本發(fā)明涉及光電和光纖通信領(lǐng)域，更為具體的講，涉及一種基于fpga非線性模塊的光電反饋相位混沌系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)和業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，社會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、速率和容量的需求呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。光纖通信憑借其大帶寬、高傳輸速率和低信號(hào)衰減等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，逐漸成為當(dāng)今最主要的通信方式。尤其是在全光網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推動(dòng)下，光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步具備了透明性、分組化和柵格化等優(yōu)勢(shì)。

2、然而，隨著竊聽和破壞技術(shù)及設(shè)備的不斷進(jìn)步，以及光網(wǎng)絡(luò)遭受攻擊的事件頻繁報(bào)道，光網(wǎng)絡(luò)的安全問題愈發(fā)重要。在現(xiàn)有的光安全通信方案中，混沌加密通信因其有效提高光網(wǎng)絡(luò)安全性的特點(diǎn)，受到廣泛研究者的青睞?；煦缂す饩哂蓄愒肼曁匦浴?duì)初值高度敏感、非周期性以及難以預(yù)測(cè)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，已在保密通信、高速物理隨機(jī)數(shù)生成及激光測(cè)距等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用潛力。作為一種有效的物理層信息安全策略，混沌保密通信通過光域加密技術(shù)，將數(shù)據(jù)信號(hào)掩埋于寬帶類噪聲信號(hào)中，從而實(shí)現(xiàn)信息的保密傳輸。

3、傳統(tǒng)的光電反饋結(jié)構(gòu)(oeo)產(chǎn)生混沌信號(hào)對(duì)信息進(jìn)行保密傳輸由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)內(nèi)非線性簡(jiǎn)單，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法可以得到其時(shí)延特征進(jìn)而可對(duì)原oeo系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)恢復(fù)消息。

4、fpga作為一種超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?，它所實(shí)現(xiàn)的功能由用戶通過編程語言來進(jìn)行自定義設(shè)計(jì)，并且內(nèi)部集成了大量的算法實(shí)現(xiàn)所需要的運(yùn)算單元。使用fpga設(shè)計(jì)數(shù)字域非線性變換電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電信號(hào)的非線性運(yùn)算(如乘積或卷積)，并開發(fā)多種非線性擾碼模塊，構(gòu)建動(dòng)態(tài)硬件加密結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的安全性和靈活性，是提高光電反饋混沌生成系統(tǒng)的復(fù)雜性的可行方案。本發(fā)明提出了一種基于fpga實(shí)現(xiàn)的電域擾碼加密結(jié)構(gòu)，將電域非線性變換集成到fpga中，實(shí)現(xiàn)物理層可調(diào)擾碼模塊的安全加密設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)混沌系統(tǒng)的復(fù)雜度和結(jié)構(gòu)安全性，同時(shí)提高加密反饋機(jī)制的魯棒性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)上述問題，提出了一種基于fpga非線性模塊的光電反饋相位混沌系統(tǒng)，通過在傳統(tǒng)光電反饋相位混沌結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入電域非線性變化，以增強(qiáng)混沌系統(tǒng)的復(fù)雜度和結(jié)構(gòu)安全性，同時(shí)提高加密反饋機(jī)制的魯棒性。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：一種基于fpga非線性模塊的光電反饋相位混沌系統(tǒng)，其特征在于，包括以下部分，1-驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊，2-信號(hào)加密模塊，3-光纖傳輸模塊，4-信號(hào)解密模塊，5-信號(hào)檢測(cè)模塊。

3、驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生模塊生成待加密的光信號(hào)并將光信號(hào)發(fā)送給信號(hào)加密模塊，加密模塊中第一相位調(diào)制器將信號(hào)分成兩部分，一部分用于安全傳輸，另一部分由第一馬赫-曾德爾干涉儀產(chǎn)生兩路低相關(guān)的光信號(hào)，這兩路光信號(hào)分別經(jīng)過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再進(jìn)入第一fpga非線性模塊進(jìn)行復(fù)雜的非線性擾亂生成混沌電信號(hào),以用來作為第一相位調(diào)制器的射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)。最終，在第一相位調(diào)制器的輸出端,生成一個(gè)幅度恒定、相位上表現(xiàn)為混沌的信號(hào)。生成的光信號(hào)經(jīng)過光纖傳輸模塊發(fā)送到信號(hào)解密模塊。

4、信號(hào)解密模塊通過反饋環(huán)相位結(jié)構(gòu)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行相位解密，接收到的信號(hào)被分成兩個(gè)對(duì)應(yīng)的部分。一部分通過第二相位調(diào)制器進(jìn)行解密，而另一部分則通過與加密支路對(duì)稱的解密結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)同步。解密結(jié)構(gòu)其參數(shù)設(shè)置與加密端相同，因此可以產(chǎn)生與加密端同步的、類似隨機(jī)的光信號(hào)，恢復(fù)混沌同步，產(chǎn)生解密信號(hào)。

5、最后，解密信號(hào)與本振信號(hào)一同輸入相干接收機(jī)進(jìn)行解調(diào)，解密信號(hào)被數(shù)字示波器接收，并通過離線數(shù)字信號(hào)處理恢復(fù)出原始消息。

6、其中，1-驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

7、包括：101-第一連續(xù)波半導(dǎo)體激光器、102-iq調(diào)制器、103-任意波形發(fā)生器。

8、各模塊的連接關(guān)系如下：

9、101-連續(xù)波半導(dǎo)體激光器的輸出端與102-iq調(diào)制器的輸入端相連接，所述103-任意波形發(fā)生器的輸出端與102-iq調(diào)制器的另一輸入端相連接，所述103-任意波形發(fā)生器生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)102-iq調(diào)制器產(chǎn)生強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)。

10、2-信號(hào)加密模塊采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

11、包括：201-第一相位調(diào)制器、202-第一光纖耦合器、203-第一可調(diào)光纖延時(shí)線、204-第一馬赫-曾德爾干涉儀、205-第一光電探測(cè)器、206-第一fpga非線性變化模塊、207-第一射頻放大器。

12、各模塊的連接關(guān)系如下：

13、201-第一光相位調(diào)制器的輸入端與102-iq調(diào)制器的輸出端連接，201-第一光相位調(diào)制器的輸出端與202-第一光纖耦合器的輸入端連接，202-第一光纖耦合器的一個(gè)輸出端與203-第一可調(diào)光纖延時(shí)線的輸入端連接，203-第一可調(diào)光纖延時(shí)線的輸出端與204-第一馬赫-曾德爾干涉儀的輸入端連接，204-第一馬赫-曾德爾干涉儀的輸出端與205-第一光電探測(cè)器的輸入端連接，205-第一光電探測(cè)器的輸出端與206-第一非線性變化模塊的輸入端連接，206-第一fpga非線性變化模塊的輸出端與207-第一射頻放大器的輸入端連接，放大后輸出的電信號(hào)作為201-第一光相位調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)信息進(jìn)行加密的功能。

14、3-光纖傳輸模塊采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

15、包括：301-單模光纖、302-色散補(bǔ)償光纖、303-摻鉺光纖放大器。

16、各模塊的連接關(guān)系如下：

17、202-第一光纖耦合器的另一個(gè)輸出端與301-單模光纖的輸入端連接，301-模光纖的輸出端與302-色散補(bǔ)償光纖的輸入端連接，302-色散補(bǔ)償光纖的輸出端與303-摻鉺光纖放大器的輸入端連接。

18、4-信號(hào)解密模塊采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

19、包括：401-第二光纖耦合器、402-第二相位調(diào)制器、403-第二可調(diào)光纖延時(shí)線、404-第二馬赫-曾德爾干涉儀、405-第二光電探測(cè)器、406-第二fpga非線性變化模塊、407-第二射頻放大器。

20、各模塊的連接關(guān)系如下：

21、303-摻鉺光纖放大器的輸出端與401-第二光纖耦合器的輸入端連接，401-第二光纖耦合器的一個(gè)輸出端與403-第二可調(diào)光纖延時(shí)線的輸入端連接，403-第二可調(diào)光纖延時(shí)線的輸出端與404-第二馬赫-曾德爾干涉儀的輸入端連接，404-第二馬赫-曾德爾干涉儀的輸出端與405-第二光電探測(cè)器的輸入端連接，405-第二光電探測(cè)器的輸出端與406-第二非線性變化模塊的輸入端連接，406-第二fpga非線性變化模塊的輸出端與407-第二射頻放大器的輸入端連接，放大后輸出的電信號(hào)作為402-第二光相位調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)信息進(jìn)行解密的功能。

22、5-信號(hào)檢測(cè)模塊采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

23、包括：501-相干接收機(jī)、502-第二連續(xù)波半導(dǎo)體激光器、503-數(shù)字示波器、504-離線處理模塊。

24、各模塊的連接關(guān)系如下：

25、402-第二光相位調(diào)制器的輸出端與501-相干接收機(jī)的一個(gè)輸入端連接，502-第二連續(xù)波半導(dǎo)體激光器的輸出端與501-相干接收機(jī)的另一個(gè)輸入端相連接，501-相干接收機(jī)的輸出端與503-數(shù)字示波器的輸入端連接，503-數(shù)字示波器的輸出端與504-離線處理模塊的輸入端連接。

26、本技術(shù)方案，首先原始消息通過任意波形發(fā)生器發(fā)送，并經(jīng)過iq調(diào)制器調(diào)制到連續(xù)波激光器輸出的光載波上。帶有信息的光載波隨后進(jìn)入設(shè)計(jì)好的光電反饋電域非線性變換加密部分，在相位上進(jìn)行擾亂，最終通過相位調(diào)制器輸出加密信號(hào)。加密信號(hào)經(jīng)過傳輸鏈路傳輸至接收端，首先通過與加密端硬件參數(shù)匹配的解密光電反饋環(huán)進(jìn)行相位解密。然后，與本振信號(hào)一同輸入相干接收機(jī)進(jìn)行解調(diào)，解密信號(hào)被數(shù)據(jù)示波器接收，并通過離線數(shù)字信號(hào)處理恢復(fù)出原始消息。方案在驗(yàn)證了環(huán)內(nèi)引入電域模擬相乘非線性變化的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了基于fpga實(shí)現(xiàn)電域非線性變換電路的擾碼模塊,fpga模塊對(duì)輸入的電信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的非線性擾亂，不僅確保了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全性，還增強(qiáng)了混沌信號(hào)的復(fù)雜性，從而提升了整套混沌保密系統(tǒng)的魯棒性。