李建文，牛永鋼

(1．陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安710021;2．陜西銀行學(xué)校信息技術(shù)專業(yè)部，陜西 西安710065)

0 引言

1 2DPSK載波調(diào)制解調(diào)原理

即時(shí)通訊工具已成為互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)系交流的重要手段，但日趨嚴(yán)重的信息安全威脅著每一個(gè)使用者，眾多的病毒、木馬、黑客工具可以輕易竊取使用者的聊天信息，監(jiān)控使用者傳輸?shù)碾[私信息?；跀?shù)字載波通信原理應(yīng)用音頻信道進(jìn)行傳輸，可將相對(duì)重要的信息隱秘于音頻載波中進(jìn)行傳送。文中以2DPSK載波調(diào)制解調(diào)為理論基礎(chǔ)，將其應(yīng)用在即時(shí)通訊中，目的是開(kāi)辟新的通信模式，增強(qiáng)信息的安全。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該理論的應(yīng)用加以驗(yàn)證，說(shuō)明該方法是可行的。

式中，k是碼元的序號(hào)，ak是第k個(gè)碼元的取值，ak的取值可以是1或者是0。如果需要將二進(jìn)制序列代碼進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，則必須將基帶信號(hào)調(diào)制到載波信號(hào)上再進(jìn)行傳輸。在數(shù)字載波通信中常采用的調(diào)制方式有:ASK、FSK、PSK、DPSK等。信號(hào)經(jīng)過(guò)信道進(jìn)行的傳輸過(guò)程中，必然會(huì)受到各種干擾，使信號(hào)的波形發(fā)生變化，其中容易受到影響的是信號(hào)的幅

二進(jìn)制數(shù)字序列信號(hào)可表示為:度和頻率。通過(guò)實(shí)踐證明，使用相位鍵控調(diào)制信號(hào)的可靠性較高，并且由于PSK信號(hào)中沒(méi)有載波分量，信號(hào)傳輸?shù)哪芰坷寐矢?，性能?yōu)于其它一些調(diào)制方式［1］。

二進(jìn)制差分相移鍵控(2DPSK，Binary Differential Phase Shift Keying)是一種利用前后碼元的相對(duì)載波相位值傳送數(shù)字信息的調(diào)制傳輸方式［2］。當(dāng)一個(gè)碼元取值為1時(shí)，該碼元的載波相位與相鄰的前一個(gè)碼元相位相同。當(dāng)碼元取值為0時(shí)，該碼元的載波相位與相鄰的前一個(gè)碼元的載波相位相差180°［3］。2DPSK 的調(diào)制有兩種方法，分別是“模擬調(diào)制法”和“鍵控調(diào)制法”。解調(diào)也有兩種方法“同步解調(diào)法”和“差分相干解調(diào)法”。差分相干解調(diào)與同步解調(diào)相比，方法簡(jiǎn)單。此外差分相干解調(diào)對(duì)載波頻率的穩(wěn)定度要求不高，因而應(yīng)用差分相干解調(diào)法更為廣泛［4－6］。

2 即時(shí)通訊音頻載波傳輸方案

目前常用的即時(shí)通訊工具都提供了音、視頻聊天功能，音頻是一種頻率在0．02～20 kHz范圍隨時(shí)間變化的波形信號(hào)。如使用即時(shí)通訊工具的兩方需要傳輸一些相對(duì)隱秘的信息，使用音頻信道進(jìn)行傳輸，可以在一定程度上避免文字信息和語(yǔ)言音頻信息被黑客軟件直接竊取導(dǎo)致失密的情況［7］。使用一定協(xié)議結(jié)構(gòu)的數(shù)字載波有利于信息的隱藏和保密傳輸。此外，也可以使用這一載波信道傳輸控制信息，用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。應(yīng)用即時(shí)通訊音頻載波傳輸?shù)牧鞒倘鐖D1所示。

圖1 流程圖Fig．1 Flow chart

考慮到設(shè)計(jì)的實(shí)用和簡(jiǎn)便在這里采用了模擬調(diào)制法和差分相干解調(diào)法，將二進(jìn)制碼元序列進(jìn)行差分編碼與載波相乘調(diào)制成2DPSK載波信號(hào)再通過(guò)有噪信道進(jìn)行傳輸，在接收方進(jìn)行差分相干解調(diào)，最后輸出二進(jìn)制碼元序列。

2．1 發(fā)送方案

首先產(chǎn)生一定長(zhǎng)度的二進(jìn)制序列作為傳輸?shù)膬?nèi)容，將該二進(jìn)制序列進(jìn)行增樣產(chǎn)生基帶傳輸信號(hào)。進(jìn)行差分編碼，差分編碼原理為cfcode［n］=b［n］⊕cfcode［n－1］;cfcode為差分編碼，b［n］為基帶編碼。再對(duì)差分編碼進(jìn)行增樣處理。2DPSK信號(hào)通過(guò)相鄰時(shí)隙載波相位是否變化來(lái)攜帶信息。設(shè)pdc為相位差變量，當(dāng)信息sign的一個(gè)碼字為1時(shí)，pdc=π，否則pdc=0。

2．2 接收方案

首先接收方將帶有噪聲的2DPSK信號(hào)進(jìn)行帶通濾波處理，利用MATLAB構(gòu)造FIRI型帶通濾波器，使濾波器和信號(hào)頻帶對(duì)準(zhǔn)［8］。將延時(shí)相乘后的demod［］進(jìn)行低通濾波處理。matlab部分代碼如下:

hLPF=fir1(100，2*pi* ［Rb］/fs);

mt_zero=filter(hLPF，1，demodbroad);

最后進(jìn)行抽樣判決，matlab部分代碼如下:

if sum(mt((i－1)*T+1:i*T))＞ 0;

bn((i－1)*T+1:i*T)=0;

else

bn((i－1)*T+1:i*T)=1;

3 即時(shí)通訊音頻載波傳輸實(shí)驗(yàn)

3．1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

軟件環(huán)境:Windows xp sp3專業(yè)版、matlab7．1、cool Edit pro2．1、騰訊 QQ2013。

硬件及連接拓?fù)?PC 2臺(tái);路由器1臺(tái);連接互聯(lián)網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)所用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig．2 Network topology of the experiment

3．2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

第一步:定義載波頻率為1．8 kHz，基帶速率為1 200 b/s。使用 3．5插頭連線連接 PC1的“PHONE”和“MIC”接口。

第二步:預(yù)定義信號(hào)的碼元sign=［1 0 1 1 0 1 0 1］，使用Matlab軟件運(yùn)行調(diào)制程序進(jìn)行2DPSK載波調(diào)制。

第三步:將經(jīng)過(guò)調(diào)制的載波信號(hào)矩陣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PCM編碼并保存為WAV文件形式命名為test．wav。

第四步:在PC1和PC2上啟動(dòng)登錄QQ2013即時(shí)通訊工具，在好友會(huì)話中啟用語(yǔ)音聊天，建立雙方的音頻信道。

第五步:在PC2上進(jìn)行音頻設(shè)置，錄音屬性中只設(shè)置為“立體聲混音”，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)錄功能。打開(kāi)cool Edit pro，新建波形文件，設(shè)置錄制參數(shù)，這里的參數(shù)如圖3所示。

圖3 設(shè)置錄音參數(shù)Fig．3 Setting－up of the recording parameters

在PC1上播放載波測(cè)試test．wav文件，在PC2上觀察錄制波形信號(hào)，根據(jù)波形確定錄制結(jié)束，停止錄制。在PC2上所觀察到的音頻波形如圖4所示。

圖4 接收端觀察到的信號(hào)波形Fig．4 Signal waveforms observed at the receiving end

由于該音頻還包含一些無(wú)用的信息，為了更好地演示程序效果，還需要對(duì)該音頻信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)修剪。保存該音頻信號(hào)波形，命名為Receive．wav。

第六步:使用Matlab軟件運(yùn)行解調(diào)程序，提取接收到的Receive．wav文件數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)處理。

3．3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)觀察解調(diào)后的碼元波形如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)接收到的載波經(jīng)解調(diào)還原的二進(jìn)制碼元與發(fā)送端預(yù)定的碼元信息完全一致，實(shí)驗(yàn)成功。

圖5 接收端解調(diào)后的信息碼元Fig．5 Demodulated signal waveforms observed at the receiving end

4 結(jié)語(yǔ)

利用及時(shí)通訊工具的音頻信道可以進(jìn)行數(shù)字載波傳輸。載波信號(hào)長(zhǎng)度可以在很短的時(shí)間完成部分或全部重要數(shù)據(jù)的傳輸，所呈現(xiàn)出的效果又近似于干擾或噪音，不易引起監(jiān)聽(tīng)者的注意，具有一定的隱蔽性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了此方案具有提高信息保密的可行性，對(duì)進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和利用提供了一定理論和實(shí)踐的支持。

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