CN113285736A - 一种基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统 - Google Patents

一种基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统，反射镜与混沌激光器连接，混沌激光器驱动第二、三混沌激光器进入同步状态；发射端，将光混沌信号转成电信号，分两路分别利用两乘法器与两信号相乘，分别利用两乘法器与信号cos(ωt)、sin(ωt)相乘，将两信号相加，连续激光器产生连续光波后，利用相位调制器将信号调制到连续激光器产生的光波上；接收端利用马赫曾德尔干涉仪将光波信号变成强度调制，将光信号分成两路，分别通过第三、四光电检测器后，利用第五、六乘法器，分别与两路正交的正余弦信号相乘，得到两路加密的混沌序列；接收端，第三混沌激光器产生同步的混沌序列，将其变成电信号，分出两路，分别与收到电混沌信号进行互相关运算，恢复传输信息。

Description

一种基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统
技术领域
本发明属于信息安全技术领域，具体涉及一种基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统。
背景技术
中国专利号2017100102390公开了一种具有时延隐藏特性的激光混沌扩频变换系统，通过外腔半导体激光器产生的混沌光信号经过由光电相位调制器PM1、PM2和高色散介质组成的时间透镜进行扩频变换；具体讲，在时域傅里叶变换进行时频转换的基础上，通过增大色散量来实现了混沌频谱展宽，通过调整驱动信号周期与混沌激光器反馈延时时间的关系，实现了时延标签隐藏，根据混沌信号类噪声特性，经过扩频变换后输出混沌激光信号实现了频谱平坦，且具有大的有效带宽。然而，此专利技术方案在性能、误码率等方面存在缺陷。
发明内容
基于现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统。
为了达到上述发明目的，本发明采取以下技术方案：
一种基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统，包括发射端、接受端；
反射镜与第一混沌激光器连接，第一混沌激光器驱动接收端的第二混沌激光器和发送端的第三混沌激光器进入同步状态；
在发射端，第二混沌激光器与第一光电检测器相连，利用第一光电检测器将光混沌信号转变成电信号，然后通过第一功分器分作两路，利用第一乘法器与第三乘法器分别与两路不同的信号m1(t)和m2(t)相乘，再利用第二乘法器与第四乘法器分别与两个相位正交的信号cos(ωt)和sin(ωt)进行相乘，然后将两路信号通过加法器相加，将两个不同的信号扩频到同一混沌载波上；连续激光器产生连续光波后，利用相位调制器，将已调的信号调制到连续激光器产生的光波上，相位调制器与接收端的马赫曾德尔干涉仪通过光纤连接；接收端信息的解调利用马赫曾德尔干涉仪将光波信号从相位调制变成强度调制，再利用耦合器将强度变化的光信号分成两路，分别通过第三光电检测器和第四光电检测器后，利用第五乘法器和第六乘法器，分别与两路正交的正弦余弦信号相乘，得到两路加密的混沌序列；
在接收端，第三混沌激光器产生同步的混沌序列，第三混沌激光器与第二光电检测器相连，利用第二光电检测器将其变成电信号，经由第二功分器分出两路，分别与接收到电混沌信号在相关器中进行互相关运算，相关系数接近1时，判为1，接近0时，判为0，从而恢复传输信息。
作为优选方案，所述发送端和接收端的各对应的器件参数设置相同。
作为优选方案，第一混沌激光器的电光相位反馈延迟时间为2.4ns。
作为优选方案，第一混沌激光器、第二与第三混沌激光器之间的延时为2.8ns。
作为优选方案，第一、第二与第三混沌激光器的偏置电流为32mA。
作为优选方案，第一、第二与第三混沌激光器的透明载流子数为1.6633×108。
作为优选方案，第一、第二与第三混沌激光器产生的信号波长为1550nm，功率为10mW。第一连续激光器产生的信号波长为1550nm，功率为10mW。
作为优选方案，各光电检测器的量子效率为10％。
作为优选方案，正交幅度调制载波频率为300MHz。本发明与现有技术相比，有益效果是：
光混沌信号具有随机信号的特点，而且频带宽，抗截获能力强，传输速率快特点，光混沌信号成为保密通信提供了一种选择。相比较电混沌，光混沌的带宽更宽，更为复杂。将信号的功率分布到较宽的光混沌频带上，就可实现光混沌扩频。本发明利用正交幅度调制技术，将两个不同的信号扩频到同一混沌载波上，实现扩频。本发明利用第一混沌激光器驱动接收端第二和发送端第三混沌激光器进入同步状态。利用第一光电调制器将光混沌信号转变成电信号，然后分作两路，通过第一与第三乘法器分别与两个相位正交的信号进行相乘，并且将两路信号通过第一加法器相加，这样两个不同的信号扩频到同一混沌载波上。连续激光器产生连续光波后，利用相位调制器，将已调的信号调制到第一连续激光器产生的光波上。接收端信息的解调通过利用马赫曾德尔干涉仪将光波信号从相位调制变成强度调制，再利用耦合器将强度变化的光信号分成两路，再分别通过第三和第四光电检测器后，利用第五和第六乘法器，分别与两路正交的正弦余弦信号相乘，得到两路加密的混沌序列。接收端混沌激光器产生同步的混沌序列，利用第二光电检测器将其变成电信号，经由功分器分出两路，分别与接收到电混沌信号在相关器中进行相关操作实现，从而恢复传输信息。
附图说明
图1为本发明实施例基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统的构架示意图；
图2为本发明实施例的第一混沌激光器实现的混沌信号示意图；
图3为本发明实施例的第二混沌激光器输出的混沌信号示意图；
图4为本发明实施例的第三混沌激光器输出的混沌信号示意图；
图5(a)为发送端发送的数字信息；
图5(b)为接收端恢复的信息。
其中，1.反射镜；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；2-4.第四混沌激光器；2-5.第一光电检测器；2-6.第二光电检测器；2-7.第三光电检测器；2-8.第四光电检测器；3-1.第一功分器；3-2.第二功分器；4-1.第一乘法器；4-2.第二乘法器；4-3.第三乘法器；4-4.第四乘法器；4-5.第五乘法器；4-6.第六乘法；5.加法器；6.相位调制器；7.马赫曾德尔干涉仪；8.耦合器；9-1.第一互相关器；9-2.第二互相关器；10-1.第一光电检测器；10-2.第二光电检测器；10-3.第三光电检测器；10-4.第四光电检测器；11.连续激光器。
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。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
如图1所示，本发明实施例基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统，包括反射镜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，第一功分器3-1，第二功分器3-2，第一乘法器4-1，第二乘法器4-2，第三乘法器4-3，第四乘法器4-4，第五乘法器4-5，第六乘法器4-6，加法器5，相位调制器6，马赫曾德尔干涉仪7，耦合器8，第一相关器9-1，第二相关器9-2，第一光电检测器10-1，第二光电检测器10-2，第三光电检测器10-3，第四光电检测器10-4，连续激光器11。
本发明利用第一混沌激光器2-1驱动接收端第二混沌激光器2-2和发送端第三混沌激光器2-3进入同步状态。在发射端，利用第一光电检测器10-1将光混沌信号转变成电信号，然后利用第一功分器3-1分作两路，利用第一乘法器4-1与第三乘法器4-3分别与两路不同的信号m1(t)和m2(t)相乘，再利用第二乘法器4-2与第四乘法器4-4分别与两个相位正交的信号cos(ωt)和sin(ωt)进行相乘，并且将两路信号通过加法器5相加，这样两个不同的信号扩频到同一混沌载波上。连续激光器11产生连续光波后，利用相位调制器6，将已调的信号调制到连续激光器产生的光波上。接收端信息的解调通过利用马赫曾德尔干涉仪7将光波信号从相位调制变成强度调制，再利用耦合器8将强度变化的光信号分成两路，再分别通过第三光电检测器10-3和第四光电检测器10-4后，利用第五乘法器4-5和第六乘法器4-6，分别与两路正交的正弦余弦信号相乘，得到两路加密的混沌序列。接收端第三混沌激光器2-3产生同步的混沌序列，利用第二光电检测器10-2将其变成电信号，经由第二功分器3-2分出两路，分别与接收到电混沌信号在相关器中进行相关操作实现，相关系数接近1时，判为1，接近0时，判为0，从而恢复传输信息。
本发明实施例混沌扩频安全通信系统的上述器件的具体连接关系为：
反射镜1端口a与第一混沌激光器2-1端口b1连接，第一混沌激光器2-1端口b2分出两路：第一路和发射端第二混沌激光器2-2端口b3连接，第二混沌激光器2-2端口b4和第一光电检测器10-1端口c1连接，第一光电检测器10-1端口c2和第一功分器3-1端口d1连接，第一功分器3-1端口d2和第一乘法器4-1端口e1连接，第一乘法器4-1端口e2和第二乘法器4-2端口e3连接，第二乘法器4-2端口e4和加法器5端口f1连接，第一功分器3-1端口d3和第三乘法器4-3端口e5连接，第三乘法器4-3端口e6和第四乘法器4-4端口e7连接，第四乘法器4-4端口e8和加法器5端口f2连接，加法器5端口f3和相位调制器6端口g1连接，相位调制器6端口g2和第一连续激光器11端口b7连接；第一混沌激光器2-1端口b2分出的第二路和接收端第三混沌激光器2-3端口b5连接，第三混沌激光器2-3端口b6和第二光电检测器10-2端口c3连接，第二光电检测器10-2端口c4和第二功分器3-2端口d4连接，第二功分器3-2端口d5和第一相关器9-1端口j1连接，第一相关器9-1端口j2和第五乘法器4-5端口e10连接，第五乘法器4-5端口e9和第三光电检测器10-3端口c6连接，第三光电检测器10-3端口c5和耦合器8端口i2连接，第二功分器3-2端口d6和第二相关器9-2端口j3连接，第二相关器9-2端口j4和第六乘法器4-6端口e12连接，第六乘法器4-6端口e11和第四光电检测器10-4端口c8连接，第四光电检测器10-4端口c7和耦合器8端口i3连接，耦合器8端口i1和马赫曾德尔干涉仪7端口h2连接，马赫曾德尔干涉仪7端口h1和发送端相位调制器6端口g3通过光纤相连接。
如图1所示，在发射端，第一混沌激光器2-1驱动接收端第二混沌激光器2-2和发送端第三混沌激光器2-3进入同步状态。在发射端，利用第一光电调制器10-1将光混沌信号转变成电信号，然后利用第一功分器3-1分作两路，利用第一乘法器4-1与第三乘法器4-3分别与两路不同的信号m1(t)和m2(t)相乘，再利用第二乘法器4-2与第四乘法器4-4分别与两个相位正交的信号cos(ωt)和sin(ωt)进行相乘，并且将两路信号通过加法器5相加，这样两个不同的信号扩频到同一混沌载波上。连续激光器11产生连续光波后，利用相位调制器6，将已调的信号调制到连续激光器产生的光波上。接收端信息的解调通过利用马赫曾德尔干涉仪7将光波信号从相位调制变成强度调制，再利用耦合器8将强度变化的光信号分成两路，再分别通过第三光电检测器10-3和第四光电检测器10-4后，利用第五乘法器4-5和第六乘法器4-6，分别与两路正交的正弦余弦信号相乘，得到两路加密的混沌序列。
在接收端：第三混沌激光器产生同步的混沌序列，利用第三光电检测器10-2将其变成电信号，经由第二功分器3-2分出两路，分别与接收到电混沌信号在相关器中进行相关操作实现，相关系数接近1时，判为1，接近0时，判为0，从而恢复传输信息。
本发明的混沌扩频安全通信系统，通过下列原理对传输信号进行混沌加密解密通信：
利用混沌激光器驱动发送端和接收端两个激光器进入同步状态，发射端的光混沌信号经由光电检测器和功分器分成两路电信号，通过乘法器加载不同的传输信号，将被调信号乘上一对正交载波并相加，从而实现将不同的信号扩频到同一混沌载波上，再利用相位调制器完成对光混沌信号的相位调制。在接收端则是利用马赫曾德尔干涉仪将相位调制变成强度调制，经过耦合器和光电检测器变成两路电信号，分别与一对正交载波做相乘，得到加密混沌序列，同时，接收端本地通过一个与发射端同步的混沌激光器产生混沌信号，再经由光电检测器和功分器转变为电信号并分路，分别在相关器中与发送端过来得到的加密混沌序列做相关运算，恢复出传输信号。
解码的过程从通过马赫曾德尔干涉仪将相位调制转变为强度调制并利用耦合器分成两路开始，将经过光电检测器的两路信号乘上正交载波得到加密混沌序列，再和接收端本地产生的两路信号在相关器中相关运算，就能恢复传递的信息。
其中，本发明实施例的发送端和接收端的各对应的器件参数设置相同。第一混沌激光器的电光相位反馈延迟时间为2.4ns。第一混沌激光器、第二与第三混沌激光器之间的延时为2.8ns。第一、第二与第三混沌激光器的偏置电流为32mA。第一、第二与第三混沌激光器的透明载流子数为1.6633X108。第一、第二与第三混沌激光器产生的信号波长为1550nm，功率为10mW。连续激光器产生的信号波长为1550nm，功率为10mW。各光电检测器的量子效率为10％。正交幅度调制载波频率为300MHz。
本发明混沌双向安全通信系统，实现通信的过程简要归纳如下：
1、通过混沌激光器驱动发送端和接收端激光器进入同步状态。
2、发送端将光混沌信号变为电信号并分路乘上两路不同的信号，再用正交幅度调制技术将两路不同的信号扩频到同一混沌载波上。
3、用已调信号对光波进行相位调制。
4、接收端马赫曾德尔干涉仪将相位调制转变为强度调制，再通过耦合器分路乘上正交载波得到加密混沌序列。
5、接收端本地产生的光混沌信号通过光电检测器和功分器分成两路电信号。
6、将接收端本地产生的两路电信号和加密混沌序列在相关器中做相关操作，恢复待传输信号。
本发明利用常用光器件实现混沌扩频通信，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 (9)

1.一种基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统，其特征在于，包括发射端、接受端；
反射镜与第一混沌激光器连接，第一混沌激光器驱动接收端的第二混沌激光器和发送端的第三混沌激光器进入同步状态；
在发射端，第二混沌激光器与第一光电检测器相连，利用第一光电检测器将光混沌信号转变成电信号，然后通过第一功分器分作两路，利用第一乘法器与第三乘法器分别与两路不同的信号m1(t)和m2(t)相乘，再利用第二乘法器与第四乘法器分别与两个相位正交的信号cosωt和sinωt相乘，并且将两路信号通过加法器相加，将两个不同的信号扩频到同一混沌载波上；连续激光器产生连续光波后，利用相位调制器，将已调的信号调制到连续激光器产生的光波上，相位调制器与接收端的马赫曾德尔干涉仪通过光纤连接；接收端信息的解调利用马赫曾德尔干涉仪将光波信号从相位调制变成强度调制，再利用耦合器将强度变化的光信号分成两路，分别通过第三光电检测器和第四光电检测器后，利用第五乘法器和第六乘法器，分别与两路正交的正弦余弦信号相乘，得到两路加密的混沌序列；
在接收端，第三混沌激光器产生同步的混沌序列，第三混沌激光器与第二光电检测器相连，利用第二光电检测器将其变成电信号，经由第二功分器分出两路，分别与接收到电混沌信号在相关器中进行互相关运算，互相关系数接近1时，判为1，接近0时，判为0，从而恢复传输信息。
2.根据权利要求1所述的所述的一种基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统，其特征在于，第一混沌激光器的电光相位反馈延迟时间为2.4ns。
3.根据权利要求1所述的一种基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统，其特征在于，第一混沌激光器、第二混沌激光器与第三混沌激光器之间的延时为2.8ns。
4.根据权利要求1所述的一种基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统，其特征在于，第二混沌激光器、第三混沌激光器的偏置电流为32mA。
5.根据权利要求1所述的一种基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统，其特征在于，第一混沌激光器、第二混沌激光器与第三混沌激光器的透明载流子数为1.6633×108。
6.根据权利要求1所述的一种基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统，其特征在于，第一混沌激光器、第二混沌激光器与第三混沌激光器产生的信号波长为1550nm，功率为10mW；。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统，其特征在于，连续激光器产生的信号波长为1550nm，功率为10mW。
8.根据权利要求1所述的一种基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统，其特征在于，第一光电检测器、第二光电检测器、第三光电检测器、第四光电检测器的量子效率为10％。
9.根据权利要求1所述的一种基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统，其特征在于，正交幅度调制载波频率为300MHz。
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