CN118353620A - 一种基于前反馈-后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于前反馈‑后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信系统和方法，涉及保密光通信技术领域，包括信号发生模块、相位加密模块、光纤传输模块、相位解密模块、信号恢复模块。信号由发生模块调制到光载波上传输至加密模块，经并联而成的前、后反馈相位环加密后由光纤链路传输至接收端的解密模块，解密模块与加密模块结构相互对称，最后传输至信号恢复模块，完成通信。本发明的加密模块基于前反馈‑后反馈双环并联的结构，两环共用干涉仪、激光器等商用器件，在控制系统装置复杂性的前提下，提升了硬件可调参数的范围，增加了密钥空间，提高了安全性；同时兼容现有光纤网络，窃听者即使掌握本发明结构，也难以匹配相应参数进行解密。

Description

一种基于前反馈-后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信 系统和方法

技术领域

本发明属于保密光通信技术领域，更为具体的讲，涉及一种基于前反馈-后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信系统和方法。

背景技术

随着信息技术的高速发展，人们对通信的要求越来越高，一方面要提高传输的容量和速率，另一方面要保证传输的安全性。光纤通信相比传统的电缆通信和无线通信具有许多优点，如高带宽、低损耗、低延迟以及抗干扰等，承载着全球大部分的数据交换，逐渐成为当今世界主流的通信方式。然而，光纤通信的安全却受到光纤窃听技术的威胁，因此，寻求一种有效的消息传输加密方法至关重要。

为了保证互联用户之间信息的高隐私性，在过去的几十年中已经出现了各种加密方法，包括量子加密、数字混沌加密和基于硬件的混沌加密。由于混沌的不可预测性及其类似噪声的特性，基于硬件的混沌通信系统最近已成为物理层机密通信的有力竞争者。在这类系统中，各个设备的参数作为密钥构成了一个反窃听系统，参数的多样性使得系统的秘钥空间足够大，这让窃听者难以直接破解，保证了系统传输的安全性。但是，硬件设备的增加将会使得系统复杂性增加、实用性降低，不利于接入现有光网络。因此，在控制系统复杂性的前提下，探究如何提高系统安全性、进一步保障系统可靠传输并能较好的兼容现有网络，具有重要的现实意义。

光电相位环由相位调制器与非线性器件等构成非线性反馈环，多用于相位光混沌信号的产生。光电相位环系统，一是可以实现对系统关键信息的隐藏，保证了系统不会因为关键信息泄露；二是能提高系统面对多种窃听攻击时的防御性能，使得窃听者无法从窃听攻击中恢复出原保密信息。目前已经有许多学者展开了相关研究，利用光电相位环实现光通信的保密传输。(Optics EXPRESS，Time-delay signature concealing electro-opticchaotic system with multiply feedback nonlinear loops)2021年，北京邮电大学团队提出了一种具有多反馈非线性环路的光电混沌系统，通过引入更多彼此非线性耦合的可调参数来实现更大的密钥空间，产生复杂的混沌；(Optics Communications，Ultra-widebandchaotic optical communication based on electro-optic differential feedbackloop)2023年，北京邮电大学团队提出一种新颖的微分电光相位反馈混沌模型，在环中引入微分使得非线性变化更复杂；(Optics EXPRESS，Numerical and experimentalinvestigation of a dispersive optoelectronic oscillator for chaotic time-delay signature suppression)2023年，西南交通大学团队提出了一种新型单环色散电光混沌系统，将宽带啁啾光纤布拉格光栅插入单环电光系统即可引入色散效应并产生频率相关的环路延迟；公开号：CN115412237A，公开日为2022.08.26的专利提出一种基于色散-双环自相位加密的硬件保密通信系统和方法。然而，现有光电相位环方案大多通过增加单一非线性器件、增加反馈回路等方式来增大反馈环的非线性变化，其弊端在于：首先，单一非线性器件的限制(如激光器)，秘钥空间有限，参数可调有限，安全性有待提高；其次是反馈回路复杂使得系统同步难度大，不利于长距离通信以及接入现网等。

发明内容

为克服上述现有方案的问题，本发明提出一种基于前反馈-后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信系统和方法，通过硬件层的器件和结构实现加密，系统复杂度较低、秘钥空间更大、信息传输的安全性更高。本发明的技术方案如下：

本发明提出一种基于前反馈-后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信系统和方法，所述系统包括1-信号发生模块、2-相位加密模块、3-光纤传输模块、4-相位解密模块、5-信号恢复模块。

所述系统通信过程为：信号发生模块中，由任意波形发生器发出待传输的电信号，接着由光调制器调制到光载波上并传输至加密模块；经并联而成的前、后反馈相位环加密后由光纤链路传输至接收端的解密模块，解密模块与加密模块结构相互对称，最后传输至信号恢复模块，完成通信。

所述1-信号发生模块采用如下技术方案实现：

包含模块：101-激光器，102-第一光偏振控制器，103-光调制器，104-任意波形发生器。

各模块连接关系如下：101-激光器的输出端与102-第一光偏振控制器的输入端相连，102-第一光偏振控制器的输出端与103-光调制器的光输入端相连，104-任意波形发生器的输出端与103-光调制器的电输入端相连，103-光调制器的输出端与2-相位加密模块的输入端相连。

由激光器提供光源，光调制器将波形发生器的电信号调制到光载波上，生成带传输的原始信号。

所述2-相位加密模块采用如下技术方案实现：

包含模块：201-第一相位调制器、202-第一光放大器、203-第一光耦合器、204-第一光可调延时线、205-第一光干涉仪、206-第一光环形器、207-第一分布式反馈激光器、208-第二光耦合器、209-第二光偏振控制器、210-第二光可调延时线、211-第一光电探测器、212-第一射频放大器、213-第三光偏振控制器、214-第三光可调延时线、215-第二光电探测器、216-第二射频放大器、217-第二相位调制器。

各模块连接关系如下：201-第一相位调制器的光输入端即加密模块的输入端，201-第一相位调制器的输出端与202-第一光放大器的输入端相连，202-第一光放大器的输出端与203-第一光耦合器的输入端相连；所述203-第一光耦合器的输出分为两路：第一支路依次连接204-第一光可调延时线、205-第一光干涉仪、206-第一光环形器、207-第一分布式反馈激光器、208-第二光耦合器。第二支路依次连接217-第二相位调制器的光输入端以及3-光纤传输模块的输入端；所述208-第二光耦合器分两支路输出形成前反馈、后反馈加密。前反馈部分：依次连接213-第三光偏振控制器、214-第三光可调延时线、215-第二光电探测器、216-第二射频放大器、217-第二相位调制器的电输入端。后反馈部分：依次连接209-第二光偏振控制器、210-第二光可调延时线、211-第一光电探测器、212-第一射频放大器、201-第一相位调制器的电输入端。

原始信号经过干涉仪、分布式反馈激光器之后，由于其非线性变化，信号已经变得混乱。再由耦合器分两路，两路的时延设置不同，分别经过光电探测、射频放大器变成电信号作为相位调制器的驱动信号，形成前、后反馈闭合环路，对信号完成双重加密。

所述3-光纤传输模块采用如下技术方案实现：

包含模块：301-单模光纤、302-色散补偿光纤、303-第二光放大器。

各模块连接关系如下：217-第二相位调制器输出端与301-单模光纤的输入端相连，301-单模光纤的输出端和302-色散补偿光纤的输入端相连，302-色散补偿光纤的输出端与303-第二光放大器的输入端相连，303-第二光放大器的输出端与4-相位解密模块的输入端连接。

经过前面的传输信号会产生色散损失以及功率损耗，在传输链路利用色散补偿光纤、光放大器分别对其色散进行补偿、功率进行放大。

所述4-相位解密模块采用如下技术方案实现：

包含模块：401-第三相位调制器、402-第三光耦合器、403-第三光放大器、404-第四光可调延时线、405-第二光干涉仪、406-第二光环形器、407-第二分布式反馈激光器、408-第四光耦合器、409-第四光偏振控制器、410-第五光可调延时线、411-第三光电探测器、412-第三射频放大器、413-第五光偏振控制器、414-第六光可调延时线、415-第四光电探测器、416-第四射频放大器、417-第四相位调制器。

各模块连接关系如下：401-第三相位调制器的光输入端即4-相位解密模块的输入端，401-第三相位调制器的输出端与402-第三光耦合器的输入端相连；所述402-第三光耦合器的输出分为两路：第一支路依次连接403-第三光放大器、404-第四光可调延时线、405-第二光干涉仪、406-第二光环形器、407-第二分布式反馈激光器、408-第四光耦合器。第二支路依次连接417-第四相位调制器的光输入端以及5-信号恢复模块的输入端；所述408-第四光耦合器分两支路输出形成前反馈、后反馈解密。前反馈部分：依次连接413-第五光偏振控制器、414-第六光可调延时线、415-第四光电探测器、416-第四射频放大器、417-第四相位调制器的电输入端。后反馈部分：依次连接409-第四光偏振控制器、410-第五光可调延时线、411-第三光电探测器、412-第三射频放大器、401-第三相位调制器的电输入端。

加密信号由解密模块对称的前反馈-后反馈解密环进行解密。对应的参数设置一致，解密的顺序与加密的顺序相反，以消除前反馈-后反馈并联加密环带来的加密效果，完成信号的解密。

所述5-信号恢复模块采用如下技术方案实现：

包含模块：501-第三光干涉仪、502-第五光电探测器、503-示波器。

各模块连接关系如下：5-信号恢复模块的输入端即501-第三光干涉仪的输入端，501-第三光干涉仪的输出端与502-第五光电探测器的输入端相连，502-第五光电探测器的输出端与503-示波器相连。

解密完的信号由信号恢复模块的干涉仪、光电探测器进行信号转换和检测，最后在示波器上观察到原始信号。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果为：

本发明中，信号经过干涉仪、分布式反馈激光器之后信号变得杂乱，再经耦合器分为前反馈和后反馈部分，两路延时等参数不一，系统可调参数范围增大，加密效果增强，密钥空间提升；同时，两种反馈形式的驱动信号对原始信号进行扰乱，更增加了信号的复杂度，且解密端必须按照与加密端相反的顺序依次进行解密，否则无法对信号进行恢复，信号的安全性极大提升；最后，前、后反馈回路共用一条支路，系统复杂度在合理范围内，可以兼容现有网络。

附图说明

图1为一种基于前反馈-后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信系统和方法的结构示意图。图中：

1-信号发生模块：101-激光器，102-第一光偏振控制器，103-光调制器，104-任意波形发生器。

2-相位加密模块：201-第一相位调制器、202-第一光放大器、203-第一光耦合器、204-第一光可调延时线、205-第一光干涉仪、206-第一光环形器、207-第一分布式反馈激光器、208-第二光耦合器、209-第二光偏振控制器、210-第二光可调延时线、211-第一光电探测器、212-第一射频放大器、213-第三光偏振控制器、214-第三光可调延时线、215-第二光电探测器、216-第二射频放大器、217-第二相位调制器。

3-光纤传输模块：301-单模光纤、302-色散补偿光纤、303-第二光放大器。

4-相位解密模块：401-第三相位调制器、402-第三光耦合器、403-第三光放大器、404-第四光可调延时线、405-第二光干涉仪、406-第二光环形器、407-第二分布式反馈激光器、408-第四光耦合器、409-第四光偏振控制器、410-第五光可调延时线、411-第三光电探测器、412-第三射频放大器、413-第五光偏振控制器、414-第六光可调延时线、415-第四光电探测器、416-第四射频放大器、417-第四相位调制器。

5-信号恢复模块：501-第三光干涉仪、502-第五光电探测器、503-示波器。

具体实施方式

为清楚地说明一种基于前反馈-后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信系统和方法，结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施实例

图1为一种基于前反馈-后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信系统和方法的结构示意图，依图中所示，本发明包括五个部分：1-信号发生模块、2-相位加密模块、3-光纤传输模块、4-相位解密模块、5-信号恢复模块，分别对应信号的产生、加密、传输、解密以及恢复。在本次实例中，我们以(DPSK)信号为例进行说明，但不局限于该信号，其他格式的信号如正交相移键控(QPSK)、十六进制正交幅度调制(16QAM)等均可以用于加密传输，但需要使用相应的发射机、接收器；103-光调制器使用相位调制器，也可以选择其他类型如IQ调制器等；101-激光器使用外腔半导体激光器，也可选择其他类型如分布式反馈激光器等。

实施过程：信号发生模块中，由任意波形发生器发出待传输的电信号，接着由光调制器调制到光载波上并传输至加密模块；经并联而成的前、后反馈相位环加密后由光纤链路传输至接收端的解密模块，解密模块与加密模块结构相互对称，最后传输至信号恢复模块，完成通信。具体而言：

信号产生：在1-信号发生模块，由101-激光器提供光源，作为调制信号的光载波；103-光调制器(相位调制器)将104-任意波形发生器发出的电信号(DPSK)调制到光载波上，生成待传输的原始信号并传输至加密模块。

信号加密：在2-相位加密模块，原始信号依次经过201-第一相位调制器、202-第一光放大器、203-第一光耦合器、217-第二相位调制器到达传输端。其中，两个相位调制器用于对原始光信号进行任意调制从而实现相位上的加密，202-第一光放大器将原始信号进行功率放大用于后续的传输。203-第一光耦合器的输出分为两路，一条支路连接217-第二相位调制器到达传输端；另一条支路依次经过204-第一光可调延时线、205-第一光干涉仪，对信号进行相位到强度上的转换，达到初步的扰乱。接着经206-第一光环形器注入到207-第一分布式反馈激光器，由于反馈激光器的作用，进一步对信号进行扰乱，输出的信号变得混乱。最后由208-第二光耦合器再分成两路，时延设置不同，分别经过211-第一光电探测器、212-第一射频放大器以及215-第二光电探测器、216-第二射频放大器转变为电信号作为201-第一相位调制器、217-第二相位调制器的驱动信号形成前、后反馈闭环，完成对原始信号进行双重加密。

信号传输：在3-光纤传输模块，利用302-色散补偿光纤、303-光放大器分别对其色散进行补偿、功率进行放大，以满足加密信号长距离传输的需要。

信号解密：在4-相位解密模块，利用与加密部分对称的结构和匹配的硬件参数来消除加密端的加密效果，解密端的结构顺序与加密端相反。加密信号依次经过401-第三相位调制器、402-第三光耦合器、417-第四相位调制器到达信号恢复端。其中，两个相位调制器用于对加密光信号进行相位上的解密恢复。402-第三光耦合器的输出分为两路，一条支路连接417-第四相位调制器到达信号恢复端；另一条支路先经过403-第三光放大器进行功率放大以保持跟加密端同等大小的功率，然后依次经过404-第四光可调延时线、405-第二光干涉仪，对信号进行相位到强度上的转换，接着经406-第二光环形器注入到407-第二分布式反馈激光器，产生与加密端一致混乱的信号。最后由408-第二光耦合器再分成两路，时延补偿设置与加密端匹配，分别经过411-第三光电探测器、412-第三射频放大器以及415-第四光电探测器、416-第四射频放大器转变为电信号作为401-第三相位调制器、417-第四相位调制器的驱动信号形成前、后反馈闭环，完成对加密信号进行双重解密。

信号恢复：在5-信号恢复模块，解密后的信号经过501-第三光干涉仪、502-第五光电探测器进行信号转换和检测，最后在示波器上观察到原始信号。

由以上具体实例可知，本发明提出一种基于前反馈-后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信系统和方法，主要的加密部分由前、后反馈并联加密环构成。两个反馈回路共用干涉仪、分布式反馈激光器等商用器件，在极大扰乱原始信号的同时又不增加系统的复杂度，能够兼容现有的光纤网络；同时，两个反馈回路延时、射频放大系数等硬件参数不同，解密端与加密端结构必须对称、加解密顺序必须相反且加解密两端参数需准确匹配才能实现信号的恢复，这增加了系统的参数可调范围，扩大了系统的密钥空间，提高了系统的安全性和保密性。

需要说明的是，尽管上文对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的原理方法范围内的多种简化、变型均属于本发明的保护内容。

Claims (9)

1.一种基于前反馈-后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信系统和方法，其特征在于，包括以下部分：信号发生模块、相位加密模块、光纤传输模块、相位解密模块、信号恢复模块；

信号发生模块的输出端与相位加密模块的输入端连接，相位加密模块的输出端与光纤传输模块的输入端连接，光纤传输模块的输出端与相位解密模块的输入端连接，相位解密模块的输出端与信号恢复模块输入端连接；

信号发生模块产生原始信号并传输至相位加密模块，相位加密模块对原始信号进行加密后送至光纤传输，在接收端首先由相位解密模块对加密信号解密，最后由信号恢复模块恢复出原始信号。

2.根据权利要求1所述的基于前反馈-后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信系统和方法，其特征在于，所述信号发生模块包括激光器、光调制器、任意波形发生器，其中：

激光器的输出端与第一光偏振控制器的输入端相连，第一光偏振控制器的输出端与光调制器的光输入端相连，任意波形发生器的输出端与光调制器的电输入端相连，光调制器的输出端与相位加密模块的输入端相连。

3.根据权利要求2所述的基于前反馈-后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信系统和方法，其特征在于，所述相位加密模块包括第一相位调制器、第一光放大器、第一光耦合器、第一光可调延时线、第一光干涉仪、第一光环形器、第一分布式反馈激光器、第二光耦合器、第二光偏振控制器、第二光可调延时线、第一光电探测器、第一射频放大器、第三光偏振控制器、第三光可调延时线、第二光电探测器、第二射频放大器、第二相位调制器，所述部件构成前反馈-后反馈并联加密环。其中，前反馈-后反馈并联加密环共用第一光耦合器的第一条支路，由第二光耦合器的输出形成前、后反馈加密，具体来讲：

第一相位调制器的光输入端即加密模块的输入端，第一相位调制器的输出端与第一光放大器的输入端相连，第一光放大器的输出端与第一光耦合器的输入端相连；

所述第一光耦合器的输出分为两路：第一支路依次连接第一光可调延时线、第一光干涉仪、第一光环形器、第一分布式反馈激光器、第二光耦合器。第二支路依次连接第二相位调制器的光输入端以及光纤传输模块的输入端；

所述第二光耦合器分两支路输出形成前反馈、后反馈加密。前反馈部分：依次连接第三光偏振控制器、第三光可调延时线、第二光电探测器、第二射频放大器、第二相位调制器的电输入端。后反馈部分：依次连接第二光偏振控制器、第二光可调延时线、第一光电探测器、第一射频放大器、第一相位调制器的电输入端。

4.根据权利要求3所述的基于前反馈-后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信系统和方法，其特征在于，所述光纤传输模块包括单模光纤、色散补偿光纤、第二光放大器，其中：

第二相位调制器输出端与单模光纤的输入端相连，单模光纤的输出端和色散补偿光纤的输入端相连，色散补偿光纤的输出端与第二光放大器的输入端相连，第二光放大器的输出端与相位解密模块的输入端连接。

5.根据权利要求4所述的基于前反馈-后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信系统和方法，其特征在于，所述相位解密模块包括第三相位调制器、第三光耦合器、第三光放大器、第四光可调延时线、第二光干涉仪、第二光环形器、第二分布式反馈激光器、第四光耦合器、第四光偏振控制器、第五光可调延时线、第三光电探测器、第三射频放大器、第五光偏振控制器、第六光可调延时线、第四光电探测器、第四射频放大器、第四相位调制器，所述部件构成前反馈-后反馈并联解密环。其中，前反馈-后反馈并联解密环共用第三光耦合器的第一条支路，由第四光耦合器的输出形成前、后反馈解密，具体来讲：

第三相位调制器的光输入端即相位解密模块的输入端，第三相位调制器的输出端与第三光耦合器的输入端相连；

所述第三光耦合器的输出分为两路：第一支路依次连接第三光放大器、第四光可调延时线、第二光干涉仪、第二光环形器、第二分布式反馈激光器、第四光耦合器。第二支路依次连接第四相位调制器的光输入端以及信号恢复模块的输入端；

所述第四光耦合器分两支路输出形成前反馈、后反馈解密。前反馈部分：依次连接第五光偏振控制器、第六光可调延时线、第四光电探测器、第四射频放大器、第四相位调制器的电输入端。后反馈部分：依次连接第四光偏振控制器、第五光可调延时线、第三光电探测器、第三射频放大器、第三相位调制器的电输入端。

6.根据权利要求4所述的基于前反馈-后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信系统和方法，其特征在于，所述信号恢复模块包括第三光干涉仪、第五光电探测器、示波器，其中：

信号恢复模块的输入端即第三光干涉仪的输入端，第三光干涉仪的输出端与第五光电探测器的输入端相连，第五光电探测器的输出端与示波器相连。

7.根据权利要求2所述的基于前反馈-后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信系统和方法，所述激光器包括但不限于外腔半导体激光器、多波长激光器等；所述光调制器包括但不限于强度调制器、相位调制器等。

8.根据权利要求3和权利要求5所述的基于前反馈-后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信系统和方法，所述相位加密模块的前反馈加密部分和相位解密模块的前反馈解密部分对应硬件参数设置一致；所述相位加密模块的后反馈加密部分和相位解密模块的后反馈解密部分对应硬件参数设置一致。

9.基于前反馈-后反馈双环并联的相位加密硬件保密通信系统和方法，包括以下步骤：

步骤一，信号发生模块中由任意波形发生器发出电信号通过光调制器调制到光载波上生成原始信号并传输至相位加密模块；

步骤二，在相位加密模块中，原始信号首先依次经过第一相位调制器、第一光放大器、第一光耦合器，第一光耦合器将信号分为两束，其中一束依次经过第一可调延时线、第一光干涉仪、第一光环形器、第一分布式反馈激光器、第二耦合器，使其产生非线性变化后，信号变得杂乱，再由第二耦合器分成两束，分别经过光电探测器和射频放大器变成电信号作为第一相位调制器、第二相位调制器的驱动信号；第一光耦合器的另一束信号经过第二相位调制器，完成前反馈-后反馈并联加密环路的闭合，完成信号的双层加密；

步骤三，经过相位加密模块之后的加密信号由光纤传输至相位解密模块；

步骤四，相位解密模块对加密信号进行解密。解密模块需要对光功率进行放大以弥补在传输链路中的损耗，解密结构与加密端对称，硬件参数保持一致以消除前反馈-后反馈并联加密环带来的加密效果；

步骤五，解密完的信号由信号恢复模块恢复，最后通过光电探测器、示波器进行信号转换和检测。