CN110290126A - 一种基于fsk信号调制的射频水印传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FSK信号调制的射频水印传输方法，包括：水印嵌入：将水印比特重复M次，得到水印码元比特；根据所述水印码元比特与水印强度，得到待嵌入的水印信号；将所述待嵌入的水印信号与设置好的FSK基带调制信号相乘以实现相位上的叠加，完成水印嵌入；信号传输：将嵌入水印的FSK基带调制信号进行载频调制后发射至无线信道，在通信系统接收端采集信号；从接收到的嵌入水印的FSK基带调制信号中，提取出水印信号包含的比特信息。本发明通过将水印信号嵌入FSK调制信号的相位上，实现特定信息的隐蔽传输，同时可以消除由于多径效应引入的额外相位分量，抑制多径效应对射频水印传输带来的影响。

Description

一种基于FSK信号调制的射频水印传输方法

技术领域

本发明属于射频水印领域，更具体地，涉及一种基于FSK信号调制的射频水印传输方法。

背景技术

信息隐藏是一个长期受到关注的问题，传统的信息隐藏载体是以视频、图像和音频为代表的多媒体数据，通过在多媒体数据中嵌入水印，能够在不影响正常的视频、图像和音频传输的情况下，在接收端通过特定方式检测出水印，从而实现水印信号的传输，这种技术通常称为数字水印。数字水印可以用来传输视频、图像和音频的版权信息，达到版权保护的目标；也可以用来传输一些机密信息，实现军事上的保密通信用途。但是，多媒体数据本质上是1和0组成的比特流，可以直接通过计算机来进行分析，随着现代超级计算机运算性能的增强，破译多媒体数据中的隐藏水印信号只是时间的问题。因此，科研人员开始把目光集中到通信系统的更底层，即物理调制信号上，这一领域是传统的调制和解调算法所涉及的领域，通常采用硬件来实现，普通计算机无法直接获取到物理调制信号，也就无法采用暴力运算的方法来进行破解，因为通常的物理调制信号都是射频信号。所以这种将水印信号嵌入到物理调制信号上的技术，称为射频水印。

目前射频水印技术是针对不同调制方式来分别设计的，例如针对正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)信号，设计了一种基于星座图叠加的射频水印传输方案(专利201610521761.0)；针对连续相位频移键控(Continuous-phase frequency-shift keying,CPFSK)，设计了一种基于调制指数叠加的射频水印传输方案(专利201611070526.2)；针对连续相位调制(Continuous phase modulation,CPM)，设计了一种基于相位叠加的射频水印传输方案(专利201711135736.X)。因此，针对不同调制方式的射频信号，所采用的射频水印传输方式是不同的，需要针对调制方式自身的特点来专门设计。

频移键控(Frequency-shift keying，FSK)调制方式是一种通常用于无线衰落信道的调制方式，由于该调制方式实现简单，抗衰落能力强，广泛用于无线传感器网络中各个传感器节点的通信中。而现有的射频水印方案都不适用于FSK调制方式，使得FSK调制在实际应用中存在诸多缺陷，如在无线传感器网络中各个节点通信时需要校验身份信息，传统方式采用密钥身份认证机制，一方面会占用频带传输资源，另外一方面也会加重传感器处理芯片的运算负担，造成能量损耗。

总体而言，亟需提出一种适用于FSK调制方式的射频水印传输方法，以实现基于FSK信号调制的射频水印传输。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于FSK信号调制的射频水印传输方法，目的在于提供一种适用于FSK调制方式的射频水印传输方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于FSK信号调制的射频水印传输方法，包括：

(1)水印嵌入；

(1.1)将水印比特重复M次，得到水印码元比特；

(1.2)根据所述水印码元比特与水印强度，得到待嵌入的水印信号；

(1.3)将所述待嵌入的水印信号与设置好的FSK基带调制信号相乘以实现相位上的叠加，完成水印嵌入；

(2)信号传输；

将嵌入水印的FSK基带调制信号进行载频调制后发射至无线信道，在通信系统接收端采集信号；

(3)从接收到的嵌入水印的FSK基带调制信号中，提取出水印信号包含的比特信息。

进一步地，所述步骤(3)，具体包括：

(301)将接收到的嵌入水印的FSK基带调制信号与本地载波相乘，并对得到的乘积结果在一个码元周期内求积分；

(302)将积分结果中每M个值求和后取幅角，得到水印解调值；

(303)对所述水印解调值进行极性检测，得到水印信号包含的比特信息。

进一步地，步骤(303)中所述对所述水印解调值进行极性检测，得到水印信号包含的比特信息，具体为，其中，为水印解调值。

进一步地，所述步骤(3)，具体包括：

(311)将接收到的嵌入水印的FSK基带调制信号分别与两路本地载波相乘，并分别对得到的两种乘积结果在一个码元周期内求积分；

(312)分别对两个积分结果中每M个值求和后取矢量的角度分量，得到两路水印解调值；

(313)对所述两路水印解调值进行极性检测，得到水印信号包含的比特信息。

进一步地，(313)中所述对所述两路水印解调值进行极性检测，得到水印信号包含的比特信息，具体为，其中，两路水印解调值。

进一步地，将水印比特重复20次，得到水印码元比特。

进一步地，所述水印强度为0.1。

进一步地，所述设置好的FSK基带调制信号为：

其中，{a_n}代表幅度序列且满足a_n＝0,1，A代表载波信号幅度，Δf与-Δf是载波频偏。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明的射频水印传输方法，将水印信号嵌入到FSK调制信号的相位上，而通用的FSK接收机只通过区分信号的频率来判决接收到的码元信号比特值，因此嵌入的水印信号不会影响FSK调制信号传输的码元的正常接收，从而实现特定信息的隐蔽传输。

(2)本发明的射频水印传输方法，将水印信号只嵌入到FSK调制信号中的一个频率成分的相位上，即使在某些情况下，无线信道中由于多径效应引入了额外的相位分量，通过两路信号相减，即可以消除由于多径效应引入的额外相位分量，从而抑制多径效应对射频水印传输带来的影响。

(3)本发明提出了两种水印提取方法，第一种相干解调方法，应用于高斯白噪声信道，即不存在多径效应的信道，如果无线信道中不存在多径效应，那么直接采用单路信号进行极性判决，可以获得更低的误码率；第二种非相干解调方法，应用于无线衰落信道，即存在多径效应导致的额外相位分量的信道。

附图说明

图1是一种基于FSK信号调制的射频水印传输方法流程图；

图2是FSK调制信号中嵌入水印的系统结构图；

图3是水印信号相干解调算法框图；

图4是水印信号非相干解调算法框图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种基于FSK信号调制的射频水印传输方法，主要包括水印嵌入和水印提取两个部分，下面分别对其进行说明。

水印嵌入系统框图如图1所示，根据设置好的水印嵌入码率1/M，首先将水印比特b_n重复M次变为码元d_n，根据水印码元d_n设计水印信号，然后将水印信号叠加到载体信号上，并通过硬件设备进行载频调制后发射到无线信道。然后接收端将射频水印信号从接收信号中提取出来，射频水印的提取算法如图2与图3所示。

(1)本实施例的射频水印嵌入方法包括以下步骤：

步骤1.1：将水印比特重复M次变为码元d_n，然后根据水印码元与水印强度设计如下待嵌入的水印信号：

其中，d_n＝±1是水印码元比特，g(t)是为一个幅度为1/2T且持续时间为T秒的矩形脉冲，ρ是水印强度，本实例中水印强度取ρ＝0.1，水印嵌入码率1/M＝1/20。在实际应用中，ρ的取值范围是0到1之间，ρ的取值越小，水印的隐蔽性越好，但是相应的提取水印时更容易受到噪声的干扰，导致水印检测错误；M的取值范围是大于等于1的自然数，M的取值越小，水印的信息传输速率越快，但是水印的抗噪声干扰能力也越弱，M的取值越大，水印的信息传输速率会变慢，但是抗噪声干扰能力也会相应提高。本实施例中ρ＝0.1和M＝20是在水印传输速率和抗干扰能力的折中考虑，实际应用中可以根据上述原则进行调整。

步骤1.2：将待嵌入的水印信号w(t)与设置好的FSK基带调制信号相乘以实现相位上的叠加，完成水印嵌入。

具体地，FSK基带调制信号表示如下：

其中，{a_n}代表幅度序列且满足a_n＝0,1，A代表载波信号幅度，Δf与-Δf是载波频偏(本实例中系统采用零中频架构f_c＝0)。

嵌入水印的FSK基带调制信号，即发射端的信号为：

在本实例中，射频水印的提取可以分别采取相干解调与非相干解调算法，相干解调方案应用于高斯白噪声信道(即不存在多径效应的信道)，非相干解调算法应用于无线衰落信道(即存在多径效应导致的额外相位分量的信道)。

(2)射频水印提取的相干解调算法包括以下步骤：

步骤2.1：将接收到的信号r(t)与本地载波相乘，并对得到的乘积结果在一个码元周期内求积分，结果如下式所示：

步骤2.2、将步骤2.1中的运算结果u₁(t)中每M个值求和后取幅角，得到水印解调值，如下式所示：

步骤2.3、根据步骤2.2中运算结果的极性，判定水印比特，判决规则如下式所示：

如果无线信道中并不存在多径效应，那么直接采用单路信号进行极性判决，可以获得更低的误码率。

(3)射频水印提取的非相干解调算法包括以下步骤：

步骤3.1：将接收到的信号r(t)分别与两路本地载波相乘，并分别对得到的两种乘积结果在一个码元周期内求积分：

步骤3.2：将步骤3.1中两路的运算结果u₁(t)与u₂(t)分别进行如下运算，即将运算结果中每M个值求和取幅值，得到两路水印解调值，如下式所示：

步骤3.3：对步骤3.2中得到的两路水印解调值进行判决，通过符号函数即可判定水印结果，判决规则如下：

本发明中的方法可以应用到任何采用FSK调制方式的实际系统中，如传输传感器身份信息，使身份认证可以在数据解调时同步进行，既不会占用频带资源，也不会增加芯片的运算幅度。

本领域的技术人员容易理解，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)

1.一种基于FSK信号调制的射频水印传输方法，其特征在于，包括：

(1)水印嵌入；

(1.1)将水印比特重复M次，得到水印码元比特；

(1.2)根据所述水印码元比特和水印强度，得到待嵌入的水印信号；

(1.3)将所述待嵌入的水印信号与设置好的FSK基带调制信号相乘以实现相位上的叠加，完成水印嵌入；

(2)信号传输；

将嵌入水印的FSK基带调制信号进行载频调制后发射至无线信道，在通信系统接收端采集信号；

(3)从接收到的嵌入水印的FSK基带调制信号中，提取出水印信号包含的比特信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于FSK信号调制的射频水印嵌入方法，其特征在于，所述步骤(3)，具体包括：

(301)将接收到的嵌入水印的FSK基带调制信号与本地载波相乘，并对得到的乘积结果在一个码元周期内求积分；

(302)将积分结果中每M个值求和后取幅角，得到水印解调值；

(303)对所述水印解调值进行极性检测，得到水印信号包含的比特信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于FSK信号调制的射频水印嵌入方法，其特征在于，步骤(303)中所述对所述水印解调值进行极性检测，得到水印信号包含的比特信息，具体为，

其中，为水印解调值。

4.根据权利要求1所述的一种基于FSK信号调制的射频水印嵌入方法，其特征在于，所述步骤(3)，具体包括：

(311)将接收到的嵌入水印的FSK基带调制信号分别与两路本地载波相乘，并分别对得到的两种乘积结果在一个码元周期内求积分；

(312)分别对两个积分结果中每M个值求和后取幅角，得到两路水印解调值；

(313)对所述两路水印解调值进行极性检测，得到水印信号包含的比特信息。

5.根据权利要求4所述的一种基于FSK信号调制的射频水印提取方法，其特征在于，(313)中所述对所述两路水印解调值进行极性检测，得到水印信号包含的比特信息，具体为，

其中，两路水印解调值。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于FSK信号调制的射频水印传输方法，其特征在于，将水印比特重复20次，得到水印码元比特。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于FSK信号调制的射频水印嵌入方法，其特征在于，所述水印强度为0.1。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于FSK信号调制的射频水印传输方法，其特征在于，所述设置好的FSK基带调制信号为：

其中，{a_n}代表幅度序列且满足a_n＝0,1，A代表载波信号幅度，Δf与-Δf是载波频偏。