CN114337832B - 基于混沌编码的键控光混沌通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明基于混沌编码的键控光混沌通信系统，发射端：光纤反射镜、主分布反馈式激光器等依次相连，第二光耦合器与两滤波器相连；第二环形器通过第一光电探测器与第一相位调制器相连；第一光耦合器通过开关与第一或二从分布反馈式激光器相连；第二从分布反馈式激光器与第三光耦合器相连，第三光耦合器与两滤波器相连；第一环形器与第一相位调制器相连，第一相位调制器、单模光纤等依次相连；接收端：光纤反射镜、主分布反馈式激光器等依次相连，第四光耦合器与两滤波器相连；第三从分布反馈式激光器、第五光耦合器、第二光电探测器、相乘器、第二相位调制器依次相连，第二相位调制器与相减器相连；第五光耦合器、相减器等依次相连。
Description
技术领域
本发明属于光信息技术领域，具体涉及一种基于混沌编码的键控光混沌通信系统。
背景技术
混沌是指在动力学系统中，因对初值敏感而表现出的不可预测、貌似无规律的复杂运动形态。应用在通信领域，可以实现基于物理层的硬件加密，提升了传统加密方式的安全性。但在混沌通信系统中，为实现完美的加解密操作，要求发射端和接收端器件参数的完美匹配。为降低成本和拓展应用范围，应在确保安全性的前提下，尽可能地简化系统结构。
除此之外，在目前的通信系统中，信息往往直接参与加密过程。目前常用的加密方式有利用耦合器或相加器，使混沌信号对信息进行掩盖，或利用调制器使信息参与混沌生成过程。在上述现有加密方式中，一旦混沌信号被非法第三方成功复制，就很容易实现对信息截获，造成了通信安全性低的问题。
发明内容
本发明解决了光混沌通信系统的信息保密性和系统结构复杂性的问题，提供了一种基于混沌编码的键控光混沌通信系统。本发明首先利用混沌信号对信息进行编码，再进行加密，起到二次保护的作用，降低信息被截获的可能性；并在接收端利用同步功率误差恢复信息，在确保安全性的前提下，简化系统结构。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于混沌编码的键控光混沌通信系统，包括发射端和接收端，所述发射端与接收端相连；
发射端包括第一主分布反馈式激光器、第一光纤反射镜、第一环形器、第一光耦合器、开关、第二环形器、第一从分布反馈式激光器、第二光耦合器、第一滤波器、第二滤波器、第二从分布反馈式激光器、第三光耦合器、第三滤波器、第四滤波器、第一光电探测器、第一相位调制器；
接收端包括第二主分布反馈式激光器、第二光纤反射镜、第三从分布反馈式激光器、第四光耦合器、第五滤波器、第六滤波器、第五光耦合器、第二光电探测器、相乘器、第二相位调制器、相减器、第三光电探测器、低通滤波器；
发射端的第一光纤反射镜通过第一主分布反馈式激光器与第一环形器的第一端口相连，第一环形器的第二端口与第一光耦合器的第一端口相连，第一光耦合器的第二端口与第二环形器的第一端口相连，第二环形器的第二端口与第一从分布反馈式激光器的第一端口相连，第一从分布反馈式激光器的第二端口与第二光耦合器的第一端口相连，第二光耦合器的第二端口与第一滤波器相连，第二光耦合器的第三端口与第二滤波器相连；第二环形器的第三端口通过第一光电探测器与第一相位调制器的第一端口相连；第一光耦合器的第三端口通过开关与第一从分布反馈式激光器的第三端口或者第二从分布反馈式激光器的第一端口相连；第二从分布反馈式激光器的第二端口与第三光耦合器的第一端口相连，第三光耦合器的第二端口与第三滤波器相连，第三光耦合器的第三端口与第四滤波器相连；第一环形器的第三端口与第一相位调制器的第二端口相连，第一相位调制器的第三端口、标准单模光纤、色散补偿光纤、光放大器、第二相位调制器的第一端口依次相连；接收端的第二光纤反射镜通过第二主分布反馈式激光器与第三从分布反馈式激光器的第一端口相连，第三从分布反馈式激光器的第二端口与第四光耦合器的第一端口相连，第四光耦合器的第二端口与第五滤波器相连，第四光耦合器的第三端口与第六滤波器相连；第三从分布反馈式激光器的第三端口与第五光耦合器的第一端口相连，第五光耦合器的第二端口、第二光电探测器、相乘器、第二相位调制器的第二端口依次相连，第二相位调制器的第三端口与相减器的第一端口相连；第五光耦合器的第三端口与相减器的第二端口相连，相减器的第三端口、第三光电探测器、低通滤波器依次相连。
本发明首先利用混沌信号对信息进行编码，再进行加密，起到二次加密的作用，降低信息被截获的可能性；并在接收端利用同步功率误差恢复信息，在确保信息安全性的前提下，简化系统结构。
作为优选方案，第一主分布反馈式激光器经过第一光纤反射镜反射发出第一光信号，先通过第一环形器，再通过第一光耦合器分为第二光信号和第三光信号。第二光信号通过第二环形器、第一从分布反馈式激光器、第二光耦合器、第一滤波器和第二滤波器后，反馈回第一从分布式反馈激光器，并经过第二环形器、第一光电转换器和第一相位调制器；第三光信号通过开关选择两条不同的光路，在第一光路中，第三光信号经过第一从分布反馈式激光器、第二光耦合器、第一滤波器、第二滤波器后，馈入第一从分布反馈式激光器产生光信号四；第二光路中经过第二从分布反馈式激光器、第三光耦合器、第三滤波器、第四滤波器后，馈入第二从分布反馈式激光器产生光信号五；光信号四或光信号五通过第一光耦合器、第一环形器，输入第一相位调制器生成光信号六。第六光信号经过标准单模光纤、色散补偿光纤、光放大器和第二相位调制器。同时，第二主分布反馈式激光器与第二光纤反射镜、第三从分布反馈式激光器、第四光耦合器、第五滤波器和第六滤波器产生光信号七，光信号七通过第五光耦合器分为光信号八和光信号九，光信号九由第二光电探测器转化为电信号，并在相乘器处与数字“-1”相乘，输入第二相位调制器进行调制，调制结果与第九光信号在相减器处相减，并通过第三光电探测器和低通滤波器。在接收端直接输出恢复后的明文信息。
作为优选方案，开关由二进制信息进行控制，当二进制信息为“1”时，开关与第一从分布反馈式激光器的第三端口(第一光路)连接；当二进制信息为“0”时，开关与第二从分布反馈式激光器的第一端口(第二光路)连接。利用不同的混沌波形表征不同的二进制信息，起到对信息进行混沌编码的作用。
作为优选方案，所有耦合器的耦合系数都为0.5。
作为优选方案，第一主分布反馈式激光器与第二主分布反馈式激光器、第一光纤反射镜与第二光纤反射镜、第一从分布反馈式激光器与第三分布反馈式激光器、第一滤波器与第五滤波器、第二滤波器与第六滤波器的参数分别相同。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明一种基于混沌编码的键控光混沌保密通信系统，利用二进制信息控制开关，选择不同的混沌波形表征二进制信息，二进制信息并没有真正参与信号加密过程，混沌编码可以对信息起到二次保护的作用，从而提升了系统的保密性。并且，本发明仅在接收端生成二进制信息“1”所对应的混沌信号，利用混沌波形之间的同步功率误差恢复信息，简化了系统结构，降低了系统成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的描述。
图1为本发明实施例的基于混沌编码的键控光混沌通信系统的架构示意图。
图2为本发明实施例的基于混沌编码的键控光混沌通信系统中主分布反馈式激光器反馈腔的反馈强度Kf与主分布反馈式激光器输出信号电场振幅的混沌分岔图。
图3为本发明实施例的基于混沌编码的键控光混沌通信系统中从分布反馈式激光器反馈腔的反馈强度与从分布反馈式激光器输出信号电场振幅的混沌分岔图。
图4为本发明实施例的基于混沌编码的键控光混沌通信系统中不同信号的时域及频域图。(a)二进制信息的时间序列；(b)加密信号的时域图；(c)加密信号的频谱图；(d)接收端发出的混沌信号时域图；(e)初步恢复出的混沌信号时域图；(f)低通滤波器处理后的混沌信号时域图。
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，以下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，本发明实施例基于混沌编码的键控光混沌通信系统，包括发送端和接收端，发送端包括如下部件：第一主分布反馈式激光器1-1、第一光纤反射镜2-1、第一环形器3-1、第一光耦合器4-1、开关5、第二环形器3-2、第一从分布反馈式激光器6-1、第二光耦合器4-2、第一滤波器7-1、第二滤波器7-2、第二从分布反馈式激光器6-2、第三光耦合器4-3、第三滤波器7-3、第四滤波器7-4、第一光电探测器8-1、第一相位调制器9-1；接收端包括第二主分布反馈式激光器1-2、第二光纤反射镜2-2、第三从分布反馈式激光器6-3、第四光耦合器4-4、第五滤波器7-5、第六滤波器7-6、第五光耦合器4-5、第二光电探测器8-2、相乘器13、第二相位调制器9-2、相减器14、第三光电探测器8-3、低通滤波器15；系统还包括标准单模光纤10、色散补偿光纤11、光放大器12。
上述系统包含部件具体的连接方式如下：
发射端的第一主分布反馈式激光器1-1的第一端口a1与第一光纤反射镜2-1的端口b1相连，第一主分布反馈式激光器1-1的第二端口a2与第一环形器3-1的第一端口c1相连，第一环形器3-1的第二端口c2与第一光耦合器4-1的第一端口d1相连，第一光耦合器4-1的第二端口d2与第二环形器3-2的第一端口e1相连，第二环形器3-2的第二端口e2与第一从分布反馈式激光器6-1的第一端口f1相连，第一从分布反馈式激光器6-1的第二端口f2与第二光耦合器4-2的第一端口g1相连，第二光耦合器4-2的第二端口g2与第一滤波器7-1的端口h1相连，第二光耦合器4-2的第三端口g3与第二滤波器7-2的端口i1相连。
第二环形器3-2的第三端口e3与第一光电探测器8-1的第一端口j1相连，第一光电探测器8-1的第二端口j2与第一相位调制器9-1的第一端口k1相连。
第一光耦合器4-1的第三端口d3与开关5的第一端口l1相连，开关5的第二端口l2与第一从分布反馈式激光器6-1的第三端口f3相连；除此之外，开关5的第二端口l2还可以与第二从分布反馈式激光器6-2的第一端口m1相连；第二从分布反馈式激光器6-2的第二端口m2与第三光耦合器4-3的第一端口n1相连，第三光耦合器4-3的第二端口n2与第三滤波器7-3的端口p1相连，第三光耦合器4-3的第三端口n3与第四滤波器7-4的端口o1相连。
第一环形器3-1的第三端口c3与第一相位调制器9-1的第二端口k2相连，第一相位调制器9-1的第三端口k3与标准单模光纤10的第一端口q1相连，标准单模光纤10的第二端口q2与色散补偿光纤11的第一端口r1相连，色散补偿光纤11的第二端口r2与光放大器12的第一端口s1相连，光放大器12的第二端口s2与第二相位调制器9-2的第一端口t1相连。
第二主分布反馈式激光器1-2的第一端口u1与第二光纤反射镜2-2的端口v1相连，第二主分布反馈式激光器1-2的第二端口u2与第三从分布反馈式激光器6-3的第一端口w1相连，第三从分布反馈式激光器6-3的第二端口w2与第四光耦合器4-4的第一端口x1相连，第四光耦合器4-4的第二端口x2与第五滤波器7-5的端口y1相连，第四光耦合器4-4的第三端口x3与第六滤波器7-6的端口y2相连。
第三从分布反馈式激光器6-3的第三端口w3与第五光耦合器4-5的第一端口z1相连，第五光耦合器4-5的第二端口z2与第二光电探测器8-2的第一端口A1相连，第二光电探测器8-2的第二端口A2与相乘器13的第一端口B1相连，相乘器13的第二端口B2与第二相位调制器9-2的第二端口t2相连，第二相位调制器9-2的第三端口t3与相减器14的第一端口C1相连；第五光耦合器4-5的第三端口z3与相减器14的第二端口C2相连，相减器14的第三端口C3与第三光电探测器8-3的第一端口D1相连，第三光电探测器8-3的第二端口D2与低通滤波器15的第一端口E1相连，在低通滤波器15的第二端口E2输出恢复的信息。
本实施例中，所有耦合器的耦合系数都为0.5。
本实施例中，第一主分布反馈式激光器1-1与第二主分布反馈式激光器1-2、第一光纤反射镜2-1与第二光纤反射镜2-2、第一从分布反馈式激光器6-1与第三分布反馈式激光器6-3、第一滤波器7-1与第五滤波器7-5、第二滤波器7-2与第六滤波器7-6的参数分别相同。
本实施例中，第一主分布反馈式激光器1-1经过第一光纤反射镜2-1反射发出第一光信号，先通过第一环形器3-1，再通过第一光耦合器4-1分为第二光信号和第三光信号。第二光信号通过第二环形器3-2、第一从分布反馈式激光器6-1、第二光耦合器4-2、第一滤波器7-1和第二滤波器7-2后，反馈回第一从分布反馈式激光器6-1，并经过第二环形器3-2、第一光电探测器8-1和第一相位调制器-9-1。第三光信号通过开关5选择两条不同的光路，在第一光路中，第三光信号经过第一从分布反馈式激光器6-1、第二光耦合器4-2、第一滤波器7-1、第二滤波器7-2后，馈入第一从分布反馈式激光器6-1产生光信号四；第二光路中经过第二从分布反馈式激光器6-2、第三光耦合器4-3、第三滤波器7-3、第四滤波器7-4后，馈入第二从分布反馈式激光器6-2产生光信号五。光信号四或光信号五通过第一光耦合器4-1、第一环形器3-1，输入第一相位调制器9-1生成光信号六。第六光信号经过标准单模光纤10、色散补偿光纤11、光放大器12和第二相位调制器9-2。同时，第二主分布反馈式激光器1-2与第二光纤反射镜2-2、第三从分布反馈式激光器6-3、第四光耦合器4-4、第五滤波器7-5和第六滤波器7-6产生光信号七。光信号七通过第五光耦合器4-5分为光信号八和光信号九，光信号九由第二光电探测器8-2转化为电信号，并在相乘器13处与数字“-1”相乘，输入第二相位调制器9-2进行调制，调制结果与第九光信号在相减器14处相减，并通过第三光电探测器8-3和低通滤波器15。开关由二进制信息进行控制，当二进制信息为“1”时，开关与第一光路连接；当二进制信息为“0”时，开关与第二光路连接。利用不同的混沌波形表征不同的二进制信息，起到对信息进行混沌编码的作用。在接收端直接输出恢复后的明文信息。
本实施例中，开关由二进制信息进行控制，当二进制信息为“1”时，开关与第一光路连接；当二进制信息为“0”时，开关与第二光路连接。利用不同的混沌波形表征不同的二进制信息，起到对信息进行混沌编码的作用。
本实施例公开的基于混沌编码的键控光混沌通信系统，其对信息编码、加密和解密的方法原理为：利用信息控制开关的接触状况，选择不同的从分布反馈式激光器生成混沌波形，起到对信息编码的目的，增强系统的保密性；并利用光纤反射镜和滤波器掩盖主从激光器产生的混沌波形的时延信息，并利用相位调制器对编码后的混沌波形进行加密。在接收端仅设置一组主从激光器，利用同步误差恢复信息，简化系统结构并降低系统成本。
本实施例基于混沌编码的键控光混沌通信系统实现通信的过程如下：
1.利用二进制信息控制开关的接触状态，使带有一个光纤反射镜的主分布反馈式激光器与不同的带有两个滤波器的从分布反馈式激光器生成不同信息状态下的混沌波形，并利用二进制信息“1”所对应的混沌信号，在相位调制器中对生成的编码混沌信号进行加密。
2.在接收端，利用与发射端相同的带有一个光纤反射镜的主分布反馈式激光器和一个带有两个滤波器的从分布反馈式激光器生成二进制信息“1”所对应的混沌信号，在相乘器中取反后，利用相位调制器对编码混沌信号进行解密，再利用解密信号与接收端混沌信号的同步功率误差，恢复出对应的二进制信息。
以上为本发明的优选实施方式，并不限定本发明的保护范围，对于本领域普通技术人员而言，依据本发明提供的研究思路，在具体的设计方案上会有改进之处，而这些改变也应当视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.基于混沌编码的键控光混沌通信系统，包括发射端和接收端，其特征在于，发射端的第一光纤反射镜通过第一主分布反馈式激光器与第一环形器的第一端口相连，第一环形器的第二端口与第一光耦合器的第一端口相连，第一光耦合器的第二端口与第二环形器的第一端口相连，第二环形器的第二端口与第一从分布反馈式激光器的第一端口相连，第一从分布反馈式激光器的第二端口与第二光耦合器的第一端口相连，第二光耦合器的第二端口与第一滤波器相连，第二光耦合器的第三端口与第二滤波器相连；
第二环形器的第三端口通过第一光电探测器与第一相位调制器的第一端口相连；
第一光耦合器的第三端口通过开关与第一从分布反馈式激光器的第三端口或者第二从分布反馈式激光器的第一端口相连；第二从分布反馈式激光器的第二端口与第三光耦合器的第一端口相连，第三光耦合器的第二端口与第三滤波器相连，第三光耦合器的第三端口与第四滤波器相连；
第一环形器的第三端口与第一相位调制器的第二端口相连，第一相位调制器的第三端口与标准单模光纤的第一端口相连，标准单模光纤的第二端口与色散补偿光纤的第一端口相连，色散补偿光纤的第二端口与光放大器的第一端口相连，光放大器的第二端口与第二相位调制器的第一端口相连；
接收端的第二光纤反射镜通过第二主分布反馈式激光器与第三从分布反馈式激光器的第一端口相连，第三从分布反馈式激光器的第二端口与第四光耦合器的第一端口相连，第四光耦合器的第二端口与第五滤波器相连，第四光耦合器的第三端口与第六滤波器相连；
第三从分布反馈式激光器的第三端口与第五光耦合器的第一端口相连，第五光耦合器的第二端口与第二光电探测器的第一端口相连，第二光电探测器的第二端口与相乘器的第一端口相连，相乘器的第二端口与第二相位调制器的第二端口相连，第二相位调制器的第三端口与相减器的第一端口相连；第五光耦合器的第三端口与相减器的第二端口相连，相减器的第三端口、第三光电探测器、低通滤波器依次相连。
2.根据权利要求1所述基于混沌编码的键控光混沌通信系统，其特征在于，所述开关由二进制信息进行控制，当二进制信息为“1”时，开关与第一从分布反馈式激光器的第三端口连接；当二进制信息为“0”时，开关与第二从分布反馈式激光器的第一端口连接。
3.根据权利要求1所述基于混沌编码的键控光混沌通信系统，其特征在于，第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器的耦合系数都为0.5。
4.根据权利要求1-3任一项所述基于混沌编码的键控光混沌通信系统，其特征在于，第一主分布反馈式激光器与第二主分布反馈式激光器、第一光纤反射镜与第二光纤反射镜、第一从分布反馈式激光器与第三分布反馈式激光器、第一滤波器与第五滤波器、第二滤波器与第六滤波器的参数分别相同。
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Non-Patent Citations (3)
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|---|
| 光混沌保密通信系统在MATLAB 与OptiSystem 中的协同实现;刘劲杨等;光电工程;全文 * |
| 光纤混沌双芯双向保密通信系统研究;颜森林;;物理学报(第05期);全文 * |
| 光纤混沌相位编码保密通信系统理论研究;颜森林;物理学报(第05期);全文 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114337832A (zh) | 2022-04-12 |
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