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在数字通信系统中,信息在传输时会受到各种干扰从而发生差错,为了使信息在信道中尽可能的无失真传输,信道编码技术应运而生。信道编码技术通过对信息加冗、变换从而使其具有纠错功能,使得在信道传输过程中发生差错的信息序列得以恢复。信道编码技术是现代数字通信系统中的核心支柱技术之一,应用于数字电视、无线局域网,在卫星通信、3G移动通信、深空通信等通信系统中也得到了广泛的应用,此外信道编码还可以应用在二维数字通信系统如数字水印系统中。
当前信道编码在数字水印系统中的应用主要是分组码以及二维交织,但是为了更进一步提升水印系统抗突发错误攻击的鲁棒性,还可以做进一步研究和探索。
此外,信道编码中的独特结构在成就其优异性能的同时也留下了可以对其进行识别分析的特征。对信道编码进行识别分析,在智能通信、通信侦查领域以及网络对抗领域具有重要意义。当前信道编码参数的识别主要集中在卷积码和卷积交织的盲识别,而分组码参数的识别所采用的方法局限于线性矩阵分析法,通过分析,本文指出这种方法存在不足,而当前分组交织的识别也仅停留在交织长度的识别上,而对于如何恢复分组交织内部元素顺序的研究当前未有文献涉及。
本文重点研究了线性分组码以及二维交织在数字水印系统中的应用,以及线性分组码和分组交织的参数盲识别。论文的主要工作包括如下几个方面:
(1)介绍了信道编码的基础知识,具体介绍了BCH(Bose,Ray-Chaudhuri,Hocquenghem)码、RS(Reed-Solomn)码,卷积码的编码和译码过程,以及分组交织和卷积交织的原理,同时介绍了离散余弦变换(DCT-Discrete Cosine Transform)域上的数字水印系统模型,以及水印系统性能的评价指标。
(2)针对数字水印系统抗突发错误攻击鲁棒性弱的特点,提出了一种改进后的二维交织算法,并将其与RS码相结合应用在数字水印系统中提升其抗突发错误攻击的能力。先研究了SP(Successive Packing)二维交织算法,并根据RS纠错码的特性提出一种改进后的二维块交织BSP(Block Successive Packing)算法,首先构造出低阶的SP交织矩阵,然后根据RS码每个码字分量的长度构造出单位块矩阵,将单位块矩阵按照低阶SP交织矩阵内元素的顺序排列构造出BSP交织矩阵。研究表明,改进后的BSP二维交织与RS纠错码相结合在二维空间上的抗突发错误的能力要优于相同码率的BCH码加SP二维交织,将其应用于水印系统能明显提升水印抗剪切攻击的鲁棒性。
(3)针对线性分组码参数盲识别容错性能较差,以及在低误比特率且同步情况下利用分析矩阵秩亏法识别码长存在不足的问题,提出了一种基于二元高斯列消元法的分组码参数盲识别方法。首先将截获到的数据横向放入到分析矩阵,然后对分析矩阵的列进行二元域高斯消元,并计算每列所含“1”的比率值,再对所有比率值求均值和方差,在低误比特率且同步的情况下利用均值差值可确定码长,而在误比特率较高且不同步的情况下,则需利用方差差值来确定码长。研究表明,该方法与以往的矩阵模型识别方法相比容错性能较好,计算量较低,且适用于各种码率的线性分组码的码长和同步识别。另外本文还初步研究了卷积码的盲识别方法,对识别1/2码率卷积码的欧几里得算法的步骤进行详细描述。
(4)针对当前分组交织识别问题中具体交织顺序识别困难的情况,在交织的对象为RS码以及分组交织长度已识别出的情况下,提出了一种矩阵匹配法对每个RS码字内的码字分量的交织顺序进行识别。首先将RS码字逐行放入列数为交织长度的数据矩阵中,根据相同RS码字内的码字分量线性相关的原理,从数据矩阵中分别筛选出完整码字分量相关列,然后利用RS码生成矩阵产生出码字分量全异的RS码字及其循环码字,并将其构造成参照矩阵,再从完整码字分量相关列中提取出与参照矩阵行码字分量相同但排列各异的行构成交织后矩阵,将交织后矩阵的每一行与参照矩阵的每一行进行匹配,从而识别出每个RS码字内的码字分量交织顺序。研究表明,该算法计算量少,能有效地盲识别出RS码的码字内交织顺序。
论文研究了信道编码在数字水印系统中的应用,线性分组码以及分组交织参数的盲识别。并通过MATLAB进行了仿真实验。研究表明,RS码与改进后的二维交织相结合可以显著提升水印系统的鲁棒性;改进后的线性分组码识别方法,具有更广的适用范围,计算复杂度降低,识别效率提升;分组交织内元素顺序的识别方法的提出,为分组交织的彻底识别奠定了基础。