CN111711491A - 基于Kramers-Kronig接收机的光直接检测系统及高可靠通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Kramers‑Kronig接收机的光直接检测系统及高可靠通信方法，属于通信技术领域，包括：1、在系统发送端，将图片作为发送的信源，先将图片的范围为0‑255的像素值转化为8位的二进制数；2、将所述的8位二进制数转变为一串二进制比特流；3、对二进制比特流进行双混沌序列加密；4、采用OFDM调制技术与加密后的数据相结合；5、通过MZM进行光调制得到光信号，发送到接收端；6、接收端通过光电二极管对光信号转换为电信号；7、利用KK接收机对得到的电信号进行SSBI消除，再进行电域的信号恢复与处理。本发明所述系统和方法频谱利用率高、硬件复杂度低、实现简单、且可保证安全可靠通信。

Description

基于Kramers-Kronig接收机的光直接检测系统及高可靠通信 方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于Kramers-Kronig接收机的光直接检测系统及高可靠通信方法。

背景技术

随着全球信息化程度的不断提升，云计算、视频点播、大规模的数据服务等业务的发展，用户对信息传输容量的需求迅速增长，高性能的光通信系统是实现大容量传输的关键。正交频分复用(Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OOFDM)技术具有频谱效率高、抗色散能力强等优点，在光通信中备受关注。对于中短距离传输而言，光直接检测系统由于成本低，实现简单，从而备受关注。然而，由于直接检测时，OFDM子载波相互拍频产生子载波之间的混频干扰(Signal to Signal Beat Interference，SSBI)，落在了有效信号频谱区间，从而降低了系统的传输性能。此外，目前大多数光直接检测系统都没有在物理层安全方面采取相应措施。随着窃听技术的发展，非法人员可以通过光纤弯曲造成微量光信号泄露的方式获得信息。因此，仅仅采用了传统的数据链路层及以上层次的加密方式，显然已经不能保证全部信息的物理层可靠传输。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于Kramers-Kronig接收机的光直接检测系统及高可靠通信方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于Kramers-Kronig接收机的光直接检测系统及高可靠通信方法，包括以下步骤：

S1：在系统发送端，将图片作为发送的信源，先将图片的范围为0-255的像素值转化为8位的二进制数；

S2：将所述的8位二进制数转变为一串二进制比特流；

S3：对二进制比特流进行双混沌序列加密；

S4：采用OFDM调制技术与加密后的数据相结合；

S5：通过马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)进行光调制得到光信号，发送到接收端；

S6：接收端通过光电二极管对光信号进行直接检测，将其转换为电信号；

S7：利用Kramers-Kronig接收机对得到的电信号进行SSBI消除，再进行电域的信号恢复与处理。

进一步，步骤S3中所述的双混沌序列加密，包括以下内容：

利用两个不同的混沌序列分别对图像奇数位置的像素点和偶数位置的像素点进行加密，如果该像素点位置是奇数，则利用第一个混沌序列进行加密；如果该像素点位置是偶数，则利用第二个混沌序列进行加密。

进一步，步骤S3中，采用双混沌序列加密方式对图像数据进行加密，令函数f(x)的函数值呈现出混沌状态，函数f(x)在闭区间I上满足如下情况：

(1)f的周期点的周期没有上界；

(2)闭区间I上存在不可数子集R，而且满足：

①对任意x,y∈R,当x≠y时有：

②对任意x，y∈R，有：

③对任意x∈R和f的任一周期点y，有：

混沌加密是利用混沌映射表达式迭代产生序列值，将这些序列值作为密钥，而这些密钥呈现无规律性，混沌映射表达式为：

x_n+1＝μx_n(1-x_n) (4)

式中，0＜μ≤4；0＜x＜1；x_n∈[0,1]。

进一步，步骤S3中所述双混沌序列加密还包括：将产生的每个混沌值乘以一个较大的数，然后将这个混沌值对256取余数，保证与像素值进行异或时都是8位的二进制数，这样可以使得一个混沌值与一个像素值进行处理，可以使得混沌加密算法的迭代次数降低。

进一步，步骤S4中所述OFDM调制包括星座映射、IFFT以及加CP。

进一步，步骤S6-S7中，接收端首先利用光电二极管对接收到的光场信息E(t)进行平方律探测，得到电场强度I＝|E(t)|²，然后利用希尔伯特变换的原理，采用Kramers-Kronig接收机构造最小相位信号条件，利用强度信息还原出信号的相位信息，对信号进行重组，再进行信号的恢复处理。

进一步，步骤S7中通过Kramers-Kronig接收机进行KK算法处理，包括开根号运算、对数运算、对离散数据进行傅里叶变换、对输入的数据进行乘以i再进行指数运算；

具体包括：

经过光电二极管产生的电流为|E(t)|²，将数据进行模数转换，设OFDM信号带宽为B，根据奈奎斯特抽样定理，抽样率至少为2B；如果一个信号为最小相位信号，保证|H₀(w)|＜|a₀|，光调制后为SSB-OOFDM信号，设通过光电二极管后信号表达式为：

b(t)＝E₀+E_s(t)e^-iπBt (5)

其中b(t)等于E(t)e^-iπBt，E₀表示激光器产生连续信号的幅度，是一个常量，E_s(t)表示OFDM信号，其带宽为B；

当|E₀|＞|E_s(t)|，即当光载波功率大于OFDM信号功率时，保证信号b(t)为最小相位信号；此时电流为|b(t)|²，进行开根号运算，此时b(t)为最小相位信号，根据希尔伯特变换得出相位φ(t)：

其中p.v.表示柯西主值，式(6)在频域的表达式为：

φ(w)＝i*sign(w)F{ln[|b(t)|]} (7)

其中sign(w)为符号函数，其表达式为：

F{}表示傅里叶变换；

频域得出的相位信号φ(w)傅里叶逆变换到时域，

重组原始信号，得：

H(t)＝|H(t)|e^iφ(t) (9)

在进行KK处理前，将连续信号变成离散信号，对经过光电检测的信号进行采样，然后通过上采样去处理KK算法中由于非线性运算导致带宽变大的问题；将上采样后的离散信号进行KK处理后，即能够重组OFDM边带信号，去除SSBI。

本发明的有益效果在于：发明提出了一种基于Kramers-Kronig接收机的光直接检测系统及高可靠通信方法，解决了直接检测系统子载波之间的混频干扰问题以及物理层安全传输问题，包括：基于双混沌序列的图像加密方法；基于Kramers-Kronig接收机的子载波混频干扰消除方法。所述系统和方法频谱利用率高、硬件复杂度低、实现简单、且可保证安全可靠通信。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的在短距离传输中实现安全可靠通信的光直接检测系统仿真结构示意图；

图2为本发明采用的双混沌序列加密算法流程图；

图3为本发明KK接收机结构示意图；

图4为本发明的混沌加密后的图像和直方图；

图5为本发明的KK接收机处理前后的OFDM边带信号频谱图；

图6为本发明的未使用KK接收机和使用KK接收机处理SSBI的结果图。

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。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，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。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

一种基于Kramers-Kronig接收机的光直接检测系统及高可靠通信方法，是一种在短距离传输中实现安全可靠通信的光直接检测系统，如图1所示，包括：

在发送端处对图像信息进行双混沌序列加密，即利用两个不同的混沌序列分别对图像奇数位置的像素点和偶数位置的像素点进行加密，然后与OFDM调制结合在一起进行光调制。

在接收端，主要是针对直接检测中SSBI的处理，将接收到的光信号通过PD直接转换为电信号，由于直接检测时，OFDM子载波相互拍频从而产生了干扰信号SSBI，采用KK接收机的结构可以有效解决此问题。

基于上述原理结构，本实施例在发送端采用混沌加密原理、在接收端采用KK接收机结构设计了在短距离传输中实现安全可靠通信的光直接检测系统。

关于发送端部分：

本实施例在发送端采用双混沌序列加密方式对图像数据进行加密，如果函数f(x)的函数值可以呈现出混沌状态，那么函数f(x)在闭区间I上需满足如下情况：

1.f的周期点的周期没有上界。

2.闭区间I上存在不可数子集R，而且满足：

1)对任意x,y∈R,当x≠y时有：

2)对任意x，y∈R，有：

3)对任意x∈R和f的任一周期点y，有：

混沌加密主要是利用混沌映射表达式迭代产生序列值，将这些序列值作为密钥，而这些密钥呈现无规律性，混沌映射表达式为：

x_n+1＝μx_n(1-x_n) (4)

式中，0＜μ≤4；0＜x＜1；x_n∈[0,1]。

双混沌序列加密流程如图2所示，将产生的混沌序列值对图形的像素值进行加密。如果该像素点位置是奇数，则利用第一个混沌序列进行加密；如果该像素点位置是偶数，则利用第二个混沌序列进行加密。将产生的每个混沌值乘以较大的数，如10¹⁵，然后将这个混沌值对256取余数，保证与像素值进行异或时都是8位的二进制数，这样可以使得一个混沌值与一个像素值进行处理，可以使得混沌加密算法的迭代次数降低。接下来进行相应的星座映射、IFFT以及加CP等完成OFDM调制，然后将生成的OFDM信号通过MZM调制得到光信号。

关于接收端部分：

本实施例在接收端采用KK接收机结构对OFDM子载波相互拍频从而产生的干扰信号SSBI进行处理。

为了解决SSBI问题，可以考虑利用光电二极管检波后的I＝|E(t)|²得出的幅度信息来得出相位信息，进而重组信号。而KK接收机则是利用希尔伯特变换的原理对干扰后的信号进行重组。KK接收机的结构如图2所示。

ln(·)表示对数运算，F{(·)}表示对离散数据进行傅里叶变换，exp{i(·)}表示对输入的数据进行乘以i，然后进行指数运算。由于经过光电二极管产生的电流为|E(t)|²，然后将数据进行模数转换，设OFDM信号带宽为B，则根据奈奎斯特抽样定理，此时抽样率至少为2B。如果一个信号为最小相位信号，则需要保证|H₀(w)|＜|a₀|，在这里光调制后为SSB-OOFDM信号，则设通过光电二极管后信号表达式为：

b(t)＝E₀+E_s(t)e^-iπBt (5)

其中b(t)等于E(t)e^-iπBt，E₀表示激光器产生连续信号的幅度，是一个常量，E_s(t)表示OFDM信号，其带宽为B。当|E₀|＞|E_s(t)|，即当光载波功率大于OFDM信号功率时，可以保证信号b(t)为最小相位信号。由于此时电流为|b(t)|²，首先需要进行开根号运算，因为此时b(t)为最小相位信号，则可根据希尔伯特变换得出相位φ(t)：

其中p.v.表示柯西主值，上式在频域的表达式为：

φ(w)＝i*sign(w)F{ln[|b(t)|]} (7)

其中sign(w)为符号函数，其表达式为：

F{}表示傅里叶变换。将频域得出的相位信号φ(w)傅里叶逆变换到时域，然后可以重组原始信号，得：

H(t)＝|H(t)|e^iφ(t) (9)

在进行KK处理前，需要将连续信号变成离散信号，此时对经过光电检测的信号进行采样，然后通过上采样去处理KK算法中由于非线性运算导致带宽变大的问题。将上采样后的离散信号进行KK处理后，重组了OFDM边带信号，去除了SSBI。

图4为对数据图像采用双混沌序列进行加密的结果图，可以看出加密后的图像已和原图像完全不同，具有很高的安全性，使得窃密者很难从中推出原始图像；图5为使用KK接收机处理前后的OFDM边带信号频谱图，可以看出利用KK算法重组了OFDM边带信号，去除了SSBI；图6为未使用KK接收机和使用KK接收机处理SSBI的结果图，可以看出，CSPR大约从10dB开始，使用KK接收机情况下的误码率低于3.8×10^-3，表明CSPR已经足够大可使KK接收机还原出相位信息，进而重组信号，达到消除SSBI的目的。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于Kramers-Kronig接收机的光直接检测系统及高可靠通信方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：在系统发送端，将图片作为发送的信源，先将图片的范围为0-255的像素值转化为8位的二进制数；

S2：将所述的8位二进制数转变为一串二进制比特流；

S3：对二进制比特流进行双混沌序列加密；

S4：采用OFDM调制技术与加密后的数据相结合；

S5：通过马赫曾德尔调制器MZM进行光调制得到光信号，发送到接收端；

S6：接收端通过光电二极管对光信号进行直接检测，将其转换为电信号；

S7：利用Kramers-Kronig接收机对得到的电信号进行SSBI消除，再进行电域的信号恢复与处理。

2.根据权利要求1所述的基于Kramers-Kronig接收机的光直接检测系统及高可靠通信方法，其特征在于：步骤S3中所述的双混沌序列加密，包括以下内容：

利用两个不同的混沌序列分别对图像奇数位置的像素点和偶数位置的像素点进行加密，如果该像素点位置是奇数，则利用第一个混沌序列进行加密；如果该像素点位置是偶数，则利用第二个混沌序列进行加密。

3.根据权利要求2所述的基于Kramers-Kronig接收机的光直接检测系统及高可靠通信方法，其特征在于：步骤S3中，采用双混沌序列加密方式对图像数据进行加密，令函数f(x)的函数值呈现出混沌状态，函数f(x)在闭区间I上满足如下情况：

(1)f的周期点的周期没有上界；

(2)闭区间I上存在不可数子集R，而且满足：

①对任意x,y∈R,当x≠y时有：

②对任意x，y∈R，有：

③对任意x∈R和f的任一周期点y，有：

混沌加密是利用混沌映射表达式迭代产生序列值，将这些序列值作为密钥，而这些密钥呈现无规律性，混沌映射表达式为：

x_n+1＝μx_n(1-x_n) (4)

式中，0＜μ≤4；0＜x＜1；x_n∈[0,1]。

4.根据权利要求3所述的基于Kramers-Kronig接收机的光直接检测系统及高可靠通信方法，其特征在于：步骤S3中所述双混沌序列加密还包括：将产生的每个混沌值乘以一个较大的数，然后将这个混沌值对256取余数，保证与像素值进行异或时都是8位的二进制数。

5.根据权利要求1所述的基于Kramers-Kronig接收机的光直接检测系统及高可靠通信方法，其特征在于：步骤S4中所述OFDM调制包括星座映射、IFFT以及加CP。

6.根据权利要求1所述的基于Kramers-Kronig接收机的光直接检测系统及高可靠通信方法，其特征在于：步骤S6-S7中，接收端首先利用光电二极管对接收到的光场信息E(t)进行平方律探测，得到电场强度I＝|E(t)|²，然后利用希尔伯特变换的原理，采用Kramers-Kronig接收机构造最小相位信号条件，利用强度信息还原出信号的相位信息，对信号进行重组，再进行信号的恢复处理。

7.根据权利要求6所述的基于Kramers-Kronig接收机的光直接检测系统及高可靠通信方法，其特征在于：步骤S7中通过Kramers-Kronig接收机进行KK算法处理，包括开根号运算、对数运算、对离散数据进行傅里叶变换、对输入的数据进行乘以i再进行指数运算；

具体包括：

经过光电二极管产生的电流为|E(t)|²，将数据进行模数转换，设OFDM信号带宽为B，根据奈奎斯特抽样定理，抽样率至少为2B；如果一个信号为最小相位信号，保证|H₀(w)|＜|a₀|，光调制后为SSB-OOFDM信号，设通过光电二极管后信号表达式为：

b(t)＝E₀+E_s(t)e^-iπBt (5)

其中b(t)等于E(t)e^-iπBt，E₀表示激光器产生连续信号的幅度，是一个常量，E_s(t)表示OFDM信号，其带宽为B；

当|E₀|＞|E_s(t)|，即当光载波功率大于OFDM信号功率时，保证信号b(t)为最小相位信号；此时电流为|b(t)|²，进行开根号运算，此时b(t)为最小相位信号，根据希尔伯特变换得出相位φ(t)：

其中p.v.表示柯西主值，式(6)在频域的表达式为：

φ(w)＝i*sign(w)F{ln[|b(t)|]} (7)

其中sign(w)为符号函数，其表达式为：

F{}表示傅里叶变换；

频域得出的相位信号φ(w)傅里叶逆变换到时域，

重组原始信号，得：

H(t)＝|H(t)|e^iφ(t) (9)

在进行KK处理前，将连续信号变成离散信号，对经过光电检测的信号进行采样，然后通过上采样去处理KK算法中由于非线性运算导致带宽变大的问题；将上采样后的离散信号进行KK处理后，即能够重组OFDM边带信号，去除SSBI。

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