CN110995359B - 基于数字dsp解调的相位调制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字DSP解调的相位调制方法及系统，涉及光通信领域。该方法包括以下步骤：在发送端调制信息的电信号上，叠加含有同步头序列、随时间变化、且变化方式随机的相位加密电信号。本发明能显著降低系统成本和复杂度。

Description

基于数字DSP解调的相位调制方法及系统

技术领域

本发明涉及光通信领域，具体是涉及一种基于数字DSP解调的相位调制方法及系统。

背景技术

现有的光通信保密系统仍采用基于电信号处理的流密码加解密技术，由于受到电子“瓶颈”的限制，其加解密速率较低，实验室最高速率仅为2.5Gbit/s。

发生突发事件时，现有光通信网络的业务量将可能成几十倍甚至上百倍的剧增，传统的基于电信号处理的加解密技术难以适应超高速和超大容量的业务需求，也无法完全兼容下一代全光通信网络，而基于全光信号处理的加解密技术的速率可以超过100 Gbit/s。

同时，现有的光纤通信网在光域内对数据光信号没有采取任何的安全处理，光纤信道只负责信号传送，即将比特光码从一个节点透明地传送到下一个节点。

另外，我国光纤通信网中的SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字系列）和DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing，密集波分复用）技术体制均来自于国外，其接口协议、性能参数和码流特性等均对外公开，这对于光通信网而言是一个致命的缺陷。

随着光纤通信网攻击与窃听技术的迅速发展，直接窃取光纤传输数据、光网络管理系统信息被修改和光网络节点设备被攻击的可能性已经成为现实，光网络随时面临安全威胁，无法保证数据信息的安全。因此，对基于全光信号处理的加解密技术的需求迫在眉睫。

目前最为安全的物理加密技术就是量子光通信，其基本原理是以单光子为基础，在异地产生相同的光子作为密码，用这种单光子作为密码对信息进行加密。由于这是一种物理加密手段，可以在异地随时产生和废除，因此几乎无法被破译。

早在1992年，英国电信与美国贝尔实验室就进行了单模光纤上的量子通信实验，信号在1550波段上传输，量子密码载体为1310nm光子，成功传输了数十公里。

2013年，麻省理工大学的量子和光通信小组，利用相关量子的纠缠关联性，发展了一种新的量子加密技术，使量子的加密效率大大提高，并使加密的安全性接近量子极限。其实验结果已发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

2014年，中科大潘建伟院士团队与中科院上海微系统与信息技术研究所和清华大学合作，结合诱骗态方法和测量器件无关协议，将安全距离突破至200公里，并选取了合肥市量子通信网的3个节点进行了现场验证，创下了新的世界纪录。

量子保密光通信的缺点也是显而易见的：首先，量子通信设备的结构复杂，生产和维护成本很高，其中一些器件体积较大难以集成；其次，量子光通信信号不适合在现有已铺设的商用网络上传输；最后，也是最重要的是对于目前已经大量商用的普通光传输信号，量子通信无法做到直接加密。

混沌光通信是另一种近年来兴起的物理加密技术，混沌保密通信的基本思想是利用混沌信号作为载波，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。因此收发双方的混沌同步是整个系统实现的关键，同步的前提是双方的混沌序列发生器需要有相同的初始值。

1994年，Colet P和Roy R在Optics letters上首次提出了混沌光通信的方案[1]。2005年，Argyris等人在雅典借用120公里商用光网络实现了1Gbit/s的混沌保密通信，误码率为10E-7数量级[2]，这是世界上首次在商用网络上实现混沌保密通信。

混沌光通信的优点是结构较为简单，信号可以在现有的单模光纤商用网络中传输；且可以在一定保护间隔下与现有的商用光信号进行混和传输。然而混沌光通信技术依然不能实现对现有的商用光信号进行直接加密。

针对量子保密通信和混沌通信的缺点，近年来全光物理加密的研究应运而生，其中，最常见的就是全光异或加密技术，其原理是利用异或运算的可逆性，先用光秘钥序列对光数据序列进行加密得到密文，之后再利用相同的光秘钥序列对秘文序列进行解密恢复出原始的明文数据序列。

早在2002年，Nielsen M L等人就提出了利用SOA-MZI（SOA马赫曾德干涉仪）实现光信号异或加密的方案。该方案结构紧凑、成本低廉，但是响应速度较慢，仅能满足10G以下速率的加密编码。

2008年，Jung Y等人又提出了利用SOA的交叉相位调制效应实现对光信号的异或加密，实验中实现了对一个10G NRZ光信号的加密与解密。但同样由于SOA较慢的载流子回复时间，限制了其在高速条件下的性能表现。

2009年，Fok.M.P等人利用高非线性光纤（HNLF）的克尔效应实现了光信号的异或加密。由于HNLF的响应速度很快，拥有很高的非线性系数，因此，可以获得100Gbit/s以上的加密速率。但是，由于其体积大、结构复杂，较难实现商用。

当前，骨干光通信网的光传输格式已经由原来的强度调制转向相位调制，以获得更高的传输性能。因此，骨干光网络急需一种结构简单，可直接适用于商用网络调制格式的光物理加密方法。

近年来，有人提出了一种在收、发端分别利用相位调制器对相位调制信号进相位行加密与解密，其基本原理为：

在发送端，利用附加的可改变光相位的器件在已经调制上传输信息的相位调制光信号上加载随时间快速变化、且变化方式随机的相位信息（即相位加密）；

在接收端，将被加密过的相位调制光信号输入一个与发送端相同的可改变光相位的器件，并通过这个器件在光信号上加载与发送端加密信号完全相反的相位信息（即相位解密），之后再将解密后的相位调制光信号输入传统的信号解调器件进行解调制。

在此过程中，信息加密和信息解密过程应满足以下两个苛刻条件：

（1）在去除传输链路延时影响后，调制加密信息和调制解密信息的过程必须严格同步，且对光信号相位信息的改变完全抵消，从而保证相位调制光信号能够正确的被解密接收；

（2）加密信息的随时间的变化速度必须高于该相位调制光信号接收端相位估计算法可能的最高收敛速度，从而保证加密的成功。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

上述方法虽然可以直接在相位上加密，但是在系统的收发端各需要一个相位调制器，且如何同步收、发两端的硬件存在许多问题，因此成本和系统的复杂度都较大。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于数字DSP解调的相位调制方法及系统，能够显著降低系统成本和复杂度。

第一方面，提供一种基于数字DSP解调的相位调制方法，包括以下步骤：

在发送端调制信息的电信号上，叠加含有同步头序列、随时间变化、且变化方式随机的相位加密电信号；

接收端进行数字信号处理的相位估计时，将与所述相位加密电信号相反的相位信息与待处理的数字信号相乘，进行相位解密；

所述相位加密电信号随时间的变化速度高于接收端进行数字信号处理的相位估计时的最高收敛速度。

第二方面，提供一种基于数字DSP解调的相位调制系统，包括位于发送端的光相位调制加密装置，所述光相位调制加密装置包括调制信息电信号产生模块、相位加密电信号产生模块、电信号耦合器、光源、光相位信息调制器，调制信息电信号产生模块、相位加密电信号产生模块均与电信号耦合器相连，电信号耦合器、光源均与光相位信息调制器相连；所述相位加密电信号产生模块用于产生含有同步头序列、随时间变化、且变化方式随机的相位加密电信号；

该系统还包括光传输链路和位于接收端的光相位解密解调装置，所述光相位解密解调装置包括光相位信息解调模块、数字信号采样与同步头检测模块、数字信号处理模块、相位解密电信号产生模块，光相位信息解调模块、数字信号采样与同步头检测模块、数字信号处理模块顺次相连，相位解密电信号产生模块与数字信号处理模块相连，所述相位解密电信号产生模块用于产生与相位加密电信号相反的相位解密电信号；

所述相位加密电信号随时间的变化速度高于所述数字信号处理模块进行相位估计时的最高收敛速度。

根据第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述光相位信息调制器为光I/Q调制器、光相位调制器或MZM光调制器。

根据第二方面的第一种可能的实现方式，在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述调制信息电信号产生模块接收待传输的信息，产生含有同步头信号的调制电信号，相位加密电信号产生模块产生与调制电信号时钟同步的相位加密电信号，电耦合器将相位加密电信号耦合到调制电信号上。

根据第二方面的第三种可能的实现方式，在第二方面的第三种可能的实现方式中，所述光相位信息解调模块为相干接收机。

根据第二方面的第五种可能的实现方式，在第二方面的第四种可能的实现方式中，该系统还包括本地振荡光源，所述本地振荡光源与相干接收机相连。

与现有技术中的光通信加密方案相比，本发明的优点如下：

本发明实施例中加密方案

（1）成本低、可靠性高。本发明中所使用的所有光电器件均是成熟的商用产品，因此其成本相比于量子光通信和混沌光通信方案大大降低，同时系统可靠性也较高。由于系统的发送和接收端都不需要使用价格较为昂贵的相位调制器，能够显著降低系统成本和复杂度。

（2）可以方便的兼容现有商用系统。现在的骨干光光网络系统所使用的信息调制格正在从传统的强度调制迅速过渡到性能更好的相位调制格式上，而本发明中的加密方案恰好是针对相位调制格式光信号设计的，可以方便的兼容各种相位调制光信号，包括单载波QPSK、相干光OFDM等。

附图说明

图1是本发明实施例中基于数字DSP解调的相位调制系统的结构框图。

图2是本发明实施例中光相位信息调制器为光I/Q调制器的系统实例框图。

具体实施方式

现在将详细参照本发明的具体实施例，在附图中例示了本发明的例子。尽管将结合具体实施例描述本发明，但将理解，不是想要将本发明限于所述的实施例。相反，想要覆盖由所附权利要求限定的在本发明的精神和范围内包括的变更、修改和等价物。应注意，这里描述的方法步骤都可以由任何功能块或功能布置来实现，且任何功能块或功能布置可被实现为物理实体或逻辑实体、或者两者的组合。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

注意：接下来要介绍的示例仅是一个具体的例子，而不作为限制本发明的实施例必须为如下具体的步骤、数值、条件、数据、顺序等等。本领域技术人员可以通过阅读本说明书来运用本发明的构思来构造本说明书中未提到的更多实施例。

本发明实施例提供一种基于数字DSP解调的相位调制方法，包括以下步骤：

在发送端调制信息的电信号上，叠加含有同步头序列、随时间变化、且变化方式随机的相位加密电信号。

作为优选的实施方式，还包括以下步骤：

接收端进行数字信号处理的相位估计时，将与所述相位加密电信号相反的相位信息与待处理的数字信号相乘，进行相位解密。

作为优选的实施方式，所述相位加密电信号随时间的变化速度高于接收端进行数字信号处理的相位估计时的最高收敛速度。

参见图1所示，本发明实施例还提供一种基于数字DSP解调的相位调制系统，包括位于发送端的光相位调制加密装置，所述光相位调制加密装置包括调制信息电信号产生模块、相位加密电信号产生模块、电信号耦合器、光源、光相位信息调制器，调制信息电信号产生模块、相位加密电信号产生模块均与电信号耦合器相连，电信号耦合器、光源均与光相位信息调制器相连；所述相位加密电信号产生模块用于产生含有同步头序列、随时间变化、且变化方式随机的相位加密电信号。

作为优选的实施方式，所述光相位信息调制器为任何可以将信息调制在光相位上的调制器件，例如：光I/Q（In-phase/Quadrature，同相/正交）调制器、光相位调制器、MZM（Mach-Zehnder Modulator，马赫-曾德调制器）光调制器等。

参见图2所示，调制信息电信号产生模块接收待传输的信息，产生含有同步头信号的I/Q调制电信号，相位加密电信号产生模块产生与I/Q调制电信号时钟同步的相位加密电信号，电耦合器将相位加密电信号耦合到I/Q调制电信号上。

作为优选的实施方式，该系统还包括光传输链路和位于接收端的光相位解密解调装置，所述光相位解密解调装置包括光相位信息解调模块、数字信号采样与同步头检测模块、数字信号处理模块、相位解密电信号产生模块，光相位信息解调模块、数字信号采样与同步头检测模块、数字信号处理模块顺次相连，相位解密电信号产生模块与数字信号处理模块相连，所述相位解密电信号产生模块用于产生与相位加密电信号相反的相位解密电信号。

作为优选的实施方式，所述相位加密电信号随时间的变化速度高于所述数字信号处理模块进行相位估计时的最高收敛速度。

作为优选的实施方式，所述光相位信息解调模块为相干接收机，参见图2所示，该系统还包括本地振荡光源，本地振荡光源与相干接收机相连。

本发明实施例针对已有的光信号物理加密方案的缺点，设计了一种基于数字DSP解调的相位调制方法，其基本原理为：

在发送端调制信息的电信号上叠加上一个随时间快速变化、且变化方式随机的相位加密电信号（即相位加密密钥），相位加密电信号中必须存在一个同步头序列，用于在接收端解密时的同步；

在接收端，在进行数字信号处理的相位估计步骤中，直接将一个与发送端相位加密电信号完全相反的相位信息与待处理的数字信号相乘（即相位解密），之后再将解密后的数字信号转入下一步骤的处理，最终得到解调制后的实际传输信息。

本发明实施例中的信息加密和信息解密过程应满足以下两个条件：

（1）在去除传输链路延时影响后，调制加密信息和调制解密信息的过程必须严格同步，且对光信号相位信息的改变完全抵消，从而保证相位调制光信号能够正确的被解密接收，因此相位加密电信号中必须带有同步头信号；

（2）相位加密电信号随时间的变化速度必须高于该相位调制光信号接收端相位估计算法可能的最高收敛速度，从而保证加密的成功。

参见图2所示，本发明实施例中光相位信息调制器为光I/Q调制器时，基于数字DSP解调的相位调制系统由3部分组成，包括IQ光信号调制加密模块、光传输链路、IQ光信号解密解调模块。

参见图2所示，IQ光信号调制加密模块包括窄线宽光源、光I/Q调制器、调制信息电信号产生模块、相位加密电信号产生模块以及电信号耦合器。

在光相位调制模块中，一个窄线宽光源输入一个光I/Q调制器；同时，将要传输的串行数据（即要传输的信息）送入调制信息电信号产生模块，产生I/Q调制电信号（两路并行二进制数据），其中包含同步头信号。同时，一个与I/Q调制电信号时钟同步的相位加密电信号通过电耦合器，被耦合到I/Q调制电信号上。

当I/Q调制电信号上加载的是同步头信号时，则相位加密电信号为0，即不对同步头信号进行加密；当I/Q调制电信号上加载的是实际的传输信息时，则相位加密电信号为实际的加密电信号，即对实际传输信号进行加密。耦合后的电信号输入光I/Q调制器的电极。至此，将要传输的信息调制到光载波上，即QPSK（Quadri Phase Shift Keying，四相移键控）信号，同时对其进行了相位加密。

参见图2所示，加密后的光信号进入光传输链路（即光纤链路），经过传输后输入IQ光信号解密解调模块。

参见图2所示，IQ光信号解密解调模块包括相干接收机、本地振荡光源、数字信号采样与同步头检测模块、数字信号处理模块以及相位解密电信号产生模块。

加密的IQ光信号首先进入相干接收机与本地振荡光源进行混频，混频之后得到的电信号进入数字信号采样与同步头检测模块，数字信号采样与同步头检测模块中的ADC转换器对输入的电信号进行数字采样，将采样后的数据输入数字信号处理模块。

当数字信号处理模块检测到同步头信号时，同步启动相位解密电信号产生模块，将解密电信号（与加密电信号完全相反的信号）输入数字信号处理模块中，先将加密的电信号解密之后再进行频偏估计、相位估计、信道估计等一些列单载波QPSK信号的数据恢复算法，最终恢复出与发送端想要传输的串行数据相同的电信号。

为了便于描述，本发明实施例中的系统采用光IQ调制器调制单载波QPSK信号，但实际发明的应用范围与实用方案并不局限于这些调制器件和调制格式：光相位调制模块中的光调制器可以是任何能将电信号调制到光相位上的器件，例如：光相位调制器、MZM光调制器等；信息调制格式也不局限于单载波，也可以是其他任何可能的调制格式，例如OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）、或奈奎斯特单载波调制。相位加密电信号可以是任意随时间变化的电信号，只要满足加密信息随时间的变化速度高于该相位调制光信号接收端相位估计算法可能的最高收敛速度即可。

与现有的光通信加密方案相比，本发明实施例具有以下优点：

（1）成本低、可靠性高。本发明实施例中所使用的所有光电器件均是成熟的商用产品，因此其成本相比于量子光通信和混沌光通信方案大大降低，同时系统可靠性也较高。由于系统的发送和接收端都不需要使用价格较为昂贵的相位调制器，能够显著降低系统成本和复杂度。

（2）可以方便的兼容现有商用系统。现在的骨干光光网络系统所使用的信息调制格正在从传统的强度调制迅速过渡到性能更好的相位调制格式上。而本发明实施例中的加密方案恰好是针对相位调制格式光信号设计的，可以方便的兼容各种相位调制光信号，包括单载波QPSK（Quadri Phase Shift Keying，四相移键控）、相干光OFDM等。

与现有的光通信加密方案相比，本发明实施例中的加密方案具有成本低、可靠性高、加密信息灵活可变的优点，并且可良好的兼容现有骨干网中常用的光相位调制格式，是一种十分具有实用前景的光物理加密方案。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种基于数字DSP解调的相位调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在发送端调制信息的电信号上，叠加含有同步头序列、随时间变化、且变化方式随机的相位加密电信号；

接收端进行数字信号处理的相位估计时，将与所述相位加密电信号相反的相位信息与待处理的数字信号相乘，进行相位解密；

所述相位加密电信号随时间的变化速度高于接收端进行数字信号处理的相位估计时的最高收敛速度。

2.一种基于数字DSP解调的相位调制系统，其特征在于：包括位于发送端的光相位调制加密装置，所述光相位调制加密装置包括调制信息电信号产生模块、相位加密电信号产生模块、电信号耦合器、光源、光相位信息调制器，调制信息电信号产生模块、相位加密电信号产生模块均与电信号耦合器相连，电信号耦合器、光源均与光相位信息调制器相连；所述相位加密电信号产生模块用于产生含有同步头序列、随时间变化、且变化方式随机的相位加密电信号；

该系统还包括光传输链路和位于接收端的光相位解密解调装置，所述光相位解密解调装置包括光相位信息解调模块、数字信号采样与同步头检测模块、数字信号处理模块、相位解密电信号产生模块，光相位信息解调模块、数字信号采样与同步头检测模块、数字信号处理模块顺次相连，相位解密电信号产生模块与数字信号处理模块相连，所述相位解密电信号产生模块用于产生与相位加密电信号相反的相位解密电信号；

所述相位加密电信号随时间的变化速度高于所述数字信号处理模块进行相位估计时的最高收敛速度。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述光相位信息调制器为光I/Q调制器、光相位调制器或MZM光调制器。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述调制信息电信号产生模块接收待传输的信息，产生含有同步头信号的调制电信号，相位加密电信号产生模块产生与调制电信号时钟同步的相位加密电信号，电耦合器将相位加密电信号耦合到调制电信号上。

5.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述光相位信息解调模块为相干接收机。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于：该系统还包括本地振荡光源，所述本地振荡光源与相干接收机相连。

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