基于音频密写的载密移动通信系统的设计与实现

王 莉，康 凯，杨百龙，赵文强，时 磊（火箭军工程大学信息工程系，西安，710025）



基于音频密写的载密移动通信系统的设计与实现

王 莉，康 凯，杨百龙，赵文强，时 磊
（火箭军工程大学信息工程系，西安，710025）

摘要：针对在公共移动通信系统中嵌入秘密信息进行隐匿传输的设计实现问题，本文对基于音频密写的载密移动通信系统的软硬件设计方案进行详尽的分析，提出了基于DSP的能量比调整秘密数据嵌入/提取算法。对于整个系统的听觉相似性和健壮性进行了实验测试。结果表明系统能够很好地实现以语音为载体的秘密信息在移动通信网络中的隐蔽、可靠传递。

关键词：信息隐藏；音频；能量比调整

0　引言

随着通信技术的快速发展，通信安全问题日益突显，研究信息隐藏技术具有重要意义。信息隐藏技术是将秘密信息隐藏在某种载体之中，在载体的掩护下进行秘密信息的传送，载体可以是文字、图像、声音和视频等。本文设计了一种基于音频密写的载密移动通信系统，提出基于能量比调整的秘密数据嵌入/提取算法。系统测试表明能够抵抗GSM中的RPE-LTP（Regular Pulse Excitation-Long Term Prediction，规则脉冲激励长期线性预测编码）编码解码，其明文语音质量下降不明显，能够满足秘密信息在移动通信系统中隐蔽传输的要求。

图1　系统硬件结构

1　硬件平台

本系统整体设计：对语音信号进行实时采集，按一定的嵌入方法在采集的语音数据中嵌入需要传输的同步信息和秘密信息，经过压缩编码打包后通过公共信道传输嵌有信息的实时语音数据流。接收端接收到语音数据流后，检测同步信息以确定信息嵌入运算的起始位，提取嵌入在语音数据中的秘密信息，并将语音信号转换成话音播放。硬件组成如图1所示，分为手机通信模块、信号处理模块和主控计算机及音频输入输出设备。

手机通信模块负责对载密语音信号进行无线通信传输。该模块选择SIMCOM（希姆通）公司的SIM900A芯片来实现GSM通信功能，工作频率为900MHz/1800MHz，内嵌TCP/IP协议，可以低功耗实现语音、短信（SMS）、数据信息的传输。

信号处理模块用于秘密信息的读、写，将秘密信息嵌入原始语音信号以及从载密语音信号中提取秘密信息。该模块由DSP处理器TMS320VC5509A及周边电路组成，其中DSP芯片主要实现信息的嵌入与提取以及SD卡数据的存取；AIC23B芯片为专用音频处理芯片，主要用于模拟音频的采集、回放等；CPLD主要控制板上屏显、按键有关时序逻辑的控制。

主控计算机设置VC人机交互界面为可选部件，目的是配合拔号控制，实现对音频信号实时采集和处理，秘密信息嵌入和提取等，便于进行可视化操作、数据存储和性能分析与评估。音频的输入输出设备主要是耳机和话筒，相当于普通手机的听筒和话筒功能，模拟基于手机的语音通信。

2　算法设计

本系统是利用GSM中的RPE-LTP编解码以后输出语音和原始语音的相邻段能量比基本保持一致的特性来进行信息隐藏的。如果相邻段能量比越大，越能保证正确解码，但隐藏效果越差。因此可以在隐藏算法中采用分析合成ABS技术，对每一段输入的明文进行RPE-LTP预编码，分析出编码以后的大致能量比范围，然后实时的调整输入信号能量比。

秘密信息嵌入过程：需要隐藏的数据S使用秘钥进行纠错交织编码，形成二进制化0和1的比特序列T；其次将载体明文语音P按照秘密信息S传输量的大小，分为若干小段，L为每段的采样点数（L为偶数），每段隐藏T序列中的一个比特信息，通过计算每一段前L/2点和后L/2点之间的能量比值，通过比值关系将T的比特信息嵌入到明文语音P中，从而获得携密的明文语音P′。

秘密信息提取过程是嵌入过程的逆过程：首先对携密语音P′进行分段处理，每段段长为L个采样点，然后计算每一段前L/2点和后L/2点之间的能量比值，通过能量比值关系进行判决，提取出原来的秘密二进制流信息T，最后通过解交织（解密）恢复得到秘密数据S。

仿真结果如图2所示，该算法能够抵抗GSM中的RPE-LTP编码解码，其明文语音质量下降不多。每秒明文能够嵌入50bit的密文信息，是一种简单有效的GSM移动通信系统信息隐藏算法。

3　测试结果与分析

测试项目：（1） 听觉相似性测试；（2） 系统健壮性测试。

软件：MP3编码解码器，Stirmark Benchmark for audio测试平台。

测试方法分别为：

（1） 听觉相似性测试。

主观测试：选取10位听力正常的测试人员对携带秘密信息的音频信号和原始纯净音频信号进行对比试听。5分意味着两个音频数据之间几乎没有差别。平均观点分（MOS）的含义如表1所示：

表1　：平均观点分评分标准

客观测试：采用时域评价方法，评价添加秘密信息后的语音信号与原始信号之间的失真度。本项目用分段信号噪声比测试失真度。由于语音信号是短时平稳信号，所以计算短时信噪比的统计值作为失真度。分段信噪比是短时信噪比的统计平均值，比整个音频段的信噪比能够更加精确地度量携密音频信号与原始音频信号之间的失真度。分段信号比的计算如式（1）：

图2　能量比调整算法仿真图

（2） 系统健壮性测试。健壮性用来衡量隐藏信息算法的抗攻击能力，用于判断隐藏信息破坏者在不影响或很少影响音频质量的前提下去掉隐藏信息的能力。健壮性可以用分级的形式来说明。实际应用中，常用相似度系统来衡量隐藏信息的抗攻击能力，即提取得到的隐藏信息与原始隐藏信息之间的相似度。相似度的定义如式（2）：

其中，W' 表示提取出的秘密信息，W表示原始秘密信息。

3.1听觉相似性测试

原始语音：采样频率为44100Hz，位深16 bit，单通道语音。

语音类型：男声（111秒），女声（237秒），古筝（117秒），歌曲（112秒）。表2所示为这五段音频信号的听觉相似度测量结果。其中MOS值是10位测试者的平均分。结果表明：嵌入水印后的语音信号与原始语音信号在听觉上几乎没有太大差别，人耳辨识不明显。

表2　：系统听觉相似度测试结果

3.2健壮性测试

以音乐信号为原始音频信号，128*128位图图标作为秘密信息，使用专业的音频水印性能测试平台StirMark Benchmark for Audio对整个系统进行健壮性测试。如表3所示，测量结果表明：系统对常见信号处理的健壮性良好，但对某一些去同步攻击的效果不佳。例如，“时间扩展攻击”对时间轴进行了拉长，改变了音频信号在时间轴的位置信息，使得密信的提取失败。然而，由于硬件上采用了新型DSP器件，并且通话双方都是实时进行的，所以系统中的话音信号不会受到时间扩展攻击。

4　结论

本文设计的基于音频密写的载密移动通信系统，利用DSP硬件系统作为秘密信号嵌入提取的计算核心，提出了基于DSP的能量比调整秘密数据嵌入/提取算法，测试结果表明系统对GSM中的RPE-LTP编码有很强的鲁棒性，可广泛运用于移动通信网条件下的信息隐蔽传输。

参考文献

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［2］ 牛鹏飞，张晓明.基于实时语音的信息隐藏技术的应用研究.北京石油化工学院学报， 2010，18（2）：50-54.

［3］ 郑见灵，谭月辉，焦桂芝，等. 音频文件中信息隐藏技术研究及其实现［J］. 河北工业科技，2006，23（2）：76-79.

［4］ Liu Jin， Zhou Ke， Tian Hui. Least-significant-digit steganography in low bitrate speech［C］ //IEEE International Conference on Proceedings of the Communications，2012：1133-1137.

Design and implementation of the stego audio steganography based on mobile communication system

Wang Li，Kang Kai，Yang Bailong，Zhao Wenqiang，Shi Lei
（Department of information engineering， Rocket Engineering University，Xi'an，710025）

Abstract：For in the public mobile communication system to embed secret information is hidden transmitting design implementation issues，this paper based on audio steganography of stego mobile communication system hardware and software design of the scheme for detailed analysis of the proposed based on DSP energy ratio adjusted the secret number according to the embedding/extraction algorithm. Experimental tests were carried out on the auditory similarity and robustness of the whole system. The results show that the system is able to realize the hidden and reliable transmission of the secret information in the mobile communication network.

Keywords：information hiding；audio；energy ratio adjustment

作者简介

王莉，女，1986.9.16， 讲师，北京邮电大学通信信息系统硕士毕业，从事通信专业的教学和科研工作。

表3　：常见攻击下系统的健壮性测试结果