CN106209297B - 基于qpsk信号调制的射频水印嵌入和提取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于QPSK信号调制的射频水印嵌入和提取方法，方法包括以下步骤：射频水印信号嵌入步骤：将水印信号转化为水印码元序列并和分段后的载体码元序列根据各自的信号幅度进行叠加，叠加后进行QPSK调制发射；射频信号的解调步骤：将收到的QPSK信号进过降频、归一化处理得到的信号对比标准星座图，得到载体码元；射频水印信号提取步骤：将归一化采样信号与载体码元的差值作为水印提取的原始数据，从此数据中解调出水印实部和虚部的两路水印，在通过符号函数判决水印结果。本发明还提供了实现上述方法的系统。本发明通过在底层的物理信号中添加射频水印信号，丰富了数字水印隐藏方法。

Description

基于QPSK信号调制的射频水印嵌入和提取方法及系统

技术领域

本发明涉及数字水印领域，尤其是涉及一种基于QPSK(正交相移键控)信号调制的射频水印嵌入和提取方法。

背景技术

数字水印技术是通过一定的算法将一些标识信息直接嵌入数字载体中，但不影响原载体的使用价值，也不容易被人的知觉系统觉察或注意到，只有通过专门的方法或者检测系统才能提取。其中的水印信息可以是作者的序列号、公司标志、有特殊意义的文本等，通过这些隐藏在载体中的水印信息，可以用来确认识别文件、图像或音乐制品的来源、版本、原作者、拥有者、发行人、合法使用人对数字产品的拥有权。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。传统数字水印主要以多媒体、文档、软件等信号作为信息载体，无法应用到更加底层的物理信号，数字水印隐藏方法不够丰富。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于QPSK信号调制的射频水印嵌入和提取方法，其目的在底层物理载体射频信号上添加水印信号的直接叠加，在不影响载体信号正常调制解调的情况下，利用水印信号来传递隐蔽信息，由此丰富了数字水印隐藏方法手段。

为实现上述目的，本发明提供一种基于QPSK信号调制的射频水印嵌入和提取方法，包括以下步骤：

射频水印信号的嵌入步骤：将载体码元序列按扩频序列长度分段，将水印比特序列乘以扩频序列得到水印码元序列，将分段后的载体码元序列和水印码元序列叠加，叠加后的基带信号采用QPSK调制发射；

射频信号的解调步骤：移除接收到QPSK信号的载频得到基带信号，对基带信号进行采样得到射频信号估计值，将归一化的射频信号估计值对比标准星座图点位置得到载体码元；

射频水印信号的提取步骤：由载体码元序列得到水印码元序列，计算水印序列和扩频序列得到实部、虚部两路水印信号，再通过符号函数判决得到水印比特。

进一步地，所述射频水印信号的嵌入步骤的具体实现方式为：

(11)首先在载体码元序列x前添加固定的同步头序列，然后将载体码元序列根据水印信息采用的扩频序列长度来分段，每段中载体码元序列表示为其中，和的取值都是±1，j是虚数符号，N是扩频序列长度；

(12)将待传输的水印比特序列乘以扩频序列得到水印码元序列w_i，在载体信号的实部和虚部分别嵌入一路水印信号，需要选取两个扩频序列u和v，u和v采用相同或不同的扩频序列，水印信号为w_i＝dIu_i+jd^Qv_i,i＝1,2,…,N，其中，d^I和d^Q的取值都是±1，j是虚数符号，u_i和v_i的取值都是±1，分别是u和v中具体的扩频序列值，N是扩频序列长度；

(13)根据水印信号幅度λ和载体信号幅度ρ将水印信号和载体信号叠加，叠加后得到的信号s_i＝ρx_i+λw_i；

(14)采用QPSK调制方式对叠加信号进行调制，调制后的原始信号表达式为其中f_c是载波频率，T是码元周期，j是虚数单位。

进一步地，所述射频信号的解调步骤的具体实现方式为：

(21)接收并移除QPSK信号中的载频，得到基带信号；对基带信号进行码元速率采样，即一个码元采样一个点，采样后的码元信号即为射频信号的估计值s_i；

(22)对射频信号估计值s_i进行归一化计算得到归一化采样值

(23)将归一化采样值与标准星座图中星座点位置x_k比较，判决得到载体码元序列，即载体码元序列|| ||表示欧氏距离，argmin表示参数最小化。

进一步地，所述射频水印信号的提取步骤的具体实现方式为：

(31)归一化采样值与载体码元解调结果的差值作为水印信号提取的原始数据其中是归一化采样值，是解调后得到的载体码元序列，ρ是载体信号幅度，λ是水印信号幅度；

(32)将水印码元序列与扩频序列进行相关运算，分别解调水印信号中实部和虚部的两路水印和式中u_i和v_i分别是发射端的两种扩频序列，和分别是解调得到的水印信号；

(33)对得到的两路水印信号和通过符号函数进行判决得到最终水印比特。

本发明还提供一种基于QPSK信号调制的射频水印嵌入和提取系统，包括以下模块：

射频水印信号嵌入模块，用于将载体码元序列按扩频序列长度分段，将水印比特序列乘以扩频序列得到水印码元序列，将分段后的载体码元序列和水印码元序列叠加，叠加后的基带信号采用QPSK调制发射；

射频信号解调模块，用于移除接收到QPSK信号的载频得到基带信号，对基带信号进行采样得到射频信号估计值，将归一化的射频信号估计值对比标准星座图点位置得到载体码元；

射频水印信号提取模块，用于计算载体码元序列和归一化采样值的差值得到水印码元序列，在由水印序列和扩频序列得到实部、虚部两路水印比特，再通过符号函数判决得到水印结果。

进一步地，所述射频水印信号嵌入模块包括信号分段器、信号转换器、信号叠加器、调制发射器；

所述信号分段器，用于在载体码元序列x前添加固定的同步头序列，然后将载体码元序列根据水印信息采用的扩频序列长度来分段，每段中载体码元序列表示为其中，和的取值都是±1，j是虚数符号，N是扩频序列长度；

所述信号转换器，用于将待传输的水印比特序列乘以扩频序列得到水印码元序列w_i，在载体信号的实部和虚部分别嵌入一路水印信号，需要选取两个扩频序列u和v，u和v采用相同或不同的扩频序列，水印码元序列为w_i＝d^Iu_i+jd^Qv_i,i＝1,2,…,N，其中，d^I和d^Q的取值都是±1，j是虚数符号，u_i和v_i的取值都是±1，分别是u和v中具体的扩频序列值，N是扩频序列长度；

所述信号叠加器，用于根据水印信号幅度λ和载体信号幅度ρ将水印信号和载体信号叠加，叠加后得到的信号s_i＝ρx_i+λw_i；

所述信号调制发射器，用于采用QPSK调制方式对叠加信号进行调制，调制后的原始信号表达式为其中f_c是载波频率，T是码元周期，j是虚数单位。

进一步地，所述射频信号解调模块包括信号处理采样器、归一化处理器、信号比较器；

所述信号处理采样器，用于接收并移除QPSK信号中的载频，得到基带信号；对基带信号进行码元速率采样，即一个码元采样一个点，采样后的码元信号即为射频信号的估计值s_i；

所述归一化处理器，用于对射频信号估计值s_i进行归一化计算得到归一化采样值

所述信号比较器，用于将归一化采样值与标准星座图中星座点位置x_k比较，判决得到载体码元序列，即载体码元序列|| ||表示欧氏距离，argmin表示参数最小化。

进一步地，所述射频水印信号提取模块包括水印码元计算器、水印比特计算器、水印判决器；

所述水印码元计算器，用于将归一化采样值与载体码元解调结果的差值作为水印信号提取的原始数据其中是归一化采样值，是解调后得到的载体码元序列，ρ是载体信号幅度，λ是水印信号幅度；

所述水印比特计算器，用于将水印码元序列与扩频序列进行相关运算，分别解调水印信号中实部和虚部的两路水印和式中u_i和v_i分别是发射端的两种扩频序列，和分别是解调得到的水印信号；

所述水印判决器，用于对得到的两路水印信号和通过符号函数进行判决得到最终水印比特。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明是在底层物理信号中直接叠加数字水印信号，且不影响载体信号的正常调制解调，利用数字水印信号来传递隐蔽信息。丰富了数字水印技术隐藏方法手段。

附图说明

图1是基于正交相移键控信号调制的射频水印嵌入和提取方法流程图；

图2是本发明的QPSK调制信号中嵌入水印示意图；

图3是本发明的水印原理示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出的基于QPSK信号调制的射频水印嵌入和提取方法流程如图1所示包括：

(1)射频水印信号的嵌入步骤；

(11)首先在载体码元序列x前添加固定的同步头序列，然后将载体码元序列根据水印信息采用的扩频序列长度来分段，每段中载体码元序列记为x_i。如图2所示，在QPSK调制中，载体码元可以表示为

其中，和的取值都是±1，j是虚数符号，N是扩频序列长度，x_i就是一个QPSK信号的基带码元。

本实施例中，同步头序列是第一个码元，固定为x₁＝1+j。

(12)将待传输的水印比特序列乘以扩频序列得到水印码元序列w_i。如图3所示为水印嵌入原理示意图，我们在载体信号的实部和虚部分别嵌入一路水印，因此需要选取两个扩频序列，记为u和v。这里的u和v可以采用相同的扩频序列，也可以采用不同的扩频序列，该选择结果对最后的水印解码结果没有影响。因此最后的水印码元序列为

w_i＝d^Iu_i+jd^Qv_i,i＝1,2,…,N， (2)

其中，d^I和d^Q的取值都是±1，j是虚数符号。u_i和v_i的取值都是±1，分别是u和v中具体的扩频序列值，N是扩频序列长度。

本实施例中，设定QPSK码元速率为1000Bd，扩频序列长度为N＝50，即水印码元速率为20Bd，每50个载体码元信号对应嵌入一个水印码元。

(13)根据水印信号幅度λ和载体信号幅度ρ将水印信号w_i叠加到步骤1.1中的载体信号x_i，得到叠加后的基带信号s_i

s_i＝ρx_i+λw_i。 (3)

本实施例中，载体信号幅度取ρ＝1，水印信号幅度取λ＝0.05，由此可得，载体信号幅度是水印信号幅度的20倍。

(14)将叠加后的基带信号调制发射。本实施例采用QPSK调制方式对基带信号s_i进行调制，调制后的原始信号表达式为：

其中f_c是载波频率，T是码元周期，j是虚数单位。

本实施例中设定载波频率为f_c＝92MHz。

(2)射频信号的解调步骤；

(21)接收QPSK信号，移除QPSK信号中的载频，得到基带信号。对基带信号进行码元速率采样，即一个码元采样一个点，采样后的码元信号即为射频信号的估计值s_i。

本实施例中通过混频器和低通滤波器移除QPSK信号中的载频。

(22)对采样后的信号进行归一化后，其步骤为

这里进行归一化的目的是消除信号在传输时幅度衰减对解调的影响。其中s_i是射频信号的估计值。

(23)将归一化的采样信号与标准星座图中星座点位置p_k比较，判决得到载体码元，其过程如下：

公式(6)的物理含义是，判决得到的码元是距离采样点最近的星座图点对应的码元，|| ||表示欧氏距离，argmin表示参数最小化，即使得最小的x_k。

本实施例中，x_k是公式(1)中定义的标准星座图码元位置，是信号解调后的载体码元。

(3)射频水印信号的提取步骤；

(31)归一化的采样信号与载体码元解调结果的差值作为水印提取的原始数据，将带入到公式(3)中，可得

其中是公式(5)定义的归一化采样值，是公式(6)解调得到的载体码元。

本实施例中，ρ和λ均是公式(3)中设定的参数，ρ＝1，λ＝0.05。

(32)将步骤(31)中得到的水印码元序列与扩频序列进行相关运算，分别解调水印码元序列中实部和虚部的两路水印信号，

其中和分别是解调得到的水印信号。

本实施例中，u_i和v_i分别是发射端的两种扩频序列。

(33)对步骤(32)中得到的两路水印信号

通过如下符号函数进行判决，即可判定水印比特结果。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于QPSK信号调制的射频水印嵌入和提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

射频水印信号的嵌入步骤：将载体码元序列按扩频序列长度分段，将水印比特序列乘以扩频序列得到水印码元序列，将分段后的载体码元序列和水印码元序列叠加，叠加后的基带信号采用QPSK调制发射；

射频信号的解调步骤：移除接收到QPSK信号的载频得到基带信号，对基带信号进行采样得到射频信号估计值，将归一化的射频信号估计值对比标准星座图点位置得到载体码元序列；

射频水印信号的提取步骤：由载体码元序列得到水印码元序列，计算水印码元序列和扩频序列得到实部、虚部两路水印信号，再通过符号函数判决得到水印比特序列。

2.根据权利要求1所述的基于QPSK信号调制的射频水印嵌入和提取方法，其特征在于，所述射频水印信号的嵌入步骤的具体实现方式为：

(11)首先在载体码元序列x前添加固定的同步头序列，然后将载体码元序列根据水印码元序列采用的扩频序列长度来分段，每段中载体码元序列表示为i＝1,2,…,N，其中，和的取值都是±1，j是虚数符号，N是扩频序列长度；

(12)将待传输的水印比特序列乘以扩频序列得到水印码元序列w_i，在载体信号的实部和虚部分别嵌入一路水印信号，需要选取两个扩频序列u和v，u和v采用相同或不同的扩频序列，水印信号为w_i＝d^Iu_i+jd^Qv_i,i＝1,2,…,N，其中，d^I和d^Q的取值都是±1，j是虚数符号，u_i和v_i的取值都是±1，分别是u和v中具体的扩频序列值，N是扩频序列长度；

(13)根据水印信号幅度λ和载体信号幅度ρ将水印信号和载体信号叠加，叠加后得到的信号s_i＝ρx_i+λw_i；

(14)采用QPSK调制方式对叠加信号进行调制，调制后的原始信号表达式为iT≤t≤(i+1)T，其中f_c是载波频率，T是码元周期，j是虚数单位，Re[]表示求实部。

3.根据权利要求1所述的基于QPSK信号调制的射频水印嵌入和提取方法，其特征在于，所述射频信号的解调步骤的具体实现方式为：

(21)接收并移除QPSK信号中的载频，得到基带信号；对基带信号进行码元速率采样，即一个码元采样一个点，采样后的码元信号即为射频信号的估计值s_i；

(22)对射频信号估计值s_i进行归一化计算得到归一化采样值

(23)将归一化采样值与标准星座图中星座点位置x_k比较，判决得到载体码元序列，即载体码元序列||||表示欧氏距离，argmin表示参数最小化。

4.根据权利要求1所述的基于QPSK信号调制的射频水印嵌入和提取方法，其特征在于，所述射频水印信号的提取步骤的具体实现方式为：

(31)归一化采样值与载体码元序列解调结果的差值作为水印信号提取的原始数据其中是归一化采样值，是解调后得到的载体码元序列，ρ是载体信号幅度，λ是水印信号幅度；

(32)将水印码元序列与扩频序列进行相关运算，分别解调水印信号中实部和虚部的两路水印信号和式中u_i和v_i分别是发射端的两种扩频序列，和分别是解调得到的水印信号，Re[]表示求实部，Im[]表示求虚部；

(33)对得到的两路水印信号和

通过符号函数进行判决得到最终水印比特序列。

5.基于QPSK信号调制的射频水印嵌入和提取系统，其特征在于，包括以下模块：

射频水印信号嵌入模块，用于将载体码元序列按扩频序列长度分段，将水印比特序列乘以扩频序列得到水印码元序列，将分段后的载体码元序列和水印码元序列叠加，叠加后的基带信号采用QPSK调制发射；

射频信号解调模块，用于移除接收到QPSK信号的载频得到基带信号，对基带信号进行采样得到射频信号估计值，将归一化的射频信号估计值对比标准星座图点位置得到载体码元序列；

射频水印信号提取模块，用于计算载体码元序列和归一化采样值的差值得到水印码元序列，在由水印码元序列和扩频序列得到实部、虚部两路水印比特序列，再通过符号函数判决得到水印结果。

6.根据权利要求5所述的基于QPSK信号调制的射频水印嵌入和提取系统，其特征在于，所述射频水印信号嵌入模块包括信号分段器、信号转换器、信号叠加器、调制发射器；

所述信号分段器，用于在载体码元序列x前添加固定的同步头序列，然后将载体码元序列根据水印码元序列采用的扩频序列长度来分段，每段中载体码元序列表示为i＝1,2,…,N，其中，和的取值都是±1，j是虚数符号，N是扩频序列长度；

所述信号转换器，用于将待传输的水印比特序列乘以扩频序列得到水印码元序列w_i，在载体信号的实部和虚部分别嵌入一路水印信号，需要选取两个扩频序列u和v，u和v采用相同或不同的扩频序列，水印码元序列为w_i＝d^Iu_i+jd^Qv_i,i＝1,2,…,N，其中，d^I和d^Q的取值都是±1，j是虚数符号，u_i和v_i的取值都是±1，分别是u和v中具体的扩频序列值，N是扩频序列长度；

所述信号叠加器，用于根据水印信号幅度λ和载体信号幅度ρ将水印信号和载体信号叠加，叠加后得到的信号s_i＝ρx_i+λw_i；

所述信号调制发射器，用于采用QPSK调制方式对叠加信号进行调制，调制后的原始信号表达式为iT≤t≤(i+1)T，其中f_c是载波频率，T是码元周期，j是虚数单位，Re[]表示求实部。

7.根据权利要求5所述基于QPSK信号调制的射频水印嵌入和提取系统，其特征在于，所述射频信号解调模块包括信号处理采样器、归一化处理器、信号比较器；

所述信号处理采样器，用于接收并移除QPSK信号中的载频，得到基带信号；对基带信号进行码元速率采样，即一个码元采样一个点，采样后的码元信号即为射频信号的估计值s_i；

所述归一化处理器，用于对射频信号估计值s_i进行归一化计算得到归一化采样值

所述信号比较器，用于将归一化采样值与标准星座图中星座点位置x_k比较，判决得到载体码元序列，即载体码元序列||||表示欧氏距离，argmin表示参数最小化。

8.根据权利要求5所述基于QPSK信号调制的射频水印嵌入和提取系统，其特征在于，所述射频水印信号提取模块包括水印码元计算器、水印比特计算器、水印判决器；

所述水印码元计算器，用于将归一化采样值与载体码元序列解调结果的差值作为水印信号提取的原始数据其中是归一化采样值，是解调后得到的载体码元序列，ρ是载体信号幅度，λ是水印信号幅度；

所述水印比特计算器，用于将水印码元序列与扩频序列进行相关运算，分别解调水印信号中实部和虚部的两路水印信号和式中u_i和v_i分别是发射端的两种扩频序列，和分别是解调得到的水印信号，Re[]表示求实部，Im[]表示求虚部；

所述水印判决器，用于对得到的两路水印信号和通过符号函数进行判决得到最终水印比特序列。