CN106130714B - 一种宽带光混沌信号的发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宽带光混沌信号的发生装置，包括移位寄存器模块，信号调制模块，微波光子滤波器，非线性变换模块，采样量化模块以及时钟控制模块；信号调制模块的输入端连接至移位寄存器模块的输出端，微波光子滤波器的输入端连接至信号调制模块的输出端，非线性变换模块的输入端连接至微波光子滤波器的输出端，采样量化模块的第一输入端连接至非线性变换模块的输出端，第二输入端连接至时钟控制模块的输出端，输出端连接至移位寄存器模块的第二输入端；移位寄存器模块的第一输入端连接至时钟控制模块的输出端。本发明中，系统状态可以由移位寄存器的初始值完全决定，解决了现有的模拟混沌同步鲁棒性不好以及数字混沌信号带宽窄的问题。

Description

一种宽带光混沌信号的发生装置
技术领域
本发明属于通信安全技术领域，更具体地，涉及一种宽带光混沌信号的发生装置。
背景技术
基于混沌的物理层加密已成为目前十分活跃的研究领域，备受学者关注。作为系统安全的基础组成部分，混沌源的设计显得十分重要。当前主要存在两种混沌系统：模拟混沌系统和数字混沌系统。模拟混沌系统，特别是光模拟混沌系统，能够产生具有很高复杂度的宽带类噪声信号。但是，在实际应用中，模拟混沌系统的同步鲁棒性依然面临着巨大的挑战。同时，混沌系统的参数敏感特性与系统同步相冲突，这就使得系统的安全性和实际的可实现性难以同时满足。对于在计算机软件上实现的数字混沌，虽然能够克服模拟混沌系统所面临的这些困难，但它的计算速度会受到算法复杂度以及数字信号处理器性能的影响，这从根本上限制了数字混沌系统在宽带通信系统中的应用。
另一方面，基于数字移位寄存器的系统方案由于低的计算复杂度，已经成为物理层加密的热门方向。举例来说，线性反馈移位寄存器已经被应用于多入多出的空分复用中作为伪随机扰动源。尽管基于线性反馈移位寄存器的系统其数字计算复杂度很低，但产生的信号复杂度也同样较低，当运用在信号加密时，会难以抵抗外界窃听方的攻击，系统安全性堪忧。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种宽带光混沌信号的发生装置，旨在解决现有的模拟混沌同步鲁棒性不好以及数字混沌信号带 宽窄的问题。
本发明提供了一种宽带光混沌信号的发生装置，包括移位寄存器模块，信号调制模块，微波光子滤波器，非线性变换模块，采样量化模块以及时钟控制模块；所述信号调制模块的输入端连接至所述移位寄存器模块的输出端，所述微波光子滤波器的输入端连接至所述信号调制模块的输出端，所述非线性变换模块的输入端连接至所述微波光子滤波器的输出端，所述采样量化模块的第一输入端连接至所述非线性变换模块的输出端，所述采样量化模块的第二输入端连接至所述时钟控制模块的输出端，所述采样量化模块的输出端连接至所述移位寄存器模块的第二输入端，所述移位寄存器模块的第一输入端连接至所述时钟控制模块的输出端。工作时，时钟控制模块用于控制移位寄存器模块和采样量化模块的时钟信号；信号调制模块将输入电信号转化成光信号后输出给微波光子滤波器作滤波处理，然后微波光子滤波器输出滤波后的光信号给非线性变换模块进行非线性处理，非线性变换模块将非线性处理后的光信号输出给采样量化模块，采样量化模块对输入信号进行采样量化后，将产生的数字信号反馈回移位寄存器模块后完成整个环路。
更进一步地，所述信号调制模块包括：第一激光器、第一偏振控制器、第一调制器和第一射频放大器；所述第一射频放大器的输入端作为所述信号调制模块的输入端，所述第一射频放大器的输出端连接至所述第一调制器的电信号输入端，所述第一调制器的光信号输入端通过所述第一偏振控制器连接至所述第一激光器的输出端，所述第一调制器的输出端作为所述信号调制模块的输出端。工作时，所述第一射频放大器对所述移位寄存器模块输出的电信号进行放大，利用所述第一调制器将放大后的电信号调制到所述第一激光器发射的光载波上，所述第一偏振控制器用于调节光载波偏振态使得与第一调制器中晶体偏振主轴保持一致。
更进一步地，所述非线性变换模块包括第一光探测器、第二射频放大 器、第二激光器、第二偏振控制器和第二调制器；所述第一光探测器的输入端作为所述非线性变换模块的输入端，所述第二射频放大器的输入端连接至所述第一光探测器输出端，所述第二调制器的电信号输入端连接至所述第二射频放大器的输出端，所述第二调制器的光信号输入端通过所述第二偏振控制器连接至所述第二激光器的输出端，所述第二调制器的输出端作为所述非线性变换模块的输出端。工作时，经过微波光子滤波器滤波后的光信号由所述第一光探测器转换成电信号，经过第二射频放大器放大后，利用第二调制器调制到第二激光器发射的光载波上，第二偏振控制器用于调节光载波偏振态使得与第二调制器中晶体偏振主轴保持一致。
更进一步地，所述第二调制器为马赫泽得调制器，且马赫泽得调制器工作在调制特性曲线的非线性区。
更进一步地，所述采样量化模块包括：第二光探测器、模数转换器和比特抽取单元；所述第二光探测器的输入端作为所述采样量化模块的第一输入端，所述模数转换器的第一输入端连接至所述第二光探测器的输出端，所述比特抽取单元的第一输入端连接至所述模数转换器的输出端，所述模数转换器的第二输入端和所述比特抽取单元的第二输入端作为所述采样量化模块的第二输入端，所述比特抽取单元的输出端作为所述采样量化模块的输出端。
更进一步地，所述移位寄存器模块包括多个级联的移位寄存器，每个移位寄存器延时时间均相同，且延时时间等于所述移位寄存器模块的输出时钟周期。
更进一步地，所述输出时钟周期T＝1/(10GHz)。
本发明相对现有技术的优点：
(1)相比于现有的模拟混沌源，系统状态可以由移位寄存器的初始值完全决定，在运用于保密通信传输中，不需要发射端和接收端的信号同步。同时利用移位寄存器的初始值作为系统的密钥，数字密钥更加容易控制， 密钥分配更加方便。
(2)相比于现有的数字混沌源，该混合系统产生的是模拟混沌信号，信号带宽能够达到GHz以上，同时移位寄存器的计算复杂度很低，对硬件性能要求低。
(3)相比于现有的混沌源，系统产生的混沌信号延时特征峰很小，系统结构的安全性能够得到一定的保证。
附图说明
图1为本发明的系统原理示意图；
图2为本发明的具体实施案例的系统结构图；
图3为移位寄存器模块1的结构示意图；
图4为宽带光混沌信号发生装置产生的混沌信号频谱图；
图5为宽带光混沌信号发生装置产生的混沌信号波形图；
图6为宽带光混沌信号发生装置产生的混沌信号的延时特征图，其中，(a)为混沌信号的自相关函数曲线图；(b)为混沌信号的延时互信息曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明结合移位寄存器以及电光反馈环路设计了一种新型宽带光混沌信号发生装置。该系统的初始状态可以通过改变移位寄存器的初始值来决定。与传统的模拟混沌系统相比，只要移位寄存器的初值相同，混沌信号就可以在异地再生，因此应用于通信系统中不需要混沌同步过程。除此之外，产生的混沌信号具有非常高的复杂度，并且延时特征峰很小，可以极大地保证加密系统的安全性。因此，该系统更有潜力应用在安全通信中。发明提供一种新型宽带光混沌信号发生装置的设计结构，混沌源的初始状 态可以由移位寄存器模块1的初值来确定，同时产生的混沌信号具有很高的复杂度和带宽，而且延时特征峰很小，能够有效地提高通信系统的安全性能。
本发明提供的宽带光混沌信号发生装置包括：移位寄存器模块1，信号调制模块2，微波光子滤波器3，非线性变换模块4，采样量化模块5以及时钟控制模块6；移位寄存器模块1输出电信号作为信号调制模块2的输入，信号调制模块2将输入电信号转化成光信号后输出给微波光子滤波器3作滤波处理，然后微波光子滤波器3输出滤波后的光信号给非线性变换模块4进行非线性处理，非线性变换模块4将非线性处理后的光信号输出给采样量化模块5，采样量化模块5对输入信号进行采样量化后，将产生的数字信号反馈回移位寄存器模块1，完成整个环路，时钟控制模块6用于控制移位寄存器模块1和采样量化模块5的时钟信号。
移位寄存器模块1用于对采样量化模块输出的电数字信号进行延时后输出，其中，移位寄存器模块1由多个移位寄存器级联而成，每个移位寄存器对信号的延时时间相等，其输出时钟由时钟控制模块6提供，移位寄存器模块1的具体结构如图3所示。
信号调制模块2用于将移位寄存器模块1输出的电信号调制到光载波上，实现电信号到光信号的转化，其中，信号调制模块2采用的调制方式可以是基于调制器的外调制也可以是基于半导体激光器的直接调制。
微波光子滤波器3用于对信号调制模块2输出光信号进行滤波处理后输出，其中，所用的微波光子滤波器3为带通微波光子滤波器，其特性可用如下公式表示：其中为微波光子滤波器3输入光信号的场强，x为微波光子滤波器3输出光信号的场强，w＝2π/T,β＝ln2/T，是微波光子滤波器3的特征参数，T是移位寄存器模块1输出信号的单位脉冲周期，等于移位寄存器模块1的输出时钟周期。
非线性变换模块4用于对微波光子滤波器3输出的光信号进行非线性处理，其中，非线性变换模块4实现的非线性变化可以用如下公式表示： Pout表示非线性变换模块4的输出光信号功率，Pin表示非线性变换模块4的输入光信号功率，P表示输出光信号的平均功率， 表示非线性变换模块4的偏置相位，A表示非线性变换模块4对输入光信号的放大倍数，为了实现非线性变换，要求APin的峰峰值大于π。
采样量化模块5用于对非线性变换模块4输出的光信号进行采样量化，并且抽取量化后数字信号中的一位或多位比特数据，输送给移位寄存器模块1，其中，采样量化模块5实现的可以是光采样量化过程，也可以是电采样量化过程，如果实现的是光采样量化过程，为了将信号输出给移位寄存器模块1，在采样量化模块5输出前需要进行光电转换过程，如果实现的是电采样量化过程，则不需要光电转换过程；采样量化模块5中的抽取过程可以只抽取一位比特数据，也可以是抽取多位比特数据，当只抽量化后数字信号中的一位比特时，则直接输送给移位寄存器模块1，当抽取量化后数字信号中的多位比特时，则需要对多位比特进行逻辑操作或者是将并行数据转换到串行数据，最终每一次采样量化模块5输出只将一位比特数据传输给移位寄存器模块1，采样时钟和比特抽取时钟均由时钟控制模块6提供；
时钟控制模块6用于产生各种时钟控制信号，包括采样量化模块5的采样时钟和比特抽取时钟，移位寄存器模块1的输出时钟，其特征在于控制使得采样量化模块5的输出时钟和移位寄存器模块1的输出时钟始终保持一致。
本发明相对现有技术的优点：
(1)相比于现有的模拟混沌源，系统状态可以由移位寄存器模块1的初始值完全决定，当运用于保密通信传输中，混沌信号可以在异地进行再生，因此不需要进行发射端和接收端的混沌信号同步，从而使得本发明相 对于模拟混沌而言同步鲁棒性更好。同时利用移位寄存器模块1的初始值作为系统的密钥，数字密钥更加容易控制，密钥分配更加方便。
(2)相比于现有的数字混沌源，该混合系统产生的是模拟混沌信号，根据以下发明具体实施实例产生的混沌信号频谱如图4所示，经过计算混沌信号的有效带宽为7.4GHz，而数字混沌带宽很难达到GHz，因此本发明在混沌信号带宽上更加具有优势，同时移位寄存器的计算复杂度很低，对硬件性能要求低。
(3)相比于现有的混沌源，系统产生的混沌信号延时特征峰很小，系统结构的安全性能够得到一定的保证。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的宽带光混沌信号的发生装置，现结合附图详述如下：
本发明提供的宽带光混沌信号的发生装置包括：移位寄存器模块1，信号调制模块2，微波光子滤波器3，非线性变换模块4，采样量化模块5以及时钟控制模块6；移位寄存器模块1输出电信号作为信号调制模块2的输入，信号调制模块2将输入电信号转化成光信号后输出给微波光子滤波器3作滤波处理，然后微波光子滤波器3输出滤波后的光信号给非线性变换模块4进行非线性处理，非线性变换模块4将非线性处理后的光信号输出给采样量化模块5，采样量化模块5对输入信号进行采样量化后，将产生的数字信号反馈回移位寄存器模块1，完成整个环路，时钟控制模块6用于控制移位寄存器模块1和采样量化模块5的时钟信号。
在本发明实施例中，移位寄存器模块1用于对采样量化模块5输出的电信号进行延时传输，输出用于信号调制模块2产生光信号，移位寄存器模块1由30个级联的移位寄存器组成，每个寄存器延时时间均相同，延时时间等于移位寄存器模块1的输出时钟周期，输出时钟由时钟控制模块6提供，这里时钟周期设为dt＝T＝1/(10GHz)，移位寄存器模块1结构如图 3所示，移位寄存器模块1具体功能采用数字信号处理器程序编写实现，其输出为二值序列x1∈{0,1}，输出信号峰峰值设为300mV；
在本发明实施例中，信号调制模块2用于将移位寄存器模块1输出的电信号调制到光载波上，实现电信号到光信号的转化，信号调制模块2包括第一激光器21，第一偏振控制器22，第一马赫泽得调制器23和第一射频放大器24，第一激光器21输出光载波，经过第一偏振控制器22后输出给第一马赫泽得调制器23的光输入口，移位寄存器模块1输出的电信号经过第一射频放大器24后提供给第一马赫泽得调制器23的电信号接入口；
利用第一射频放大器24对移位寄存器模块1输出的电信号进行放大，第一射频放大器24型号为：DR-AN-20-HO；利用第一马赫泽得调制器23将放大后的电信号调制到第一激光器21发射的光载波上，第一偏振控制器22用于调节光载波偏振态使得与第一马赫泽得调制器23中晶体偏振主轴保持一致，第一马赫泽得调制器23型号为：MX-LN-20，第一激光器21型号为：TLG-200，该过程可以表示为： m(t)＝a1x1(n),nT≤t≤(n+1)T，其中E(t)是信号调制模块2的输出光场强，是输出光场强的振幅，a1是第一射频放大器24的增益，n为二值序列每个值的序列号，Vpi1是第一马赫泽得调制器23的半波电压。T为移位寄存器模块1的输出时钟周期，输出时钟由时钟控制模块6提供，这里设为1/(10GHz)，P1为第一激光器21发射光载波的平均功率，设为15dBm，是第一马赫泽得调制器23直流偏置相位，偏置在线性点π/4附近。
在本发明实施例中，微波光子滤波器3用于对信号调制模块2输出的光信号进行滤波，所用的微波光子滤波器3为带通微波光子滤波器，其滤波特性可以表示为：其中为信号调 制模块2输出光信号场强的振幅，x2为微波光子滤波器3输出光信号场强的振幅，w＝2π/T,β＝ln2/T，是微波光子滤波器3的特征参数，T是移位寄存器模块1的输出时钟周期，这里设为1/(10GHz)。微波光子滤波器3功能利用FinisarWaveShaper 4000S编程实现。
在本发明实施例中，非线性变换模块4用于对微波光子滤波器3输出的光信号进行非线性处理，非线性变换模块4包括：第一光探测器41，第二射频放大器42，第二激光器43，第二偏振控制器44和第二马赫泽得调制器45实现，微波光子滤波器3输出滤波处理后的光信号经过第一光探测器41进行光电转化后传送给第二射频放大器42，第二射频放大器42的输出接第二马赫泽得调制器45的电信号输入接口，第二激光器43输出光载波经过第二偏振控制器44后接第二马赫泽得调制器45的光输入接口，具体结构参见图2。利用这种结构，非线性变换强度可以由第二射频放大器42的增益决定，可以很方便地控制，构成非线性变换模块4的所有器件都是成熟的光电器件，模块可以很容易搭建，经过该结构的非线性变换，混沌信号复杂度可以得到极大地提升，更加有利于保证通信系统的安全性能。
第一光探测器41型号为：DSC-R409；第二射频放大器42型号为：DR-AN-20-HO；第二激光器43型号为：TLG-200；第二马赫泽得调制器45型号为：MX-LN-20。经过微波光子滤波器3滤波后的光信号x2由第一光探测器41转换成电信号，经过第二射频放大器42放大后，利用第二马赫泽得调制器45调制到第二激光器43发射的光载波上，第二偏振控制器44用于调节光载波偏振态使得与第二马赫泽得调制器45中晶体偏振主轴保持一致。为了实现信号的非线性变换，第二马赫泽得调制器45需要工作在调制特性曲线的非线性区。该过程可表示为：其中x2是微波光子滤波器3输出光信号的振幅，x3是非线性变换模块4的输出信号功率，γ1是第一光探测器41的响应度，a2是第二射频放大器42的增益，Vpi2是第二马赫泽得调制器45的半波电压。P2表示第二激光器43发射的光载波的平均功率，设为15dBm，是第二马赫泽得调制器45的直流偏置相位，将第二马赫泽得调制器45偏置在峰值点附近即
在本发明实施例中，采样量化模块5用于对非线性变换模块4输出的光信号进行采样量化，并且抽取量化后数字信号中的一位或多位比特数据，输送给移位寄存器模块1。采样量化模块5可以由模数转换器和数字信号处理器组成，使用8位高速模数转换器对输入信号进行量化，模数转换器的采样时钟由时钟控制模块6提供，这里设置时钟周期为T＝1/f＝1/(10GHz)；由于采样量化进行的是电处理过程，信号在进行采样量化之前需要由第二光探测器51进行光电转换，使用的第二光探测器51的型号为：DSC-R409；抽取量化后数字信号中的最低位比特输送给移位寄存器模块1，抽取时钟由时钟控制模块6提供，这里设置时钟周期为T＝1/f＝1/(10GHz)，抽取和传输过程均由数字信号处理器实现。
在本发明实施例中，时钟控制模块6用于产生各种时钟控制信号，包括采样量化模块5的采样时钟和比特抽取时钟，移位寄存器模块1的输出时钟，控制使得采样量化模块5信号输出时钟和移位寄存器模块1的输出时钟保持一致，时钟周期设为T＝1/(10GHz)。
根据以上内容可以构建出本发明说明的新型宽带光混沌信号发生装置，得到混沌信号x3的波形如图5所示。系统状态可以通过设置移位寄存器模块1的初始状态而完全确定，运用于通信传输中不需要系统同步，产生的混沌信号复杂度高，其排列熵可以达到0.99，接近于理论极限值。除此之外，混沌信号延时特征如图6所示，延时互信息图中没有明显的延时特征峰，自相关曲线特征峰值很小，系统结构的安全性可以得到一定的保证。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽带光混沌信号的发生装置，其特征在于，包括移位寄存器模块(1)，信号调制模块(2)，微波光子滤波器(3)，非线性变换模块(4)，采样量化模块(5)以及时钟控制模块(6)；
所述信号调制模块(2)的输入端连接至所述移位寄存器模块(1)的输出端，所述微波光子滤波器(3)的输入端连接至所述信号调制模块(2)的输出端，所述非线性变换模块(4)的输入端连接至所述微波光子滤波器(3)的输出端，所述采样量化模块(5)的第一输入端连接至所述非线性变换模块(4)的输出端，所述采样量化模块(5)的第二输入端连接至所述时钟控制模块(6)的输出端，所述采样量化模块(5)的输出端连接至所述移位寄存器模块(1)的第二输入端，所述移位寄存器模块(1)的第一输入端连接至所述时钟控制模块(6)的输出端。
2.如权利要求1所述的发生装置，其特征在于，工作时，时钟控制模块(6)用于控制移位寄存器模块(1)和采样量化模块(5)的时钟信号；信号调制模块(2)将输入电信号转化成光信号后输出给微波光子滤波器(3)作滤波处理，然后微波光子滤波器(3)输出滤波后的光信号给非线性变换模块(4)进行非线性处理，非线性变换模块(4)将非线性处理后的光信号输出给采样量化模块(5)，采样量化模块(5)对输入信号进行采样量化后，将产生的数字信号反馈回移位寄存器模块(1)后完成整个环路。
3.如权利要求1或2所述的发生装置，其特征在于，所述信号调制模块(2)包括：第一激光器(21)、第一偏振控制器(22)、第一调制器(23)和第一射频放大器(24)；
所述第一射频放大器(24)的输入端作为所述信号调制模块(2)的输入端，所述第一射频放大器(24)的输出端连接至所述第一调制器(23)的电信号输入端，所述第一调制器(23)的光信号输入端通过所述第一偏振控制器(22)连接至所述第一激光器(21)的输出端，所述第一调制器(23)的输出端作为所述信号调制模块(2)的输出端。
4.如权利要求3所述的发生装置，其特征在于，工作时，所述第一射频放大器(24)对所述移位寄存器模块(1)输出的电信号进行放大，利用所述第一调制器(23)将放大后的电信号调制到所述第一激光器(21)发射的光载波上，所述第一偏振控制器(22)用于调节光载波偏振态使得与第一调制器(23)中晶体偏振主轴保持一致。
5.如权利要求1所述的发生装置，其特征在于，所述非线性变换模块(4)包括第一光探测器(41)、第二射频放大器(42)、第二激光器(43)、第二偏振控制器(44)和第二调制器(45)；
所述第一光探测器(41)的输入端作为所述非线性变换模块(4)的输入端，所述第二射频放大器(42)的输入端连接至所述第一光探测器(41)输出端，所述第二调制器(45)的电信号输入端连接至所述第二射频放大器(42)的输出端，所述第二调制器(45)的光信号输入端通过所述第二偏振控制器(44)连接至所述第二激光器(43)的输出端，所述第二调制器(45)的输出端作为所述非线性变换模块(4)的输出端。
6.如权利要求5所述的发生装置，其特征在于，工作时，经过微波光子滤波器(3)滤波后的光信号由所述第一光探测器(41)转换成电信号，经过第二射频放大器(42)放大后，利用第二调制器(45)调制到第二激光器(43)发射的光载波上，第二偏振控制器(44)用于调节光载波偏振态使得与第二调制器(45)中晶体偏振主轴保持一致。
7.如权利要求5或6所述的发生装置，其特征在于，所述第二调制器(45)为马赫泽得调制器，且马赫泽得调制器工作在调制特性曲线的非线性区。
8.如权利要求1所述的发生装置，其特征在于，所述采样量化模块(5)包括：第二光探测器(51)、模数转换器和比特抽取单元；
所述第二光探测器(51)的输入端作为所述采样量化模块(5)的第一输入端，所述模数转换器的第一输入端连接至所述第二光探测器(51)的输出端，所述比特抽取单元的第一输入端连接至所述模数转换器的输出端，所述模数转换器的第二输入端和所述比特抽取单元的第二输入端作为所述采样量化模块(5)的第二输入端，所述比特抽取单元的输出端作为所述采样量化模块(5)的输出端。
9.如权利要求1所述的发生装置，其特征在于，所述移位寄存器模块(1)包括多个级联的移位寄存器，每个移位寄存器延时时间均相同，且延时时间等于所述移位寄存器模块(1)的输出时钟周期。
10.如权利要求9所述的发生装置，其特征在于，所述输出时钟周期T＝1/(10GHz)。
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