CN108777595A - 一种基于耦合激光器混沌广播通信的传输系统 - Google Patents

一种基于耦合激光器混沌广播通信的传输系统 Download PDF

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包琪
陈德望
胡淼
周雪芳
曾然
杨淑娜
唐向宏
杨国伟
卢旸
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Abstract

本发明公开了一种基于耦合激光器混沌广播通信的传输系统，包括：第一激光器、第二激光器、第一平面镜、第二平面镜、第一准直透镜和第二准直透镜，所述第二激光器、第一激光器、第一准直透镜、第一平面镜依次设置，所述第二激光器、第二准直透镜、第二平面镜依次设置；所述第二激光器作为发送端，所述第一激光器作为接收端。本发明利用接收激光器接收到发送端的信息在混沌通信领域实现广播通信，当收发双方的激光器都发送是“0”或“1”时，两个激光器同步，否则处于异步状态。广播传输系统的收发双方的调制解调过程为依靠接收信息与本地信息之间的功率误差解密发送端传送的比特，实现了由一个激光器向另外激光器广播信息的目的。

Description

一种基于耦合激光器混沌广播通信的传输系统
技术领域
本发明属于光信息技术领域，具体涉及一种基于耦合激光器的混沌广播通信的传输系统。
背景技术
混沌保密通信是一种将混沌信号作为载波,将传输信号隐藏在混沌载波之中,或者通过符号动力学分析赋予不同的波形以不同的信息序列,在接收端利用混沌的属性或同步特性解调出所传输的信息，因其具有信息保密性而被应用于各个领域中，在过去这些年也得到了广泛的研究。混沌是一种确定的类随机过程，混沌的不可预测性、对初始值的敏感性以及容易实现的同步特性使其在保密通信、图像加密以及信号检测等方面都有着广阔的前景。通过引入外部扰动的方法，半导体激光器可以表现出优良的混沌动力学行为。
现有的广播通信系统，是一种用于提供节目信息或注意事项等各种事件的重要工具。广播通信大都是利用通过无线电波或导线进行通信发送信息，其发送和接收概括为互为相反的三个方面的转换过程，即：传送信息一低频信号、低频信号一高频信号、高频信号一电磁波。但是单一利用电波进行传输其信息安全性较低，传输对象广，不能有效进行限定，而且广播信息容易被窃取。
因此，需要研究一种新的方式来实现广播通信的同时，解决传统的广播通信所存在的信息安全问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种耦合激光器混沌广播通信的传输系统。该系统不仅能实现广播通信，并且增强了广播领域传输信息的安全性。具有成本低、性能稳定、保密性强等特点。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于耦合激光器的混沌广播通信的传输系统，包括：第一激光器、第二激光器、第一平面镜、第二平面镜、第一准直透镜和第二准直透镜，所述第二激光器、第一激光器、第一准直透镜、第一平面镜依次设置，所述第二激光器、第二准直透镜、第二平面镜依次设置；所述第二激光器作为发送端，所述第一激光器作为接收端。
作为一种优选技术方案，本系统还包括第三激光器、第三平面镜和第三准直透镜，所述第二激光器、第三激光器、第三准直透镜、第三平面镜依次设置；所述第三激光器作为接收端。
作为一种优选技术方案，本系统还包括第四激光器、第四平面镜和第四准直透镜，所述第二激光器、第四激光器、第四准直透镜、第四平面镜依次设置；所述第四激光器作为接收端。
作为一种优选技术方案，本系统中，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器和第四激光器的反馈延迟时间和/或耦合时间为2.8ns。
作为一种优选技术方案，本系统中，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器和第四激光器的阈值电流均为32mA。
作为一种优选技术方案，本系统中，所述第二激光器的反馈系数为4。
作为一种优选技术方案，本系统中，所述第一激光器、第三激光器和第四激光器的反馈系数为12。
作为一种优选技术方案，本系统中，所述第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜和第四准直透镜具有相同的反馈系数。
作为一种优选技术方案，本系统中，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器和第四激光器中任意两个的光反馈时间延迟是2.5纳秒。
作为一种优选技术方案，本系统中，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器和第四激光器发出的混沌载频光波的中心波长为1550nm。
作为一种优选技术方案，本系统中，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器和第四激光器的透明载流子数1.6633×108。
作为一种优选技术方案，本系统中，所述第一激光器、第三激光器和第四激光器中的任意一个、第二激光器都发送“0”或“1”时，两个激光器同步，否则，所述两个激光器处于异步状态。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
1.系统中体现在一个激光器站点向多个激光器站点传输混沌信息，实现了安全可靠的混沌广播通信；
2.不仅能实现广播通信，同时增强了广播领域传输信息的安全性；
3.只有在接收端和发送端完全同步时，接收端才能解调出发送信息，广播时窃听者即使可以监控同步错误，也不能获得正在发送的比特信息，保证了系统中混沌广播通信的安全性，在未来的混沌保密高速广播通信网络中将有巨大的应用潜力；
4.本系统具有成本低、性能稳定、误码率低和保密性强等特点。
附图说明
图1是本发明的基于耦合激光器混沌广播通信的传输系统的结构示意图；
图2为本发明四个激光器产生的混沌信号的时间序列图；
图3为发送信号图；
图4为解码信号图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明，使得方案更加清楚明白。
本实施例提供了一种耦合激光器的混沌广播通信方式，具体来说，本实施例涉及一种基于耦合激光器的混沌广播通信的传输系统，如图1所示，包括了第一激光器1-1、第二激光器1-2、第三激光器1-3、第四激光器1-4，第一平面镜2-1、第二平面镜2-2、第三平面镜2-3、第四平面镜2-4，第一准直透镜3-1、第二准直透镜3-2、第三准直透镜3-3、第四准直透镜3-4。其中，第二激光器1-2的三个方向上分别设置第一激光器1-1、第三激光器1-3、第四激光器1-4，第一激光器1-1、第一准直透镜3-1、第一平面镜2-1依次设置，第二激光器1-2、第二准直透镜3-2、第二平面镜2-2依次设置，第三激光器1-3、第三准直透镜3-3、第三平面镜2-3依次设置，第四激光器1-4、第四准直透镜3-4、第四平面镜2-4依次设置。
本实施例中，第一激光器1-1的a1端口与第一准直透镜3-1的b1端口连接，第一激光器1-1输出的光通过第一准直透镜3-1经过第一平面镜2-1后，延时反馈后反射回来，再由第一准直透镜3-1反馈回第一激光器1-1的a1端口，第一激光器1-1的a2端口与第二激光器1-2的b2端口；同样第三激光器1-3的a6端口与第一准直透镜3-4的b6端口连接，第三激光器1-1输出的光通过第三准直透镜3-3经过第三平面镜2-3后，延时反馈后反射回来，再由第三准直透镜3-3反馈回第三激光器1-3的a1端口，第三激光器1-3的b4端口与第二激光器1-2的a4端口连接；第四激光器1-4的a7端口与第四准直透镜3-4的b7端口连接，第四激光器1-4输出的光通过第四准直透镜3-4经过第四平面镜2-4后，反射回来，再由第四准直透镜3-4反馈回第四激光器1-4的a7端口，第四激光器1-1的a3端口与第二激光器1-2的b3端口连接；第二激光器1-2的a5端口与第二准直透镜3-2的b5端口连接，第二激光器1-2输出的光通过第二准直透镜3-2经过第二平面镜2-2后，延时反馈后反射回来。综上，各激光器输出信号经外部腔境后将光信号反馈到各激光器与平面镜连接的端口，同时收发激光器直接相互耦合，产生混沌动力学。
本实施例中，将第一激光器1-1、第二激光器1-2、第三激光器1-3、第四激光器1-4这四个激光器反馈延迟时间和/或耦合时间都为2.8ns。还可以将四个激光器的阈值电流均采用32mA。四个激光器透明载流子数为1.6633×108。
对于激光器的反馈系数设置，第二激光器1-2的反馈系数为4。而第一激光器1-1、第三激光器1-3和第四激光器1-4的反馈系数为12。
对于准直透镜的反馈系数设置，所述第一准直透镜(3-1)、第二准直透镜(3-2)、第三准直透镜(3-3)和第四准直透镜(3-4)具有相同的反馈系数。
本实施例的四个激光器中，可以将任意两个的光反馈时间延迟设置为2.5纳秒。
本实施例中，将第二激光器1-2作为发送端，第一激光器1-1、第三激光器1-3、第四激光器1-4同时作为该广播系统的接收端。
本实施例中，所述第一激光器1-1、第二激光器1-2、第三激光器1-3和第四激光器1-4发出的混沌载频光波的中心波长为1550nm。
本实施例中，所述第一激光器1-1、第二激光器1-2、第三激光器1-3和第四激光器1-4的透明载流子数1.6633×108。
本实施例的基于耦合激光器的混沌广播通信的传输系统其实现过程具体为：第二激光器1-2作为发送端，第一激光器1-1、第三激光器1-3、第四激光器1-4作为接收端时，各激光器通过外部腔镜构成具有反馈的半导体激光器产生延迟反馈，增加了自由度，同时各收发激光器之间相互耦合，从而产生混沌动力学。将中心混沌半导体激光器作为发送端，向周围与之相互耦合的三个目标混沌半导体激光器传送数据，各接收激光器可以同时接收广播信号且不会相互干扰，三个接收激光器可以同时接收到发送端的信息。该方案中信息调制到发送端第二激光器1-2的偏置电流上，随后隐藏在混沌载频中，各收发端激光器都发送是“0”或“1”时，两个激光器同步，否则，处于异步状态。解码的过程从接收端检测获得两端激光器的功率误差，也就是依靠接收信息与本地信息之间的功率误差，就能解密发送端传送的比特，实现四个激光器之间的广播通信。利用上述设置过程得到以下结果：
1、收发激光器之间通过外部腔镜反馈与互耦合实现混沌同步。
2、同步后，调制发送激光器偏置电流，收发双方存在同步误差。
3、根据同步误差比较恢复发送端传输的信号。
利用混沌原理，解码时检测发送端与本地信号的同步误差进行对比运算，将所要传输的信息还原，这一方面增加了系统的保密性，另一方面保证收发双方必须拥有几乎一致的参数，假使信号在传输途中被截获，因为没有线索知道发送的信息，也就无法成功解码出发送端要传递的比特信息。
结合附图2和附图3，将第二激光器作为发送端，第一、三、四激光器作为接收端，明显地，第一激光器、第三激光器、第四激光器三个激光器处于同步状态。而图4中，利用第一激光器、第三激光器、第四激光器检测到信号与本地信号取同步误差，解码出第二激光器发送端的信号。
以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，并不限定本发明的保护范围，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于耦合激光器混沌广播通信的传输系统，其特征在于，包括：
第一激光器(1-1)、第二激光器(1-2)、第一平面镜(2-1)、第二平面镜(2-2)、第一准直透镜(3-1)和第二准直透镜(3-2)，所述第二激光器(1-2)、第一激光器(1-1)、第一准直透镜(3-1)、第一平面镜(2-1)依次设置，所述第二激光器(1-2)、第二准直透镜(3-2)、第二平面镜(2-2)依次设置；所述第二激光器(1-2)作为发送端，所述第一激光器(1-1)作为接收端。
2.根据权利要求1所述的一种基于耦合激光器混沌广播通信的传输系统，其特征在于，还包括第三激光器(1-3)、第三平面镜(2-3)和第三准直透镜(3-3)，所述第二激光器(1-2)、第三激光器(1-3)、第三准直透镜(3-3)、第三平面镜(2-3)依次设置；所述第三激光器(1-3)作为接收端。
3.根据权利要求2所述的一种基于耦合激光器混沌广播通信的传输系统，其特征在于，还包括第四激光器(1-4)、第四平面镜(2-4)和第四准直透镜(3-4)，所述第二激光器(1-2)、第四激光器(1-4)、第四准直透镜(3-4)、第四平面镜(2-4)依次设置；所述第四激光器(1-4)作为接收端。
4.根据权利要求3所述的一种基于耦合激光器混沌广播通信的传输系统，其特征在于，所述第一激光器(1-1)、第二激光器(1-2)、第三激光器(1-3)和第四激光器(1-4)的反馈延迟时间和/或耦合时间为2.8ns。
5.根据权利要求3或4所述的一种基于耦合激光器混沌广播通信的传输系统，其特征在于，所述第一激光器(1-1)、第二激光器(1-2)、第三激光器(1-3)和第四激光器(1-4)的阈值电流均为32mA。
6.根据权利要求3或4所述的一种基于耦合激光器混沌广播通信的传输系统，其特征在于，所述第二激光器(1-2)的反馈系数为4；
和/或，所述第一激光器(1-1)、第三激光器(1-3)和第四激光器(1-4)的反馈系数为12；
和/或，所述第一准直透镜(3-1)、第二准直透镜(3-2)、第三准直透镜(3-3)和第四准直透镜(3-4)具有相同的反馈系数。
7.根据权利要求3或4所述的一种基于耦合激光器混沌广播通信的传输系统，其特征在于，所述第一激光器(1-1)、第二激光器(1-2)、第三激光器(1-3)和第四激光器(1-4)中任意两个的光反馈时间延迟是2.5纳秒。
8.根据权利要求3或4所述的一种基于耦合激光器混沌广播通信的传输系统，其特征在于，所述第一激光器(1-1)、第二激光器(1-2)、第三激光器(1-3)和第四激光器(1-4)发出的混沌载频光波的中心波长为1550nm。
9.根据权利要求3或4所述的一种基于耦合激光器混沌广播通信的传输系统，其特征在于，所述第一激光器(1-1)、第二激光器(1-2)、第三激光器(1-3)和第四激光器(1-4)的透明载流子数1.6633×108。
10.根据权利要求3或4所述的一种基于耦合激光器混沌广播通信的传输系统，其特征在于，所述第一激光器(1-1)、第三激光器(1-3)和第四激光器(1-4)中的任意一个、第二激光器(1-2)都发送“0”或“1”时，两个激光器同步，否则，所述两个激光器处于异步状态。
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