CN103137134B - 音频设备及音频信号的水印信息加载方法 - Google Patents

Abstract

一种音频设备，包括处理器、音频处理模块、高频噪声产生电路、第一开关控制电路、第二开关控制电路、低通滤波电路及加法电路。音频设备产生水印信息、原始音频及高频信息。第一开关控制电路与第二开关控制电路基于水印信息的不同电位控制高频信息通过。低通滤波电路将从第一开关控制电路接收的高频信息进行低通滤波，并形成第一加载信息。加法电路接收第一加载信息，从第二开关控制电路接收高频信息作为第二加载信息，将第一及第二加载信息加载至原始音频。本发明还提供一种音频信号的水印信息加载方法。上述音频设备将逻辑高低电位的水印信息转换为不同电压幅度的高频信息，加载至原始音频，以确保音频信号的安全，且确保了输出音频的品质。

Description

音频设备及音频信号的水印信息加载方法

技术领域

本发明涉及音频设备，特别涉及一种音频设备的音频信号的水印信息加载方法。

背景技术

随着多媒体技术和数字通信的发展与广泛应用，多媒体作品如图像、音频、视频作品的认证保护与信息安全成为人们日益关注的问题。通常，在制作音频作品，例如制作唱片时，原始的音频信号经数字/模拟转换器后直接输出，若发生泄密等问题，无法追查泄漏源头，带来商业上的严重损失。

发明内容

有鉴于此，需提供一种音频设备，在原始音频上加载水印信息。

此外，还需提供一种音频信号的水印信息加载方法。

一种音频设备，包括处理器、音频处理模块、高频噪声产生电路、第一开关控制电路、第二开关控制电路、低通滤波电路及加法电路。处理器用于执行所述音频设备的工作任务，并产生水印信息，所述水印信息包括逻辑高电位与逻辑低电位。音频处理模块与所述处理器相连，用于产生原始音频。高频噪声产生电路用于产生高频信息。第一开关控制电路与所述处理器及所述高频噪声产生电路相连，第二开关控制电路与所述处理器及所述高频噪声产生电路相连，其中所述第一开关控制电路与所述第二开关控制电路基于所述水印信息的不同电位控制所述高频信息通过。低通滤波电路与所述第一开关控制电路相连，用于将从所述第一开关控制电路接收的高频信息进行低通滤波，并形成第一加载信息。加法电路用于从所述低通滤波电路接收所述第一加载信息，从所述第二开关控制电路接收所述高频信息作为第二加载信息，然后将所述第一加载信息及所述第二加载信息加载至所述原始音频。

优选地，所述音频设备还包括第一电压跟随器及第二电压跟随器。第一电压跟随器连接于所述高频噪声产生电路与所述第一开关控制电路之间，用于隔离所述高频噪声产生电路与所述第一开关控制电路。第二电压跟随器连接于所述高频噪声产生电路与所述第二开关控制电路之间，用于隔离所述高频噪声产生电路与所述第二开关控制电路。

优选地，所述第一开关控制电路包括第一开关元件及第二开关元件。第一开关元件包括控制极、第一电极及第二电极，所述控制极经由第一电阻连接参考电压源，所述第一电极接收所述高频信息并连接所述低通滤波电路，所述第二电极接地。第二开关元件包括控制极、第一电极及第二电极，所述第二开关元件的控制极经由第二电阻接收所述水印信息，所述第二开关元件的第一电极连接所述第一开关元件的控制极，所述第二开关元件的第二电极接地。

优选地，所述第二开关控制电路包括第三开关元件，所述第三开关元件包括控制极、第一电极及第二电极，所述第三开关元件的控制极接收所述水印信息，所述第三开关元件的第一电极接收所述高频信息并连接所述加法电路，所述第三开关元件的第二电极接地。

优选地，所述低通滤波电路包括至少一个串联连接的低通滤波单元，所述低通滤波单元包括第三电阻至第六电阻及第一至第三电容。第三电阻一端连接所述第一开关控制电路。第一电容一端连接所述第三电阻的另一端，另一端接地。第四电阻一端连接所述第三电阻的另一端。第二电容一端连接所述第四电阻的另一端，另一端接地。第五电阻一端连接所述第四电阻的另一端。所述第一比较器的正向输入端接地，负向输入端连接所述第五电阻的另一端，输出端输出所述第一加载信息。第三电容连接于所述第一比较器的输出端与所述第四电阻的另一端之间。第六电阻连接于所述第一比较器的输出端与所述第三电阻的另一端之间。

优选地，所述低通滤波电路还包括第四开关元件及第五开关元件。第四开关元件包括控制极、第一电极及第二电极，所述第四开关元件的控制极经由第七电阻连接参考电压源，所述第四开关元件的第一电极连接所述第一比较器的输出端并连接所述加法电路，所述第四开关元件的第二电极接地。第五开关元件包括控制极、第一电极及第二电极，所述第五开关元件的控制极经由第八电阻接收所述水印信息，所述第五开关元件的第一电极连接所述第四开关元件的控制极，所述第五开关元件的第二电极接地。

优选地，所述加法电路包括反向加法器，所述反向加法器的负向输入端经由第九电阻接收所述第二加载信息，经由第十电阻接收所述第一加载信息，并接收所述原始音频。

一种音频信号的水印信息加载方法，用于音频设备中，包括产生原始音频、高频信息及水印信息，所述水印信息包括逻辑高电位与逻辑低电位；第一开关控制电路与第二开关控制电路基于所述水印信息的不同电位控制所述高频信息通过；若所述第一开关控制电路控制所述高频信息通过且所述第二开关控制电路控制所述高频信息不通过，对所述高频信息进行低通滤波并产生第一加载信息；若所述第一开关控制电路控制所述高频信息不通过且所述第二开关控制电路控制所述高频信息通过，将所述高频信息作为第二加载信息发送至加法电路；及将所述第一加载信息及所述第二加载信息加载至所述原始音频，以生成输出音频。

一种音频信号的水印信息加载方法，用于音频设备中，包括产生原始音频、高频信息及水印信息，所述水印信息包括逻辑高电位与逻辑低电位；将所述逻辑高低电位的水印信息转换为不同电压幅度的高频信息；及将所述不同电压幅度的高频信息加载至所述原始音频，以生成输出音频。

本发明实施方式的音频设备及其音频信号的水印信息加载方法将逻辑高低电位的水印信息转换为不同电压幅度的高频信息，加载至原始音频，以在输出音频被泄漏时，可经由反向提取加载的水印信息，追查泄漏源头，确保音频信号的安全，并更好的保护音频信号。此外，水印信息被转换为高频信息进行加载，不会对原始音频产生影响，确保了输出音频的品质。

附图说明

图1为本发明一实施方式中音频设备的示意图；

图2为本发明另一实施方式中音频设备的示意图；

图3为本发明一实施方式中音频设备的具体电路图；

图4为本发明另一实施方式中音频设备的具体电路图；

图5为本发明一实施方式中音频信号的水印信息加载方法的流程图；

图6为本发明一实施方式中水印信息、高频信息、第一加载信息与第二加载信息的仿真波形图；及

图7为本发明一实施方式中原始音频与输出音频的仿真波形图。主要元件符号说明

音频设备                10、20

处理器                  100

高频噪声产生电路        110

第一电压跟随器          120

第二电压跟随器          130

第一开关控制电路        140

第二开关控制电路        150

低通滤波电路            160

低通滤波单元            161

加法电路                170

音频处理模块            180

第一比较器              1600

反向加法器              1700

第一至第五开关元件      Q1～Q5

第一至第十一电阻        R1～R11

第一至第三电容          C1、C2、C3

参考电压源              Vcc

具体实施方式

图1为本发明一实施方式中音频设备10的示意图。在本实施方式中，音频设备10，例如机顶盒，用于产生或录制音频信号，并在该音频信号上加载水印信息。当该音频信号被泄漏时，可经由反向提取加载的水印信息，追查泄漏源头。音频设备10包括处理器100、高频噪声产生电路110、第一开关控制电路140、第二开关控制电路150、低通滤波电路160、加法电路170及音频处理模块180。处理器100用于执行音频设备10的工作任务，并产生水印信息。在本实施方式中，水印信息为包括逻辑高电位1与逻辑低电位0的数字信号，其包括数字版权信息，例如音频设备10的硬件序列号，从而利于追查音频信号泄漏的源头。加载的水印信息包括档头信息、数字版权信息及尾信息，例如10101010111101000010100101010101，其中“10101010”为档头信息，“1111010000101001”为数字版权信息，“01010101”为尾信息。音频处理模块180与处理器100相连，用于产生原始音频。高频噪声产生电路110用于产生高频信息，在本实施方式中，所述高频信息的频率为20KHz以上，因人耳感受不到频率为20KHz以上的信号，故高频噪声产生电路110产生的高频信息不会对原始音频产生影响。

第一开关控制电路140与第二开关控制电路150分别与处理器100及高频噪声产生电路110相连，基于水印信息的不同电位控制高频信息通过。在本实施方式中，第一开关控制电路140在水印信息为逻辑高电位1时，控制高频信息通过，第二开关控制电路150在水印信息为逻辑低电位0时，控制高频信息通过，因而，高频信息不会同时通过第一开关控制电路140与第二开关控制电路150，也不会同时不通过第一开关控制电路140与第二开关控制电路150。在本发明的另一实施方式中，第一开关控制电路140在水印信息为逻辑低电位0时，控制高频信息通过，第二开关控制电路150在水印信息为逻辑高电位1时，控制高频信息通过。

低通滤波电路160连接第一开关控制电路140，用于将从第一开关控制电路140接收的高频信息进行低通滤波，并形成第一加载信息。在本实施方式中，因第一加载信息为经过低通滤波后的高频信息，第一加载信息与高频信息相比，电压幅度降低。在本实施方式中，第二开关控制电路150输出的高频信息为第二加载信息。

加法电路170从低通滤波电路160接收第一加载信息，从第二开关控制电路150接收第二加载信息，从音频处理模块180接收原始音频，并将第一加载信息及第二加载信息加载至原始音频，生成输出音频，以输出至其他设备或播放。

图6所示为水印信息、高频信息、第一加载信息与第二加载信息的仿真波形图。在本实施方式中，水印信息近似为高低电位交替的方波，高频信息为高频的弦波，第一加载信息对应水印信息的高电位，为经过低通滤波的高频信息，电压幅度小于高频信息。第二加载信息对应水印信息的低电位，为原始的高频信息。即，音频设备10利用不同电压幅度的高频信息代表水印信息，来叠加至原始音频。因高频信息的频率为20KHz以上，而人耳感受不到频率为20KHz以上的信号，故加载至原始音频的高频信息不会对原始音频产生影响，从而保证了原始音频的品质。

图2所示为本发明另一实施方式中音频设备20的示意图。在本实施方式中，音频设备20与图1中的音频设备10的不同之处在于，音频设备20还包括第一电压跟随器120及第二电压跟随器130且低通滤波电路160还连接至处理器100以接收水印信息。第一电压跟随器120连接于高频噪声产生电路110与第一开关控制电路140之间，用于隔离高频噪声产生电路110与第一开关控制电路140。第二电压跟随器130连接于高频噪声产生电路110与第二开关控制电路150之间，用于隔离高频噪声产生电路110与第二开关控制电路150。从而，第一开关控制电路140与第二开关控制电路150产生的信号不会返回至高频噪声产生电路110，避免影响原始高频信息。

图3所示为本发明一实施方式中音频设备10的具体电路图。在本实施方式中，第一开关控制电路140包括第一开关元件Q1及第二开关元件Q2，第一开关元件Q1与第二开关元件Q2均包括控制极、第一电极及第二电极。第一开关元件的控制极经由第一电阻R1连接参考电压源Vcc，第一电极连接至高频噪声产生电路110接收高频信息并连接低通滤波电路160，第二电极接地。第二开关元件Q2的控制极经由第二电阻R2从处理器100接收水印信息，第一电极连接第一开关元件Q1的控制极，第二电极接地。在本实施方式中，第一开关元件Q1为N型金属氧化物半导体场效应晶体管，其控制极为栅极，第一电极为漏极，第二电极为源极。第二开关元件Q2为NPN三极管，其控制极为基极，第一电极为集电极，第二电极为发射极。

第二开关控制电路150包括第三开关元件Q3，第三开关元件Q3包括控制极、第一电极及第二电极。第三开关元件Q3的控制极连接处理器100接收水印信息，第一电极连接高频噪声产生电路110接收高频信息并连接加法电路170，第二电极接地。在本实施方式中，第三开关元件Q3为N型金属氧化物半导体场效应晶体管，其控制极为栅极，第一电极为漏极，第二电极为源极。

低通滤波电路160包括低通滤波单元161，低通滤波单元161包括第三至第六电阻R3至R6、第一至第三电容C1至C3及第一比较器1600。第三电阻R3一端连接第一开关控制电路140的第一开关元件Q1的第一电极，以接收高频信息，另一端经由第一电容C1接地。第四电阻R4的一端连接第三电阻R3的另一端，另一端经由第二电容C2接地。第一比较器1600的正向输入端接地，负向输入端经由第五电阻R5连接第四电阻R4的另一端，输出端输出第一加载信息，经由第三电容C3连接第四电阻R4的另一端并经由第六电阻R6连接第三电阻R3的另一端。

加法电路170包括反向加法器1700，反向加法器1700的负向输入端经由第七电阻R7连接第二开关控制电路150的第三开关元件Q3的第一电极，经由第八电阻R8连接第一比较器1600的输出端，并从音频处理模块180接收原始音频，反向加法器1700的输出端输出输出音频。在本实施方式中，反向加法器1700的正向输入端接地，输出端经由第九电阻R9连接负向输入端。

在某一时刻，例如图6中0至12ms时，水印信息为逻辑高电位时，第一开关控制电路140的第二开关元件Q2导通，从而拉低第一开关元件Q1的控制极的电位，使第一开关元件Q1截止，因而，高频信息由高频噪声产生电路110输出至低通滤波电路160。低通滤波电路160对高频信息进行低通滤波，产生第一加载信息，即电压幅度减少的高频信息，并经由第八电阻R8传输至加法电路170。而同时，第二开关控制电路150的第三开关元件Q3导通，拉低其第一电极的电位，使得高频信息不进入加法电路170。此时，加载信息仅为第一加载信息，加法电路170将第一加载信息加载至原始音频。

在下一时刻，如图6中12至25ms，水印信息为逻辑低电位时，第一开关控制电路140的第二开关元件Q2截止，第一开关元件Q1导通，从而拉低第一开关元件Q1的第一电极的电位，使得高频信息无法进入低通滤波电路160，低通滤波电路160无输出至加法电路170。同时，第二开关控制电路150的第三开关元件Q3截止，使得高频信息由高频噪声产生电路110输出至加法电路170。此时，加载信息仅为第二加载信息，加法电路170将第二加载信息加载至原始音频。依此类推，音频设备10产生不同幅度的高频信息来取代水印信息，以叠加至原始音频，来保证了输出音频的品质。图7所示为原始音频与输出音频的仿真波形图，从图中可看出，输出音频与原始音频几乎相同，表明音频设备10加载的高频信息不会对原始音频产生影响，保证了输出音频的品质。

图4所示为本发明一实施方式中音频设备20的具体电路图。在本实施方式中，音频设备20与图3中音频设备10的不同之处在于还包括第一电压跟随器120及第二电压跟随器130及低通滤波电路160的电路架构不同。第一电压跟随器120连接于高频噪声产生电路110与第一开关控制电路140的第一开关元件Q1的第一电极之间。第二电压跟随器130连接于高频噪声产生电路110与开关控制电路150的第三开关元件Q3的第一电极之间。

在本实施方式中，低通滤波电路160包括两个低通滤波单元161，且两个低通滤波单元161串联于第一开关控制电路140与加法电路170之间。低通滤波电路160还包括第四开关元件Q4及第五开关元件Q5，第四开关元件Q4与第五开关元件Q5均包括控制极、第一电极及第二电极。第四开关元件Q4的控制极经由第十电阻R10连接至参考电压源Vcc，第一电极连接低通滤波电路160的输出端，即后一低通滤波单元161的第一比较器1600的输出端，第二电极接地。第五开关元件Q5的控制极经由第十一电阻R11接收水印信息，第一电极连接第四开关元件Q4的控制极，第二电极接地。

在本实施方式中，第四开关元件Q4为N型金属氧化物半导体场效应晶体管，其控制极为栅极，第一电极为漏极，第二电极为源极。第五开关元件Q5为NPN三极管，其控制极为基极，第一电极为集电极，第二电极为发射极。

在某一时刻，例如图6中0至12ms时，水印信息为逻辑高电位时，第一开关控制电路140的第二开关元件Q2导通，从而拉低第一开关元件Q1的控制极的电位，使第一开关元件Q1截止，因而，高频信息由高频噪声产生电路110输出至低通滤波电路160。低通滤波电路160经由两个低通滤波单元161对高频信息进行低通滤波，产生第一加载信息，即电压幅度减少的高频信息。此时，低通滤波电路160的第五开关元件Q5导通，拉低第四开关元件Q4的控制极的电位，使第四开关元件Q4截止。因而，第一加载信息经由第八电阻R8传输至加法电路170。而同时，第二开关控制电路150的第三开关元件Q3导通，拉低其第一电极的电位，使得高频信息不进入加法电路170。此时，加载信息仅为第一加载信息，加法电路170将第一加载信息加载至原始音频。

在下一时刻，如图6中12至25ms，水印信息为逻辑低电位时，第一开关控制电路140的第二开关元件Q2截止，第一开关元件Q1导通，从而拉低第一开关元件Q1的第一电极的电位，使得高频信息无法进入低通滤波电路160。此时低通滤波电路160的第五开关元件Q5截止，第四开关元件Q4导通，拉低低通滤波电路160的输出端的电位，确保低通滤波电路160无输出，从而保证加法电路170叠加的加载信息完全同水印信息对应。因而，低通滤波电路160无输出至加法电路170。同时，第二开关控制电路150的第三开关元件Q3截止，使得高频信息由高频噪声产生电路110输出至加法电路170。此时，加载信息仅为第二加载信息，加法电路170将第二加载信息加载至原始音频。依此类推，音频设备10产生不同幅度的高频信息来取代水印信息，以叠加至原始音频，来保证了输出音频的品质。

图5所示为本发明一实施方式中音频信号的水印信息加载方法的流程图。首先，在步骤S500，音频处理模块180产生原始音频，处理器100产生水印信息，高频噪声产生电路110产生高频信息。在本实施方式中，高频信息频率在20KHz以上，水印信息为包括逻辑高低电位的数字信号。在步骤S510，第一开关控制电路140与第二开关控制电路150基于水印信息的不同电位控制高频信息通过。在本实施方式中，第一开关控制电路140在水印信息为高电位时控制高频信息通过，使高频信息进入低通滤波电路160。第二开关控制电路150在水印信息为低电位时控制高频信息通过，使高频信息进入加法电路170。

在步骤S520，若第一开关控制电路140控制高频信息通过而第二开关控制电路150控制高频信息不通过，低通滤波电路160对高频信息进行低通滤波并产生第一加载信息。其中，第一加载信息为低通滤波后的高频信息，电压幅度减小，用来取代高电位的水印信息。

在步骤S530，若第一开关控制电路140控制高频信息不通过而第二开关控制电路150控制高频信息通过，第二开关控制电路150将高频信息作为第二加载信息发送至加法电路170。在本实施方式中，第二加载信息为原始的高频信息，对应低电位的水印信息。

在步骤S540，加法电路170将第一加载信息及第二加载信息加载至原始音频，以生成输出音频。

本发明的音频设备10及20及其音频信号的水印信息加载方法将逻辑高低电位的水印信息转换为不同电压幅度的高频信息，加载至原始音频，以在输出音频被泄漏时，可经由反向提取加载的水印信息，追查泄漏源头，确保音频信号的安全，并更好的保护音频信号。此外，水印信息被转换为高频信息进行加载，不会对原始音频产生影响，确保了输出音频的品质。

Claims (8)

1.一种音频设备，其特征在于包括：

处理器，用于执行所述音频设备的工作任务，并产生水印信息，所述水印信息包括逻辑高电位与逻辑低电位；

音频处理模块，与所述处理器相连，用于产生原始音频；

高频噪声产生电路，用于产生高频信息；

第一开关控制电路，与所述处理器及所述高频噪声产生电路相连；

第二开关控制电路，与所述处理器及所述高频噪声产生电路相连，其中所述第一开关控制电路与所述第二开关控制电路基于所述水印信息的不同电位控制所述高频信息通过；

低通滤波电路，与所述第一开关控制电路相连，用于将从所述第一开关控制电路接收的高频信息进行低通滤波，并形成第一加载信息；及

加法电路，用于从所述低通滤波电路接收所述第一加载信息，从所述第二开关控制电路接收所述高频信息作为第二加载信息，然后将所述第一加载信息及所述第二加载信息加载至所述原始音频。

2.如权利要求1所述的音频设备，其特征在于，还包括：

第一电压跟随器，连接于所述高频噪声产生电路与所述第一开关控制电路之间，用于隔离所述高频噪声产生电路与所述第一开关控制电路；及

第二电压跟随器，连接于所述高频噪声产生电路与所述第二开关控制电路之间，用于隔离所述高频噪声产生电路与所述第二开关控制电路。

3.如权利要求1所述的音频设备，其特征在于，所述第一开关控制电路包括：

第一开关元件，包括控制极、第一电极及第二电极，所述控制极经由第一电阻连接参考电压源，所述第一电极接收所述高频信息并连接所述低通滤波电路，所述第二电极接地；及

第二开关元件，包括控制极、第一电极及第二电极，所述第二开关元件的控制极经由第二电阻接收所述水印信息，所述第二开关元件的第一电极连接所述第一开关元件的控制极，所述第二开关元件的第二电极接地。

4.如权利要求1所述的音频设备，其特征在于，所述第二开关控制电路包括第三开关元件，所述第三开关元件包括控制极、第一电极及第二电极，所述第三开关元件的控制极接收所述水印信息，所述第三开关元件的第一电极接收所述高频信息并连接所述加法电路，所述第三开关元件的第二电极接地。

5.如权利要求1所述的音频设备，其特征在于，所述低通滤波电路包括至少一个串联连接的低通滤波单元，所述低通滤波单元包括：

第三电阻，一端连接所述第一开关控制电路；

第一电容，一端连接所述第三电阻的另一端，另一端接地；

第四电阻，一端连接所述第三电阻的另一端；

第二电容，一端连接所述第四电阻的另一端，另一端接地；

第五电阻，一端连接所述第四电阻的另一端；

第一比较器，所述第一比较器的正向输入端接地，负向输入端连接所述第五电阻的另一端，输出端输出所述第一加载信息；

第三电容，连接于所述第一比较器的输出端与所述第四电阻的另一端之间；及

第六电阻，连接于所述第一比较器的输出端与所述第三电阻的另一端之间。

6.如权利要求5所述的音频设备，其特征在于，所述低通滤波电路还包括：

第四开关元件，包括控制极、第一电极及第二电极，所述第四开关元件的控制极经由第七电阻连接参考电压源，所述第四开关元件的第一电极连接所述第一比较器的输出端并连接所述加法电路，所述第四开关元件的第二电极接地；及

第五开关元件，包括控制极、第一电极及第二电极，所述第五开关元件的控制极经由第八电阻接收所述水印信息，所述第五开关元件的第一电极连接所述第四开关元件的控制极，所述第五开关元件的第二电极接地。

7.如权利要求1所述的音频设备，其特征在于，所述加法电路包括反向加法器，所述反向加法器的负向输入端经由第九电阻接收所述第二加载信息，经由第十电阻接收所述第一加载信息，并接收所述原始音频。

8.一种音频信号的水印信息加载方法，用于音频设备中，其特征在于，包括：

产生原始音频、高频信息及水印信息，所述水印信息包括逻辑高电位与逻辑低电位；

第一开关控制电路与第二开关控制电路基于所述水印信息的不同电位控制所述高频信息通过；

若所述第一开关控制电路控制所述高频信息通过且所述第二开关控制电路控制所述高频信息不通过，对所述高频信息进行低通滤波并产生第一加载信息；

若所述第一开关控制电路控制所述高频信息不通过且所述第二开关控制电路控制所述高频信息通过，将所述高频信息作为第二加载信息发送至加法电路；及

将所述第一加载信息及所述第二加载信息加载至所述原始音频，以生成输出音频。