CN111162893A - 一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统，包括发送端和接收端；发送端的第一激光器产生混沌载频信号，并经过第一分束器进行分束，一部分进入第一差分电路用于检测本地信号；另一部分通过第一环形器、第一相位调制器进行相位调制；将经过调制的信号经第一耦合器耦合后分为两路，一路进入第一环形器产生强度反馈；另一路经过第二相位调制器、第二耦合器后进入第一光电振荡器产生相位混沌信号；将具有强度和相位混沌的信号通过第二环形器进入第三相位调制器，同时接收从接收端传输来的与混沌信号相反的混沌信号，将两种信号进行相位抵消及解调，获得传输信息。

Description

一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统

技术领域

本发明涉及光信息技术领域，尤其涉及一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统。

背景技术

混沌是一种对初值敏感且难以长期预测的类噪声随机过程，在保密通信、图像加密以及神经网络等领域都有着广阔的前景。在整个混沌通信的传输过程中，信息的保密性就显的尤为重要，只有将信息尤其是将发射端的参数进行隐藏，才能保证信息不被窃听，使得他人无法重构发射端的混沌动力学，保证了通信的安全。通信安全在保密通信、神经网络、生物学和经济学研究上都有重要意义，在信号处理、医学诊断、复杂经济系统有极大的潜在应用价值。

在混沌安全通信系统中，可以利用外光注入、外光反馈、相互耦合等方法增加半导体激光器(semiconductor laser，SL)的自由度从而产生混沌信号。目前混沌保密通信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、多向混沌保密通信将更具有实际应用价值，同时针对混沌通信的提高抗干扰和抗破译的能力要求不断提升，对提高混沌通信保密性的研究在不断加深。为提高系统的安全性，需对某些关键参数进行隐藏，如时间延迟。如何有效隐藏时间延迟信息，不被窃听者窃取，是实现混沌保密通信的关键。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统，其中两个半导体激光器在由双向耦合引起的混沌状态下通信，具有成本低、性能稳定、复杂度高、保密性强等特点。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统，包括发送端和接收端；所述发送端包括第一激光器、第一分束器、第一环形器、第二环形器、第一耦合器、第二耦合器、第一相位调制器、第二相位调制器、第三相位调制器、第一光电振荡器、第一差分电路；所述发送端的第一激光器产生混沌载频信号，将所述产生的混沌载频信号经过第一分束器进行分束，一部分进入第一差分电路，用于检测本地信号；另一部分通过第一环形器、第一相位调制器进行相位调制，得到调制信号；将所述得到的调制信号经第一耦合器耦合后分为两路，一路进入第一环形器产生强度反馈；另一路经过第二相位调制器、第二耦合器后进入第一光电振荡器产生相位混沌信号；将所述产生的强度反馈和相位混沌信号通过第二环形器进入第三相位调制器，同时接收从接收端传输来的与所述强度反馈和相位混沌信号相反的信号，将所述接收到的强度反馈和相位混沌信号以及与所述强度反馈和相位混沌信号相反的信号进行相位抵消及解调，获得传输信息。

进一步的，所述第一光电振荡器包括第一光纤、第一马赫增德尔干涉仪、第一光电检测器、第一RF放大器。

进一步的，所述第一差分电路包括第一准直透镜、第四光电检测器；所述一部分进入第一差分电路，用于检测本地信号具体为：一部分经由第一准直透镜、第四光电检测器后被第四光电检测器转化为电信号，用于检测本地信号。

进一步的，所述一路进入第一环形器产生强度反馈中还包括一路进入第一环形器后反馈至第一激光器，产生强度反馈。

进一步的，所述发送端还包括第二分束器、第二光电振荡器；所述第二光电振荡器包括第二马赫增德尔干涉仪、第二光电检测器、第二RF放大器；将所述产生的强度反馈及相位混沌信号通过第二环形器进入接收端具体为：将所述产生的强度反馈及相位混沌信号经过第二环形器进入第二分束器进行分束，一部分经过第二马赫增德尔干涉仪、第二光电检测器、第二RF放大器，产生与接收端传输来的混沌信号相反的混沌相位。

进一步的，发送端还包括第二差分电路；将所述接收到的强度反馈和相位混沌信号以及与所述强度反馈和相位混沌信号相反的信号进行相位抵消及解调具体为：将接收到的强度反馈和相位混沌信号以及与所述强度反馈和相位混沌信号相反的信号经过第三相位解调器进行相位抵消，并将抵消后的信号经过第二差分电路进行解调。

进一步的，所述第二差分电路包括第五光电检测器、第二准直透镜、差分运算放大器，所述将接收到的强度反馈和相位混沌信号以及与所述强度反馈和相位混沌信号相反的信号经过第三相位解调器进行相位抵消后，通过第二准直透镜连接到第五光电检测器进行信号转换，将转换后的信号经差分运算放大器与检测到的本地信号相减。

进一步的，所述接收端包括第二激光器；所述第二激光器和第一激光器的外腔反馈延迟时间均为2.5ns。

进一步的，所述第一激光器产生的混沌载频光波的中心波长为1550nm，功率为12mW，偏置电流为32.2mA。

进一步的，所述第一RF放大器、第二RF放大器、差分运算放大器的增益均为10dB。

与现有技术相比，本发明基于一种具有全光强度与电光相位混沌双向通信系统实现了双向保密通信。该系统产生的混沌信号具有较高的复杂度且能够隐藏了反馈延时标签，具有较好的保密性。

附图说明

图1是实施例一提供的一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统结构图；

图2为实施例一提供的信号自相关系数示意图；

图3为实施例一提供的信息的双向传输后解调的信息示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统。

实施例一

本实施例提供一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统，如图1-3所示，包括：发送端、接收端，发送端和接收端通过第三光纤6-3连接。

发送端包括第一激光器1-1、第一分束器2-1、第二分束器2-2、第三分束器2-3、第一环形器3-1、第二环形器3-2、第一相位调制器4-1、第二相位调制器4-2、第三相位调制器4-3、第一耦合器5-1、第二耦合器5-2、第一光电振荡器、第二光电振荡器、第三光电振荡器、第一差分电路、第二差分电路。其中，第一光电振荡器包括第一光纤6-1、第一马赫增德尔干涉仪7-1、第一光电检测器8-1、第一RF放大器9-1；第二光电振荡器包括第二马赫增德尔干涉仪7-2、第二光电检测器8-2、第二RF放大器9-2；第三光电振荡器包括第三马赫增德尔干涉仪7-3、第三光电检测器8-3、第三RF放大器9-3；第一差分电路包括第四光电检测器8-4、第一准直透镜10-1；第二差分电路包括第五光电检测器8-5、第二准直透镜10-2、第一差分运算放大器11-1。

接收端包括第二激光器1-2、第四分束器2-4、第五分束器2-5、第六分束器2-6、第三环形器3-3、第四环形器3-4、第四相位调制器4-4、第五相位调制器4-5、第六相位调制器4-6、第三耦合器5-3、第四耦合器5-4、第四光电振荡器、第五光电振荡器、第六光电振荡器、第三差分电路、第二四差分电路。其中，第四光电振荡器包括第二光纤6-2、第四马赫增德尔干涉仪7-4、第六光电检测器8-6、第四RF放大器9-4；第五光电振荡器包括第五马赫增德尔干涉仪7-5、第七光电检测器8-7、第五RF放大器9-5；第六光电振荡器包括第六马赫增德尔干涉仪7-6、第八光电检测器8-8、第六RF放大器9-6；第三差分电路包括第十光电检测器8-10、第三准直透镜10-3；第四差分电路包括第就光电检测器8-5、第四准直透镜10-4、第二差分运算放大器11-2。

具体的连接方式为，第一激光器1-1的a1端连接到第一分束器2-1的b1端，第一分束器2-1的b2端与第一环形器3-1的c1端口连接，第一环形器3-1的c2端口与第一相位调制器4-1的d1端口连接，第一环形器3-1的c3端口与第一光耦合器5-1的e3端口连接，第一相位调制器4-1的d2端口连接到第一光耦合器5-1的e1端口，第一光耦合器5-1的e2端口和第二相位调制器4-2的d4端口连接，第二相位调制器4-2的d5端与第二光耦合器5-2的e4端口连接，第二光耦合器5-2的e5端口与第一光纤6-1的g1端口连接，第一光纤6-1的g2端口与第一马赫增德尔干涉仪7-1的h1端口连接，第一马赫增德尔干涉仪7-1的h2端口与第一光电检测器8-1的i1端口连接，第一光电检测器8-1的i2端口连接到第一RF放大器9-1的j1端口，第一RF放大器9-1的j2端口与第一相位调制器4-1的d3端口连接；第二光耦合器5-2的e6端口与第二环形器3-2的c6端口连接，第二环形器3-2的c5端口与第三马赫增德尔干涉仪7-3的h3端连接，第三马赫增德尔干涉仪7-3的h4端连接到第三光电检测器8-3的i3端口，第三光电检测器8-3的i4端口与第三RF放大器9-3的j3端口连接，第三RF放大器9-3的j4端口连接到第二相位调制器4-2的d6端口；第二环形器3-2的c4端口与第二分束器2-2的b4端口连接，第二分束器2-2的b5端口与第三分束器2-3的b8端口连接，第三分束器2-3的b7端口连接到第三光纤6-3的g5端口。

第二分束器2-2的b6端口与第二马赫增德尔干涉仪7-2的h5端口连接，第二马赫增德尔干涉仪7-2的h6端口连接到第二光电检测器8-2的i5端口，第二光电检测器8-2的i6端口与第二RF放大器9-2的j5端口连接，第二RF放大器9-2的j6端口连接到第三相位调制器4-3的d9端口，第三相位调制器4-3的d7端口与第三分束器2-3的b9端口连接；第三相位调制器4-3的d8端口与第二准直透镜10-2的k3端口连接，第二准直透镜10-2的k4端口连接到第五光电检测器8-5的i7端口连接，第五光电检测器8-5的i8端口连接到第一差分运算放大器11-1的f2端口，第一差分运算放大器11-1的f1端口连接到第四光电检测器8-4的i10端口，第四光电检测器8-4的i9端口与第一准直透镜10-1的k2端口连接，第一准直透镜10-1的k1端口连接到第一分束器2-1的b3端口。

类似地，第二激光器1-2的a2端连接到第四分束器2-4的m1端，第四分束器2-4的m2端与第三环形器3-3的n1端口连接，第三环形器3-3的n2端口与第四相位调制器4-4的o1端口连接，第三环形器3-3的n3端口与第三光耦合器5-3的p3端口连接，第四相位调制器4-4的o2端口连接到第三光耦合器5-3的p1端口，第三光耦合器5-3的p2端口和第五相位调制器4-5的o4端口连接，第五相位调制器4-5的o5端与第四光耦合器5-4的p4端口连接，第四光耦合器5-4的p5端口与第二光纤6-2的g3端口连接，第二光纤6-2的g4端口与第四马赫增德尔干涉仪7-4的q1端口连接，第四马赫增德尔干涉仪7-4的q2端口与第六光电检测器8-6的r1端口连接，第六光电检测器8-6的r2端口连接到第四RF放大器9-4的s1端口，第四RF放大器9-4的s2端口与第四相位调制器4-4的o3端口连接；第四光耦合器5-4的p6端口与第四环形器3-4的n6端口连接，第四环形器3-4的n5端口与第六马赫增德尔干涉仪7-6的q3端连接，第六马赫增德尔干涉仪7-6的q4端连接到第八光电检测器8-8的r3端口，第八光电检测器8-8的r4端口与第六RF放大器9-6的s3端口连接，第六RF放大器9-6的s4端口连接到第五相位调制器4-5的o6端口；第四环形器3-4的n4端口与第五分束器2-5的m4端口连接，第五分束器2-5的m5端口与第六分束器2-6的m8端口连接，第六分束器2-6的m7端口连接到第三光纤6-3的g6端口。

第五分束器2-5的m6端口与第五马赫增德尔干涉仪7-5的q5端口连接，第五马赫增德尔干涉仪7-5的q6端口连接到第七光电检测器8-7的r5端口，第七光电检测器8-7的r6端口与第五RF放大器9-5的s5端口连接，第五RF放大器9-5的s6端口连接到第六相位调制器4-6的o9端口，第六相位调制器4-6的o7端口与第六分束器2-6的m9端口连接，第六相位调制器4-6的o8端口与第四准直透镜10-4的t3端口连接，第四准直透镜10-4的t4端口连接到第九光电检测器8-9的r7端口连接，第九光电检测器8-9的r8端口连接到第二差分运算放大器11-2的f4端口，第二差分运算放大器11-2的f3端口连接到第十光电检测器8-10的r10端口，第四光电检测器8-10的r9端口与第三准直透镜10-3的t2端口连接，第三准直透镜10-3的t1端口连接到第四分束器2-4的m3端口。

在本实施例中，第一激光器1-1与第二激光器1-2之间进行双向通信。

发送端的第一激光器1-1产生混沌载频信号，将产生的混沌载频信号经过第一分束器2-1进行分束，一部分进入第一差分电路，用于检测本地信号；另一部分通过第一环形器3-1、第一相位调制器4-1进行相位调制，得到调制信号；将得到的调制信号经第一耦合器5-1耦合后分为两路，一路进入第一环形器3-1产生强度反馈；另一路经过第二相位调制器4-2、第二耦合器5-2后进入第一光电振荡器产生相位混沌信号；将产生的强度反馈和相位混沌信号通过第二环形器3-2进入第三相位调制器4-3，同时接收从接收端传输来的与强度反馈和相位混沌信号相反的信号，将接收到的强度反馈和相位混沌信号以及与所述强度反馈和相位混沌信号相反的信号进行相位抵消及解调，获得传输信息。

在本实施例中，一部分进入第一差分电路，用于检测本地信号具体为：一部分经由第一准直透镜10-1、第四光电检测器8-4后被第四光电检测器8-4转化为电信号，用于检测本地信号。

在本实施例中，一路进入第一环形器3-1产生强度反馈中还包括一路进入第一环形器3-1后反馈至第一激光器1-1，产生强度反馈。

在本实施例中，将产生的强度反馈及相位混沌信号通过第二环形器3-2进入接收端具体为：将产生的强度反馈及相位混沌信号经过第二环形器3-2进入第二分束器2-2进行分束，一部分经过第二马赫增德尔干涉仪7-2、第二光电检测器8-2、第二RF放大器9-2，产生与接收端传输来的混沌信号相反的混沌相位。

在本实施例中，将接收到的强度反馈和相位混沌信号以及与所述强度反馈和相位混沌信号相反的信号进行相位抵消及解调具体为：将接收到的强度反馈和相位混沌信号以及与所述强度反馈和相位混沌信号相反的信号经过第三相位解调器4-3进行相位抵消，并将抵消后的信号经过第二差分电路进行解调。

在本实施例中，将接收到的强度反馈和相位混沌信号以及与所述强度反馈和相位混沌信号相反的信号经过第三相位解调器4-3进行相位抵消后，通过第二准直透镜10-2连接到第五光电检测器10-5进行信号转换，将转换后的信号经第一差分运算放大器11-1与检测到的本地信号相减。

上述原理具体为：第一激光器1-1发出的一束混沌光信号由第一分束器2-1分为两部分，一部分经由第一准直透镜10-1，被第四光电检测器8-4转化为电信号，用于检测本地信号。另一部分经由第一环形器3-1通过第一相位调制器4-1，在第一相位调制器4-1进行相位调制后经第一光耦合器5-1耦合后，分为两路，一路经由第二相位调制器4-2进行相位调制，然后通过第二耦合器5-2进入光电反馈振荡器，产生混沌相位信号；另一路经过第一环形器3-1反馈至第一激光器1-1，产生强度反馈。具有强度和相位混沌的光信号经由第二环形器3-2，进入第二分束器2-2分成两路光信号，一路经由第二马赫增德尔干涉仪7-2、第二光电检测器8-2、第二RF放大器9-2，产生与第二激光器1-2传输来的混沌信号相反的混沌相位，再经由第二准直透镜10-2，被第五光电检测器8-5转化为电信号，用于检测抵消相位后的传输信号。最后利用第一差分运算放大器11-1对两个信号进行相减，可解调出传输的信息。

第二激光器1-2的信号处理过程与第一激光器1-1的信号处理的过程类似，在此不多做赘述。

在本实施例中，第二激光器和第一激光器的外腔反馈延迟时间均为2.5ns。第一激光器及第二激光器分别产生的混沌载频光波的中心波长均为1550nm，功率均为12mW，偏置电流均为32.2mA。第一RF放大器9-1、第二RF放大器9-2、第三RF放大器9-3、第四RF放大器9-4、第五RF放大器9-5、第六RF放大器9-6、第一差分运算放大器11-1、第二差分运算放大器11-2的增益均为10dB。

本实施例基于一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统的工作过程为：

a)、将信息通过调制激光器的偏置电流，加密隐藏在半导体激光器输出的混沌载波中；

b)、利用环形器与光耦合器进行强度反馈，使激光器输出的信号为具有高复杂度的混沌信号。

c)、强度混沌信号输入相位调制器，经光电振荡器产生信号进行混沌相位的调制。

d)、利用环形器将光电振荡器产生的混沌信号分流到对方的光电振荡器。

e)、在接收端产生反向相位以抵消传输信号中的混沌相位。

f)、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。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，利用同步误差进行解调。

在本实施例中，图2为信号自相关系数示意图，图中反馈延时2.5纳秒处的峰值找不到了，说明延时得到了很好的隐藏。

图3为信息的双向传输后解调的信息示意图，说明系统能很好地进行双向传输。

本实施例构造的一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统，利用光器件实现双向混沌通信，具有成本低、性能稳定、复杂度高、保密性强等特点。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统，其特征在于，包括发送端和接收端；所述发送端包括第一激光器、第一分束器、第一环形器、第二环形器、第一耦合器、第二耦合器、第一相位调制器、第二相位调制器、第三相位调制器、第一光电振荡器、第一差分电路；所述发送端的第一激光器产生混沌载频信号，将所述产生的混沌载频信号经过第一分束器进行分束，一部分进入第一差分电路，用于检测本地信号；另一部分通过第一环形器、第一相位调制器进行相位调制，得到调制信号；将所述得到的调制信号经第一耦合器耦合后分为两路，一路进入第一环形器产生强度反馈；另一路经过第二相位调制器、第二耦合器后进入第一光电振荡器产生相位混沌信号；将所述产生的强度反馈和相位混沌信号通过第二环形器进入第三相位调制器，同时接收从接收端传输来的与所述强度反馈和相位混沌信号相反的信号，将所述接收到的强度反馈和相位混沌信号以及与所述强度反馈和相位混沌信号相反的信号进行相位抵消及解调，获得传输信息。

2.根据权利要求1所述的一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统，其特征在于，所述第一光电振荡器包括第一光纤、第一马赫增德尔干涉仪、第一光电检测器、第一RF放大器。

3.根据权利要求1所述的一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统，其特征在于，所述第一差分电路包括第一准直透镜、第四光电检测器；所述一部分进入第一差分电路，用于检测本地信号具体为：一部分经由第一准直透镜、第四光电检测器后被第四光电检测器转化为电信号，用于检测本地信号。

4.根据权利要求1所述的一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统，其特征在于，所述一路进入第一环形器产生强度反馈中还包括一路进入第一环形器后反馈至第一激光器，产生强度反馈。

5.根据权利要求2所述的一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统，其特征在于，所述发送端还包括第二分束器、第二光电振荡器；所述第二光电振荡器包括第二马赫增德尔干涉仪、第二光电检测器、第二RF放大器；将所述产生的强度反馈及相位混沌信号通过第二环形器进入接收端具体为：将所述产生的强度反馈及相位混沌信号经过第二环形器进入第二分束器进行分束，一部分经过第二马赫增德尔干涉仪、第二光电检测器、第二RF放大器，产生与接收端传输来的混沌信号相反的混沌相位。

6.根据权利要求5所述的一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统，其特征在于，发送端还包括第二差分电路；将所述接收到的强度反馈和相位混沌信号以及与所述强度反馈和相位混沌信号相反的信号进行相位抵消及解调具体为：将接收到的强度反馈和相位混沌信号以及与所述强度反馈和相位混沌信号相反的信号经过第三相位解调器进行相位抵消，并将抵消后的信号经过第二差分电路进行解调。

7.根据权利要求6所述的一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统，其特征在于，所述第二差分电路包括第五光电检测器、第二准直透镜、差分运算放大器，所述将接收到的强度反馈和相位混沌信号以及与所述强度反馈和相位混沌信号相反的信号经过第三相位解调器进行相位抵消后，通过第二准直透镜连接到第五光电检测器进行信号转换，将转换后的信号经差分运算放大器与检测到的本地信号相减。

8.根据权利要求6所述的一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统，其特征在于，所述接收端包括第二激光器；所述第二激光器和第一激光器的外腔反馈延迟时间均为2.5ns。

9.根据权利要求8所述的一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统，其特征在于，所述第一激光器产生的混沌载频光波的中心波长为1550nm，功率为12mW，偏置电流为32.2mA。

10.根据权利要求7所述的一种具有延时签名隐藏的混沌双向安全通信系统，其特征在于，所述第一RF放大器、第二RF放大器、差分运算放大器的增益均为10dB。

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