即時通訊音頻信道載波傳輸研究

李建文，牛永鋼

(1．陜西科技大學 電氣與信息工程學院，陜西 西安710021;2．陜西銀行學校信息技術專業部，陜西 西安710065)

0 引言

1 2DPSK載波調制解調原理

即時通訊工具已成為互聯網絡進行聯系交流的重要手段，但日趨嚴重的信息安全威脅著每一個使用者，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，監控使用者傳輸的隱私信息。基于數字載波通信原理應用音頻信道進行傳輸，可將相對重要的信息隱秘于音頻載波中進行傳送。文中以2DPSK載波調制解調為理論基礎，將其應用在即時通訊中，目的是開辟新的通信模式，增強信息的安全。通過實驗對該理論的應用加以驗證，說明該方法是可行的。

式中，k是碼元的序號，ak是第k個碼元的取值，ak的取值可以是1或者是0。如果需要將二進制序列代碼進行遠距離傳輸，則必須將基帶信號調制到載波信號上再進行傳輸。在數字載波通信中常采用的調制方式有:ASK、FSK、PSK、DPSK等。信號經過信道進行的傳輸過程中，必然會受到各種干擾，使信號的波形發生變化，其中容易受到影響的是信號的幅

二進制數字序列信號可表示為:度和頻率。通過實踐證明，使用相位鍵控調制信號的可靠性較高，并且由于PSK信號中沒有載波分量，信號傳輸的能量利用率高，性能優于其它一些調制方式［1］。

二進制差分相移鍵控(2DPSK，Binary Differential Phase Shift Keying)是一種利用前后碼元的相對載波相位值傳送數字信息的調制傳輸方式［2］。當一個碼元取值為1時，該碼元的載波相位與相鄰的前一個碼元相位相同。當碼元取值為0時，該碼元的載波相位與相鄰的前一個碼元的載波相位相差180°［3］。2DPSK 的調制有兩種方法，分別是“模擬調制法”和“鍵控調制法”。解調也有兩種方法“同步解調法”和“差分相干解調法”。差分相干解調與同步解調相比，方法簡單。此外差分相干解調對載波頻率的穩定度要求不高，因而應用差分相干解調法更為廣泛［4－6］。

2 即時通訊音頻載波傳輸方案

目前常用的即時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范圍隨時間變化的波形信號。如使用即時通訊工具的兩方需要傳輸一些相對隱秘的信息，使用音頻信道進行傳輸，可以在一定程度上避免文字信息和語言音頻信息被黑客軟件直接竊取導致失密的情況［7］。使用一定協議結構的數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，用于實現遠程控制。應用即時通訊音頻載波傳輸的流程如圖1所示。

圖1 流程圖Fig．1 Flow chart

考慮到設計的實用和簡便在這里采用了模擬調制法和差分相干解調法，將二進制碼元序列進行差分編碼與載波相乘調制成2DPSK載波信號再通過有噪信道進行傳輸，在接收方進行差分相干解調，最后輸出二進制碼元序列。

2．1 發送方案

首先產生一定長度的二進制序列作為傳輸的內容，將該二進制序列進行增樣產生基帶傳輸信號。進行差分編碼，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。再對差分編碼進行增樣處理。2DPSK信號通過相鄰時隙載波相位是否變化來攜帶信息。設pdc為相位差變量，當信息sign的一個碼字為1時，pdc=π，否則pdc=0。

2．2 接收方案

首先接收方將帶有噪聲的2DPSK信號進行帶通濾波處理，利用MATLAB構造FIRI型帶通濾波器，使濾波器和信號頻帶對準［8］。將延時相乘后的demod［］進行低通濾波處理。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 即時通訊音頻載波傳輸實驗

3．1 實驗環境

軟件環境:Windows xp sp3專業版、matlab7．1、cool Edit pro2．1、騰訊 QQ2013。

硬件及連接拓撲:PC 2臺;路由器1臺;連接互聯網，如圖2所示。

圖2 實驗所用網絡拓撲Fig．2 Network topology of the experiment

3．2 實驗過程

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:預定義信號的碼元sign=［1 0 1 1 0 1 0 1］，使用Matlab軟件運行調制程序進行2DPSK載波調制。

第三步:將經過調制的載波信號矩陣數據轉換為PCM編碼并保存為WAV文件形式命名為test．wav。

第四步:在PC1和PC2上啟動登錄QQ2013即時通訊工具，在好友會話中啟用語音聊天，建立雙方的音頻信道。

第五步:在PC2上進行音頻設置，錄音屬性中只設置為“立體聲混音”，實現系統內錄功能。打開cool Edit pro，新建波形文件，設置錄制參數，這里的參數如圖3所示。

圖3 設置錄音參數Fig．3 Setting－up of the recording parameters

在PC1上播放載波測試test．wav文件，在PC2上觀察錄制波形信號，根據波形確定錄制結束，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波形Fig．4 Signal waveforms observed at the receiving end

由于該音頻還包含一些無用的信息，為了更好地演示程序效果，還需要對該音頻信號進行適當修剪。保存該音頻信號波形，命名為Receive．wav。

第六步:使用Matlab軟件運行解調程序，提取接收到的Receive．wav文件數據進行解調處理。

3．3 實驗結果

通過觀察解調后的碼元波形如圖5所示，可以發現接收到的載波經解調還原的二進制碼元與發送端預定的碼元信息完全一致，實驗成功。

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

4 結語

利用及時通訊工具的音頻信道可以進行數字載波傳輸。載波信號長度可以在很短的時間完成部分或全部重要數據的傳輸，所呈現出的效果又近似于干擾或噪音，不易引起監聽者的注意，具有一定的隱蔽性。實驗結果證明了此方案具有提高信息保密的可行性，對進一步的開發和利用提供了一定理論和實踐的支持。

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