基于中短波信道的数字音频水印技术研究与应用

严波

（国家新闻出版广电总局2023台 海南571800）

摘要：随着科技的发展，中短波广播的主流媒体的地位逐步被互联网等新兴媒体所取代，如何更好地利用中短波信道,提高信道的利用率，发挥中短波广播的作用，是当今拓宽中短波业务范围的一个重要研究方向。关键词：数字水印 窄带通信 扩频通信 人耳掩蔽效应 伪随机码 自相关性 互相关性

1 引言

进入二十一世纪，随着互联网迅猛发展，广播特别是中短波广播被逐步边缘化，收听广播的听众越来越少，主要集中在中老年以及爱好者范围内；所以如何利用中短波广播的优势，结合新技术，拓宽中短波广播业务范围，成为当今中短波广播的一大研究方向。

2 基于中短波信道的数字音频水印技术试验

近几年，无线电台管理局（无线局）针对能否在中短波信号中嵌入隐藏信息，验证水印技术在中短波广播中应用的可行性和实用性进行了试验，即基于短波信道的数字音频水印技术试验（简称水印试验）。该试验目的是能够在不改变中短波广播传输带宽和不影响听众收听质量的前提下，利用扩频技术和人耳掩蔽技术将信息隐藏到到中短波广播信号中，并在容忍的时间内，在不被第三方非法解码的情况下，在服务区成功提取嵌入在无线广播信号中的隐藏信息，为将来实际应用推广做技术准备。

2.1水印工作原理

图1 水印试验方案原理图

如图1所示，在发射端，水印信息嵌入设备将水印信息嵌入到原始音频节目信号中，经音频处理器由中短波发射机发送出去。在接收端，无线电信号被收音机接收后，送给水印读取设备进行解码提取，在计算机上显示水印信息。

2.1.1 水印信息嵌入工作原理

图2 数字音频水印嵌入工作原理

1. 原理介绍

如图2所示，N比特长度的原始水印信息经RS信道编码后，加上7E的同步头，生成N位比特长的水印编码信息，然后采用双向调制技术，将每一个比特位调制到127位自相关性好的平衡GOLD扩频码序列上，生成水印扩频信息。由于短波广播音频最大带宽是4KHZ，属于低频段，采用双向调制技术降低水印信息的直流成分，减少音频信号对水印信息的影响。

在生成水印信息的同时，设备会同时截取固定长度原始音频信号，并对该音频帧通过FFT变换转换到频域进行水印信息嵌入。原始音频帧从时域转换到频域后，音频分为两部分：高频段（大于4 KHz）和低频段（小于4 KHz）；短波接收机带宽最大只能到4KHz，小于短波信号发送链路中任何一处设备发送带宽，这决定了带宽瓶颈在用户端接收机，这也就决定了音频水印嵌入带宽最多只能到4KHz，同时决定了嵌入到4KHZ带宽内每个子频段中指定频点的水印信息信号强度必须采用窄带的人耳掩蔽模型（人耳心理模型II）进行分析设定。由于音频带宽只有4 KHz，所以只有系统在0-4KHZ音频带宽范围内，划分了512个子频带，由于50HZ以下音频信号会被音频处理器滤除，所以序号为0、1、2、3的子频带不会嵌入任何信息，序号4-511子频带会嵌入水印信息。在50-4KHZ的音频带宽范围内，因为扩频码是127位，所以水印信息被重复嵌入，即从序号4-130、131-257、258-384、385-511的水印信息内容是一样的，但由于频带不一样，所以每组的水印信号强度不一样。这样的水印信息之后又被冗余嵌入和数据重组的方法先后嵌入三次。有效信息长度为24 bit的原始信息经过RS编码，并加上同步头后，变成总信息帧长度为48bit的水印信息。嵌入水印信息的音频信号经过频－时转换成模拟信号送给短波发射机发射。

1. 抗干扰措施

由于短波广播属于天波传输，受电离层影响较大，加上短波传输链路距离非常长，存在伴有干涉衰落，多普勒频移，多径效应和同频、临频干扰等问题。为了提高水印信息的抗干扰性，水印试验采用了冗余嵌入和数据重组技术。

1) 冗余嵌入

冗余嵌入主要分为两种：一种是在同一时间段内，在不同频段嵌入相同水印信息；二是在不同时间段内嵌入被重新数据组合相同的水印信息。第一种方式在原理介绍中已描述;，对于第二种嵌入方法如下：对于一组水印信息进行三次数据重组，生成新的三组水印信息，按照水印嵌入方法把新的水印信息先后嵌入到音频载体中。在解码的时候使用每个扩频序列与相应的音频信号中该扩频序列嵌入位置的数据作相关。

2) 数据重组

考虑到短波信道的衰落具有时变性，忽大忽小，对于水印数据的影响随着时间的不同变化很大。为了避免这样的现象，我们把水印信息进行数学上的重新排列，得到三组不同的水印信息序列，然后再用三个扩频序列进行调制。假设原始的水印信息为

则重组后的三组序列可以分别为：

把式2中的三组水印信息序列按照冗余嵌入的方法使用三个扩频序列分别嵌入音频载体中。这样的方法的好处在于既使水印序列在某时刻被严重干扰，冗余嵌入的三组信息某一位置或某几组位置被干扰产生错误，但三组中同一位置的信息不是同一内容信息，所以水印信息依然不会受到干扰，最终还是能够得到正确的水印信息。

2.1.2 水印信息读取工作原理

图3 数字音频水印读取工作原理

1 原理介绍

如图3所示，在接收端，水印解出设备将模拟音频信号每隔固定时间截取一个音频帧，音频帧经过时－频转换后，提取50Hz---4KHz中512个子频段的扩频码信息，利用扩频码自相关性好的特点进行同步头7E寻找，按照扩频码性质，如果接收端与发送端扩频码相同，相关结果是非0的；如果接收端与发送端扩频码不相同，相关结果是0。这样接收端就可以做到与发送端同步并获取解扩后的水印信息，解扩后的水印信息经过RS解码后，就得到水印信息。

2 抗干扰措施

1) 数据可信度度量

对于解码得到的水印数据，为了提高解码准确率，系统基于冗余嵌入设计了简单的可信度度量。假设水印信息在传输过程中没有受到任何的干扰，则使用三组扩频序列解码并重新排列恢复后得到的水印数据应该完全相同。随着干扰的不断增加，三组水印数据中的不全部相同的位数开始增加，因此三组水印数据中不全部相同的位数可以在一定程度上反映出水印信号的被干扰情况。我们根据三组水印数据中全部相同的个数来衡量该数据的可信度，全部相同的数据个数越多则水印信息的可信度越大，反之亦然。根据可信度的大小，设定一定的门限，可以排除一些可信度较低的解码信息，从而进一步的提高水印信息提取的准确率；但是可信度门限也不宜设置过高，因为可信度设置过高可能导致信息的检出率下降很多从而得不偿失。

2.2 水印试验2.2.1 试验内容

水印试验先后进行了七次测试，在七次测试过程中，使用两个指标衡量水印解出率，一个指标是同步率，表示解码系统找到同步头的次数，另一个是准确率，表示解码系统找到同步头后，解析信息的正确率。

第一、二次分别是在实验室和近场条件下，验证水印算法在理想环境下的可行性。第一种方案使用2-3个比特信息（“11或111”）作为同步标志，嵌入方法和水印信息的嵌入方法相同，但是使用和水印信息不同的扩频序列；第二种方案使用一个字节的同步头“7E”，同步信息和水印信息使用相同的扩频码序列。在实验室里我们对含水印的音频信号作了一次AD/DA转换，验证了两种算法的均是可行的；近场的环境下，同步方案二的同步性能远高于同步方案一，说明同步头“7E”性能优于同步头为“11”或“111”；而对于扩频码长度的选取，对比使用511比特的扩频码长度和使用127比特扩频码长度的试验结果，发现前者的准确率与后者相比没有显著的变化。

从第三次测试开始，均属于远场测试，接收点与发送点相距3千多公里。第三次测试是在第二次测试的基础上，在几组适合短波信道传输的水印嵌入/提取的算法（同步头“7E”，扩频码为127位或511位）中继续测试，测试内容是有针对性地进行同频干扰测试，从中找出测试方案中较适合短波信道传输的水印嵌入/提取的算法。通过测试，发现扩频码长度为511bit的音频段在相近的同步率条件下准确率低于扩频码长度为127bit，主要原因是扩频码越长，单位子频带的宽度变窄，造成电磁干扰对子频带的影响变大。

根据第三次测试数据进行分析，我们初步确定数字水印的测试方案参数为同步头为7E，扩频码长度为127位。同时发现在算法中需要增加嵌入强度，并采用数据冗余嵌入、数据重组以及可信度度量的策略，以提高信息提取准确率和抗干扰性。

前几次测试中，水印信息嵌入方式是将水印信息实现嵌入到事先录制的音频中。第四次水印测试方法是采用第一代工程样机将水印信息实时嵌入到节目音频信号中；在接收端，按照水印信息实时提取的方式进行测试，并验证所采用算法的可行性以及水印提取的性能指标。经过第四次测试，算法的同步率和准确率进一步提高，也暴露出第一代工程样机设计缺陷。

第五、六次测试有三个目的。一是针对第四次试验中暴露出的问题，对算法和第一代工程样机进行改进后再次测试；二是在强电磁场环境下，对第二代水印工程样机的电磁屏蔽、稳定性、兼容性进行测试；三是测试在服务区，缩小接收带宽，对水印算法性能的影响程度。通过测试验证第二代工程样机运行稳定，能够较好地与音频处理器匹配，截止到第六次测试完毕，水印解码的准确率可以达到100%。

第七次测试目的是测试分布在全国各地的水印编码器能否在网络环境下，接受水印编码控制器的全局统一调度、分发任务，能否实时的查询任务执行情况和全局部署待执行任务，测试结果让人满意。

3 水印技术应用

由于数字水印技术可以嵌入传统的模拟广播中，且互不干扰影响，也无需增加新的频带，所以我们可以在传统的模拟信号中嵌入水印信息，实现传统监测方式难以实现的功能。

1. 1. 及时了解设备的播出动态

为专业监测部门监测播出质量提供实时的了解播出设备动态信息的手段。特别是海外监测，提供一种直观、明了、快速地了解当前播出在用设备信息的查询方式，及时知道当前收测频率的发送方，有了数字水印技术，我们可以在信息帧中加入发送台站、发送设备相关信息，在服务区就可以在第一时间掌握获取播出频率的设备相关信息，了解播出设备播出动态。

1. 2. 增强与用户的互动性

利用数字水印技术，可以嵌入一些听众感兴趣的信息，如台名、节目名称、下一时段节目预告等，提高节目与听众的互动性。

1. 3. 提供可管控的信息发布，为地震、海啸等灾害或突发事件的应急广播提供实时无缝的调度信息发送

利用数字水印技术，可以对地震、海啸发生后通讯中断的地区或无线通信覆盖困难的地方，在不中断面向大众的广播信号的前提下，为特定用户提供可管控的调度信息传递，实时发送不同密级的命令或调度。由于采取的是广播方式，所以可以实现随时随地接收；根据水印的特性，也可根据用户对象不同，传输不同密级的指令。

1. 4. 作为判断服务区收听效果的判断手段

由于数字水印的解出率与收听效果有紧密关系，可以利用此相关性作为广播覆盖播出质量效果的评判量化手段，同时也可依据此标准确定服务区的大致范围，减少传统监测手段中人为因素的误差。下面是数字水印技术试验中同步率与可听度大致对应表，由于可听度是综合主观评价打分方法，可听度分数受主观因素影响很大，所以同步率只能列出大致的范围，见表1。

表1 可听度与同比率对应表

可听度打分	同步率	准确率
4+	90%--100%	100%
4	80%--90%	100%
4-	70%--80%	100%
3+	60%--70%	100%
3	50%--60%	100%
3-	40%--50%	100%
2	同步率率很低

1. 5. 判断干扰源来源和方向

当今无线频率资源越来越拥挤，频率干扰难免发生，当某一频率被另一个频率干扰或挤占时，利用扩频技术的定向特性可以快速确定干扰频率的来源和方向，为减少频率干扰和干扰源鉴别提供最直接的判断依据。

1. 6. 能够更快捷、有效调度频率资源

当多部发射机同时开启某个频率，对某一服务地区广播，由于短波传输信道的特点，有可能出现某部发射机在服务区播出效果很不理想，利用数字水印技术，可以及时掌握发挥作用的发射机，未发挥作用的发射机就可以转而承担其他广播任务，这样提高频率调度资源的有效利用率，更好地完成广播任务。

1. 7. 快速、远距离传送保密信息

如果水印信息的嵌入信号强度不受人耳掩蔽模型的限制，那么水印信息的携带的信息量会大大增加，解码速度会大大提高；同时利用扩频技术保密性好，短波广播传输距离远，属于单向传输，接收设备只需被动接收的特点，不容易暴露接收用户，可以作为远距离传输秘密信息的一种手段和方式。

4 结束语

从传输信道看，中短波广播不具备高质量的收听音质；从传输方式看，中短波广播不具备与服务对象实时交互的能力，从频带角度看，每个载波频率的音频带宽最多只有4Khz，而且划分给短波频段资源是不连续的，也无法整体使用中短波带宽；从全球角度看，中短波业务也越来越萎缩，所以如何扭转劣势，进一步发展中短波广播，扭变中短波业务的颓势，增加听众的数量，是我们共同关注和思考的焦点和研究方向。

参考文献

[1] 沈淇淇 朱德生.短波通信.西安:西安点子科技大学出版社:1989年.

[2] 查光明 熊贤柞.扩频通信.西安:西安电子科技大学出版社:1990年.

编辑：中国新闻技术工作者联合会