CN112653520B - 混沌幅度互补调制的保密光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混沌幅度互补调制的保密光通信系统，包括发射机、接收机、传输信道三大部分。发射机中能产生两路不相同的混沌光，信息信号通过控制两个马赫‑曾德尔调制器来控制这两路混沌光的互补输出，经传输信道传输之后，接收机中对称环路对传输信号进行同步相消，再整流滤波后恢复信息信号。本发明克服了混沌掩盖可能遭受能量分析攻击的缺点，提高了安全性，且相对于混沌键控来讲，能支持多电平调制，提高信号带宽的利用率，实现更高的传输速率。

Description

混沌幅度互补调制的保密光通信系统

技术领域

本发明涉及激光通信技术领域，尤其涉及一种混沌幅度互补调制的保密光通信系统。

背景技术

随着互联网的不断发展，通信数据量和数据蕴藏的价值也在不断增加，人们对于通信内容的保密性要求日益增高。目前应用最为广泛的是基于密钥的加密方式，由于其加密解密速度慢，将来不能满足高数据率的要求，另外随着密码学、量子计算机、分布式计算的发展，基于密钥的加密方式的破解速度在大大提升。另外，量子加密技术理论上是最安全的加密方式，但仍处于研究阶段，技术还不成熟，而且目前量子密钥分配在光纤的有效距离还不能满足远距离通信的要求。因此，对于光纤通信系统来说，找到一种更加保密实用的加密方式显得十分重要和紧迫。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种混沌幅度互补调制的保密光通信系统，在保证混沌光通信高保密性的前提下，实现更高速率的数据传输。

为实现本发明的目的，提供一种混沌幅度互补调制的保密光通信系统，包括发射机、接收机和传输信道；

所述发射机包括第一半导体激光器、第一马赫-曾德尔调制器、第一射频放大器、第一光电探测器、第一光纤延迟线、第四马赫-曾德尔调制器、信息信号发生器、第四射频放大器、第一光耦合器、第二半导体激光器、第二马赫-曾德尔调制器、第二射频放大器、第二光电探测器、第二光纤延迟线和第五马赫-曾德尔调制器；所述接收机包括信号处理装置、滤波器、整流器、加法器、第四光电探测器、反极性光电探测器、第二光耦合器、第三半导体激光器、第三马赫-曾德尔调制器、第三射频放大器、第三光电探测器和第三光纤延迟线；所述传输信道包括光隔离器、掺铒光纤放大器和传输光纤；

所述发射机中第一半导体激光器、第二半导体激光器产生的恒功率光分别注入到第一马赫-曾德尔调制器、第二马赫-曾德尔调制器，从第一马赫-曾德尔调制器出来的混沌光注入第四马赫-曾德尔调制器，从第二马赫-曾德尔调制器出来的混沌光注入第五马赫-曾德尔调制器，待传输的信息信号经第四射频放大器放大输出后，连接到第四马赫-曾德尔调制器和第五马赫-曾德尔调制器地射频输入口，来控制输出的发送信号中两个混沌环路中混沌光的比例，第四马赫-曾德尔调制器和第五马赫-曾德尔调制器的输出端分别连接第一光耦合器的第一输入端和第二输入端，第一光耦合器将两路混沌光合并后分成三路，其第一输出端的信号依次经第一光纤延迟线、第一光电探测器、第一射频放大器反馈输入到第一马赫-曾德尔调制器，其第三输出端的信号依次经第二光纤延迟线、第二光电探测器、第二射频放大器反馈输入到第二马赫-曾德尔调制器，其第三输出端的信号将进入传输信道，依次经过光隔离器、掺铒光纤放大器、传输光纤达到接收机，连接到第二光耦合器的输入端上，第二光耦合器的第二输出端的光信号依次经第三光纤延迟线、第三光电探测器、第三射频放大器反馈输入到第三马赫-曾德尔调制器，将第三半导体激光器输入到第三马赫-曾德尔调制器的恒功率光变为同步的混沌光，进入到第四光电探测器转换为电信号，第二光耦合器的第一输出端直接进入到反极性光电探测器转换为电信号，这两路电信号经过加法器相加之后，依次经过整流和滤波恢复所传输的信号。

在一个实施例中，所述第四射频放大器分别与信息信号发生器的参数、第四马赫-曾德尔调制器的参数和第五马赫-曾德尔调制器的参数相匹配。

在一个实施例中，所述第四马赫-曾德尔调制器和第五马赫-曾德尔调制器的器件参数相同，并调节各自的直流偏置电压相差一个半波电压使调制器工作在互补的状态；所述互补的状态为在相同输入光条件下，两者输出的光强之和始终为一确定值。

在一个实施例中，所述第一半导体激光器、第二半导体激光器和第三半导体激光器的器件参数相同。

在一个实施例中，所述第三马赫-曾德尔调制器与第一马赫-曾德尔调制器的参数相同；所述第三光纤延迟线与第一光纤延迟线的参数相同；所述第三射频放大器与第一射频放大器的参数相同；所述第三光电探测器与第一光电探测器的参数相同；

或者，所述第三马赫-曾德尔调制器与第二马赫-曾德尔调制器的参数相同；所述第三光纤延迟线与第二光纤延迟线的参数相同；所述第三射频放大器与第二射频放大器的参数相同；所述第三光电探测器与第二光电探测器的参数相同。

上述混沌幅度互补调制的保密光通信系统具有如下有益效果：

在混沌通信系统中利用两个马赫-曾德尔调制器根据所发信号来控制两个环路混沌光的输出比例，因为输出幅度是互补的，所以最终输出的功率是恒定的，窃听方所能接收到的信息完全是杂乱无章的，在我方同步性能不变情况下，提高了系统的安全性；另外可以用多电平进行调制，提高信号带宽的利用率，实现更高的传输速率。

附图说明

图1是一个实施例的混沌幅度互补调制的保密光通信系统结构示意图；

其中图1的标号含义包括：1-发射机；2-接收机；3-传输信道；11-第一半导体激光器；12-第一马赫-曾德尔调制器；13-第一射频放大器；14-第一光电探测器；15-第一光纤延迟线；16-第四马赫-曾德尔调制器；17-信息信号发生器；18-第四射频放大器；19-第一光耦合器；110-第二半导体激光器；111-第二马赫-曾德尔调制器；112-第二射频放大器；113-第二光电探测器；114-第二光纤延迟线；115-第五马赫-曾德尔调制器；21-信号处理装置；22-滤波器；23-整流器；24-加法器；25-第四光电探测器；26-反极性光电探测器；27-第二光耦合器；28-第三半导体激光器；29-第三马赫-曾德尔调制器；210-第三射频放大器；211-第三光电探测器；212-第三光纤延迟线；31-光隔离器；32-掺铒光纤放大器；33-传输光纤；

图2是一个实施例的NRZ信号调制解调过程波形图；

图3是一个实施例的Duobinary信号的调制解调过程波形图；

图4是一个实施例的PAM4信号的调制解调过程波形图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

混沌普遍存在于自然界和人类社会，是指发生在确定性非线性系统中的类随机的运动过程，因为其不可预测和宽带功率谱的特性，所以利用混沌信号掩盖或调制待传输的信号，能更有效地抵抗频谱技术等相关窃听技术的攻击，提高传输信号的安全性。在混沌光通信当中，目前的调制方式主要是基于混沌掩盖和混沌键控，混沌掩盖需要混沌载波的光强要大于信号的光强，对系统的要求的性能会比较高，另外，如果信道质量足够好的情况下，混沌掩盖的保密效果将会大打折扣，其安全性还不够。而混沌键控可以实现不论信道质量的好坏都能取得很好的保密效果，但其传输速度会严重受限于光开关的速度。

参考图1所示，图1为一个实施例的混沌幅度互补调制的保密光通信系统结构示意图，包括发射机1、接收机2和传输信道3；

所述发射机1包括第一半导体激光器11、第一马赫-曾德尔调制器12、第一射频放大器14、第一光电探测器14、第一光纤延迟线15、第四马赫-曾德尔调制器16、信息信号发生器17、第四射频放大器18、第一光耦合器19、第二半导体激光器110、第二马赫-曾德尔调制器111、第二射频放大器112、第二光电探测器113、第二光纤延迟线114和第五马赫-曾德尔调制器115；所述接收机2包括信号处理装置21、滤波器22、整流器23、加法器24、第四光电探测器25、反极性光电探测器26、第二光耦合器27、第三半导体激光器28、第三马赫-曾德尔调制器29、第三射频放大器210、第三光电探测器211和第三光纤延迟线212；所述传输信道包括光隔离器31、掺铒光纤放大器32和传输光纤33；

所述发射机1中第一半导体激光器11、第二半导体激光器110产生的恒功率光分别注入到第一马赫-曾德尔调制器12、第二马赫-曾德尔调制器111，从第一马赫-曾德尔调制器12出来的混沌光注入第四马赫-曾德尔调制器16，从第二马赫-曾德尔调制器111出来的混沌光注入第五马赫-曾德尔调制器115，待传输的信息信号经第四射频放大器18放大输出后，连接到第四马赫-曾德尔调制器16和第五马赫-曾德尔调制器115地射频输入口，来控制输出的发送信号中两个混沌环路中混沌光的比例，第四马赫-曾德尔调制器16和第五马赫-曾德尔调制器115的输出端分别连接第一光耦合器19的第一输入端和第二输入端，第一光耦合器19将两路混沌光合并后分成三路，其第一输出端的信号依次经第一光纤延迟线15、第一光电探测器14、第一射频放大器13反馈输入到第一马赫-曾德尔调制器12，其第三输出端的信号依次经第二光纤延迟线114、第二光电探测器113、第二射频放大器112反馈输入到第二马赫-曾德尔调制器111，其第三输出端的信号将进入传输信道3，依次经过光隔离器31、掺铒光纤放大器32、传输光纤33达到接收机2，连接到第二光耦合器27的输入端上，第二光耦合器27的第二输出端的光信号依次经第三光纤延迟线212、第三光电探测器211、第三射频放大器210反馈输入到第三马赫-曾德尔调制器29，将第三半导体激光器28输入到第三马赫-曾德尔调制器29的恒功率光变为同步的混沌光，进入到第四光电探测器25转换为电信号，第二光耦合器27的第一输出端直接进入到反极性光电探测器26转换为电信号，这两路电信号经过加法器24相加之后，依次经过整流和滤波恢复所传输的信号。

具体地，上述滤波器22为多种滤波器综合下的滤波器，上述信号处理装置21可以为阈值判决装置、示波器等处理信号的装置。

在一个实施例中，所述第四射频放大器18分别与信息信号发生器17的参数、第四马赫-曾德尔调制器16的参数和第五马赫-曾德尔调制器115的参数相匹配。

具体地，第四马赫-曾德尔调制器16和第五马赫-曾德尔调制器115器件参数相同，并调节各自的直流偏置电压相差一个半波电压使调制器工作在互补的状态，互补的状态为在相同输入光条件下，使两者输出的光强之和始终为一确定值。

本实施例中，信息信号发生器17可以产生归零码(RZ)、非归零码(NRZ)、双二进制码(Duobinary)、四阶脉冲幅度调制码(PAM4)等，所述第四射频放大器18的选取应匹配信息信号发生器17、第四马赫-曾德尔调制器16和第五马赫-曾德尔调制器115的参数。

在一个实施例中，所述第四马赫-曾德尔调制器16和第五马赫-曾德尔调制器115的器件参数相同，并调节各自的直流偏置电压相差一个半波电压使调制器工作在互补的状态；所述互补的状态为在相同输入光条件下，两者输出的光强之和始终为一确定值。

在一个实施例中，所述第一半导体激光器11、第二半导体激光器110和第三半导体激光器28的器件参数相同；尤其是不考虑系统衰减和分光的情况下，需要使出射光功率相同。

在一个实施例中，所述第三马赫-曾德尔调制器29与第一马赫-曾德尔调制器12的参数相同；所述第三光纤延迟线212与第一光纤延迟线15的参数相同；所述第三射频放大器210与第一射频放大器13的参数相同；所述第三光电探测器211与第一光电探测器14的参数相同；

或者，所述第三马赫-曾德尔调制器29与第二马赫-曾德尔调制器111的参数相同；所述第三光纤延迟线212与第二光纤延迟线114的参数相同；所述第三射频放大器210与第二射频放大器112的参数相同；所述第三光电探测器211与第二光电探测器113的参数相同。

具体地，发射机1中第一马赫-曾德尔调制器12与第二马赫-曾德尔调制器111、第一光纤延迟线15与第二光纤延迟线114、第一射频放大器13与第二射频放大器112、第一光电探测器14与第二光电探测器113的参数不能全部都相同，需要输出两路不同的混沌。

进一步地，接收机2中第三马赫-曾德尔调制器29、第三光纤延迟线212、第三射频放大器210、第三光电探测器211的参数需要与发射机1其中某一路的反馈环路中对应器件的参数相同，即第三马赫-曾德尔调制器29与第一马赫-曾德尔调制器12、第三光纤延迟线212与第一光纤延迟线15、第三射频放大器210与第一射频放大器13、第三光电探测器211与第一光电探测器14的参数相同，或者第三马赫-曾德尔调制器29与第二马赫-曾德尔调制器111、第三光纤延迟线212与第二光纤延迟线114、第三射频放大器210与第二射频放大器112、第三光电探测器211与第二光电探测器113的参数相同。

进一步地，第四光电探测器25和反极性光电探测器26除了极性不同，两者的其他参数需要相同。

在一个实施例中，第一半导体激光器11、第二半导体激光器110、第三半导体激光器28器件参数相同，不考虑系统衰减和分光的情况下，让三者的出射光功率相同；为了使发射机1中两个混沌反馈环路出现不一样的混沌，让第一光纤延迟线15与第二光纤延迟线114的延迟时间不同，使第一射频放大器13和第二射频放大器112的放大倍数不同；为了让信号能同步解调，让第三马赫-曾德尔调制器29与第一马赫-曾德尔调制器12、第三光纤延迟线212与第一光纤延迟线15、第三射频放大器210与第一射频放大器13、第三光电探测器211与第一光电探测器14的参数相同；让四马赫-曾德尔调制器和第五马赫-曾德尔调制器115器件参数相同，调节两者的直流偏置电压使其输出为互补的状态，并让在输入是最高电平的情况下，第四马赫-曾德尔调制器16的输出最小，第五马赫-曾德尔调制器115的输出最大，在输入是最低电平的情况下，第四马赫-曾德尔调制器16的输出最大，第五马赫-曾德尔调制器115的输出最小。

整个混沌激光保密通信系统的信息调制和解调过程如下：在发射端，两路混沌光信号分别通过第四、第五马赫-曾德尔调制器115被发射信号互补调制输出，经第一光耦合器19分成三路，其中两路各自进入混沌环路进行光电反馈，一路经过光纤传输和掺铒光纤放大器32中继放大之后，分成两路，一路进入对称的反馈环路生成同步的混沌信号，经过第四光电探测器25转换成电信号，另外一路直接进入反极性光电探测器26转换成电信号，这两路电信号相加，然后经过整流滤波得到恢复出来的信号，然后用信号处理装置21对信号进行判决。

下面是对整个系统进行仿真，系统的仿真步长为1×10^-11s，信号的传输速率为1GBaud/s，对信号强度进行归一化。图2、图3、图4分别是本实施例在较佳实施情况下NRZ信号、Duobinary信号、PAM4信号的调制解调过程波形图，可以看到这三种信号经过混沌加密后都能被同步方的接收机给解调出来，而且混沌加密信号的能量不会随待传输信号改变，波形始终是杂乱无章的，第三方对混沌加密后的信号进行能量分析攻击将无法恢复信号，必须要通过混沌同步的系统才可以进行恢复。

上述混沌幅度互补调制的保密光通信系统具有如下有益效果：

在混沌通信系统中利用两个马赫-曾德尔调制器根据所发信号来控制两路混沌光的输出比例，因为输出幅度是互补的，所以最终输出的功率是恒定的，窃听方所能接收到的信息完全是杂乱无章的，在我方同步性能不变情况下，提高了系统的安全性；另外可以用多电平进行调制，提高信号带宽的利用率，实现更高的传输速率。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种混沌幅度互补调制的保密光通信系统，其特征在于，包括发射机、接收机和传输信道；

所述发射机包括第一半导体激光器、第一马赫-曾德尔调制器、第一射频放大器、第一光电探测器、第一光纤延迟线、第四马赫-曾德尔调制器、信息信号发生器、第四射频放大器、第一光耦合器、第二半导体激光器、第二马赫-曾德尔调制器、第二射频放大器、第二光电探测器、第二光纤延迟线和第五马赫-曾德尔调制器；所述接收机包括信号处理装置、滤波器、整流器、加法器、第四光电探测器、反极性光电探测器、第二光耦合器、第三半导体激光器、第三马赫-曾德尔调制器、第三射频放大器、第三光电探测器和第三光纤延迟线；所述传输信道包括光隔离器、掺铒光纤放大器和传输光纤；

所述发射机中第一半导体激光器、第二半导体激光器产生的恒功率光分别注入到第一马赫-曾德尔调制器、第二马赫-曾德尔调制器，从第一马赫-曾德尔调制器出来的混沌光注入第四马赫-曾德尔调制器，从第二马赫-曾德尔调制器出来的混沌光注入第五马赫-曾德尔调制器，待传输的信息信号经第四射频放大器放大输出后，连接到第四马赫-曾德尔调制器和第五马赫-曾德尔调制器地射频输入口，来控制输出的发送信号中两个混沌环路中混沌光的比例，第四马赫-曾德尔调制器和第五马赫-曾德尔调制器的输出端分别连接第一光耦合器的第一输入端和第二输入端，第一光耦合器将两路混沌光合并后分成三路，其第一输出端的信号依次经第一光纤延迟线、第一光电探测器、第一射频放大器反馈输入到第一马赫-曾德尔调制器，其第三输出端的信号依次经第二光纤延迟线、第二光电探测器、第二射频放大器反馈输入到第二马赫-曾德尔调制器，其第三输出端的信号将进入传输信道，依次经过光隔离器、掺铒光纤放大器、传输光纤达到接收机，连接到第二光耦合器的输入端上，第二光耦合器的第二输出端的光信号依次经第三光纤延迟线、第三光电探测器、第三射频放大器反馈输入到第三马赫-曾德尔调制器，将第三半导体激光器输入到第三马赫-曾德尔调制器的恒功率光变为同步的混沌光，进入到第四光电探测器转换为电信号，第二光耦合器的第一输出端直接进入到反极性光电探测器转换为电信号，这两路电信号经过加法器相加之后，依次经过整流和滤波恢复所传输的信号。

2.根据权利要求1所述的混沌幅度互补调制的保密光通信系统，其特征在于，所述第四射频放大器分别与信息信号发生器的参数、第四马赫-曾德尔调制器的参数和第五马赫-曾德尔调制器的参数相匹配。

3.根据权利要求1所述的混沌幅度互补调制的保密光通信系统，其特征在于，所述第四马赫-曾德尔调制器和第五马赫-曾德尔调制器的器件参数相同，并调节各自的直流偏置电压相差一个半波电压使调制器工作在互补的状态；所述互补的状态为在相同输入光条件下，两者输出的光强之和始终为一确定值。

4.根据权利要求1所述的混沌幅度互补调制的保密光通信系统，其特征在于，所述第一半导体激光器、第二半导体激光器和第三半导体激光器的器件参数相同。

5.根据权利要求1所述的混沌幅度互补调制的保密光通信系统，其特征在于，所述第三马赫-曾德尔调制器与第一马赫-曾德尔调制器的参数相同；所述第三光纤延迟线与第一光纤延迟线的参数相同；所述第三射频放大器与第一射频放大器的参数相同；所述第三光电探测器与第一光电探测器的参数相同；

或者，所述第三马赫-曾德尔调制器与第二马赫-曾德尔调制器的参数相同；所述第三光纤延迟线与第二光纤延迟线的参数相同；所述第三射频放大器与第二射频放大器的参数相同；所述第三光电探测器与第二光电探测器的参数相同。

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