CN112600662A - 一种基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于信息安全与信息技术领域，具体涉及一种基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统，包括主激光器、相位共轭镜、分光器、发射端和接收端，主激光器产生的混沌信号利用相位共轭镜、分光器注入至发射端的第一从激光器和接收端的第二从激光器，以产生具有延时隐藏的完全同步的混沌序列。本发明利用相位共轭镜，主激光器混沌信号，注入到两个从激光器，即驱动两个具有相位调制反馈的混沌激光器，产生具有延时隐藏的完全同步的混沌序列，两端通过调制偏置电流实现数字信号的加密，发射端与接收端利用混沌同步误差，来恢复信息差，再与本地信号进行运算，最终实现信息的解密。混沌保密通信系统的结构具有对称性。

Description

一种基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统
技术领域
本发明属于信息安全与信息技术领域，具体涉及一种基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统。
背景技术
光混沌信号具有频带宽，抗截获能力强，传输速率快和衰减性小等特点，因此光混沌信号成为保密通信的优秀候选者。混沌通信的基础是混沌同步，因此要实现混沌通信的前提是发射端与接收端必须达到完全同步，接收端通过实时监测链路中的同步误差，并与本地信号进行对比就可以恢复出传输信息。
现有的混沌保密通信技术已被广泛研究，但其性能的稳定性和保密性还有待进一步提升。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统。
为了达到上述发明目的，本发明采取以下技术方案：
一种基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统，包括主激光器、相位共轭镜、分光器、发射端和接收端，主激光器产生的混沌信号利用相位共轭镜、分光器注入至发射端的第一从激光器和接收端的第二从激光器，以产生具有延时隐藏的完全同步的混沌序列。利用相位共轭镜，主激光器混沌信号，注入到两个从激光器，即驱动两个具有相位调制反馈的混沌激光器，产生具有延时隐藏的完全同步的混沌序列，两端通过调制偏置电流实现数字信号的加密，发射端与接收端利用混沌同步误差，来恢复信息差，再与本地信号进行运算，最终实现信息的解密。发射端和接收端的从激光器由受相位共轭反馈的主激光器驱动，产生同步信号；发射端的从激光器和接收端的从激光器在双向通信方案中既是发射端，又是接收端，结构具有对称性。
作为优选方案，所述主激光器与相位共轭镜连接，主激光器与第一从激光器、第二从激光器通过分光器连接，所述发射端与接收端通过光纤连接。
作为优选方案，所述发射端包括依次连接的第一从激光器、第一环形器、第一相位调制器、第一分束器、第二分束器、第一隔离器、第一准直透镜、第三分束器、第二准直透镜，第一分束器还与第一环形器连接，第二分束器与第一光电检测器连接，第一光电检测器与第一射频放大器连接，第一射频放大器与第一相位调制器连接，第一准直透镜与第三分束器准直排列，第三分束器还分别与第二光电检测器、第三光电检测器连接，第三分束器与第二准直透镜准直排列。
作为优选方案，所述接收端包括依次连接的第二从激光器、第二环形器、第二相位调制器、第四分束器、第五分束器、第二隔离器、第三准直透镜、第六分束器、第四准直透镜，第四分束器还与第二环形器连接，第五分束器与第四光电检测器连接，第四光电检测器与第二射频放大器连接，第二射频放大器与第二相位调制器连接，第三准直透镜与第六分束器准直排列，第六分束器还分别与第五光电检测器、第六光电检测器连接，第六分束器与第四准直透镜准直排列；
第四准直透镜通过光纤与第二准直透镜连接。
作为优选方案，所述发射端与接收端的参数设置相同。
作为优选方案，所有光电检测器的量子效率为10％。
作为优选方案，所有射频放大器的增益为10dB。
作为优选方案，所述主激光器及两个从激光器产生的信号波长为1550nm，功率为10mW。
作为优选方案，所述主激光器及两个从激光器的透明载流子数为1.6633×108。
作为优选方案，所述主激光器的外腔反馈延迟时间为2.67ns，两个从激光器的外腔反馈延迟时间为3.67ns；所述主激光器的偏置电流为28mA，两个从混沌激光器的偏置电流均为32mA。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明与现有光混沌通信系统不同之处在于，利用相位共轭技术产生光反馈产生混沌，再驱动两个具有相位调制反馈的混沌激光器，产生具有延时隐藏的完全同步的混沌序列，两端通过调制偏置电流实现数字信号的加密，发射端与接收端利用混沌同步误差，来恢复信息差，再与本地信号进行运算，最终实现信息的解密。不仅实现了光混沌加密和双向通信，而且具有成本低、性能稳定、保密性强等特点。
附图说明
图1为本发明实施例的基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统的构架图；
图2为本发明实施例的第二混沌激光器加密后混沌信号示意图；
图3为本发明实施例的第三混沌激光器加密后混沌信号示意图；
图4中的(a)和(b)为两端发送的数字信息，(c)和(d)为本地恢复发射端的信息；
其中：1.第一相位共轭镜；2-1.第一混沌激光器；2-2.第二混沌激光器；2-3.第三混沌激光器；3.第一分光器；4-1.第一环形器；4-2.第二环形器；5-1.第一相位调制器；5-2.第二相位调制器；6-1.第一分束器；6-2.第二分束器；6-3.第三分束器；6-4.第四分束器；6-5.第五分束器；6-6.第六分束器；7-1.第一光电检测器；7-2.第二光电检测器；7-3.第三光电检测器；7-4.第四光电检测器；7-5.第五光电检测器；7-6.第六光电检测器；8-1.第一射频放大器；8-2.第二射频放大器；9-1.第一隔离器；9-2.第二隔离器；10-1.第一准直透镜；10-2.第二准直透镜；10-3.第一准直透镜；10-4.第二准直透镜。
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。
如图1所示，本发明实施例的基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统，包括：第一相位共轭镜1，第一混沌激光器2-1，第二混沌激光器2-2，第三混沌激光器2-3，第一分光器3，第一环形器4-1，第二环形器4-2，第一相位调制器5-1，第二相位调制器5-2，第一分束器6-1，第二分束器6-2，第三分束器6-3，第四分束器6-4，第五分束器6-5，第六分束器6-6，第一光电检测器7-1，第二光电检测器7-2，第三光电检测器7-3，第四光电检测器7-4，第五光电检测器7-5，第六光电检测器7-6，第一射频放大器8-1，第二射频放大器8-2，第一隔离器9-1，第二隔离器9-2，第一准直透镜10-1，第二准直透镜10-2，第三准直透镜10-3，第四准直透镜10-4。
本发明实施例的混沌保密通信系统，利用相位共轭镜，主激光器，即第一混沌激光器2-1产生的混沌信号，注入到两个从激光器，即第二混沌激光器2-2和第三混沌激光器2-3，即驱动两个具有相位调制反馈的混沌激光器，产生具有延时隐藏的完全同步的混沌序列，两端通过调制偏置电流实现数字信号的加密，发射端与接收端利用混沌同步误差，来恢复信息差，再与本地信号进行运算，最终实现信息的解密。
其中，第一混沌激光器2-1，第二混沌激光器2-2，第三混沌激光器2-3产生的信号中心波长均为1550nm，功率均为10mW。
本发明实施例的基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统的上述器件的具体连接关系为：
如图1所示，第一相位共轭镜1的端口a与第一混沌激光器2-1的端口b1连接，第一混沌激光器2-1的端口b2与第一分光器3的端口c1连接，第一分光器3的端口c2用光纤连接到第二混沌激光器2-2的端口d1，第一分光器3的端口c3用光纤连接到第三混沌激光器2-3的端口d3。
发射端和接收端通过光纤连接，具体地，发射端的第二混沌激光器2-2的端口d2与第一光环形器4-1的端口e1连接，第一环形器4-1的端口e3与第一相位调制器5-1的端口f1连接，第一相位调制器5-1的端口f2与第一分束器6-1的端口g1连接，第一分束器6-1的端口g2与第一环形器4-1的端口e2连接，将相位调制光反馈到第二混沌激光器2-2的端口d2；第一分束器6-1的端口g3与第二分束器6-2的端口g4连接，第二分束器6-2的端口g6与第一光电检测器7-1的端口k1连接，第一光电检测器7-1的端口k2与第一射频放大器8-1的端口h1连接，第一射频放大器8-1的端口h2与第一相位调制器5-1的端口f3连接；第二分束器6-2的端口g5与第一隔离器9-1的端口i1连接，第一隔离器9-1的端口i2与第一准直透镜10-1的端口j1连接，第一准直透镜10-1的端口j2与第五分束器6-5的端口在空间上准直排列，第五分束器6-5将两个方向的混沌信号分别发送到第二光电检测器7-2、第三光电检测器7-3，第五分束器6-5再与第二准直透镜10-2的端口j3准直排列。
接收端的第三混沌激光器2-3的端口d4与第二环形器4-2的端口e4相连接，第二环形器4-2的端口e5与第二相位调制器5-2的端口f4连接，第二相位调制器5-2的端口f5与第三分束器6-3的端口g7连接，第三分束器6-3的端口g9与第二环形器4-2的端口e6连接，将相位调制光反馈到第三混沌激光器2-3的端口d4；第三分束器6-3的端口g8与第四分束器6-4的端口g10连接，第四分束器6-4的端口g12与第四光电检测器7-4的端口k3连接，第四光电检测器7-4的端口k4与第二射频放大器8-2的端口h3连接，第二射频放大器8-2的端口h4与第二相位调制器5-2的端口f6连接；第四分束器6-4的端口g11与第二隔离器9-2的端口i3连接，第二隔离器9-2的端口i4与第三准直透镜10-3的端口j5连接，第三准直透镜10-3的端口j6与第六分束器6-6的端口在空间上准直排列，第六分束器6-6将两个方向的混沌信号分别发送到第五光电检测器7-5、第六光电检测器7-6，第六分束器6-6的端口再与第四准直透镜10-4的端口j7准直排列，第四准直透镜10-4的端口j8通过光纤与第二准直透镜10-2的端口j4连接。
本发明实施例的混沌保密通信系统实现双向通信，为具有光混沌同步的混沌加密通信系统，通过下列方法对传输信号进行混沌加密解密通信：
利用相位共轭镜产生光反馈进一步产生混沌序列，再驱动两个具有相位调制反馈的混沌激光器，产生具有延时隐藏的完全同步的混沌序列，两端通过调制偏置电流实现数字信号的加密，由于混沌的鲁棒性，在该传输信息加密方案中，当发送位均为“0”或“1”时，发送两端激光器之间完全同步；相反，当发送位分别是“0”和“1”时，发射端与接收端的同步就会被打破。这样发射端与接收端利用混沌同步误差，就可以恢复信息差，再与本地信号进行运算，最终就可以实现信息的解密。
如图2、3所示，信息调制通信双方的激光器后，信息成功地隐藏在混沌序列中。
解码的过程从检测发射端与本地的光功率开始，将光电检测器检测的信号进行相减，就能恢复信息差，将信息差与本地信号进行运算，就能恢复传递的信息。如图4所示，(a)和(b)为两端发送的数字信息，(c)和(d)为本地恢复发射端的信息。
其中，第一混沌激光器的外腔反馈延迟时间为2.67ns，第二混沌激光器和第三混沌激光器的外腔反馈延迟时间为3.67ns；
第一混沌激光器的偏置电流为28mA，第二混沌激光器和第三混沌激光器的偏置电流均为32mA；
三个混沌激光器的透明载流子数均为1.6633×108，三个混沌激光器产生的信号波长均为1550nm，功率均为10mW；
所有光电检测器的量子效率均为10％；
所有射频放大器的增益为10dB；
且发射端与接收端的参数设置相同。
实现通信的过程简要归纳如下：
1、第一混沌激光器受相位共轭镜反馈产生混沌信号。
2、第一混沌激光器驱动两个具有相位调制反馈的从激光器，在收发两端产生同步信号。
3、产生混沌后，两端发送端信息分别调制偏置电流；
4、在两端用光电检测器分别检测对方发送的混沌序列与本地的混沌序列。
5、将两个电信号进行相减，恢复信息差。
6、将信息差与本地信息进行运算，最后恢复出发送端的信息。
本发明利用常见光器件实现混沌双向通信，具有成本低、性能稳定、误码率低、保密性强等特点。
以上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)

1.一种基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统，其特征在于，包括主激光器、相位共轭镜、分光器、发射端和接收端，主激光器产生的混沌信号利用相位共轭镜、分光器注入至发射端的第一从激光器和接收端的第二从激光器，以产生具有延时隐藏的完全同步的混沌序列。
2.如权利要求1所述的一种基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统，其特征在于，所述主激光器与相位共轭镜连接，主激光器与第一从激光器、第二从激光器通过分光器连接，所述发射端与接收端通过光纤连接。
3.如权利要求2所述的一种基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统，其特征在于，所述发射端包括依次连接的第一从激光器、第一环形器、第一相位调制器、第一分束器、第二分束器、第一隔离器、第一准直透镜、第三分束器、第二准直透镜，第一分束器还与第一环形器连接，第二分束器与第一光电检测器连接，第一光电检测器与第一射频放大器连接，第一射频放大器与第一相位调制器连接，第一准直透镜与第三分束器准直排列，第三分束器还分别与第二光电检测器、第三光电检测器连接，第三分束器与第二准直透镜准直排列。
4.如权利要求3所述的一种基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统，其特征在于，所述接收端包括依次连接的第二从激光器、第二环形器、第二相位调制器、第四分束器、第五分束器、第二隔离器、第三准直透镜、第六分束器、第四准直透镜，第四分束器还与第二环形器连接，第五分束器与第四光电检测器连接，第四光电检测器与第二射频放大器连接，第二射频放大器与第二相位调制器连接，第三准直透镜与第六分束器准直排列，第六分束器还分别与第五光电检测器、第六光电检测器连接，第六分束器与第四准直透镜准直排列；
第四准直透镜通过光纤与第二准直透镜连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统，其特征在于，所述发射端与接收端的参数设置相同。
6.根据权利要求4所述的一种基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统，其特征在于，所有光电检测器的量子效率为10％。
7.根据权利要求4所述的一种基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统，其特征在于，所有射频放大器的增益为10dB。
8.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统，其特征在于，所述主激光器及两个从激光器产生的信号波长为1550nm，功率为10mW。
9.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统，其特征在于，所述主激光器及两个从激光器的透明载流子数为1.6633×108。
10.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于相位共轭反馈的混沌保密通信系统，其特征在于，所述主激光器的外腔反馈延迟时间为2.67ns，两个从激光器的外腔反馈延迟时间为3.67ns；所述主激光器的偏置电流为28mA，两个从混沌激光器的偏置电流均为32mA。
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