能覺(jué)察到音頻信號(hào)的改變。在接收方，授權(quán)通信對(duì)象能夠通過(guò)同步、解跳、解擴(kuò)和譯碼等步驟，成功恢復(fù)原始的秘密信息。

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