基于聲波的潛信道隱蔽安全通信方法*

劉文潔，文 紅，陳松林，祁 蓉，陳 潔，雷文鑫

（電子科技大學 通信抗干擾國家級重點實驗室，四川 成都 611731）

0 引 言

語音通信是信息傳遞的重要途徑。隨著通信技術的發展，各種通信新技術不斷涌現，數字化語音通信越來越廣泛地應用于軍事、外交、經濟、文化生活及科學研究等各領域[1]。同時，語音通信的保密和安全也越來越重要。

因為人的應用聽力范圍僅為500～3 000 Hz，所以傳統的語音通信只使用低頻范圍的聲音頻譜，而包括手機麥克風在內的一些音頻電子器件也采用了低于44 kHz的音頻采樣率，并應用LPF來消除20 kHz以上的信號。但是，實際語音通信信道中，存在沒有利用的冗余信息，語音通信也面臨著一系列的安全挑戰。

為解決上述問題，本文提出基于聲波的潛信道隱蔽安全通信方法。首先，對信號的幅度調制過程和音頻電路的非線性效應進行建模；其次，提出冗余型潛信道通信理論，頻譜分析通過音頻電路的信號；最后，將得到的頻率信息低通濾波還原出原始低頻語音信號，實現潛信道聲波通信。此方法提出了基于聲波的潛信道隱蔽安全通信方法，針對語音通信的特點，實現了聲音的頻譜資源的有效利用，在保證信息完整性傳輸的同時，保證了信息的可靠性。

1 調幅波一般性建模

幅度調制信號的原理是，在波形上幅度隨基帶信號規律變化，在頻譜結構上是基帶信號頻譜結構在頻域內的簡單搬移[2]。

對信號的幅度調制過程進行一般性建模。設調制信號與載波相乘，則一般性建模得到調幅波的模型為：

其中，m(t)為調幅波模型的輸入信號，SAM(t)為調幅波模型的輸出信號，Kcos(ωct+0φ)表示余弦載波信號，ωc為載波信號的角頻率，0φ為載信號的初始相位，K為載波信號的幅值。

對其進行傅里葉變換，可得：

其中，SAM( f )為輸出信號頻譜，M( f )為輸入信號頻譜，fc為載波頻率，fm為基帶信號頻率。可知，該調幅波模型將基帶信號頻率搬移到了載波頻率附近。

一般地，如果輸入信號為余弦信號并疊加一個直流分量，調幅過程的表達式為：

其中，ωm為基帶信號角頻率，Km為基帶信號原始幅值，Kc為直流分量，m是一個常數。

2 音頻電路的非線性效應

音頻電路把聲波轉換成電信號。從本質上講，在輸入與輸出信號傳輸特性中，可以粗略地將電路視為具有平方律非線性的電路[2-3]。電子設備的非線性可以產生諧波，具有非線性的設備能夠產生新的頻率[4]，并通過一個經過加工的輸入信號向下轉換信號，恢復出基帶信號。

對音頻電路的非線性問題進行建模，將其模型化為：

式中，sin(t)為輸入信號，sout(t)為輸出信號，A為一次項增益系數，B為二次項增益系數。

如果將人耳可聽范圍的低頻語音信號作為基帶信號，將該語音信號通過調幅波模型產生高頻聲波，即：

此時，m(t)為輸入的音頻信號。

將高頻聲波通過音頻電路，可得輸出信號如下：

分析該輸出信號的頻譜，即對該信號做傅里葉變換得：

根據傅里葉變換后的頻譜成分，得到如下的角頻率：ωm-ωc，ωm+ωc，ωm-2ωc，ωm+2ωc，ωm。

LPF后所有高頻成分將被移除，fm頻率部分將保持不變，從而實現信號的恢復。

3 基于聲波的潛信道隱蔽安全通信

信道是人們有意設計用來傳輸各種信號的通道。而潛信道又名隱信道，是由Simmons在1978年 為了證明當時美國用于核查系統中的安全協議的基本缺陷而提出的[5]。顧名思義，潛信道就是指普通人感覺不到又確實存在的信道，因此可以利用這些感覺不到而又真實存在的信道來傳送秘密信息。潛信道的種類較多，有些潛信道是設計者有意打下的埋伏，有些潛信道則是無意之中構建的[6]。

目前，潛信道的系統理論還沒有形成。大體來說，潛信道分為以下幾類。

（1）數字簽名中的潛信道。事實上，以DSS數字簽名方案等為代表的大多數數字簽名方案中都存在潛信道[7]。這種數字簽名中的潛信道也是Simmons在1985年發現的。

（2）操作系統中的潛信道。如果通信雙方都接入同一個計算機系統，就有許多方法來構造潛信道。比如，當運行在一個特定安全級別的系統的一部分（即一個共享資源）能向另一個系統的一部分（可能有不同安全級別）提供服務時，潛信道就可能出現。此外，在OSI網絡模型結構中也存在許多可以用來傳輸秘密信息的潛信道。

（3）冗余型潛信道。對于任何通信系統，只要允許冗余信息的存在，就一定會有潛信道的存在。事實上，冗余信息所在之處就是潛信道，因為可以將冗余信息替換成秘密信息。

對于語音通信系統，事實上存在冗余信息，如聲音的頻譜資源，因而可以利用頻譜構建冗余型潛信道。人們進行正常的語音通信如打電話時，所使用的聲音頻率范圍是幾千赫茲。如果使用大于 20 000 Hz的高頻聲波來傳遞信息，人耳將不可聽，從而實現信息的秘密發送。圖1為基于聲波的潛信道隱蔽安全通信場景示意圖。

圖1 基于聲波的潛信道隱蔽安全通信示意

基于聲波的潛信道隱蔽安全通信方法是，利用信號幅度調制將語音信號變換為高頻聲波，通過對音頻電路進行建模，利用非線性效應產生的諧波，低通濾波后向下還原原始信號。圖2為基于聲波的潛信道隱蔽安全通信方法流程圖。

4 實驗驗證

根據上述通信模型，搭建一個基于聲波的潛信道隱蔽安全通信系統。采用2臺安卓手機作為發送者B和接收者A，在有效接收范圍內，秘密發送者C利用潛信道向接收者A發送信息，在接受端A收到了來自C的秘密信息。

實驗過程中，如果發送方B進行正常的語音通信，使用人耳可聽范圍內的聲音頻率與接收方A進行通信；如果實驗方C利用章節1中所述的調幅波一般性模型生成高頻聲波，實現語音信號的不可聽性，利用冗余型潛信道進行信號傳輸，將達到使用低頻語音信道的發送方的不可察覺性。而對于接收方A而言，由于章節2中所述的麥克風的非線性效應，將使用諧波恢復原始信號，從而實現基于聲波的潛信道隱蔽安全通信。

圖2 潛信道隱蔽安全通信流程

如圖3、圖4所示，上述實驗結果分別展示了原始的聲音信號波形圖和高頻信號與還原后聲音信號的波形圖對比。實驗結果表明，如果發送人耳不可聽的高頻聲波信息，在接收方利用音頻電路的非線性可以成功恢復出原始的音頻信息，從而實現基于聲波的潛信道隱蔽安全通信。

圖3 實驗波形1

圖4 實驗波形2

5 結 語

數字化語音通信廣泛應用于社會的各個領域，人們越來越重視其安全性。本文以冗余型潛信道通信為基礎，利用高頻聲波進行隱秘通信，將語音信息隱藏于公開信道中，達到通信的不可聽性，然后在所搭建的實驗平臺上進行驗證，結果表明利用潛信道發送高頻聲音信息可以實現秘密通信。該模型提出了基于聲波的冗余型潛信道通信理論，針對語音通信的特點，實現了聲音的頻譜資源的有效利 用；通過對音頻電路的非線性效應相關理論進行數學建模并分析，具有更高的可信度；同時，利用潛信道實現語音隱蔽安全通信，在保證信息不為敵方發現能安全傳輸的同時，保證了信息的可靠傳輸。