CN109450613A - 一种基于光电相位混沌的双向通信系统 - Google Patents

一种基于光电相位混沌的双向通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于光信息技术领域，具体涉及一种基于光电相位混沌的双向通信系统，包括：发送端，所述发送端包括第一激光器，第一激光器发出第一光信号，先通过第一耦合器，再通过由第一相位调制器、第二耦合器、第一光纤延迟线、第一马赫增德尔干涉仪、第一光电检测器和第一电放大器组成的光电延时环路，并由第二耦合器传输至接收端；接收端，所述接收端包括第二激光器，第二激光器发出第二光信号，先通过第四耦合器，再通过由第二相位调制器、第三耦合器、第二光纤延迟线、第二马赫增德尔干涉仪、第二光电检测器和第二电放大器组成的光电延时环路，并由第三耦合器传输至发送端。本发明实现了双向通信，而且误码率低，保密性强。

Description

一种基于光电相位混沌的双向通信系统
技术领域
本发明属于光信息技术领域，具体涉及一种基于光电相位混沌的双向通信系统。
背景技术
在我们的物质世界中，混沌现象无处不在，大到宇宙，小到看不到分子，原子，无不受到混沌理论的支配。混沌是一种貌似无规则的运动，即形似紊乱而实则有序。如气候变化会出现混沌，数学，生物，经济学、社会学等等都存在混沌现象。因此，它打破了不同学科之间的界限，形成了一门新兴科学。
混沌的最大特点是对初始条件十分敏感，即两个完全相同的混沌系统，从非常相近的初始条件开始演化，他们的轨迹很快将变的互不相干，这使得混沌信号具有长期的不可预测性。同时对于混沌系统又是确定的，可以由初始条件、参数和非线性方程所决定，容易使混沌信号再生。因此，利用混沌信号的复杂性，不可预测性和易于实现等特点，把它作为信息传输的载体进行保密通信。
由于混沌通信系统具有类似噪声的伪随机信号的优良特性，混沌在保密通信、图像加密以及信号检测等方面都有着广阔的前景。然而要实现混沌保密通信的必须实现系统的混沌同步，即混沌通信系统中的发送机与接收机之间实现同步。混沌系统实现同步后，可以有效提升对信息的保密性能，并且减小接收机接收信号的误差。利用光器件实现混沌通信，具有成本低、性能稳定、误码率低、保密性强等特点。然而目前的研究大多基于单向通信，而随着光通信技术的不断发展，双向混沌保密通信将更具有实际应用价值。
发明内容
基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种基于光电相位混沌的双向通信系统。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于光电相位混沌的双向通信系统，包括：
发送端，所述发送端包括第一激光器，第一激光器发出第一光信号，先通过第一耦合器，再通过由第一相位调制器、第二耦合器、第一光纤延迟线、第一马赫增德尔干涉仪、第一光电检测器和第一电放大器组成的光电延时环路，并由第二耦合器传输至接收端；
接收端，所述接收端包括第二激光器，第二激光器发出第二光信号，先通过第四耦合器，再通过由第二相位调制器、第三耦合器、第二光纤延迟线、第二马赫增德尔干涉仪、第二光电检测器和第二电放大器组成的光电延时环路，并由第三耦合器传输至发送端。
作为优选方案，所述第一激光器、第一耦合器、第一相位调制器、第二耦合器、第一光纤延迟线、第一马赫增德尔干涉仪、第一光电检测器、第一电放大器依次连接，第一电放大器与第一相位调制器连接；
相对应地，所述第二激光器、第四耦合器、第二相位调制器、第三耦合器、第二光纤延迟线、第二马赫增德尔干涉仪、第二光电检测器、第二电放大器依次连接，第二电放大器与第二相位调制器连接；
第四耦合器与第二耦合器连接，第三耦合器与第一耦合器连接；
第一激光器发出的第一光信号与来自第三耦合器的光信号三在第一耦合器耦合，然后通过第一相位调制器进行相位调制，调制后的信号通过第二耦合器分为光信号一和光信号二，光信号一传输至第四耦合器，光信号二依次通过第一光纤延迟线、第一马赫增德尔干涉仪、第一光电检测器后转换成第一电信号，第一电信号经第一电放大器后输入至第一相位调制器；
第二激光器发出的第二光信号与来自第二耦合器的光信号一在第四耦合器耦合，然后通过第二相位调制器进行相位调制，调制后的信号通过第三耦合器分为光信号三和光信号四，光信号三传输至第一耦合器，光信号四依次通过第二光纤延迟线、第二马赫增德尔干涉仪、第二光电检测器后转换成第二电信号，第二电信号经第二电放大器后输入至第二相位调制器。
作为优选方案，所述光信号二在第一光纤延迟线中发生延迟，延迟信号传输至第一马赫增德尔干涉仪内，延迟信号被分成两束光信号，两束光信号的延时不相等，两束光信号再进行差分，差分后的光信号通过第一光电检测器转换成第一电信号。
作为优选方案，所述光信号四在第二光纤延迟线中发生延迟，延迟信号传输至第二马赫增德尔干涉仪内，延迟信号被分成两束光信号，两束光信号的延时不相等，两束光信号再进行差分，差分后的光信号通过第二光电检测器转换成第二电信号。
作为优选方案，所有耦合器的耦合系数为0.5。
作为优选方案，所述发送端与接收端之间相对应的器件的参数相同。
作为优选方案，所述第一激光器和第二激光器产生的信号波长均为1500～1550nm。
作为优选方案，所述第一激光器和第二激光器的功率均为10mW。
作为优选方案，所述第一相位调制器和第二相位调制器均为马赫-曾德尔调制器。
作为优选方案，所述接收端将发送端的传输信号与一本地信号进行比对以解码。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明的基于光电相位混沌的双向通信系统，实现了双向通信，而且误码率低，保密性强。
附图说明
图1是本发明实施例的基于光电相位混沌的双向通信系统的构架示意图；
图2是本发明实施例的基于光电相位混沌的双向通信系统中发送端传输信号的波形图；
图3是本发明实施例的基于光电相位混沌的双向通信系统中接收端的本地信号的波形图(虚线)和同步误差的波形图(实线)；
图4是图3中的同步误差与本地信号运算后的波形图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
如图1所示，本发明实施例的基于光电相位混沌的双向通信系统，包括发送端和接收端，发送端包括第一激光器1-1、第一耦合器2-1以及由第一相位调制器3-1、第二耦合器2-2、、第一光纤延迟线4-1、第一马赫增德尔干涉仪5-1、第一光电检测器6-1和第一电放大器7-1组成的光电延时环路；接收端包括第二激光器1-2、第四耦合器2-4以及由第二相位调制器3-2、第三耦合器2-3、第二光纤延迟线4-2、第二马赫增德尔干涉仪5-2、第二光电检测器6-2和第二电放大器7-2组成的光电延时环路。其中，上述所有耦合器的耦合系数均为0.5；信号源(即第一激光器和第二激光器)产生的信号波长范围为1500～1550nm，功率为10mW；第一相位调制器和第二相位调制器均为马赫-曾德尔调制器。另外，在发送端和接收端之间，对应器件的参数完全一样，即第一激光器1-1、第一耦合器2-1、第二耦合器2-2、第一相位调制器3-1、第一光纤延迟线4-1、第一马赫增德尔干涉仪5-1、第一光电检测器6-1和第一电放大器7-1分别与第二激光器1-2、第三耦合器2-3、第四耦合器2-4、第二相位调制器3-2、第二光纤延迟线4-2、第二马赫增德尔干涉仪5-2、第二光电检测器6-2和第二电放大器7-2的参数相同。。
上述各器件的具体连接关系如下：
第一激光器1-1的a1端口与第一耦合器2-1的b1端口连接，第一耦合器2-1的b3端口与第一相位调制器3-1的c1端口连接，第一相位调制器3-1的c2端口与第二耦合器2-2的d1端口连接，第二耦合器2-2的d2端口与第一光纤延迟线4-1的e1端口连接，第二耦合器2-2的d3端口与第四耦合器2-4的j2端口连接，第一光纤延迟线4-1的e2端口与第一马赫增德尔干涉仪5-1的f1端口连接，第一马赫增德尔干涉仪5-1的f2端口与第一光电检测器6-1的g1端口连接，第一光电检测器6-1的g2端口与第一电放大器7-1的h1端口连接，第一电放大器7-1的h2端口与第一相位调制器3-1的c3端口连接；
第二激光器1-2的i1端口与第四耦合器2-4的j1端口连接，第四耦合器2-4的j3端口与第二相位调制器3-2的k1端口连接，第二相位调制器3-2的k2端口与第三耦合器2-3的m1端口连接，第三耦合器2-3的m2端口与第二光纤延迟线4-2的n1端口连接，第三耦合器2-3的m3端口与第一耦合器2-1的b2端口连接，第二光纤延迟线4-2的n2端口与第二马赫增德尔干涉仪5-2的p1端口连接，第二马赫增德尔干涉仪5-2的p2端口与第二光电检测器6-2的q1端口连接，第二光电检测器6-2的q2端口与第二电放大器7-2的r1端口连接，第二电放大器7-2的r2端口与第二相位调制器3-2的k3端口连接。
第一激光器与第二激光器之间进行通信，第一激光器发出一束稳定的连续光，该光与来自第三耦合器的光在第一耦合器内发生耦合作用，再在第一相位调制器内进行相位调制，调制后的信号进入第二耦合器，在第二耦合器的作用下将原信号分成两部分，一部分利用光纤传输到接收机中，也就是第四耦合器，另一部分进入第一光纤延迟线，信号在第一光纤延迟线中发生延迟，再传输到第一马赫增德尔干涉仪中，在第一马赫增德尔干涉仪内，信号被分成两束，两束光信号的延时不相等，延时后两信号再进行差分，差分后的光信号经由第一光电检测器转换成电信号，该电信号经第一电放大器放大后进入第一相位调制器。
第二激光器发出的光信号与上面类似，具体地，第二激光器发出一束稳定的连续光，该光与来自第二耦合器的光在第四耦合器内发生耦合作用，再在第二相位调制器内进行相位调制，调制后的信号进入第三耦合器，在第三耦合器的作用下将原信号分成两部分，一部分利用光纤传输到发送机中，也就是第一耦合器，另一部分进入第二光纤延迟线，信号在第二光纤延迟线中发生延迟，再传输到第二马赫增德尔干涉仪中，在第二马赫增德尔干涉仪内，信号被分成两束，两束光信号的延时不相等，延时后两信号再进行差分，差分后的光信号经由第二光电检测器转换成电信号，该电信号经第二电放大器放大后进入第二相位调制器。
当发送端进行传输信号，如图2所示，为传输信号的波形图；接收端接收信号，如图3所示，虚线为接收端的本地信号，实线为同步误差；如图4所示，为同步误差与本地信号运算后的信号，即为发送端传输的信号。本发明利用混沌原理，解码时将传输信号与本地信号进行对比，才能将将所要传输的信息还原，这样增加了系统的保密性，假使信号在传输途中被截获，若无信宿的本地信号，也无法成功解码出要传递的信息。具体地，发送端和接收端两端都发送“0”或“1”时，系统处于同步状态，否则，处于异步状态，如此，只要检测两端的同步误差，再与本地信号进行对比，就可以恢复发送端传送的信号。
本发明基于光电相位混沌的双向通信系统的实现过程如下：
1、将光信号转变为电信号，利用马赫曾德尔调制器，实现对光信号的相位进行调制，在反馈环中产生相位混沌。
2、将接收端产生的相位混沌信号耦合到发射端中。
3、根据混沌的鲁棒性，两端都发送“0”或“1”时，系统处于同步状态，否则，处于异步状态，这样只要检测两端的同步误差，再与本地信号进行对比，就可以恢复发送端传送的信号。本发明通过光电检测器将光信号变成电信号，由一个差分运算放大器相减，再与本地信号进行运算，解调出传输的信息。
本发明基于光电相位混沌的双向通信系统，实现了双向通信，而且误码率低，保密性强。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，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)

1.一种基于光电相位混沌的双向通信系统，其特征在于，包括：
发送端，所述发送端包括第一激光器，第一激光器发出第一光信号，先通过第一耦合器，再通过由第一相位调制器、第二耦合器、第一光纤延迟线、第一马赫增德尔干涉仪、第一光电检测器和第一电放大器组成的光电延时环路，并由第二耦合器传输至接收端；
接收端，所述接收端包括第二激光器，第二激光器发出第二光信号，先通过第四耦合器，再通过由第二相位调制器、第三耦合器、第二光纤延迟线、第二马赫增德尔干涉仪、第二光电检测器和第二电放大器组成的光电延时环路，并由第三耦合器传输至发送端。
2.根据权利要求1所述的一种基于光电相位混沌的双向通信系统，其特征在于，所述第一激光器、第一耦合器、第一相位调制器、第二耦合器、第一光纤延迟线、第一马赫增德尔干涉仪、第一光电检测器、第一电放大器依次连接，第一电放大器与第一相位调制器连接；
相对应地，所述第二激光器、第四耦合器、第二相位调制器、第三耦合器、第二光纤延迟线、第二马赫增德尔干涉仪、第二光电检测器、第二电放大器依次连接，第二电放大器与第二相位调制器连接；
第四耦合器与第二耦合器连接，第三耦合器与第一耦合器连接；
第一激光器发出的第一光信号与来自第三耦合器的光信号三在第一耦合器耦合，然后通过第一相位调制器进行相位调制，调制后的信号通过第二耦合器分为光信号一和光信号二，光信号一传输至第四耦合器，光信号二依次通过第一光纤延迟线、第一马赫增德尔干涉仪、第一光电检测器后转换成第一电信号，第一电信号经第一电放大器后输入至第一相位调制器；
第二激光器发出的第二光信号与来自第二耦合器的光信号一在第四耦合器耦合，然后通过第二相位调制器进行相位调制，调制后的信号通过第三耦合器分为光信号三和光信号四，光信号三传输至第一耦合器，光信号四依次通过第二光纤延迟线、第二马赫增德尔干涉仪、第二光电检测器后转换成第二电信号，第二电信号经第二电放大器后输入至第二相位调制器。
3.根据权利要求2所述的一种基于光电相位混沌的双向通信系统，其特征在于，所述光信号二在第一光纤延迟线中发生延迟，延迟信号传输至第一马赫增德尔干涉仪内，延迟信号被分成两束光信号，两束光信号的延时不相等，两束光信号再进行差分，差分后的光信号通过第一光电检测器转换成第一电信号。
4.根据权利要求3所述的一种基于光电相位混沌的双向通信系统，其特征在于，所述光信号四在第二光纤延迟线中发生延迟，延迟信号传输至第二马赫增德尔干涉仪内，延迟信号被分成两束光信号，两束光信号的延时不相等，两束光信号再进行差分，差分后的光信号通过第二光电检测器转换成第二电信号。
5.根据权利要求2所述的一种基于光电相位混沌的双向通信系统，其特征在于，所有耦合器的耦合系数为0.5。
6.根据权利要求2所述的一种基于光电相位混沌的双向通信系统，其特征在于，所述发送端与接收端之间相对应的器件的参数相同。
7.根据权利要求2所述的一种基于光电相位混沌的双向通信系统，其特征在于，所述第一激光器和第二激光器产生的信号波长均为1500～1550nm。
8.根据权利要求2所述的一种基于光电相位混沌的双向通信系统，其特征在于，所述第一激光器和第二激光器的功率均为10mW。
9.根据权利要求2所述的一种基于光电相位混沌的双向通信系统，其特征在于，所述第一相位调制器和第二相位调制器均为马赫-曾德尔调制器。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种基于光电相位混沌的双向通信系统，其特征在于，所述接收端将发送端的传输信号与一本地信号进行比对以解码。
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