CN117498952A - 基于时延键控的光混沌安全通信系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于时延键控的光混沌安全通信系统及方法,系统如下:外部噪声源通过第一光电探测器和射频放大器注入第一相位调制器;光通过第一相位调制器、第一光纤布拉格光栅、第一光耦合器后分为两路,第一路中第一单模光纤、第一相位调制器、第二光耦合器、开关依次相连,开关后再分为两路分别通过第一、第二光纤延迟线进入第三光耦合器、第二光电探测器、第二相位调制器;第二路中第三相位调制器、第四光耦合器、第三光纤延迟线、第三光电探测器首尾相连;第二光耦合器、第二光纤布拉格光栅、第三单模光纤、光放大器、色散补偿光纤、平衡光电探测器、低通滤波器依次相连;第四光耦合器、第三光纤布拉格光栅与平衡光电探测器依次相连。
Description
技术领域
本发明属于光信息技术领域,具体涉及一种基于时延键控的光混沌安全通信系统及方法。
背景技术
光混沌保密通信是一种利用光混沌载波加密明文信息并在光纤中传输的安全通信技术,混沌熵源所具有的快速衰减和初值敏感等特性为基于混沌系统的通信技术提供了坚实的理论基础,有可能成为光纤网络的安全屏障,大大降低光纤中的网络信息被窃听的风险。
目前常见的混沌加密方案通常将信息和混沌载波加载到同一维度上,如强度或相位,且信息往往直接参与了加密过程,由此造成信息易被窃取,导致通信安全性的下降,同时信号带宽的有限性在一定程度上限制了信息的传输速率。基于此,本发明提出一种基于外部噪声源与时延键控的光混沌安全通信系统及方法。
发明内容
针对现有混沌保密通信系统中的信息安全性问题,同时为了提升信息传输速率,本发明提供了一种基于时延键控的光混沌安全通信系统及方法。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
基于时延键控的光混沌安全通信系统,其结构如下:
包括发射端、接收端、第一光电探测器、射频放大器、激光器、第一相位调制器、第一光纤布拉格光栅、第一光耦合器、第一标准单模光纤、第二标准单模光纤;
发射端包括第一相位调制器、第二光耦合器、开关、第一光纤延迟线、第二光纤延迟线、第三光耦合器、第二光电探测器、第二光纤布拉格光栅;
接收端包括第三相位调制器、第四光耦合器、第三光纤延迟线、第三光电探测器、第三光纤布拉格光栅、平衡光电探测器、低通滤波器;
放大器自发辐射噪声(即外部噪声源)输入第一光电探测器的第一端口,第一光电探测器的第二端口通过射频放大器与第一相位调制器的第三端口相连;
激光器与第一相位调制器的第一端口相连,第一相位调制器的第二端口通过第一光纤布拉格光栅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通过第一标准单模光纤与发射端的第二相位调制器的第一端口相连,第二相位调制器的第二端口与第二光耦合器的第一端口相连,第二光耦合器的第三端口通过开关与第一光纤延迟线的第一端口或第二光纤延迟线的第一端口相连,第一光纤延迟线的第二端口与第三光耦合器的第一端口相连,第二光纤延迟线的第二端口与第三光耦合器的第二端口相连,第三光耦合器的第三端口通过第二光电探测器与第二相位调制器的第三端口相连;
第二光耦合器的第二端口、第二光纤布拉格光栅、第三标准单模光纤、光放大器、色散补偿光纤、接收端的平衡光电探测器的第二端口依次相连;
第一光耦合器的第三端口通过第二标准单模光纤与接收端的第三相位调制器的第一端口相连,第三相位调制器的第二端口与第四光耦合器的第一端口相连,第四光耦合器的第三端口、第三光纤延迟线、第三光电探测器、第三相位调制器的第三端口依次相连;
第四光耦合器的第二端口通过第三光纤布拉格光栅与平衡光电探测器的第一端口相连,平衡光电探测器的第三端口与低通滤波器相连。
作为优选方案,使用二进制信息控制开关,当信息为“0”时,开关连接第一光纤延迟线;当信息为“1”时,开关连接第二光纤延迟线。
作为优选方案,所有光耦合器的耦合系数都为0.5。
作为优选方案,第一相位调制器与第二相位调制器采用的参数相同;第一光纤延迟线与第三光纤延迟线采用的参数相同;第二光纤布拉格光栅与第三光纤布拉格光栅采用的参数相同。
本发明还公开了一种基于时延键控的光混沌安全通信方法,其基于上述光混沌安全通信系统,其步骤具体如下:
放大器自发辐射噪声(即外部噪声源)经过第一光电探测器和射频放大器转变为复杂熵源,通过第一相位调制器对激光器的光波做相位调制生成相位混沌光信号一,光信号一经过第一光纤布拉格光栅转变为强度混沌光信号二,光信号二经过第一光耦合器分为两路信号并分别通过第一标准单模光纤和第二标准单模光纤,作为发射端和接收端的共同驱动光信号三;
在发射端,光信号三通过第二相位调制器和第二光耦合器的第三端口连接开关后,在二进制信息的控制下选择不同的光路:在第一光路中,通过第一光纤延迟线产生光信号四,在第二光路中,通过第二光纤延迟线产生光信号五;光信号四或光信号五通过第三光耦合器和第二光电探测器作为第二相位调制器的驱动电信号一;第二光耦合器的第二端口通过第二光纤布拉格光栅、第三标准单模光纤、光放大器、色散补偿光纤产生光信号六输入接收端的平衡光电探测器;
在接收端,光信号三通过第三相位调制器、第四光耦合器的第三端口、第三光纤延迟线(具有与第一光纤延迟线相同的参数)、第三光电探测器生成电信号二作为第三相位调制器的驱动信号;第三光耦合器的第二端口通过第三光纤布拉格光栅产生光信号七输入平衡光电探测器,平衡光电探测器产生电信号二输入低通滤波器中得到恢复的信息。
本发明与现有技术相比,有益效果是:
本发明基于时延键控的光混沌安全通信系统及方法,使用放大器自发辐射噪声(即外部噪声源)对信号进行相位扰动并结合光纤布拉格光栅,能够使信号在相位和强度这两个维度上都处于混沌状态,并且放大器自发辐射噪声具有较大的带宽,易于实现高速率的信息传输;同时,本发明将混沌键控与自相位调制和光纤延迟线相结合,使信息不直接参与加密过程便能将信息映射于混沌吸引子中,提高了光混沌通信的保密性,且时延参数作为重要密钥能够有效扩展密钥空间,提升系统的可靠性。
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为本发明优选实施例一种基于外部噪声源与时延键控的光混沌安全通信系统的架构示意图。
图2为本发明优选实施例一种基于外部噪声源与时延键控的光混沌安全通信系统中不同信号的时域及频域图。(a)二进制信息的时域图;(b)发送端发出的加密信号的时域图;(c)发送端发出的加密信号的频域图;(d)接收端发出的混沌信号的时域图;(e)平衡光电探测器产生的信号时域图;(f)低通滤波器产生的恢复的信号时域图。
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,本发明优选实施例一种基于外部噪声源与时延键控的光混沌安全通信系统,包括第一光电探测器1-1、射频放大器2、激光器3、第一相位调制器4-1、第一光纤布拉格光栅5-1、第一光耦合器6-1、第一标准单模光纤7-1、第二标准单模光纤7-2、发射端、接收端;
发射端具体包括第一相位调制器4-2、第二光耦合器6-2、开关8、第一光纤延迟线9-1、第二光纤延迟线9-2、第三光耦合器6-3、第二光电探测器1-2、第二光纤布拉格光栅5-2;
接收端具体包括第三相位调制器4-3、第四光耦合器6-4、第三光纤延迟线9-3、第三光电探测器1-3、第三光纤布拉格光栅5-3、平衡光电探测器12、低通滤波器13;
发射端与接收端通过标准单模光纤7-3、光放大器10、色散补偿光纤11相连接。
上述元器件的具体连接方式如下:
第一光电探测器1-1的第一端口a1输入放大器自发辐射噪声(即外部噪声源),第一光电探测器1-1的第二端口a2与射频放大器2的第一端口b1相连,射频放大器2的第二端口b2与第一相位调制器4-1的第三端口d3相连;
激光器3的端口c与第一相位调制器4-1的第一端口d1相连,第一相位调制器4-1的第二端口d2与第一光纤布拉格光栅5-1的第一端口e1相连,第一光纤布拉格光栅5-1的第二端口e2与第一光耦合器6-1的第一端口f1相连,第一光耦合器6-1的第二端口f2与第一标准单模光纤7-1的第一端口g1相连,第一标准单模光纤7-1的第二端口g2与发射端的第二相位调制器4-2的第一端口h1相连,第二相位调制器4-2的第二端口h2与第二光耦合器6-2的第一端口i1相连,第二光耦合器6-2的第三端口i3与开关8的第一端口j1相连,开关8的第二端口j2与第一光纤延迟线9-1的第一端口k1或第二光纤延迟线9-2的第一端口l1相连,第一光纤延迟线9-1的第二端口k2与第三光耦合器6-3的第一端口m1相连,第二光纤延迟线9-2的第二端口l2与第三光耦合器6-3的第二端口m2相连,第三光耦合器6-3的第三端口m3与第二光电探测器1-2的第一端口n1相连,第二光电探测器1-2的第二端口n2与第二相位调制器4-2的第三端口h3相连;
第二光耦合器6-2的第二端口i2与第二光纤布拉格光栅5-2的第一端口o1相连,第二光纤布拉格光栅5-2的第二端口o2与第三标准单模光纤7-3的第一端口p1相连,第三标准单模光纤7-3的第二端口p2与光放大器10的第一端口q1相连,光放大器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与接收端的平衡光电探测器12的第二端口y2相连;
第一光耦合器6-1的第三端口f3与第二标准单模光纤7-2的第一端口s1相连,第二标准单模光纤7-2的第二端口s2与接收端的第三相位调制器4-3的第一端口t1相连,第三相位调制器4-3的第二端口t2与第四光耦合器6-4的第一端口u1相连,第四光耦合器6-4的第三端口u3与第三光纤延迟线9-3的第一端口v1相连,第三光纤延迟线9-3的第二端口v2与第三光电探测器1-3的第一端口w1相连,第三光电探测器1-3的第二端口w2第三相位调制器4-3的第三端口t3相连;
第四光耦合器6-4的第二端口u2与第三光纤布拉格光栅5-3的第一端口x1相连,第三光纤布拉格光栅5-3的第二端口x2与平衡光电探测器12的第一端口y1相连,平衡光电探测器12的第三端口y3与低通滤波器13的第一端口z1相连,低通滤波器13的第二端口z2输出恢复的信息。
本实施例中,发射端的开关8受二进制信息控制,在信息为“0”时,控制开关连接第一光纤延迟线9-1;在信息为“1”时,控制开关连接第二光纤延迟线9-2。
本实施例中,所有光耦合器的耦合系数均为0.5。
本实施例中,第一相位调制器与第二相位调制器、第一光纤延迟线与第三光纤延迟线、第二光纤布拉格光栅与第三光纤布拉格光栅分别采用相同的参数。
本实施例公开的基于外部噪声源与时延键控的光混沌安全通信系统,对信息加解密过程具体如下:
首先,放大器自发辐射噪声(即外部噪声源)经过第一光电探测器1-1和射频放大器2转变为复杂熵源,通过第一相位调制器4-1对激光器3的光波做相位调制生成相位混沌光信号一,光信号一经过第一光纤布拉格光栅5-1转变为强度混沌光信号二,光信号二经过第一光耦合器6-1分为两路信号并分别通过第一标准单模光纤7-1和第二标准单模光纤7-2,作为发射端和接收端的共同驱动光信号三,以驱动发射端的信号和接收端的信号实现同步,良好的同步性是正确解密的前提;
在发射端,光信号三通过第二相位调制器4-2和第二光耦合器6-2的第三端口连接开关8后在二进制信息的控制下选择不同的光路,在第一光路中,通过第一光纤延迟线9-1产生光信号四,在第二光路中,通过第二光纤延迟线9-2产生光信号五,由光路切换实现将不同的码元符号映射至不同的混沌吸引子中,将信息隐藏于其间,增强系统的保密性,同时光纤延迟线的时延值作为重要密钥,能够扩展密钥空间,有效保障保密通信;光信号四或光信号五通过第三光耦合器6-3和第二光电探测器1-2作为第二相位调制器4-2的驱动电信号一;第二光耦合器6-2的第二端口通过第二光纤布拉格光栅5-2、第三标准单模光纤7-3、光放大器10、色散补偿光纤11产生光信号六输入接收端的平衡光电探测器12中。
在接收端,光信号三通过第三相位调制器4-3、第四光耦合器6-4的第三端口、第三光纤延迟线9-3(具有与第一光纤延迟线9-1相同的参数)、第三光电探测器1-3生成电信号二作为第三相位调制器4-3的驱动信号;第三光耦合器6-3的第二端口通过第三光纤布拉格光栅5-3产生光信号七输入平衡光电探测器12,平衡光电探测器12产生电信号二输入低通滤波器中得到恢复的信息。
本实施例基于外部噪声源与时延键控的光混沌安全通信系统实现通信的原理如下:
1.通过使用放大器自发辐射噪声进行相位调制能够扰乱信号的相位信息,使相位进入混沌状态,第一相位调制器后连接的第一光纤布拉格光栅能够实现相位信号到强度信号的转换,从而扰乱信号的强度信息,使得信号的相位和强度都进入混沌状态,从而增强保密通信的可靠性,并且放大器自发辐射噪声具有较大的带宽,易于实现高速率的信息传输。
2.发射端中,开关由二进制信息控制,信息为“0”或“1”时连接不同的光路,第一光路和第二光路中的光纤延迟线具有不同的参数,通过在第一光路和第二光路切换实现将码元符号映射至不同的混沌吸引子中。发射端的第一光纤延迟线和接收端的第三光纤延迟线产生的信号对应信息“0”,发射端的第二光纤延迟线产生的信号对应信息“1”,平衡光电探测器实现发射端和接收端两路信号的相减得到二者差值信号,低通滤波器对差值信号进行滤波恢复二进制信息。
本发明优选实施例还公开了一种基于时延键控的光混沌安全通信方法,其基于上述光混沌安全通信系统实施例,具体如下:
外部噪声源经过第一光电探测器和射频放大器后转变为复杂熵源,通过第一相位调制器对激光器的光波做相位调制生成相位混沌光信号一,光信号一经过第一光纤布拉格光栅转变为强度混沌光信号二,光信号二经过第一光耦合器分为两路信号并分别通过第一标准单模光纤和第二标准单模光纤,作为发射端和接收端的共同驱动光信号三;
在发射端,光信号三通过第二相位调制器和第二光耦合器的第三端口进入开关后,按照二进制信息选择不同的光路:在第一光路中,通过第一光纤延迟线产生光信号四,在第二光路中,通过第二光纤延迟线产生光信号五;光信号四或光信号五通过第三光耦合器和第二光电探测器作为第二相位调制器的驱动电信号一;第二光耦合器的第二端口通过第二光纤布拉格光栅、第三标准单模光纤、光放大器、色散补偿光纤产生光信号六输入接收端的平衡光电探测器;
在接收端,光信号三通过第三相位调制器、第四光耦合器的第三端口、第三光纤延迟线、第三光电探测器生成电信号二作为第三相位调制器的驱动信号;第三光耦合器的第二端口通过第三光纤布拉格光栅产生光信号七输入平衡光电探测器,平衡光电探测器产生电信号二输入低通滤波器中得到恢复的信息。
本实施例其他内容可参考上述方法实施例。
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 (7)
1.基于时延键控的光混沌安全通信系统,包括发射端和接收端,其特征在于,第一光电探测器(1-1)通过射频放大器(2)与第一相位调制器(4-1)的第三端口相连;
激光器(3)与第一相位调制器(4-1)的第一端口相连,第一相位调制器(4-1)的第二端口通过第一光纤布拉格光栅(5-1)与第一光耦合器(6-1)的第一端口相连,第一光耦合器(6-1)的第二端口通过第一标准单模光纤(7-1)与发射端的第二相位调制器(4-2)的第一端口相连,第二相位调制器(4-2)的第二端口与第二光耦合器(6-2)的第一端口相连,第二光耦合器(6-2)的第三端口通过开关(8)与第一光纤延迟线(9-1)的第一端口或第二光纤延迟线(9-2)的第一端口相连,第一光纤延迟线(9-1)的第二端口与第三光耦合器(6-3)的第一端口相连,第二光纤延迟线(9-2)的第二端口与第三光耦合器(6-3)的第二端口相连,第三光耦合器(6-3)的第三端口通过第二光电探测器(1-2)与第二相位调制器(4-2)的第三端口相连;
第二光耦合器(6-2)的第二端口依次通过第二光纤布拉格光栅(5-2)、第三标准单模光纤(7-3)、光放大器(10)、色散补偿光纤(11)后连接接收端的平衡光电探测器(12)的第二端口;
第一光耦合器(6-1)的第三端口通过第二标准单模光纤(7-2)与接收端的第三相位调制器(4-3)的第一端口相连,第三相位调制器(4-3)的第二端口与第四光耦合器(6-4)的第一端口相连,第四光耦合器(6-4)的第三端口依次通过第三光纤延迟线(9-3)、第三光电探测器(1-3)后连接第三相位调制器(4-3)的第三端口;
第四光耦合器(6-4)的第二端口通过第三光纤布拉格光栅(5-3)与平衡光电探测器(12)的第一端口相连,平衡光电探测器(12)的第三端口与低通滤波器(13)相连。
2.根据权利要求1所述基于时延键控的光混沌安全通信系统,其特征在于,开关由二进制信息控制,当信息为“0”时,开关与第一光纤延迟线的第一端口相连;当信息为“1”时,开关与第二光纤延迟线的第一端口相连。
3.根据权利要求1所述基于时延键控的光混沌安全通信系统,其特征在于,第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器、第四光耦合器的耦合系数都为0.5。
4.根据权利要求1-3任一项所述基于时延键控的光混沌安全通信系统,其特征在于,第一相位调制器与第二相位调制器采用相同的参数。
5.根据权利要求1-3任一项所述基于时延键控的光混沌安全通信系统,其特征在于,第一光纤延迟线与第三光纤延迟线采用相同的参数。
6.根据权利要求1-3任一项所述基于时延键控的光混沌安全通信系统,其特征在于,第二光纤布拉格光栅与第三光纤布拉格光栅采用相同的参数。
7.一种基于时延键控的光混沌安全通信方法,其基于权利要求1-6任一项所述的光混沌安全通信系统,其特征在于,所述方法具体如下:
外部噪声源经过第一光电探测器(1-1)和射频放大器(2)后转变为复杂熵源,通过第一相位调制器(4-1)对激光器(3)的光波做相位调制生成相位混沌光信号一,光信号一经过第一光纤布拉格光栅(5-1)转变为强度混沌光信号二,光信号二经过第一光耦合器(6-1)分为两路信号并分别通过第一标准单模光纤(7-1)和第二标准单模光纤(7-2),作为发射端和接收端的共同驱动光信号三;
在发射端,光信号三通过第二相位调制器(4-2)和第二光耦合器(6-2)的第三端口进入开关(8)后,按照二进制信息选择不同的光路:在第一光路中,通过第一光纤延迟线(9-1)产生光信号四,在第二光路中,通过第二光纤延迟线(9-2)产生光信号五;光信号四或光信号五通过第三光耦合器(6-3)和第二光电探测器(1-2)作为第二相位调制器(4-2)的驱动电信号一;第二光耦合器(6-2)的第二端口通过第二光纤布拉格光栅(5-2)、第三标准单模光纤(7-3)、光放大器(10)、色散补偿光纤(11)产生光信号六输入接收端的平衡光电探测器(12);
在接收端,光信号三通过第三相位调制器(4-3)、第四光耦合器(6-4)的第三端口、第三光纤延迟线(9-3)、第三光电探测器(1-3)生成电信号二作为第三相位调制器(4-3)的驱动信号;第三光耦合器(6-3)的第二端口通过第三光纤布拉格光栅(5-3)产生光信号七输入平衡光电探测器(12),平衡光电探测器(12)产生电信号二输入低通滤波器(13)中得到恢复的信息。
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CN202311512314.5A Pending CN117498952A (zh) | 2023-11-14 | 2023-11-14 | 基于时延键控的光混沌安全通信系统及方法 |
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CN (1) | CN117498952A (zh) |
-
2023
- 2023-11-14 CN CN202311512314.5A patent/CN117498952A/zh active Pending
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