CN110995404B

CN110995404B - 一种基于混沌加密的太赫兹保密通信系统

Info

Publication number: CN110995404B
Application number: CN201911144035.1A
Authority: CN
Inventors: 余建军; 赵明明; 朱博文; 王峰; 王凯辉
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2039-11-21
Also published as: CN110995404A

Abstract

本发明属于光纤‑无线通信技术领域，具体为一种基于混沌加密的太赫兹保密通信系统。本发明系统包括发射端、ROF信道、接收端；在发射端使用混沌加密算法对产生的信号序列进行加密；数字信号转换成模拟信号，使用光外调制器调制到一路激光器产生的激光上；在发射端使用另一路激光器产生另外一路不携带信号的激光，经过光纤传输后，两路激光经过耦合器，由光电探测器进行拍频，产生太赫兹信号，在天线发射到自由空间中；接收端的天线接收信号后，经过混频器下变频到中频信号，由示波器采集，再由混沌解密算法结合接收端数字信号处理技术恢复原始信号。本发明算法计算量小，系统结构简单，保密性好，可有效提高太赫兹通信系统的安全性。

Description

一种基于混沌加密的太赫兹保密通信系统

技术领域

本发明属于光纤-无线通信技术领域，具体为一种基于混沌加密的太赫兹保密通信系统。

背景技术

随着通信容量和接入需求的高速增长，融合了光纤传输低损耗、高带宽和抗电磁干扰的优点和无线通信宽域覆盖，接入灵活等优点的光纤-无线通信系统成为研究热点，被认为是下一代超宽带无线接入最有前景的备选方案。在无线通信领域，传统通信手段使用的频段窄、载波频率低，通信速率和信道容量均较为受限，因此通信载波频率不断提高将是一个自然而然的趋势。5G通信将载波频率扩展到毫米波波段(30-300GHz)，而超高频率的太赫兹波段(300GHz以上)是未来无线通信技术必然要涉及到的，因此，光载太赫兹通信是一个前景巨大的研究方向。

在光纤-无线(Radio-over-Fiber,ROF)通信中，信号首先经过光纤传输，然后由光电转换器件转换成电信号，再由天线发射到自由空间中进行无线传输。无线信号以广播的方式传递到自由空间中，由此而来的信息泄露是一个无法避免的问题，无线信号容易被窃听，因此通信的保密性不佳。在太赫兹通信系统中，数据传输的安全性是一个亟需考虑的问题。为了提高太赫兹通信系统的安全性能，需要采用适当的信息加密方法。混沌动力学作为非线性科学的一个分支，具有许多适合于加密的特性。混沌系统的输出信号具有无限周期，很难与纯噪声信号区分开来。并且，混沌动态系统对初值的高敏感性使其具有良好的加密性能，它具有隐蔽性和不可预测性，是未来安全信息通信技术的一种有前途的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种计算量小、保密性好、结构简单的基于混沌加密的太赫兹保密通信系统。

本发明提供的基于混沌加密的太赫兹保密通信系统，包括：

发射端，其包括：两路激光器，用于产生光纤通信指定的连续波激光；IQ调制器，用于产生光基带信号；数据源，用于产生加密后的数字基带信号。

ROF信道，其包括：标准单模光纤，用于光信号的传输；光放大器，用于放大光信号，提高光功率；偏振保持光耦合器，用于耦合两路激光；光电探测器，用于将两路光信号拍频，转换为太赫兹信号；太赫兹波段天线，用于将太赫兹信号发送到自由空间中；太赫兹透镜，用于收集太赫兹信号，增加太赫兹信号的无线传输距离。

接收端，其包括：太赫兹波段天线，用于接收太赫兹信号；射频信号发生器，为下变频提供射频本振信号；电倍频器，用于将本振射频信号倍频；电混频器，用于将太赫兹信号与本地射频信号混频，将太赫兹信号下变频为中频信号；数字示波器，用于采集中频信号；数字信号处理算法模块，用于将加密后的信号使用混沌序列进行解密，并恢复出原始发送信号。

所述的发射端，其工作过程为：

两路激光器产生指定频率的两路连续波光载波。在数字域产生需要传输的数字信号，使用3阶Jerk混沌函数产生混沌加密序列，对原始信号进行加密。使用数模转换器将数字信号转换为模拟信号，使用光外调制器将加密基带数据调制到一路光载波上，再产生另外一路本振激光，这两路激光的频率之差在太赫兹波段。

所述的ROF信道，其工作过程为：

携带数据的光信号传输一定距离的标准单模光纤后，经过光放大器放大，与不携带数据的另一路光信号经过耦合器耦合在一起。利用太赫兹波段的光电探测器将光信号转换为太赫兹信号，经过太赫兹天线发送到自由空间中，并利用一对透镜汇聚太赫兹波，增加无线传输距离。

所述的接收端，其工作过程为：

利用太赫兹波段天线接收太赫兹信号。使用射频信号源产生本振射频信号，经过倍频器倍频后，与太赫兹信号混频，将太赫兹信号下变频为中频信号。使用数字示波器采集中频信号。接收端使用与发射端相同的混沌系统生成3维混沌序列，将接收信号解密。在接收端使用数字信号处理算法模块恢复原始信号。

本发明中，所述数字信号，可以使用M阶QAM-OFDM(正交幅度调制-正交频分复用)的调制格式，其中M为2ⁿ，n可取大于或等于2的任意正整数。

本发明中，所述两路激光器，其产生的两路激光频率之差在太赫兹波段(300GHz以上)。

本发明中，所述光电探测器，其工作频率在太赫兹波段(300GHz以上)，能够将光信号转换为太赫兹信号。

本发明中，所述混频器，其工作频率在太赫兹波段(300GHz以上)，能够将高频的太赫兹信号下变频至中频信号。

本发明提出的基于混沌加密的太赫兹保密通信系统，在发送端产生需要发送的信号序列，再使用混沌加密算法对信号序列进行加密。将数字信号转换成模拟信号后，使用光IQ调制器调制到一路激光器产生的激光上。在发射端使用另一路激光器产生另外一路不携带信号的激光，这两路激光的频率差在太赫兹波段(大于300GHz)。经过光纤传输后，两路激光经过耦合器，然后使用太赫兹波段的光电探测器进行拍频，产生太赫兹信号，再由喇叭天线发射到自由空间中。接收端的太赫兹天线接收信号后，经过混频器下变频到中频信号，由示波器采集后，再由混沌解密算法结合接收端数字信号处理技术恢复原始信号。这种基于3阶Jerk混沌函数的混沌加密算法计算量小，系统结构简单，在接收端必须使用与发射端相同的初始值才能生成相同的混沌序列用来解密，保密性佳，有效提高了太赫兹通信系统的安全性。

附图说明

图1是本发明的发射端加密流程示意图。

图2是本发明的ROF(光载无线)通信系统结构图。

图3是本发明的接收端解密流程示意图。

图中标号：1为激光器，11为激光器，2为数据源，22为数据源，3为光外调制器，4为光纤，5为光放大器，6为保偏光耦合器，7为光电探测器，8为发射天线，88为接收天线，9为射频信号源，10为混频器，12为数字示波器。

具体实施方式

下面结合具体实验例子和附图，对本发明作具体说明。

由图1所示，发射端加密流程说明如下：

(1)使用MATLAB软件在数字域产生需要发送的随机二进制比特流信号。

(2)给定初始值，根据公式(1-1)使用3阶Jerk混沌函数产生3维混沌加密序列{x,y,z}。

(3)将二进制比特流与z序列按比特进行异或运算。

(4)将二进制比特流调制成高阶符号。

(5)根据公式(1-2)，使用x,y序列分别对信号的I路和Q路数据进行加密处理。

E＝(real[C]+x)+j(imag[C]+y) (1-2)

其中，C是原始高阶星座点，E是加密后的星座点。

由图2所示，本发明的ROF(光载无线)通信系统结构说明如下：

激光器1，产生波长为λ₁的连续波激光，激光器11，产生波长为λ₂的连续波激光，两路激光频率之差应在太赫兹波段。数据源2，产生加密后的数字基带信号a₁(t)，数据源22，产生加密后的数字基带信号a₂(t)，光外调制器3，将数据源2产生的数字基带信号a₁(t)调制到激光器1产生的波长λ₁的连续波激光上，光纤4，作为光信号的传输链路，光放大器5，放大光信号，保偏光耦合器6，将携带信号的波长λ₁连续波激光和不携带信号的波长为λ₂的连续波激光耦合起来，光电探测器7，将光信号转换成太赫兹信号，发射天线8，将太赫兹信号发射到自由空间中，接收天线88，用来接收太赫兹信号，射频信号源9，产生本振射频信号，混频器10，将太赫兹信号下变频为中频信号，数字示波器12，用来采集中频信号。

由图3所示，接收端解密流程说明如下：

(1)获取接收信号。

(2)给定与发射端相同的初始值，根据公式(1-1)使用3阶Jerk混沌函数产生3维混沌加密序列{x,y,z}。

(3)根据公式(1-3)，使用x,y序列分别对信号的I路和Q路数据进行解密处理。

C＝(real[E]-x)+j(imag[E]-y) (1-3)

其中，E是加密后的信号，C是解密后的信号。

(4)将高阶信号恢复成二进制信号。

(5)将二进制信号与z序列按比特进行异或运算，完成信号的解密。

所述的基于混沌加密的太赫兹保密通信系统具体连接方式如下：

激光器1的输出端与光外调制器3的光输入端使用光纤连接，数据源2的输出端与光外调制器3的电输入端使用电缆连接。光外调制器3的输出与光纤4的一端使用光纤连接，光纤4的另外一端与光放大器5的输入端使用光纤连接，光放大器5的输出端与保偏光耦合器6的一个输入端用光纤连接，激光器11的输出端与保偏光耦合器6的另一个输入端用光纤连接，保偏光耦合器6的输出端与光电探测器7的输入端使用光纤连接，光电探测器7的输出端与发射天线8的输入端使用电缆连接，发射天线8将信号通过无线广播的方式发射出去，接收天线88接收太赫兹信号，其输出端与混频器10的一个输入端使用电缆连接，混频器10的另一个输入端与射频信号源9的输出端使用电缆连接，混频器10的输出端与数字示波器12的输入端使用电缆连接。

Claims

1.一种基于混沌加密的太赫兹保密通信系统，其特征在于，包括：

发射端，其包括：两路激光器，用于产生光纤通信指定的连续波激光；IQ调制器，用于产生光基带信号；数据源，用于产生加密后的数字基带信号；

ROF信道，其包括：标准单模光纤，用于光信号的传输；光放大器，用于放大光信号，提高光功率；偏振保持光耦合器，用于耦合两路激光；光电探测器，用于将两路光信号拍频，转换为太赫兹信号；太赫兹波段天线，用于将太赫兹信号发送到自由空间中；太赫兹透镜，用于收集太赫兹信号，增加太赫兹信号的无线传输距离；

接收端，其包括：太赫兹波段天线，用于接收太赫兹信号；射频信号发生器，为下变频提供射频本振信号；电倍频器，用于将本振射频信号倍频；电混频器，用于将太赫兹信号与本地射频信号混频，将太赫兹信号下变频为中频信号；数字示波器，用于采集中频信号；数字信号处理算法模块，用于将加密后的信号使用混沌序列进行解密，并恢复出原始发送信号；

所述发射端的工作过程为：两路激光器产生指定频率的两路连续波激光；在数字域产生需要传输的数字信号，使用3阶Jerk混沌函数产生混沌加密序列，对原始信号进行加密；由数模转换器将数字信号转换为模拟信号，使用光外调制器将加密基带数据调制到一路光载波上；

所述使用3阶Jerk混沌函数产生混沌加密序列，对原始信号进行加密，具体流程如下：

(1)使用MATLAB软件在数字域产生需要发送的随机二进制比特流信号；

(2)给定初始值，根据公式(1-1)使用3阶Jerk混沌函数产生3维混沌加密序列{x,y,z}；

(3)将二进制比特流与z序列按比特进行异或运算；

(4)将二进制比特流调制成高阶符号；

(5)根据公式(1-2)，使用x,y序列分别对信号的I路和Q路数据进行加密处理；

E＝(real[C]+x)+j(imag[C]+y) (1-2)

其中，C是原始高阶星座点，E是加密后的星座点；

所述ROF信道的工作过程为：携带数据的光信号传输一定距离的标准单模光纤后，经过光放大器放大，与不携带数据的另一路光信号经过耦合器耦合在一起；利用太赫兹波段的光电探测器将光信号转换为太赫兹信号，经过太赫兹天线发送到自由空间中，并利用一对透镜汇聚太赫兹波，增加无线传输距离；

所述接收端的工作过程为：利用太赫兹波段天线接收太赫兹信号；使用射频信号源产生本振射频信号，经过倍频器倍频后，与太赫兹信号混频，将太赫兹信号下变频为中频信号；使用数字示波器采集中频信号；接收端使用与发射端相同的混沌系统生成3维混沌序列，将接收信号解密；在接收端使用数字信号处理算法模块恢复原始信号；

所述将接收信号解密，具体流程为：

(1)获取接收信号；

(2)给定与发射端相同的初始值，根据公式(1-1)使用3阶Jerk混沌函数产生3维混沌加密序列{x,y,z}；

(3)根据公式(1-3)，使用x,y序列分别对信号的I路和Q路数据进行解密处理；

C＝(real[E]-x)+j(imag[E]-y) (1-3)

其中，E是加密后的信号，C是解密后的信号；

(4)将高阶信号恢复成二进制信号；

2.根据权利要求1所述的基于混沌加密的太赫兹保密通信系统，其特征在于，所述的数字信号使用M阶QAM-OFDM的调制格式，其中M为2ⁿ，n取大于或等于2的任意正整数。

3.根据权利要求1所述的基于混沌加密的太赫兹保密通信系统，其特征在于，所述两路激光器产生的两路激光频率之差在太赫兹波段。

4.根据权利要求1所述的基于混沌加密的太赫兹保密通信系统，其特征在于，所述光电探测器的工作频率在太赫兹波段，能够将光信号转换为太赫兹信号。

5.根据权利要求1所述的基于混沌加密的太赫兹保密通信系统，其特征在于，所述混频器的工作频率在太赫兹波段，能够将高频的太赫兹信号下变频至中频信号。