一种基于超宽带扩频混沌载波的通信系统及通信方法与流程

本发明涉及混沌通信技术领域，特别涉及到一种基于超宽带扩频混沌载波的通信系统及通信方法。

背景技术：

近年来，随着网络社会的高速发展，网络容量及网络用户都呈现出爆炸性的增长。混沌通信技术由于其高效的物理层独立性而受到广泛的关注，但是由于其混沌激光信号的频谱能量集中于激光器的弛豫振荡频率附近，从而导致带宽受限；而混沌同步注入等效方式可以有效的解码信息，严重影响了基于混沌激光信号通信系统的保密性能。因此，提供一种保密性强的混沌信系统就很重要。

由于半导体激光器在光反馈、光注入等条件下产生的激光混沌信号具有高初值敏感性，再加上混沌激光信号独特的带宽特性，因此基于半导体激光器的混沌通信在近年来成为了光通信研究领域的一大热点。目前的大多数激光混沌通信系统均采用的半导体混沌激光器，由于其固有缺陷导致有限带宽受限及激光器时延信息泄露，因此采用如线性滤波法注入法可能会从信道上过滤出有效信息，同时还可以通过将信道中的混沌激光信号注入到一个相同的半导体激光器中实现混沌同步，利用混沌滤波效应截获信息。本发明通过将混沌半导体激光器输出的初始混沌激光信号经过扩频模块进行频谱展宽处理后作为新的载波传输，基于此，提出一种基于超宽带宽扩频混沌载波的保密通信系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的保密性低的问题。提供一种新的基于超宽带扩频混沌载波的通信系统，该基于超宽带扩频混沌载波的通信系统具有保密性高的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种基于超宽带扩频混沌载波的通信系统，所述系统包括：发送装置，接收装置，所述发送装置与接收装置通过光纤信道连接；所述接收装置包括频谱压缩模块，与频谱压缩模块连接的第一光耦合器oc1，所述第一光耦合器oc1输出为两路，一路直接连接混沌同步单元，另一路通过光电转换单元连接混沌同步单元第一连接端；所述混沌同步单元包括半导体激光器ssl，与半导体激光器ssl连接的第二光耦合器，所述第二光耦合器oc2的另一输入端连接光隔离器oi，所述第二光耦合器oc2对应位置设置有反射镜m；

所述发送装置包括混沌外腔激光器，与混沌外腔激光器连接的mz调制器，与mz调制器连接的扩频模块；所述混沌外腔激光器包括半导体激光器msl与半导体激光器msl连接的第三光耦合器oc3，所述第三光耦合器oc3对应位置设有反射镜m；

所述频谱压缩模块与扩频模块参数相反。

本发明的工作原理：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和高色散介质组成的扩频模块进行扩频变换，实现了发送端激光混沌信号的超宽带宽；在接收端采用频谱压缩模块进行逆变换，混沌注入锁定同步实现信号的解调，从而完成混沌通信。

上述技术方案中，为优化，进一步地，所述扩频模块包括光电相位调制器pm1及光电相位调制器pm2，与光电相位调制器pm2连接的色散介质；所述光电相位调制器pm1与第一光电相位调制器射频驱动端连接；所述光电相位调制器pm2与第二光电相位调制器射频驱动端连接；所述第一光电相位调制器射频驱动端包括串联的第一射频源及第一射频放大器amp1；所述第二光电相位调制器射频驱动端包括串联的第二射频源及第二射频放大器amp2。

进一步地，所述频谱压缩模块包括色散介质，与色散介质连接的光电相位调制器pm1及光电相位调制器pm2；所述光电相位调制器pm1与第一光电相位调制器射频驱动端连接；所述光电相位调制器pm2与第二光电相位调制器射频驱动端连接；所述第一光电相位调制器射频驱动端包括串联的第一射频源及第一射频放大器amp1；所述第二光电相位调制器射频驱动端包括串联的第二射频源及第二射频放大器amp2。

进一步地，所述频谱压缩模块与扩频模块参数相反包括：所述频谱压缩模块的色散介质色散值与扩频模块的色散值相反取负；频谱压缩模块第一射频源的相位驱动信号频率及第二射频源的相位驱动信号频率分别与扩频模块中的第一射频源的相位驱动信号频率及第二射频源的相位驱动信号频率相同；频谱压缩模块第一射频源的驱动信号电压及第二射频源的驱动信号电压分别与扩频模块中第一射频源的驱动信号电压及第二射频源的驱动信号电压相反取负。

进一步地，所述扩频模块色散介质及频谱压缩模块色散介质为高色散光纤1。

进一步地，所述光电转换单元包括第一光电探测器pd1、第二光电探测器pd2；所述第一光电探测器pd1及第二光电探测器pd2通过减法器与低通滤波器连接。

进一步地，所述光纤信道包括光纤及掺饵光纤放大器edfa；所述掺饵光纤放大器edfa用于放大以补偿信号损耗。

本发明还提供一种基于超宽带扩频混沌载波的通信系统的通信方法，包括：

(1)混沌外腔激光器产生初始混沌激光信号x(t)，对所述初始混沌激光信号x(t)进行调制、扩频变换：半导体激光器msl输出连续激光信号，经第三光耦合器oc3分成两路，一路为输出信号，一路经反射镜m反射回到半导体激光器msl中形成光反馈；

(2)光纤信道传输，经光纤链路进行输出，并在链路中对损耗光信号采用掺铒光纤放大器进行放大；

(3)接收装置对光纤信道传输的信号进行频谱压缩及信号恢复：接收装置的频谱压缩模块对接收到的混沌信号逆变换进行信号恢复，经过第一光耦合器oc1分成两路；一路经第一光电探测器pd1转换成电信号用于信号恢复；另一路经光隔离器io进入到半导体激光器ssl，经反射镜m形成反馈回路，完成混沌信号同步；同步后的混沌激光器输出光信号经第二光电探测器pd2转换为电信号用于信号恢复；接收装置将系统中两路经pd转换后用于信号恢复的电信号经减法器得到解调信号m'(t)。

本发明中第一射频源和第二射频源产生的两个不同频率的余弦电信号，输入至射频放大器amp，射频放大器amp对余弦信号进行放大后作为调制信号，对输入至级联的第一电光相位调制器pm1、第二电光相位调制器pm2的混沌光信号进行调制，最后将调制后的信号输入至色散介质，经过色散介质处理后完成扩频变换。经发送装置的扩频模块处理后的光信号，输入光纤信道传输并进行光放大补偿信道损耗后，经过接收端频谱压缩模块进行一次逆变换，接收端的色散介质色散值设置与发送端的扩频模块中的色散值相反取负；接收端相位驱动信号频率设置与发送端扩频模块中的驱动信号频率相同；接收端电压设置与发送端的扩频模块中的驱动信号电压相反取负。经过频谱压缩模块的变换作用后恢复出的混沌信号分成两路，一路注入接收端的具有相同参数的混沌激光器实现混沌同步；一路与接收端同步后的混沌激光输出经光电转换后共同用于解调出初始信息。

发送模块工作包括以下步骤：

(1)获取初始混沌激光信号x(t)；

半导体激光器msl输出连续激光信号，经第三光耦合器oc3分成两路，一路为输出信号，一路经反射镜m反射回到半导体激光器msl中形成光反馈，此时，半导体激光器输出初始混沌激光信号x(t)，将传输的信息m(t)为二进制序列通过mz调制器调制到混沌载波上，此时带有传输信息的光信号为x'(t)。

(2)利用相位调制器对信号时域包络x'(t)进行相位调制，设光电相位调制器的传递函数为：

hpm(t)＝exp[ikp1cos(ω1t)+ikp2cos(ω2t)]

其中，kp1,kp2为调制系数，ω1和ω2表示调幅驱动信号的两个余弦成分各自的角频率；

利用相位调制器对信号时域包络x'(t)进行处理后的信号为：

xp(t)＝x'(t)·hpm(t)

(3)将混将信号xp(t)经过色散介质，完成激光混沌信号的扩频变换当忽略高阶次的色散时，光纤的频域传递函数表达式为：

其中，λ0为信号波长，c为真空中的光传播速度，d为色散介质色散系数；i表示虚部；

将光纤的频域传递函数变换到时域的表达式为：

其中，f^-1代表反傅里叶变换，c'是和β2z有关的常系数，z为光纤长度；

当信号xp(t)经过色散介质时，将信号xp(t)与色散介质传递函数作卷积得，扩频变换后输出信号

xout(t)＝xp(t)*hd(t)

其中，*表示信号卷积；

光纤传输信道工作包括以下步骤：将步骤一的扩频输出混沌光信号经光纤链路进行传输，并在链路中对损耗光信号采用掺铒光纤放大器进行放大以补偿信号损耗。

接收模块工作包括以下步骤：

(1)接收到的光信号先经过频谱压缩模块进行逆变换，频谱压缩模块的结构与发射模块的扩频模块组成相同，不同的是器件顺序、光纤参数及驱动信号参数，逆变换得到的信号为x'rec(t)；

(2)将光信号x'rec(t)经第1耦合器oc1分成两路，一路经第一光电探测器pd1转换为电信号用于信号恢复；另一路经光隔离器io进入到从激光器ssl；

(3)进半导体激光器ssl的激光混沌信号经过耦合器分成两路，一路经反射镜m在激光器中形成反馈；另一路作为半导体激光器ssl的输出，输出的光信号经第二光电探测器pd2转换成电信号用于信号恢复；

(4)将步骤(1)及步骤(3)经光电探测器pd转换后的电信号经减法器得到解调信号m'(t)。

本发明的有益效果：

效果一，不改变传统混沌通信系统结构，在混沌激光器的腔外设置一个扩频模块，对混沌激光信号进行频谱展宽及频谱压缩，实现简单；

效果二，超大有效带宽；初始混沌信号经过扩频变换后，频谱有效带宽得到了极大的提高，达到了70ghz以上；

效果三，平坦度好；初始混沌信号经过扩频变换后，扩频变换后的频谱平坦度得到了极大的提高；

效果四，保密性高，信道中传输的混沌信号经过扩频变换，线性滤波法和混沌同步攻击法等解码方式获取信号的措施，误码率极高；只有在各模块参数完全相同的条件下，才能有效的恢复出初始信息。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一种基于超宽带扩频混沌载波的通信系统的原理图；

图2是本发明中扩频模块结构图；

图3是本发明中频谱压缩模块结构图

图4是初始混沌激光信号的时域波形图；

图5是初始混沌激光信号的频域波形图；

图6是扩频变换后混沌激光信号的时域波形图；

图7是扩频变换后混沌激光信号的频域波形图；

图8是发送端初始信号示意图；

图9是接收方解调信号示意图；

图10是接收方接收信号眼图；

图11直接滤波法解调出的信号；

图12直接滤波法解调信号眼图；

图13混沌同步法解调出的信号；

图14混沌同步发解调信号眼图；

图15合法通信和非法通信的品质因数q随信息比特率的变化。

附图中，

1-高色散光纤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种基于超宽带扩频混沌载波的通信系统，如图1，所述系统包括：发送装置，接收装置，所述发送装置与接收装置通过光纤信道连接；所述接收装置包括频谱压缩模块，与频谱压缩模块连接的第一光耦合器oc1，所述第一光耦合器oc1输出为两路，一路直接连接混沌同步单元，另一路通过光电转换单元连接混沌同步单元第一连接端；所述混沌同步单元包括半导体激光器ssl，与半导体激光器ssl连接的第二光耦合器，所述第二光耦合器oc2的另一输入端连接光隔离器oi，所述第二光耦合器oc2对应位置设置有反射镜m；

所述发送装置包括混沌外腔激光器，与混沌外腔激光器连接的mz调制器，与mz调制器连接的扩频模块；所述混沌外腔激光器包括半导体激光器msl与半导体激光器msl连接的第三光耦合器oc3，所述第三光耦合器oc3对应位置设有反射镜m；

所述频谱压缩模块与扩频模块参数相反。

本发明的工作原理：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和高色散介质组成的扩频模块进行扩频变换，实现了发送端激光混沌信号的超宽带宽；在接收端采用频谱压缩模块进行逆变换，混沌注入锁定同步实现信号的解调，从而完成混沌通信。

上述技术方案中，为优化，进一步地，所述扩频模块包括光电相位调制器pm1及光电相位调制器pm2，与光电相位调制器pm2连接的色散介质；所述光电相位调制器pm1与第一光电相位调制器射频驱动端连接；所述光电相位调制器pm2与第二光电相位调制器射频驱动端连接；所述第一光电相位调制器射频驱动端包括串联的第一射频源及第一射频放大器amp1；所述第二光电相位调制器射频驱动端包括串联的第二射频源及第二射频放大器amp2。

具体地，所述频谱压缩模块包括色散介质，与色散介质连接的光电相位调制器pm1及光电相位调制器pm2；所述光电相位调制器pm1与第一光电相位调制器射频驱动端连接；所述光电相位调制器pm2与第二光电相位调制器射频驱动端连接；所述第一光电相位调制器射频驱动端包括串联的第一射频源及第一射频放大器amp1；所述第二光电相位调制器射频驱动端包括串联的第二射频源及第二射频放大器amp2。

具体地，所述频谱压缩模块与扩频模块参数相反包括：所述频谱压缩模块的色散介质色散值与扩频模块的色散值相反取负；频谱压缩模块第一射频源的相位驱动信号频率及第二射频源的相位驱动信号频率分别与扩频模块中的第一射频源的相位驱动信号频率及第二射频源的相位驱动信号频率相同；频谱压缩模块第一射频源的驱动信号电压及第二射频源的驱动信号电压分别与扩频模块中第一射频源的驱动信号电压及第二射频源的驱动信号电压相反取负。

具体地，所述扩频模块色散介质及频谱压缩模块色散介质为高色散光纤1。

具体地，所述光电转换单元包括第一光电探测器pd1、第二光电探测器pd2；所述第一光电探测器pd1及第二光电探测器pd2通过减法器与低通滤波器连接。

具体地，所述光纤信道包括光纤及掺饵光纤放大器edfa；所述掺饵光纤放大器edfa用于放大以补偿信号损耗。

具体地，所述光纤为高色散光纤1。

在本实施例中，发射装置的扩频模块中第一光电相位调制器pm1及第二光电相位调制器pm2的相移峰值范围为[0，2π]，驱动信号数值1代表相位π，0对应0相位，对经过第一段光纤的混沌激光信号进行二次相位调制；色散介质为高色散光纤1，长度lt为：1km，色散值为dt：2×10^-4s^-1m²，经过第一光电相位调制器pm1及第二光电相位调制器pm2调制后的光信号进行频域相位调制；

其中，接收模块包括从半导体激光器ssl；扩频模块；光电探测器pd及减法器，用于混沌信号解调恢复；

半导体激光器msl产生连续激光，并输入至第三光耦合器oc3。第三光耦合器oc3将输入的连续光信号分成两路，一路作为激光输出，一路反馈至半导体激光器msl，通过半导体激光器msl输出初始混沌激光信号。初始混沌激光信号作为载波，通过mz调制器调制上有效信号，输出调制后的混沌激光信号；

经过色散光纤作用后，混沌信号频谱被施加了一个相反的相移。接收装置中的频谱压缩模块的两个光电相位调制器的相移峰值为[-2π,0]，对经过高色散光纤1作用后的混沌激光信号进行相反的相位调制。

本实施例还提供一种基于超宽带扩频混沌载波的通信系统的通信方法，包括：

(1)混沌外腔激光器产生初始混沌激光信号x(t)，对所述初始混沌激光信号x(t)进行调制、扩频变换：半导体激光器msl输出连续激光信号，经第三光耦合器oc3分成两路，一路为输出信号，一路经反射镜m反射回到半导体激光器msl中形成光反馈；

(2)光纤信道传输，经光纤链路进行输出，并在链路中对损耗光信号采用掺铒光纤放大器进行放大；

(3)接收装置对光纤信道传输的信号进行频谱压缩及信号恢复：接收装置的频谱压缩模块对接收到的混沌信号逆变换进行信号恢复，经过第一光耦合器oc1分成两路；一路经第一光电探测器pd1转换成电信号用于信号恢复；另一路经光隔离器io进入到半导体激光器ssl，经反射镜m形成反馈回路，完成混沌信号同步；同步后的混沌激光器输出光信号经第二光电探测器pd2转换为电信号用于信号恢复；接收装置将系统中两路经pd转换后用于信号恢复的电信号经减法器得到解调信号m'(t)。

在本实施例中，初始混沌激光信号在5ns内的时域波形图如图4所示；初始混沌激光信号频谱波形图如图5所示。此时，混沌频谱陡峭并且在初始短暂上升后急剧下降，导致有效带宽受限，初始混沌激光信号有效带宽为6.8ghz。

将初始混沌信号x(t)调制上信息后得到信号x'(t)输入扩频模块，扩频模块结构如图2所示。利用相位调制器对信号时域包络x'(t)进行处理；信号xp(t)经过色散介质，完成混沌信号扩频变换。

接收装置频谱压缩模块如图3所示，与发送装置的扩频模块参数设置满足正逆变换的情况下，接收端的频谱压缩模块对接收到的混沌信号逆变换进行信号恢复，并经过第一光耦合器oc1分成两路；一路经第一光电探测器pd1转换成电信号用于信号恢复；另一路经光隔离器io进入到从激光器ssl；经反射镜m形成反馈回路；同步后的混沌激光器输出光信号经第二光电探测器pd2转换为电信号用于信号恢复；如图1，在接收端将系统中两路经pd转换后用于信号恢复的电信号经减法器得到解调信号m'(t)。

图6是扩频变换后混沌激光信号的时域波形图。通过对扩频变换后混沌激光信号在5ns内的时域波形图，与图4相比较，5ns内的混沌时域波形已经变得密集。

图7是扩频变换后混沌激光信号的频域波形图。与图5相比较，此时频谱被拉直成平坦频谱，有效带宽达到70ghz。

图8是初始传输信息，为二进制比特序列；图9接收方解调信号；图10接收方接收信号眼图；图11直接滤波法解调出的信号；图12是直接滤波法解调信号眼图；图13混沌同步法解调出的信号；图14混沌同步发解调信号眼图；图15合法通信和非法通信的品质因数q随信息比特率的变化。

对比图8、图9、图10可知，在传输速率为2.5gbit/s时，信号可以得到有效恢复，品质因数q为8.06，对应误码率为～10^-16；如图11、图13所示，解调出信号波形与初始信号波形已产生了巨大的差异，直接滤波法的品质因数q为1.52，对应误码率为～10^-1，图12及图14中的眼图已完全不能分辨；如果采用与发送端相同的激光器在不知道频谱压缩模块参数的情况下进行混沌同步法解码，解调后的品质因数q甚至达到了0.51，对应误码率为～10^-1，解调恢复信号如图13、图14所示，效果相比直接滤波法来说更加劣化，眼图同样完全不能分辨；在传输速率为5gbit/s时传输误码率为～10^-4，对于非法解调方来说，直接滤波法的品质因数q为0.42，对应误码为0.31，即使采用与发送端相同的激光器在不知道变化的情况下进行混沌同步法解码，解调后的品质因数q为0.27，误码率为～10^-1。图15给出了信道上合法接收的误比特率品质因数q和非法解码信息的品质因数q随信息速率的变化规律。

除了信息速率不断变化外，其他参数保持不变。可以看出，本发明中解码信息的误比特率比正常通信高出很多，并且在一定高速率的情况下，解码的误码率一直在0.5附近，而合法接收这仍然能够以较低的误码率获取信息，都说明了本发明显著增强了信息的保密性。

尽管上面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能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。