[发明专利]在音频信号中传送辅助数据的方法及装置

说明书

本发明涉及用于在音频信号中隐藏数据的方法及装置，更具体地，涉及将一个或多个辅助数据信号插在原始音频信号中并通过现有音频信道通信的方案。并且也公开了从音频信号中恢复隐藏数据的方法和装置。

携载信息的传输信道的容易受到信道带宽的限制。因为无线电通信信道的带宽受到电磁波频谱的实际条件的限制，因此开发用于能在给定带宽的信道内增加携载信息量的技术变为非常需要。例如，已经公知了用于压缩数字数据以便将更多的数据压缩在给定带宽或数据存储空间中的技术。

在给定带宽内传输附加数据的另一方案是识别附加信息能与原始信息一起传送的，并对原始信号本身的传送无副作用。这种技术可与公知的压缩方法相结合。一种这样的技术是与音频信号一起传送数据。在这种技术中，音频信道的带宽保留原样，而附加信息与音频信息装载在一起，以致使附加信息能被检索出来，并实质上不会使原始音频信号的质量下降。

由于在音频系统中重播声音的方法，在传统的音频信号中具有固有的冗余。通过作为音频信号的幅值或电压将瞬时的声压记录下来，在实际重播及人的听觉感受之间将出现失配。尽管人耳在许多方面有些非线性，它表现为象一组低通滤波器或频谱分析器。在每个频率上，听觉近似为对数特性，即能被承受的噪音量正比于信号。换言之，一旦“信噪比”(SNR)超过一定阈值，噪音不再能被听到。该SNR阈值通常小于40dB并维持在大多数可听频率范围上。这个相对低的SNR要求能使载有信号的信息通过现有的音频信号通道(例如，从音频信号源到重播声音的换能器)，不被人耳所觉察到，只要该SNR维持在所有的频率上。

在音频信号中隐埋数字信息的一种方法公开在题为“隐埋式信号通信”的美国专利US，5,319,375中。该专利公开了代表待隐埋的码符号序列的码信号发生，码信号具有的频率分量实际上被限定在音频信号带宽内并小于该带宽的预选信号发送带上。在围绕该信号发送带的频带上对音频信号连续地作频率分析。作为分析的函数，码信号被动态地滤波，以对修改的码信号提供频率分量级，后者在每个时刻上在信号发送带的外部实际上小到可以忽略。在信号发送带的每个频率上，修改码信号的频率分量级实际上预选择为正比于在相应频率范围中的音频信号频率分量级。修改码信号与音频信号相结合以提供复合音频信号。频率分析及动态滤波是使用大量带通波器的组来实现的。这种结构导致相当复杂及高成本的实施，这将限制其实用价值。

最好是提供一种在传统音频信号中隐藏数据的更健全的方案。这种方案应能使多个不同的数据流与音频信号一起传送，而实际上不会改变音频信号的质量。这些不同的数据流应能以不同数据速率提供，并能在被加到音频信号上以前能以任何数目的路径相组合。不同的数据流及其组合也应能在另外数据流已加到音频信号上以后以“级联”的方式加到音频信号上。组合数据流应能在音频信号中以不同的等级(即具有不同的增益)来提供，及组合数据流的功率应可被调节以保持在所需等级上在音频音号内相组合。

此外，由音频信号携载的信息类型实际上应是无限制的。例如，最好使与音频信号完全无关的数据被携载。类似地，使辅助于音频数据的数据被携载也是有利的，这种辅助数据例如为预防音频信号未被合法授权地复制所执行的复制保护方案的数据或其它控制与音频信号有关的音频节目的使用或另外信息(例如视频或多媒体)的使用的数据。识别音频信号内容的信息，例如音频节目的名称和/或演员，及关于市场研究或商业验证的调查信息也可使用该方案来隐藏。另外，用于在音频信号中隐藏数据的方案应能隐藏调制的载波、未调制的载波(例如引导信息)或这两者的组合。

本发明涉及具有上述及另外优点的对隐藏在音频信号中的信息进行传送及恢复的方法和装置。

根据本发明，提供了一种在音频信号中隐藏辅助信息以便与接收机通信的方法。伪随机噪音载波(具有平的频谱)被辅助信息调制，以提供携载信息的扩展频谱信号。对音频信号进行估算以确定其频谱形状。扩展频谱信号的载波部分被频谱整形(即，“变为彩色”)以模仿音频信号的频谱形状。具有频谱整形载波部分的扩展频谱信号与音频信号相结合以产生携载作为音频信号中随机噪音的辅助信息的输出信号。

在图示的实施例中，输出信号包括扩展频谱信号及音频信号的和。辅助信息可使用正向误差校正(FEC)码在调制步骤前被编码。以此方式，辅助信息调制FEC数据形式的载波。