CN107769859B - 一种基于相位-幅度转换的保密光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位‑幅度转换的保密光通信系统，属于安全通信技术领域。本发明系统通过相位‑幅度转换将相位上的噪声信号转换到幅度上对幅度上的数据信号实现掩盖加密，与传统噪声保密光通信系统相比，可通过相位‑幅度转换进行解密，不需要对掩盖信号进行滤波，信号速率不受限制，掩盖信号不需在链路传输，可以极大地保证加密系统的安全性；同时该系统通过电光反馈回路进行二次加密，同时引入了延时增加了密钥空间，通过系统中色散元件增加了密钥空间维度，同时实现了延时掩盖。与传统混沌保密光通信系统相比，本发明系统具有更高的密钥维度，更大的密钥空间。

Description

一种基于相位-幅度转换的保密光通信系统

技术领域

本发明属于安全通信技术领域，更具体地，涉及一种基于相位-幅度转换的保密光通信系统。

背景技术

随着光通信的应用日益普遍，光通信中的安全问题变得尤为重要。在光通信安全方面，基于物理层的保密光通信系统目前已成为一个研究热点。当前主要存在两种保密光通信系统：混沌保密光通信系统和噪声保密光通信系统。混沌保密光通信系统能产生宽带的对初值敏感的类噪声信号用于对数据信息在幅度上或相位上进行掩盖加密。但在实际应用中，混沌保密光通信系统的同步鲁棒性仍面临巨大挑战。同时，由混沌系统中的反馈结构所引入的延迟时间信息可通过时间序列分析技术获得，存在安全隐患。噪声保密光通信系统应用复杂度更高的噪声信号对数据信息进行掩盖。但是现有的噪声保密光通信方案中所能支持的数据速率在原理上受限。并且现有的噪声保密光通信方案中加密所用的噪声信号与加密过的数据信息需要在链路中同时传输，同样也存在安全隐患。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于相位-幅度转换的保密光通信系统，其目的在于通过相位-幅度转换将相位上的噪声信号转换到幅度上对幅度上的数据信号实现掩盖加密；通过电光反馈回路进行二次加密，同时引入了延时增加了密钥空间；由此解决现有通信保密技术存在安全隐患的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于相位-幅度转换的保密光通信系统，所述系统包括：

信号发生模块，用于产生强度调制的光信号并将光信号传输至相位噪声掩盖模块；

相位噪声掩盖模块，用于在光信号的相位域上实现噪声掩盖并通过相位-幅度转换实现幅度上的信息掩盖，并将掩盖后的光信号传输至反馈同步模块；

反馈同步模块，用于对掩盖后的光信号进行反馈调制并经由信号传输模块传输至反馈同步补偿模块；

反馈同步补偿模块，用于对光信号进行反馈同步的补偿，恢复至相位噪声掩盖后的光信号，并将恢复后的光信号传输至相位噪声掩盖补偿模块；

相位噪声掩盖补偿模块，用于对光信号相位噪声掩盖进行补偿，恢复出幅度域的原始光信号，并将原始光信号传输至信号接收模块。

进一步地，所述相位噪声掩盖模块包括：

噪声发生单元，用于产生噪声信号传输至第一相位调制单元；

第一相位调制单元，用于将噪声信号调制到信号发生模块输出的强度调制的光信号的相位上，并将调制后光信号传输至第一色散介质；

第一色散介质，用于实现光信号的相位-幅度转换。

进一步地，所述反馈同步模块包括：

第一反馈回路，用于将接受到的光信号反馈到第二相位调制单元；

第二相位调制单元，用于对经过的相位噪声掩盖的光信号进行反馈相位调制，并将调制后的光信号一部分传输至第二色散介质，另一部分传输至第一反馈回路；

第二色散介质，用于实现光信号的相位-幅度转换。

进一步地，所述反馈同步补偿模块包括：

第三色散介质，用于对光信号的相位-幅度转换进行补偿，并将补偿后光信号传输至第三相位调制单元；

第二反馈回路，用于将接受到的光信号反馈到第三相位调制单元；

第三相位调制单元，用于对光信号的反馈相位调制进行补偿，并将补偿后的光信号一部分传输至相位噪声掩盖补偿模块，另一部分传输至第二反馈回路。

进一步地，所述系统还包括信号传输模块，用于作为光信号在反馈同步模块和反馈同步补偿模块之间的传输信道。

进一步地，所述系统还包括信号接收模块，用于接受相位噪声掩盖补偿模块输出的光信号，通过电光转换将光信号转换为电信号，通过示波器显示分析。

进一步地，所述反馈同步模块与反馈同步补偿模块结构对称，对应器件参数相同。

进一步地，信号发生模块具体包括以下器件：

待传输的电信号源，用于输出电信号至第一射频放大器；

第一射频放大器，用于对电信号进行放大并输出至第一调制器；

激光器，用于发射光信号至第一偏振控制器；

第一偏振控制器，用于调节所述光信号的偏振态使其与所述第一调制器中晶体偏振主轴保持一致，并将调节后的光信号发送至第一调制器；

第一调制器，用于将放大后的电信号调制到光信号上。

进一步地，相位噪声掩盖模块具体包括以下器件：

第一光放大器，用于作为光自发辐射噪声源，产生光噪声传输至光滤波器；

光滤波器，用于对光噪声进行滤波，并将滤波后光噪声传输至第二光放大器；

第二光放大器，用于将光噪声进行放大并传输至第一光探测器；

第一光探测器，用于将放大后的光噪声信号转换为电噪声信号，并将电噪声信号传输至第二射频放大器；

第二射频放大器，用于电噪声信号进行放大，并将电噪声信号传输至第二调制器；

第二偏振控制器，用于调节光信号偏振态使得与第二调制器中晶体偏振主轴保持一致，并将调节后的光信号传输至第二调制器；

第二调制器，用于将电噪声信号调制到光信号上，并将调制后光信号传输至第一光纤布拉格光栅；

第一光纤布拉格光栅，用于实现噪声信号在光信号上从相位到幅度的转换。

进一步地，反馈同步模块具体包括以下器件：

第三偏振控制器，用于调节光信号偏振态使得与第三调制器中晶体偏振主轴保持一致，并将调节后光信号传输至第三调制器；

第三光放大器，用于放大光信号并将光信号传输至第一光耦合器；

第一光耦合器，用于对光信号进行分路，一路传输至第一光延迟线，一路传输至第二光纤布拉格光栅；

第一光延迟线，用于对光信号进行延时，并将光信号传输至第二光探测器；

第二光探测器，用于将光信号转化为电信号，并将电信号传输至第三射频放大器；

第三射频放大器，用于将电信号进行放大后传输至第三调制器；

第三调制器，用于将经过回路反馈的电信号调制到光信号上，并将光信号发送至第三光放大器；

第二光纤布拉格光栅，用于实现回路反馈光信号由相位到幅度的转换。

进一步地，信号传输模块具体包括以下器件：

标准单模光纤，用于作为光信号的传输通道，并将光信号传输至色散补偿光纤；

色散补偿光纤，用于对光信号在光纤中传输产生的色散进行补偿，补偿后的光信号传输至第四光放大器；

第四光放大器，用于对光信号在光纤中传输过程的光功率损耗进行补偿。

进一步地，反馈同步补偿模块具体包括以下器件：

第三光纤布拉格光栅，用于实现相对于第二光纤布拉格光栅的逆变换，并将逆变换后的光信号传输至第四偏振控制器；

第四偏振控制器，用于调节光信号偏振态使得与第四调制器中晶体偏振主轴保持一致，并将光信号传输至第四调制器；

第四调制器，用于将经过回路反馈的电信号调制到光信号上，并将调制后光信号传输至第二光耦合器；

第二光耦合器，用于将光信号进行分路，一路传输至噪声掩盖补偿模块，一路传输至第二光延迟线；

第二光延迟线，用于对光信号进行延时，并将延时后光信号传输至第三光探测器；

第三光探测器，用于将光信号转化为电信号，并将点信号传输至第四射频放大器；

第四射频放大器，用于放大电信号，并将放大后电信号传输至第四调制器；

进一步地，相位噪声掩盖补偿模块具体包括以下器件：

第四光纤布拉格光栅，用于实现相对于第一光纤布拉格光栅的逆变换，恢复出加载了数据信息的原始光信号。

进一步地，信号接收模块具体包括以下器件：

第四光探测器，用于将解密后的光信号转换为电信号，并将电信号传输至示波器

示波器，用于对电信号进行分析。

进一步地，所述第一调制器为马赫泽得调制器，是一种将电信号调制到光信号振幅上的光电器件，且马赫泽得调制器工作在调制特性曲线的线性区；所述第二调制器、第三调制器、第四调制器为相位调制器，是一种将电信号调制到光信号相位上的光电器件。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术特征及有益效果：

(1)相比于现有的混沌保密光通信系统，本系统中相位噪声掩盖模块采用噪声源作为掩盖信号，具有更高的复杂度；本系统中反馈同步模块由于色散转换，延时信息实现了隐藏；本系统相位噪声掩盖模块和反馈同步模块引入了色散、延时等多重密钥，具有更高的密钥维度，更大的密钥空间；

(2)相比于现有的噪声保密光通信系统，本系统中相位噪声掩盖模块和同步反馈模块利用相位-幅度转换实现噪声掩盖，接收端只需要用与发射端对称的反馈同步补偿模块和噪声掩盖补偿模块进行解密，掩盖信号不需要单独在链路中传输，具有更高的安全性；该系统信号带宽不受原理性限制，可达10G以上。

附图说明

图1是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3a和图3b、图3c和图3d、图3e和图3f分别为基于相位-幅度转换的保密光通信系统中原始信号、经过加密后、解密后的信号时序图和眼图；

图4为基于相位-幅度转换的保密光通信系统中经过加密后信号的延时特征图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的基于相位-幅度转换的保密光通信系统包括：信号发生模块1、相位噪声掩盖模块2、反馈同步模块3、信号传输模块4、反馈同步补偿模块5、相位噪声掩盖补偿模块6以及信号接收模块7；信号发生模块1输出光信号，利用相位噪声掩盖模块2和同步反馈模块3进行加密，通过信号传输模块4传输到接收端，利用反馈同步补偿模块5和相位噪声掩盖补偿模块6对光信号进行解密，恢复出由信号发生模块1发出的光信号，利用信号接收模块7接收光信号。

信号发生模块1用于产生强度调制的光信号，其产生方式可以是将信息信号通过强度调制器调制到直流光载波上，或者利用直调激光器产生加载了信息数据的光信号等方式。

相位噪声掩盖模块2利用噪声发生单元产生噪声信号，利用第一相位调制单元将噪声调制到信号发生模块1输出的强度调制的光信号的相位上，并通过第一色散介质实现相位-幅度转换，对光信号的相位和幅度上均实现加密掩盖，利用的噪声可以是放大的自发辐射噪声也可以是混沌噪声等其他形式的噪声，利用的色散介质可以是光纤布拉格光栅也可以是色散补偿光纤等色散器件。

反馈同步模块3用于对相位噪声掩盖模块2掩盖加密后的光信号进行反馈调制，使掩盖加密后的光信号通过第一反馈回路对加密后的信号再次进行相位调制，通过第二色散介质实现相位-幅度转换实现二次加密；第一反馈回路引入的延时信号增加密钥空间，回路之后的色散转换增加密钥空间同时实现延时隐藏，利用的色散介质可以是光纤布拉格光栅也可以是色散补偿光纤等色散器件。

信号传输模块4用于将反馈同步模块输出的光信号进行信道传输。

反馈同步补偿模块5用于信号传输模块4传输的加密信号进行解密，通过与反馈同步模块3对称的结构及相同的器件参数，补偿反馈同步模块3带来的加密隐藏效果，再传输到相位噪声掩盖补偿模块6进行进一步解密。

相位噪声掩盖补偿模块6用于对反馈同步补偿模块5传输的信号进行进一步解密，通过弥补相位噪声掩盖模块2中的色散过程，恢复出信号发生模块1产生强度调制的光信号，实现信号解密。

信号接收模块7用于接收相位噪声掩盖补偿模块6输出的光信号，通过光电转换将光信号转换为电信号，通过示波器显示分析。

为了更进一步地说明本发明系统，现结合实施例提供的基于相位-幅度转换的保密光通信系统详述：

如图2所示，在本发明实例中，信号发生模块1用于产生强度调制的光信号，信号发生模块1包括：激光器11，第一偏振控制器12，第一调制器13，电信号源14和第一射频放大器15，激光器11输出的光信号通过第一偏振控制器12后接第一调制器13的光输入口作为光载波，电信号源14产生01伪随机序列的电信号，通过第一射频放大器15放大，放大后的电信号输入第一调制器13的电输入口。

利用激光器11产生光载波，激光器11的型号为：TLG-200；利用电信号源14产生01类型的伪随机序列电信号，电信号源14的型号为：E410A；利用第一射频放大器15对电信号进行放大，第一射频放大器15的型号为：OA4MVM3；将放大了的电信号利用第一调制器13调制到光载波上，第一调制器13的型号为：MX-LN-20；第一偏振控制器12用于调节光载波偏振态使得与第一调制器13中晶体偏振主轴保持一致。

在本发明实施例中，相位噪声掩盖模块2利用噪声对信号发生模块1输出的加载了数据信号的光信号进行掩盖加密，并通过相位-幅度转换，在光信号的相位和幅度上均实现加密掩盖，相位噪声掩盖模块2包括：第一光放大器21、光滤波器22、第二光放大器23、第一光衰减器24、第一光探测器25、第二射频放大器26、第二偏振控制器27、第二调制器28和第一光纤布拉格光栅29，第一光放大器21用于产生自发辐射噪声，利用光滤波器22进行滤波，利用第二光放大器23对滤波后的自发辐射噪声进行放大，通过第一光探测器25进行光电转换，转换为电信号，利用第二射频放大器26对电信号进行放大，输入到第二调制器28的电输入口，由信号发生模块1输出的光信号通过第二偏振控制器27后输入到第二调制器28的光输入口，调制后的光信号输入第一光纤布拉格光栅29进行色散变换。

利用第一光放大器21产生自发辐射噪声，第一光放大器21的型号为：HLT-EDFA-M-20-25-1-FA；利用光滤波器22对产生的噪声进行滤波，滤波后的噪声信号利用第二光放大器23进行放大，第二光放大器23的型号为HLT-EDFA-M-20-25-1-FA；放大后的噪声信号经过第一光衰减器24进行功率调节之后输入到第一光探测器25中，进行光电转换；利用第二射频放大器26对第一光探测器25产生的电信号进行放大，第二射频放大器26的型号为：OA4MVM3；利用第二调制器28将放大的电信号调制到由信号发生模块1输出的光信号的相位上，第二调制器28的型号为：PM-DS5-20-PFU-PFU-LV；利用第一光纤布拉格光栅29对光信号进行相位－幅度转换，使调制在相位上的噪声转换到幅度上，第一光纤布拉格光栅29的型号为：TDCMX-C05-EB-BS08；第二偏振控制器27用于调节光载波偏振态，通过控制光载波偏振方向与调制器晶体主轴夹角角度，实现控制第二调制器28的调制深度。

在本发明实施例中，反馈同步模块3用于对相位噪声掩盖模块2掩盖加密后的光信号进行反馈调制，通过电光反馈回路对加密后的信号再次进行相位调制，通过色散实现相位-幅度转换实现二次加密；电光反馈回路引入的延时信号增加密钥空间，回路之后的色散转换增加密钥空间同时实现延时隐藏，反馈同步模块3包括：第三偏振控制器31，第三调制器32，第三光放大器33，第一光耦合器34，第一光延迟线35，第二光探测器36，第三射频放大器37，第二光纤布拉格光栅38，利用第一光耦合器34将调制后的信号分为两路，一路向后传输到第二光纤布拉格光栅38，一路进入反馈回路，通过第一光延迟线35后输入到第二光探测器36，进行光电转换，转换后的电信号经过第三射频放大器37放大后输入到第三调制器32的电输入端，对光信号进行相位调制，输入到第二光纤布拉格光栅38的光信号通过色散实现相位－幅度转换，使调制在光信号相位上的反馈信号转换到幅度上，并由于色散转换过程，反馈回路产生的延时信号得到隐藏。

利用第三调制器32将反馈回路产生的电信号信息调制到光信号的相位上，第三调制器32的型号为：MPZ-LN-20；利用第一光延迟线35引入延时参数，扩大密钥空间，第一光延迟线35的型号为：F-VDL-1-6-FA-P；利用第二光探测器36将光信号转换为电信号；利用第三射频放大器37对电信号进行放大，第三射频放大器37的型号为OA4MVM2；利用第二光纤布拉格光栅38对经过反馈回路相位调制的光信号进行色散变换，实现相位－幅度转换的同时实现延时掩盖，第二光纤布拉格光栅38的型号为TDCMX-C050-EB-BS08；第三偏振控制器31用于调节光载波偏振态，通过控制光载波偏振方向与调制器晶体主轴夹角角度，实现控制第三调制器32的调制深度。

在本发明实施例中，信号传输模块4用于将反馈同步模块输出的加密信号进行传输，并补偿传输链路带来的衰减和色散，信号传输模块4包括：标准单模光纤41、色散补偿光纤42、第四光放大器43，利用标准单模光纤41实现100公里传输，利用色散补偿光纤42补偿标准单模光纤41产生的色散，利用第四光放大器43补偿标准单模光纤41产生的功率损耗。

利用色散补偿光纤42补偿传输100公里产生的色散量，色散补偿光纤42的型号为TDCMB-C000-NC-BF01，利用第四光放大器43补偿传输100公里产生的功率损耗，第四光放大器43的型号为：HLT-EDFA-M-10-20-1-0-FA。

在本发明实施例中，反馈同步补偿模块5用于信号传输模块4传输的加密信号进行解密，通过与反馈同步模块3对称的结构及相同的器件参数，补偿反馈同步模块3带来的加密隐藏效果，再传输到相位噪声掩盖补偿模块6进行进一步解密，反馈同步补偿模块5包括：第三光纤布拉格光栅51、第四偏振控制器52、第四调制器53、第二光耦合器54、第二光延迟线55、第三光探测器56、第四射频放大器57，利用第三光纤布拉格光栅51补偿第二光纤布拉格光栅38引入的色散量，利用第四调制器53将反馈回路的信号调制到第三光纤布拉格光栅51输出的光信号的相位上对第三调制器32产生的相位变换进行补偿。

利用第三光纤布拉格光栅51补偿第二光纤布拉格光栅38引入的色散，第三光纤布拉格光栅的型号为：TDCMX-C50-EB-BS08；利用第四调制器53将反馈回路反馈的电信号调制到光载波的相位上，补偿第三调制器32产生的相位调制，第四调制器53的型号为：KG-PM-15-10G-PP-FA-FA；利用第二光延迟线55匹配第一光延迟线35产生的时延，第二光延迟线55的型号为F-VDL-1-6-FA-P；利用第三光探测器56实现光电转换；利用第四射频放大器57对电信号进行放大，第四射频放大器57的型号为：OA4MVM2-4。

在本发明实施例中，相位噪声掩盖补偿模块6用于对反馈同步补偿模块5传输的信号进行进一步解密，通过弥补相位噪声掩盖模块2中的色散过程，恢复出信号发生模块1产生的未加密的光信号，实现信号解密，相位噪声掩盖补偿模块6包括：第四光纤布拉格光栅61；利用第四光纤布拉格光栅61补偿第一光纤布拉格光栅29产生的色散，恢复幅度上的数据信息。

利用第四光纤布拉格光栅61实现相位-幅度转换，第四光纤布拉格光栅61的型号为：TDCMX-C050-EB-BS08。

在本发明实施例中，信号接收模块7用于接收相位噪声掩盖补偿模块6输出的解密信号，通过电光转换将光信号转换为电信号，通过示波器显示分析，信号接收模块7包括：第四光探测器71和示波器72；利用第四光探测器71实现光电转换，再利用示波器72对电信号进行接收显示和分析。

利用第四光探测器71实现光电转换，利用示波器72对解密信号进行接收显示和分析，示波器72的型号为：SDA 830Zi-A。

根据以上内容可以构建出本发明说明的基于相位-幅度转换的保密光通信系统，原始信号、加密后和解密后的信号时序波形图和眼图如图3所示。传输100公里距离时，对加密后的信号进行直接探测，其误码率可达到10e-2以上，使用正确的解密参数解密后的信号误码率可以达到10e-8。除此之外，加密信号的延时特征如图4所示，自相关曲线峰值很小，可以实现延时掩盖，对于系统结构的安全性可以得到一定的保证。

以上内容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 (5)

1.一种基于相位-幅度转换的保密光通信系统，其特征在于，所述系统包括：

信号发生模块，用于产生强度调制的光信号并将光信号传输至相位噪声掩盖模块；

相位噪声掩盖模块，用于在光信号的相位域上实现噪声掩盖并通过相位-幅度转换实现幅度上的信息掩盖，并将掩盖后的光信号传输至反馈同步模块；

反馈同步模块，用于对掩盖后的光信号进行反馈调制并经由信号传输模块传输至反馈同步补偿模块；

反馈同步补偿模块，用于对光信号进行反馈同步的补偿，恢复至相位噪声掩盖后的光信号，并将恢复后的光信号传输至相位噪声掩盖补偿模块；

相位噪声掩盖补偿模块，用于对光信号相位噪声掩盖进行补偿，恢复出幅度域的原始光信号，并将原始光信号传输至信号接收模块；

所述反馈同步模块包括：

第一反馈回路，用于将接收到的第二相位调制单元输出的光信号反馈到第二相位调制单元；

第二相位调制单元，用于对经过的相位噪声掩盖的光信号进行反馈相位调制，并将调制后的光信号一部分传输至第二色散介质，另一部分传输至第一反馈回路；

第二色散介质，用于实现光信号的相位-幅度转换；

所述反馈同步补偿模块包括：

第三色散介质，用于对光信号的相位-幅度转换进行补偿，并将补偿后光信号传输至第三相位调制单元；

第二反馈回路，用于将接收到的第三相位调制单元输出的光信号反馈到第三相位调制单元；

第三相位调制单元，用于对光信号的反馈相位调制进行补偿，并将补偿后的光信号一部分传输至相位噪声掩盖补偿模块，另一部分传输至第二反馈回路。

2.根据权利要求1所述的保密光通信系统，其特征在于，所述相位噪声掩盖模块包括：

噪声发生单元，用于产生噪声信号传输至第一相位调制单元；

第一相位调制单元，用于将噪声信号调制到信号发生模块输出的强度调制的光信号的相位上，并将调制后光信号传输至第一色散介质；

第一色散介质，用于实现光信号的相位-幅度转换。

3.根据权利要求1所述的保密光通信系统，其特征在于，所述系统还包括信号传输模块，用于作为光信号在反馈同步模块和反馈同步补偿模块之间的传输信道。

4.根据权利要求1所述的保密光通信系统，其特征在于，所述系统还包括信号接收模块，用于接收相位噪声掩盖补偿模块输出的光信号，通过电光转换将光信号转换为电信号，通过示波器显示分析。

5.根据权利要求1所述的保密光通信系统，其特征在于，所述反馈同步模块与反馈同步补偿模块结构对称，对应器件参数相同。