CN108737061B - 一种基于电域补偿的混沌光纤通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电域补偿的混沌光纤通信方法，步骤包括：步骤1、设置混沌光纤通信系统的参数；步骤2、对二进制数据流进行双极性变换；步骤3、将S_n编码成混沌信号u(t)；步骤4、确定迭代次数I_ter的值；步骤5、确定输入光功率；步骤6、进行电域色散补偿；步骤7、对色散补偿后的信号进行匹配滤波；步骤8、进行采样判断，恢复出源信息，完成通信。本方法算法实现简单，对硬件结构要求低。

Description

一种基于电域补偿的混沌光纤通信方法

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，涉及一种基于电域补偿的混沌光纤通信方法。

背景技术

随着信息时代的到来，人们对超大数据量多媒体信息的需求急剧增长，信息的高速、高效和安全传输成为通信领域的根本问题。光纤通过光波作为信息载体，具有超高带宽、超大容量、超长距离、抗干扰性强等突出优点，在有线高速信息传输中发挥了无可替代的作用。但常规的光纤通信系统，传输数据信息容易出现外泄或被非法篡改，伴有严重的安全隐患。

由于混沌的宽频谱特性使得信息更容易隐藏在背景噪声中，且其是一种物理层的硬件调制技术，所以自1990年两个单向耦合混沌电路系统的同步被提出以来，混沌保密光纤通信受到广泛关注。然而，当信号经过光纤信道时，信道对其中传输的信号会产生衰减、色散和非线性畸变，从而导致信号失真，降低通信性能，并且光纤通信距离越长这些作用越强烈。通常采用补偿光纤对这些因素进行补偿，但补偿光纤实现不灵活，因此，寻找一种灵活的补偿算法进行补偿是光通信中需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电域补偿的混沌光纤通信方法，解决了现有技术混沌光纤通信的可靠性低，混沌信号受到光纤信道中诸如衰减、色散、非线性效应影响的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于电域补偿的混沌光纤通信方法，利用混沌光纤通信系统，按照以下步骤具体实施：

步骤1、设置混沌光纤通信系统的参数，

设定混沌基频f＝1/T_Chaos(Hz)，T_Chaos为混沌的符号周期，即比特率R_b(bit/s)＝f；混沌调制的过采样率k_chaos＝f_S-ele/f，f_S-ele为电域采样率；调制的光载波波长λ；

步骤2、对二进制数据流进行双极性变换，

发送的二进制数据流B_n＝{b₁,b₂,…,b_m,…,b_n}，其中b_m∈{0,1}，m＝1,2,…,n；当二进制信号经过双极性变换后得到双极型数据流S_n＝{s₁,s₂,…,s_m,…,s_n}，其中s_m∈{-1,1}，m＝1,2,…,n；

序列B和序列S的下标n表示总个数，b表示序列B中的每一个单元，s表示序列S中的每一个单元，下标m说明第几个；

步骤3、将S_n编码成混沌信号u(t)，

采用如下卷积函数编码混沌信号u′(t)：

其中，混沌成型滤波器的脉冲响应p(t)如下：

其中，f为混沌基频，角频率ω＝2πf，混杂系数β∈(0,f·ln2]；

通过上述脉冲编码产生混沌信号u′(t)，而后将u′(t)进行幅度归一化得到电信号u′_r(t)，因为实际器件发射功率总大于零的缘故，将电信号u′_r(t)加入直流信号u₀，从而使得输出混沌电压波形信号u(t)＝u′_r(t)+u₀流向始终为正；再将混沌信号u(t)调制到相应波长λ的光波频率之上，得到传输速率为R_b的混沌激光信号u_u(t)；

步骤4、确定迭代次数I_ter的值，

假设光纤长度z千米，由光波波长λ和光纤型号得到衰减参数α_dB(dB/km)、色散参数β₂(ps²·km^-1)、非线性参数γ(w^-1km^-1)，根据实际光纤输出功率与应用迭代次数I_ter仿真得到输出功率的偏差绝对值小于某一阈值来确定参数I_ter的值，

步骤5、确定输入光功率，

当输入光功率P₀满足式(6)时，能够有效避免光纤非线性效应所产生的误码，从而得到避免非线性效应的输入光功率信号

步骤6、进行电域色散补偿，

经过光纤和掺铒放大器的信号r′(z,t)，先经过光电接收器LD_R的下载波后即得到电域信号u_d(z,t)，再对电域信号进行补偿，

步骤7、对色散补偿后的信号进行匹配滤波，

对经过色散补偿之后的信号r_Com-Disp(z,t)进行匹配滤波：

ξ(z,t)＝r_Com-Disp(z,t)*p(-t), (8)

式(8)中，“*”表示卷积，匹配滤波器的脉冲响应h(t)＝p(-t)，得到混沌匹配滤波输出信号ξ(z,t)，又称为时域波形ξ(z,t)；

步骤8、进行采样判断，恢复出源信息，完成通信，

通过对时域波形ξ(z,t)进行采样，并与特定门限θ进行比较后，恢复出源信息，在第m个采样时刻t_m＝mf，m＝1,2,3,…，恢复出的双极性信息为：

最后通过双极性逆变换，得到原始二进制序列b′_m，至此通信完成。

本发明的有益效果是，能够避免光纤信道非线性效应和对光纤信道色散进行电域补偿，具体包括以下两个方面：

1)本发明提出输入光功率的限制条件来避免由于信道非线性效应而使信号产生误码。与传统利用非线性电均衡技术和预编码技术来减小光纤信号非线性畸变影响的方式相比，本发明方法算法实现简单，对硬件结构要求低。

2)本发明提出电域色散补偿方法，相比较传统利用色散补偿光纤(DCF)进行色散补偿的方法相比，省去了繁琐的色散系数分配和光学器件耦合的问题，硬件实现简单。

附图说明

图1是本发明方法的原理框图；

图2是本发明方法中待发送的数字信号；

图3是本发明方法编码产生的混沌信号；

图4是本发明中采用不同I_ter参数仿真得到的输出波形；

图5是本发明通过均方误差大小进行I_ter参数的确定；

图6是本发明方法中发射信号和经过光纤后信号的时频波形；

图7是本发明方法中发射信号和经过补偿后信号的时频波形；

图8是本发明方法中发射信号和经过匹配滤波后信号；

图9为本发明方法中匹配滤波后的采样判决点；

图10是本发明方法与其他补偿方式及调制方式的误码性能比较。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，本发明方法依赖的混沌光纤通信系统结构是，包括光发射器、光纤信道和光接收机三部分。光发射器包括依次连接的混沌脉冲编码器、MZ调制器、可变光衰减器(VOA)；光接收机包括依次连接的掺铒放大器(EDFA)、光电接收器、色散补偿模块、混沌匹配滤波器、符号检测器。

本发明方法利用该混沌光纤通信系统的工作原理是，

光发射器功能是：将二进制比特信息b_m∈{1，0}进行双极性变换得到s_m∈{-1,1}；利用s_m编码生成混沌电信号u′_r(t)，再给u′_r(t)加上直流电压u₀保证电流流向一致，从而得到混沌电信号u(t)；将u(t)经过MZ调制器进行上载波调制得到光信号u_u(t)；通过可变光衰减器调节得到合适的光功率信号

输入光纤；

光纤信道是用于将经过信道传输的光信号x(t)输入光接收机中，光接收机得到信号r(z,t)；

光接收机功能是：利用掺铒放大器对信号r(z,t)进行功率放大得到新的光信号r′(z,t)；通过光电接收器将光信号r′(z,t)转换为电信号u_d(z,t)；色散补偿模块对电信号u_d(z,t)进行电域色散补偿得到r_Com-Disp(z,t)；混沌匹配滤波器对r_Com-Disp(z,t)进行混沌匹配滤波得到ξ(z,t)，符号检测器对ξ(z,t)进行符号检测，最终得到发送的双极性序列s′_m和二进制比特信息b′_m。

本发明的方法，基于上述的混沌光纤通信系统及原理，按照以下步骤具体实施：

步骤1、设置混沌光纤通信系统的参数，

设定混沌基频f＝1//_Chaos(Hz)，T_Chaos为混沌的符号周期，即比特率R_b(bit/s)＝f；混沌调制的过采样率k_chaos＝f_S-ele/f，f_S-ele为电域采样率；调制的光载波波长λ；

实施例中，设定混沌基频f＝1/T_Chaos(Hz)＝1GHz，符号周期T_Chaos＝10^-9s，传输比特率R_b(bit/s)＝1Gb/s；混沌过采样率k_chaos＝f_S-ele/f＝16，f_S-ele＝16GHz；调制的光波波长λ＝1.55μm。

步骤2、对二进制数据流进行双极性变换，

发送的二进制数据流B_n＝{b₁,b₂,…,b_m,…,b_n}，其中b_m∈{0,1}，m＝1,2,…,n；当二进制信号经过双极性变换后得到双极型数据流S_n＝{s₁,s₂,…,s_m,…,s_n}，其中s_m∈{-1,1}，m＝1,2,…,n；(注：S表示序列，S的下标n表示总个数，s表示序列中的每一个，s的下标m说明第几个)；

实施例中，假设只发送五个二进制伪B₅＝{1,0,1,1,0}，进行双极性变换后的S₅＝{+1,-1,+1,+1,-1}。持续时间为5个符号周期即传输时间t_all＝5·T_Chaos＝5·10^-9s，B₅如图2中实线所示，S₅如图2中虚线所示。

步骤3、将S_n编码成混沌信号u(t)，

采用如下卷积函数编码混沌信号u′(t)：

其中，混沌成型滤波器的脉冲响应p(t)如下：

其中，f为混沌基频，角频率ω＝2πf，混杂系数β∈(0,f·ln2]；

通过上述脉冲编码产生混沌信号u′(t)，而后将u′(t)进行幅度归一化得到电信号u′_r(t)，因为实际器件发射功率总大于零的缘故，将电信号u′_r(t)加入直流信号u₀，从而使得输出混沌电压波形信号u(t)＝u′_r(t)+u₀流向始终为正；再将混沌信号u(t)通过MZ调制器(选用MZ光电干涉仪)调制到相应波长λ的光波频率之上，得到传输速率为R_b的混沌激光信号u_u(t)；

实施例中，选取混沌基频f＝1GHz，ω＝2πf，β＝f·ln2，编码后信号u′(t)经过电压归一化后得到u′_r(t)，得到max(u′_r(t))＜1V且min(u′_r(t))＝-1V，此时再施加u₀＝1V的直流信号，从而得到输出的混沌信号u(t)∈[0,2V)，如图3所示，当混沌信号u(t)经MZ调制器调制后得到混沌激光信号u_u(t)，如图3纵坐标换为“Power/W”即可。

步骤4、确定迭代次数I_ter的值，

假设光纤长度z千米，由光波波长λ和光纤型号得到衰减参数α_dB(dB/km)、色散参数β₂(ps²·km^-1)、非线性参数γ(w^-1km^-1)，根据实际光纤输出功率与应用迭代次数I_ter仿真得到输出功率的偏差绝对值小于某一阈值来确定参数I_ter的值，

具体过程如下：

首先，将混沌激光信号u_u(t)以光功率P_0-N形成发送功率信号

输入光纤，测得实际输出波形r_0-N(z,t)；

其次，将z千米的光纤分解成I_ter个小段，把输入的混沌激光信号u_u(t)以同样光功率P_0-N形成发送的功率信号

根据迭代指数i的增加进行循环迭代，i＝1,2,...,I_ter，迭代式如下：

4.1)色散和衰减部分的迭代：

其中，ω_k为模拟角频率，k为频率点标号，

4.2)非线性部分的迭代：

4.3)色散和衰减部分的迭代：

式中，e所在指数上变量

为虚数单位；

由式(3)、式(4)、式(5)可知，进行每一小段的迭代分为三部分：第一部分为前半段的色散衰减迭代；第二部分为该段中点处的非线性迭代；第三部分为后半段的色散衰减迭代；当i＝1时，R′_0-N(0,ω_k)为初始输入信号x(0,t)＝x(t)的离散傅里叶变换(DFT)；当i＝I_ter时R′_0-N(z,ω_k)为经过传输z千米后的信号r′_0-N(z,t)的离散傅里叶变换(DFT)；最终得到仿真输出信号r′_0-N(z,t)，

当I_ter→∞时，仿真输出与实际输出的结果一致；逐渐增大I_ter值，直到实际输出功率与仿真输出功率的偏差小于特定阈值，得到满足条件的I_ter；

实施例中，采用G.655标准光纤，光纤长度z为50千米，选取载波波长为λ＝1.55μm，从而确定信道参数值分别为：α_dB＝0.2dB/km，β₂＝1ps²·km^-1，γ＝1.5w^-1km^-1，

首先，将混沌激光信号u_u(t)以光功率P_0-N＝150mW形成发送功率信号

输入光纤，在接收端得到输出功率波形r_N(z,t)，如图4所示。

其次，将50千米的光纤暂定分解成I_ter＝100个小段，然后选取同样光功率P_0-N＝200mW的输入功率信号x(t)＝0.4472·u_u(t)，利用式(3)、式(4)、式(5)将其进行循环迭代，从而得到仿真输出功率波形r′_N(z,t)，如图4所示。

最后，根据功率偏差绝对值小于阈值2mW的要求，通过依次增大迭代次数I_ter值(本实施例中选取I_ter＝10，I_ter＝100，I_ter＝200)得到众多输出信号，如图4所示；再通过与实际输出功率波形r_N(z,t)进行比较，如图5所示，从而确定参数I_ter＝200。

步骤5、确定输入光功率，

当输入光功率P₀满足式(6)时，能够有效避免光纤非线性效应所产生的误码，从而得到避免非线性效应的输入光功率信号

实施例中，将所有已知参数带入式(6)中，得到避免信道非线性的输入功率边界条件为P₀＜0.1637W。在此实施例中选择输入光功率P₀＝150mW为输入光纤光功率值，从而得到输入光纤的信号x(t)＝0.3873·u_u(t)。x(t)经过光纤后的输出功率波形r(z,t)的时频特性如图6所示。

步骤6、进行电域色散补偿，

经过光纤和掺铒放大器(EDFA)的信号r′(z,t)，先经过光电接收器LD_R的下载波后即得到电域信号u_d(z,t)，再对电域信号进行补偿，补偿步骤如下：

6.1)将电域信号u_d(z,t)经过采样间隔为T_S-ele＝1/f_S-ele的A/D采样，得到需要补偿的离散序列u_d(z,n/f_S-ele)，n＝1,2,3,…,L；

6.2)利用离散傅立叶变换(DFT)算法得到输入序列u_d(z,n/f_S-ele)的频谱采样序列U_d(z,ω_k)，其中ω_k＝π/T_S·linspace(-1,1,L)，linspace(-1,1,L)表示是在(-1,1)中均匀采样L个点，k为频率点标号；

6.3)对频谱序列U_d(z,ω_k)进行逐点修正：

从而得到色散补偿后的频域信号R_Com-Disp(z,ω_k)，其中色散补偿的频率响应

z为光纤长度，β₂为信道色散系数；

6.4)再对R_Com-Disp(z,ω_k)进行逆离散傅立叶变换(IDFT)，得到补偿后的时域序列r_Com-Disp(z,n/f_S-ele)，再通过D/A变换得到时域模拟波形r_Com-Disp(z,t)。

实施例中，当得到电域信号u_d(z,t)时，通过采样速率为f_S-ele＝16GHz的相关A/D芯片采样得到混沌离散序列u_d(z,n/f_S-ele)，n＝1,2,3,…,80。

其次，通过对离散序列做L＝80点的离散傅立叶变换得到U_d(z,ω_k)，k＝1,2,3,…,80。

然后，通过计算

在每个ω_k＝π·f_S-ele·linspace(-1,1,L)处的频谱值，从而利用式(7)进行逐点算法补偿，得到补偿后的频谱序列R_Com-Disp(z,ω_k)，如图7所示。

最后，通过对R_Com-Disp(z,ω_k)做逆离散傅立叶变换得到r_Com-Disp(z,n/f_S-ele)，通过D/A变换得到的时域模拟波形r_Com-Disp(z,t)，如图7所示。

步骤7、对色散补偿后的信号进行匹配滤波，

对经过色散补偿之后的信号r_Com-Disp(z,t)进行匹配滤波：

ξ(z,t)＝r_Com-Disp(z,t)*p(-t), (8)

式(8)中，“*”表示卷积，匹配滤波器的脉冲响应h(t)＝p(-t)，得到混沌匹配滤波输出信号ξ(z,t)，又称为时域波形ξ(z,t)。

实施例中，将补偿后的信号r_Com-Disp(z,t)，带入式(8)进行求解得到匹配滤波过后的时域波形ξ(z,t)。因为混沌匹配滤波器最大化接收信噪比的特点所以能够有效的降低误码率。混沌匹配滤波后的输出信号时域波形如图8所示。

步骤8、进行采样判断，恢复出源信息，完成通信，

通过对时域波形ξ(z,t)进行采样，并与特定门限θ进行比较后，恢复出源信息，在第m个采样时刻t_m＝mf，m＝1,2,3,…，恢复出的双极性信息为：

最后通过双极性逆变换，得到原始二进制序列b_m′，至此通信完成。

实施例中，根据接收匹配滤波的最大最小值可得门限

选取匹配滤波后波形中的最大信噪比点进行判断，如图9所示。实施例中传输的五位数据S₅＝{+1,-1,+1,+1,-1}，从接收端判决出的双极性序列S′₅＝{+1,-1,+1,+1,-1}，再通过简单双极性解码即可得到恢复信号b′₅＝{1,0,1,1,0}，至此完成通信。

试验验证：对于本发明方法应用进行仿真，证明了此混杂系统具有较传统混沌键控(DCSK)调制方式更高的频带利用率及更低的误码率。如图10所示，对于本发明补偿方法较传统的光域色散补偿光纤(DCF)补偿，本发明具有更好的误码性能。

Claims (3)

1.一种基于电域补偿的混沌光纤通信方法，利用混沌光纤通信系统，其特征在于，按照以下步骤具体实施：

步骤1、设置混沌光纤通信系统的参数，

设定混沌基频f＝1/T_Chaos(Hz)，T_Chaos为混沌的符号周期，即比特率R_b(bit/s)＝f；混沌调制的过采样率k_chaos＝f_S-ele/f，f_S-ele为电域采样率；调制的光载波波长λ；

步骤2、对二进制数据流进行双极性变换，

发送的二进制数据流B_n＝{b₁,b₂,…,b_m,…,b_n}，其中b_m∈{0,1}，m＝1,2,…,n；当二进制信号经过双极性变换后得到双极型数据流S_n＝{s₁,s₂,…,s_m,…,s_n}，其中s_m∈{-1,1}，m＝1,2,…,n；

序列B和序列S的下标n表示总个数，b表示序列B中的每一个单元，s表示序列S中的每一个单元，下标m说明第几个；

步骤3、将S_n编码成混沌信号u(t)，

采用如下卷积函数编码混沌信号u′(t)：

其中，混沌成型滤波器的脉冲响应p(t)如下：

其中，f为混沌基频，角频率ω＝2πf，混杂系数β∈(0,f·ln2]；

通过上述脉冲编码产生混沌信号u′(t)，而后将u′(t)进行幅度归一化得到电信号u′_r(t)，因为实际器件发射功率总大于零的缘故，将电信号u′_r(t)加入直流信号u₀，从而使得输出混沌电压波形信号u(t)＝u′_r(t)+u₀流向始终为正；再将混沌信号u(t)调制到相应波长λ的光波频率之上，得到传输速率为R_b的混沌激光信号u_u(t)；

步骤4、确定迭代次数I_ter的值，

假设光纤长度z千米，由光波波长λ和光纤型号得到衰减参数α_dB(dB/km)、色散参数β₂(ps²·km^-1)、非线性参数γ(w^-1km^-1)，根据实际光纤输出功率与应用迭代次数I_ter仿真得到输出功率的偏差绝对值小于某一阈值来确定参数I_ter的值，具体过程如下：

首先，将混沌激光信号u_u(t)以光功率P_0-N形成发送功率信号

输入光纤，测得实际输出波形r_0-N(z,t)；

其次，将z千米的光纤分解成I_ter个小段，把输入的混沌激光信号u_u(t)以同样光功率P_0-N形成发送的功率信号

根据迭代指数i的增加进行循环迭代，i＝1,2,...,I_ter，迭代式如下：

4.1)色散和衰减部分的迭代：

其中，ω_k为模拟角频率，k为频率点标号，

4.2)非线性部分的迭代：

4.3)色散和衰减部分的迭代：

式中，e所在指数上变量

为虚数单位；

步骤5、确定输入光功率，

当输入光功率P₀满足式(6)时，能够有效避免光纤非线性效应所产生的误码，从而得到避免非线性效应的输入光功率信号

步骤6、进行电域色散补偿，

经过光纤和掺铒放大器的信号r′(z,t)，先经过光电接收器LD_R的下载波后即得到电域信号u_d(z,t)，再对电域信号进行补偿，补偿步骤如下：

6.1)将电域信号u_d(z,t)经过采样间隔为T_S-ele＝1/f_S-ele的A/D采样，得到需要补偿的离散序列u_d(z,n/f_S-ele)，n＝1,2,3,…,L；

6.2)利用离散傅立叶变换算法得到输入序列u_d(z,n/f_S-ele)的频谱采样序列U_d(z,ω_k)，其中ω_k＝π/T_S·linspace(-1,1,L)，linspace(-1,1,L)表示是在(-1,1)中均匀采样L个点，k为频率点标号；

6.3)对频谱序列U_d(z,ω_k)进行逐点修正：

从而得到色散补偿后的频域信号R_Com-Disp(z,ω_k)，其中色散补偿的频率响应

z为光纤长度，β₂为信道色散系数；

6.4)再对R_Com-Disp(z,ω_k)进行逆离散傅立叶变换，得到补偿后的时域序列r_Com-Disp(z,n/f_S-ele)，再通过D/A变换得到时域模拟波形r_Com-Disp(z,t)；

步骤7、对色散补偿后的信号进行匹配滤波，

对经过色散补偿之后的信号r_Com-Disp(z,t)进行匹配滤波：

ξ(z,t)＝r_Com-Disp(z,t)*p(-t), (8)

式(8)中，“*”表示卷积，匹配滤波器的脉冲响应h(t)＝p(-t)，得到混沌匹配滤波输出信号ξ(z,t)，又称为时域波形ξ(z,t)；

步骤8、进行采样判断，恢复出源信息，完成通信，

通过对时域波形ξ(z,t)进行采样，并与特定门限θ进行比较后，恢复出源信息，在第m个采样时刻t_m＝m/f，m＝1,2,3,…，恢复出的双极性信息为：

最后通过双极性逆变换，得到原始二进制序列b′_m，至此通信完成。

2.根据权利要求1所述的基于电域补偿的混沌光纤通信方法，其特征在于：所述的混沌光纤通信系统结构是，包括光发射器、光纤信道和光接收机三部分；光发射器包括依次连接的混沌脉冲编码器、MZ调制器、可变光衰减器；光接收机包括依次连接的掺铒放大器、光电接收器、色散补偿模块、混沌匹配滤波器、符号检测器。

3.根据权利要求2所述的基于电域补偿的混沌光纤通信方法，其特征在于：

所述的光发射器功能是：将二进制比特信息b_m∈{1，0}进行双极性变换得到s_m∈{-1,1}；利用s_m编码生成混沌电信号u′_r(t)，再给u′_r(t)加上直流电压u₀保证电流流向一致，得到混沌电信号u(t)；将u(t)经过MZ调制器进行上载波调制得到光信号u_u(t)；通过可变光衰减器调节得到光功率信号

输入光纤；

所述的光纤信道是用于将经过信道传输的光信号x(t)输入光接收机中，光接收机得到信号r(z,t)；

所述的光接收机功能是：利用掺铒放大器对信号r(z,t)进行功率放大得到新的光信号r′(z,t)；通过光电接收器将光信号r′(z,t)转换为电信号u_d(z,t)；色散补偿模块对电信号u_d(z,t)进行电域色散补偿得到r_Com-Disp(z,t)；混沌匹配滤波器对r_Com-Disp(z,t)进行混沌匹配滤波得到ξ(z,t)，符号检测器对ξ(z,t)进行符号检测，最终得到发送的双极性序列s′_m和二进制比特信息b′_m。

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