（通信与信息系统专业论文）光纤环状激光器和偏振位移键控在光混沌通信中应用的研究.pdf

上海人学硕十学位论文 摘要 本论文致力于混沌保密光通信技术的理论研究和仿真实验。一方面深入研 究基于半导体光放大器( s o a ) 的光纤环状激光器的工作原理及其主要特性， 建立一种基于s o a 环状激光器的混沌通信系统；另一方面，对偏振移位键控 ( p o l s k ) 技术的应用进行深入的研究，力求一种能应用于混沌保密通信系统 中的新方案。 第一章将对混沌的概念，混沌保密通信的发展背景，以及混沌通信的几种 主要技术进行介绍。同时对混沌通信今后发展动态进行展望，并将介绍本论文 各章主要内容。 第二章，将从理论方面对混沌、混沌保密通信进行详细分析，并详细说明 混沌保密通信中用到的四种技术的工作原理。 第三章，对半导体光放大器( s o a ) 的基本工作原理进行分析，包括s o a 的带宽、增益饱和、放大器的噪声，并精确研究s o a 的动态特性，总结s o a 的线性以及非线性应用，最后讨论基于s o a 的光纤环状激光器的工作原理。 第四章，首先介绍偏振移位键控( p o l s k ) 技术基本工作原理，对其主要 特性进行研究。其次进一步讨论目前几种主要的p o l s k 系统工作原理，并对它 们的技术特点分别进行介绍。最后提出一种基于4 - p o l s k 调制技术的光通信系 统，并给出仿真结果。 第五章，对采用p o l s k 调制技术和混沌光学系统相结合的混沌保密光传输 系统从理论和实验研究进行汇报。该研究采用一个基于s o a 的光纤环状激光器 作为混沌信号发射系统，利用s o a 本身的互相位调制机理，通过信号光的输入 来控制光纤环中传播光束的相位，以达到将传输信息调制到混沌信号的偏振态 上。在实验上对实验系统性能进行测试，给出一个采用比特率为6 3 0 m b i t s ， 距离为5 公里的混沌光传输实验结果。其次，对该实验中用到的高速减法器进 行硬件设计，及性能测试。最后，用v p i 仿真软件对基于s o a 光环状激光器进 行了仿真。 最后总结全文。 关键词：半导体光放大器( s o a ) ，偏振移位键控( p o l s k ) ，混沌保密光 通信，光纤环状激光器 上海人学硕十学位论文 a b s t r a c t a ni n - d e p t ht h e o r e t i c a la n de x p er i m e n t a ls t u d yo nc h a o ss e c ur e o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e si sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s o nt h e o n eh a n d ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i b e rr i n gb a s e do ns e m i c o n d u c t o r o p t i c a la n = i p l i f i e r ( s o a ) i si n t r o d u c e d ，w h i c hw o u l db e 。u s e d i nt h e c h a o t i co p t i c a lc o m m u n i c a t i o n o nt h eo t h erh a n d ，t h eb a s i cp r i n c i p l e o ft h ep o l a r i z a t i o n s h i f tk e y i n g ( p o l s k ) t e c h n o l o g yi sd e s c r i b e d 。w h i c h w o u l da l s ob eu s e di no urc h a o t i co p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h er ea r ef i v ec h a p t e r si nt h i st h e s i s t h ef ir s tc h a p t e ri sa ni n t r o d u c t i o np a r t t h eb a c k g r o u n d a n dt h ed e v e l o p i n go ft h ec h a o t i co p t i c a lc o m m u n i c a t i o n d e s c r i b e di nt h i sc h a p t e r s t a t u s ， w i | ib e t h es e c o n dc h a p t e rd e m o n s t r a t e st h en o t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co f c h a o s d e t a i l e di n t r o d u c t i o n sw i l lb eg i v e nt os e v e r a lt e c h n o l o g i e si n c h a o ss e c u r ec o m m u n i c a t i o n s ，s u c ha sc h a o sm a s k i n g ，c h a o t i cs h i f t k e y i n ga n dc h a o sp a r a m e t e rm o d u l a t i o n nt h et h i r dc h a p t e r ，f i r s tit h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fs o aa n di t s a p p l i c a t i o n sw i l l b ea n a l y z e d ，a n dt h e nt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo f s o a - b a s e df i b e rr i n gl a s e rw i l lb ed i s c u s s e d t h ef o ur t hc h a p t e ri nt h i sp a p erw i l l g i v e a ni n t r o d u c t i o no f p r i n c i p l e so ft h ep o l s km o d u l a t i o n t w ok i n d so ft h ep o l s km o d u l a t i o n t e c h n o l o g i e sw i l lb ei n t r o d u c e d a no p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i t h 4 - p o l s km o d u l a t i o nm e t h o di sp r o p o s e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti s d e m o n s t r a t e d t h ef i f t hc h a p t e rw i l ld i s c u s sat e c h n o l o g yt h a tc o m b i n e sp o i s k m o d u l a t i o na n dc h a o so p t i c a ls y s t e mt or e a l i z ec h a o ss e c ur eo p t i c a c o m m u n i c a t i o n i nt h i st e c h n o l o g y 。as o a - b a s e df i b e rr i n gl a s era st h e i i i 上海人学硕+ 学位论文 t r a n s m i t t e ri sb u i l tt og e n er a t et h ec h a o sc a r r i e rw i t hd y n a m i c a l l y f l u c t u a t i n gs t a t e so fl i g h tp o l a r i z a t i o n t h ep r i n c i p l e sa n ds o m eb a s i c p e r f o r m a n c e so ft h ee x p er i m e n t a ls y s t e ma r ei l l u s t r a t e d m e a n w h i l e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o rc h a o t i c a l l yt r a n s m i t t i n gw i t hab i tr a t eo f 6 3 0m b i t sa n dat r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo f5 k ma r ep r e s e n t e d a n d t h e n ，1w i l lu s ep r o t e lt od e s i g no n ep c bo ft h eh i g h s p e e ds u b t r a c t o r a n di t st e s tr e s u l t sw i l lb eg i v e n f i n a l l y ，as i m u l a t e d s t u d yo f s o a b a s e df i b e rr i n gw i t ht h ev p is o f t w a r ew i l lb er e p o r t e d k e y w o r d s ：s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ( s o a ) ，p o l a r i z a t i o n - s h i f t k e y i n g ( p o l s k ) ，c h a o ss e c u r e c o m m u n i c a t i o n ，f i b e rr i n g a s er v 第一章绪论 1 1 引言 信息传输在当今社会中占据重要地位，通信技术被称之为世界经济和军事的 生命线。而通信中的核心技术之一就是保密技术。从远古的恺撤密码，著名的维 几利亚密码，直到现代数据加密标准( d e s ) 、公开密钥算法( r s a ) 及先进密 码标准( a e s ) ，加密方法几乎无一例外地用于离散值信息加密。随着香农理论 的建立，加密方法已成为一种现代科学，它是当今现代传统通信在用的所有密码 的信息理论基础。目前，量子加密技术成为加密技术的一个突破点，但是这种方 法不适合于整个信息的加密。近年来混沌加密技术成为研究的热点，而利用混沌 实现保密通信成为混沌的重要应用领域。首先就是以研究对模拟信息加密而开始 的，目前这个新兴技术的研究从实际应用角度，我们把它分类为三种最主要方式： 模一模通信、模一数一模通信和数一数通信形式。 19 9 0 年，美国海军实验室的两位学者佩科拉( p e c o r r a ) 和卡罗尔( c a r r o l l ) 首先应用电路试验实现了混沌同步，并提出了利用混沌同步进行保密通信及信息 处理的实验方案，开始了混沌通信三大技术的研究，即混沌掩盖、混沌键控、混 沌调制。它们最初基本上都属于模一模通信，在实用上存在一定的困难，混沌键 控具有一定的发展前景。为了便于控制混沌，人们后来研究了模一数一模的混沌 掩盖和混沌调制技术，而最近的研究表明，数一数的混沌保密通信更具实用价值。 现在利用混沌进行保密通信的主要途径有计算机网络、电路系统、激光系统、神 经网络系统等，其中以电路系统研究得最多和比较成熟。由于混沌通信具有保密 性强、高容量的动态存储能力、低功率和低观察性以及设备低成本等特性，因此， 混沌保密通信是一个在21 世纪大有发展前景的极富挑战性的高新科技领域。 本章首先就什么是混沌这一物理概念进行一些简要说明，然后简单介绍混沌 保密通信的几种主要技术。接着，对混沌通信技术的发展进行展望。最后对本文 的内容安排和主要贡献作一些说明。 上海人学硕十学位论文 1 2 混沌理论 混沌【2 1 是非线性系统所独有且广泛存在的一种非周期运动形式，其覆盖面 涉及到自然科学和社会科学的几乎每一个分支。混沌运动的早期研究可以追溯到 19 6 3 年美国气象学家l o r e n z 对两无限平面问的大气湍流的模拟【3 】。在用计算机 求解的过程中，l o r e n z 发现当方程中的参数取适当值时，解是非周期的且具有 随机性，即由确定性方程可得出随机性的结果，这与几百年来统治人们思想的拉 普拉斯确定论相违背( 确定性方程得出确定性结果) 。随后，h e n o n 和r o s s i e r 等也得到类似结论5 】。r u e l l e ，m a y ，f e i g e n b a u m 等对这类随机运动的特性 进行了进一步研究7 1 ，从而开创了混沌这一新的研究方向。近二三十年来，近 似方法、非线性微分方程的数值积分法，特别是计算机技术的飞速发展，为人们 对混沌的深入研究提供了可能，混沌理论研究取得的可喜成果也使人们能够更加 全面透彻地认识、理解和应用混沌。 混沌系统是一种高度复杂的非线性动态系统。具有对初始条件和混沌参数非 常敏感以及生成的混沌序列具有非周期性和伪随机性的特性。2 0 世纪6 0 年代人 们发现有一些系统，虽然描述它们的方程是确定的，但系统对初值有极强的敏感 性，即初值有极微小的变化，将引起系统后来不可预测的改变。从物理上看，运 动似乎是随机的。这种对初值的敏感性，或者说确定性系统内在的随机性就是混 沌。 混沌的基本概念和基本性质，将在下一章中详细说明。 1 3 混沌保密通信 利用混沌实现保密通信是混沌应用研究中的一个重要课题。进入9 0 年代 后，特别是由于p e c o r a 和c a r r o l i b l i g 关于混沌系统自同步理论的提出，使得这 一课题的研究进入了高潮。由于混沌信号具有随机特性、对初始条件的敏感依 赖性和类似噪声的宽带功率谱密度，使得混沌信号很难被破译，即使窃听者知 道是混沌信号，但如果不知道电路的类型和精确的参数值( 这些信息可作为密 钥) ，也无法破译，此外，利用混沌电路实现保密通信。在用简单的电路完成基 上海人学硕十学位论文 本的加密功能的同时还使得信号的频谱得以扩展【1 0 】【1 1 】。 现在的混沌保密通信大致分为三大类：第一类是直接利用混沌进行保密通 信；第二类是利用同步的混沌进行保密通信；第三类是混沌数字编码的异步通信。 其中第二类的混沌同步通信是当前国际上研究的一大热点。迄今已经提出和发展 了同步混沌通信四大保密技术：混沌掩盖( c m a ) 、混沌键控( c s k ) 和混沌调 制( c m o ) 三种技术。此外，由于混沌信号具有宽带、类噪声、难以预测的特 点，并且对初始状态十分敏感，能产生性能良好的扩频序列，因而在混沌扩频通 信领域中有着广阔的应用前景。因此混沌扩频( c h a o ss p r e a ds p e c t r u m ) 通 信也成为保密通信的一个研究点。以上四种保密技术，除了混沌掩盖是模一模通 信，其余三种都是数字通信。围绕这四大类混沌通信体制进行理论分析、仿真和 实验研究，己成为信息科学界关注的要点之一1 12 1 6 】。 混沌掩盖技术的基本思想是在发送端利用混沌信号作为一种载体来隐藏信 号或遮掩所要传送的信息，在接收端则利用同步后的混沌信号进行去掩盖，从 而恢复出有用信息。它属于模一模通信的范畴，而下面的三种属于数字通信。 混沌调制技术的基本思想是利用发送端所传输的信号来调制混沌系统的参 数，在接收端利用混沌同步信号提取出相应的混沌系统参数，进而恢复出所传 输的信号。 混沌键控技术的实现主要可分两类。一种是利用所发送的数字信号调制发 送端混沌系统的参数使其在两个值中切换，信息便被编码在两个混沌吸引子中， 接收端由两个相同类型的混沌系统构成，其参数分别固定为这两个值之一。信 息发送间隔内，通过检测各混沌系统的同步误差，以判决出所发送信息。另一 种实现方式是差分混沌键控技术。它将发射的每一个信息比特的时间间隔分成 两段：第一段传送参考信号，第二段传输数字信号( 信息) 。也就是在每个信息 发送间隔内增加参考信息，该参考信息取决于所发送的数字信号，然后利用该 信号实现相关解调，从而在接收端恢复出所传输的信号。 混沌扩频有三种主要方式：直接序列扩频、跳频序列扩频和混合扩频方式 上海人学硕l 学位论文 其关键是利用混沌的宽带、类噪声、难干预测以及对初始条件的敏感特性等可以 产生良好性能的扩频序列。 1 4 混沌通信的展望 l k o c a r e v 等在国际上著名的“i e e e 电路和系统学报一i ：基本理论和应用” 2 0 0 1 年底主编出版的“在现代通信系统中混沌的应用”专刊中【17 1 ，不仅指出 目前混沌的通信系统的发展已经处于成熟状态，也可以说目前处于实质性应用的 研究阶段：而且总结了实施实际混沌通信系统的一些关键技术。在专刊中这一系 列新技术主要包括9 个方面的进展： ( 1 ) 基于混沌的调制技术。迄今文献中已经提出几种基于混沌的调制技术， 考虑了通信噪声和带宽限制等问题；已对频率调制进行了拓广，应用了动力学系 统的状态轨迹作为载波。 ( 2 ) 基于混沌相干通信的系统。国际上有几个研究小组在过去十年中为了混 沌通信目的一直重视开发混沌系统的自同步性质。例如，积极研究在相千混沌通 信中可逆系统及其稳定性理论等。c a r r o l 证明一个自混沌同步的通信系统中甚至 在信噪比很低时也能产生同步。 ( 3 ) 基于混沌的非相干通信系统。 ( 4 ) 混沌脉；中定位调制。最近几年超宽带( u w b ) 脉冲无线( | r ) 通信系统 的兴趣快速增长。因为它们简化了复杂性，而具有低功率消耗和探测窃听的概 率小等优点，把多路传播和多用户容量相结合，对于短程无线通信有特别好的应 用前景。已经应用这些概念从符号动力学到发展一种创新的u w b 脉；中无线调制方 案。 ( 5 ) 利用混沌的宽谱通信。近年来一直在应用混沌理论设计宽谱序列以增强 d s c d m a 系统的性能，从理论和实验两方面都验证了基于混沌的d s c d m a 方法。提出的频率选择方法和非频率选择通道的方法都具有极大的优越性。 ( 6 ) 混沌信号滤波。在通信系统方面一直对确定论系统中混沌信号的噪声过 b 母人学硕十学位论文 滤很感兴趣，已经提出了一些不同滤波技术，它们取决于对现有动力学系统方面 知识的掌握程度，已经提出应用嵌套空间中的局域投影来减少信号噪声，并取得 了进展。 ( 7 ) 基于混沌通信的非线性电路。混沌通信系统的未来应用的一个方向是发 展可靠的非线性电路的硬件性能，以可靠地产生和处理混沌信号。特别是，研制 有效的和可靠性好的混沌发生器是一项根本的任务。已经提出混合信号映象集成 混沌发生器用于混沌通信，该方案适合于硅集成电路。 ( 8 ) 研发混沌的光通信技术。应用激光混沌是实现混沌通信和混沌信息技术 的另一条极为重要的的途径。第一，激光混沌具有宽带谱能够加密数据。第二， 光子很难被窜改，所以具有保密性强。第三，激光器便宜，光纤作为发射器和通 信通道价格也低廉。第四，激光具有最小色散。因此，它适合于研究信息的获取、 传递、处理、存储和显示等，对信息技术领域很有吸引力，特别对通信技术和高 速信息公路方面。激光混沌及其通信技术成为该领域高科技一个新的生长点。 ( 9 ) 混沌和密码学。混沌信号具有高度不可预测性和伪随机特性，这是确定 论混沌系统最具吸引力的特性，它可以导致最新的工程方面的应用。 可见，混沌在数字通信领域至少有三个方面，即压缩、加密、调制等方面具 有诱人的应用前景。我认为，除了上述提出的混沌通信的主要技术及其进展外， 还需要强调以下进一步需要研究和解决的一些重要问题或今后值得研究的方向： ( 1 ) 混沌密码算法及其攻击性研究； ( 2 ) 混沌同步数字通信技术，需要尽可能解决精确时钟和立即同步问题； ( 3 ) 远距离混沌通信的噪声影响和通道畸变尽可能消除( 最低水平) 问题； ( 4 ) 多用户通信与抵制多路传播技术问题： ( s ) 利用混沌的无线数字通信问题； ( 6 ) 混沌广义同步通信技术的研究与应用； 上海人学硕+ 学1 ：奇：论文 ( 7 ) 混沌复杂系统及其复杂性表示的研究与应用 ( 8 ) 混沌激光通信与光纤通信技术 ( 9 ) 混沌通信理论的深入研究( 例如，改进分析和模拟技术，混沌开关通信 与宽带通信需要的符号动力学特性等) ； ( 10 )实际混沌通信应用中提出的其他关键技术。 尽管混沌保密通信和混沌信息技术还有上述一系列理论问题和关键技术有 待进一步深入研究和解决，但作为一种高新科技的生长点，将可能在未来的信息 战中具有战略意义，和其他高新技术一样，既有创新性、战略性、带动性，但是 也带有风险性。尽管混沌通信仅仅诞生12 年，目前还处于研究发展初期阶段。 但是已经初步显示了应用潜力和发展前景，因此，特别引起了发达国家的高度关 注和重视，正在加紧研制这一新兴通信技术，以适应2i 世纪的信息技术的迫切 需要。 1 5 本文的主要贡献和内容安排 在混沌应用研究中，混沌保密通信研究得最多、竞争也最为激烈，它已经 成为保密通信的一个新的发展方向。人们采用各种方法把混沌应用于保密通信。 而将混沌的同步与控制应用于保密通信，是一种动态方法。由于其处理速度和 密钥长度无关，因此这种方法计算效率很高。用这种方法加密的信息很难破译， 具有很高的保密度。尤其是它可用于实时信号处理，同时也适用于静态加密的 场合。尽管目前这项新技术的研究尚处于实验室阶段，由于它的实时性强，保 密度高，运算速度快等明显优势，己经显示出其在保密通信领域中的强大生命 力。 本论文的主要课题就是对全光混沌保密通信技术进行研究，对这一课题主要 致力于以下几方面的研究： 简要介绍混沌的基本概念，混沌运动的基本性质，以及混沌的识别 方法。对混沌在保密通信中的应用进行概括，并将详细说明四种主 上坶人学硕士学位论文 要技术：混沌掩盖技术、混沌键控技术、混沌参数调制技术和混沌 扩频技术。 对基于半导体放大器( s o a ) 的光纤环状激光器进行理论及仿真的 研究。总结其工作原理、性能及应用。 对偏振移位键控( p o l s k ) 技术进行深入全面的理论研究。总结其工 作原理，分类及应用。并建立一个4 p o l s k 通信系统的仿真平台，并 将实现该系统的调制与解调。 建立一种全光混沌保密通信的实验系统，并对此系统的工作原理、 性能、实验结果进行分析。具体的，论文将讨论一种采用p o l s k 调 制技术和混沌光学系统相结合的混沌光传输实验系统，并对实验系 统的实际性能进行测试。 因为本文主要从基于s o a 的环状激光器和偏振位移键控( p o l s k ) 两方面来 研究混沌保密通信，因此，本论文的题目就定为“光纤环状激光器和偏振位移键 控技术在光混沌通信中应用的研究”。 本论文各章节具体内容安排如下： 第一章对什么是混沌，混沌通信的概念，混沌通信的主要技术进行介绍， 对混沌通信今后的发展进行了展望，并介绍本论文的主要内容。 第二章给出混沌的基本定义，分析混沌运动的基本性质，给出几种混沌 信号的识别方法。概括了四种混沌保密通信的主要技术。 第三章对半导体光放大器( s o a ) 的基本工作原理进行分析，包括s o a 的带宽、增益饱和、放大器的噪声，并精确研究s o a 的动态特性，总结s o a 在线性和非线性方面的应用，最后将讨论基于s o a 的光纤环状激光器的工作原 理。 第四章首先介绍偏振移位键控( p o l s k ) 技术基本工作原理，对其主要 杵性进行研究。其次将进步讨论目前几种主要的p o l s k 系统，并对它的技术 7 上海人学硕十学位论文 特点进行介绍。建立一个4 p o l s k 通信系统的仿真平台，给出初步的仿真结果。 第五章对一种采用p o l s k 调制技术和混沌光学系统相结合的混沌保密光 传输系统从理论和实验上进行具体的研究。采用一个基于s o a 组成的光纤环状 激光器作为混沌信号发射系统，利用s o a 本身的互相位调制机理，通过信号光 的输入控制光纤环中传播光束的相位，达到将传输信息调制到混沌信号的偏振 态上。在实验上对系统性能进行测试，给出一个采用比特率为6 3 0 m b i t s ，距 离为5 公里的数据混沌光传输的实验结果。其次，对该实验中用到的高速减法 器进行硬件设计，及性能测试。最后，用v p i 仿真软件对基于s o a 环状激光器 进行仿真。 最后总结全文。 e 海人学硕十学位论文 参考文献 1 】刘秉正，非线性动力学与混沌基础，长春：东北师范大学出版社，1 9 9 4 。 【2 】陈予恕，非线性振动系统的分叉和混沌理论，北京：高等教育出版社，19 9 3 。 【3 l o r e n zen ，d e t e r m i n i s t i cn o n p e r i o d i cf l o w ，ja t m o s p h e r i cs c 19 6 3 ( 2 0 ) 4 】h e n o nmn ，at w od i m e n s i o n a lm a p p i n gw i t has t r a n g ea t t r a c t o r c o m m u nm a t hp h y s ，19 7 6 ，5 0 ( 1 ) 5 】r o s s l eroe ，a ne q u a t i o nf o rc o n t i n u o u sc h a o s ，p h y sl e t t ，19 7 6 ( 5 7 ) 6 】r u e l l ed ，t a k e n sf ，o nt h en a t u r eo f t u r b u l e n c e ，c o m m u nm a t hp h y s 19 7 1 ，2 0 ( 1 ) 【7 】m a yrm ，s i m p l em a t h e m a t i c a l m o d e l sw i t h v e r yc o m p l i c a t e d d y n a m i c s ，n a t ur e ，19 7 6 ( 2 6 1 ) 8 】c a r r o l ltl ，p e c o r alm ，s y n c h r o n i z i n gc h a o t i cc ir c u i t s ，i e e et r a n s o nc i r c u i t sa n ds y s t e m s 。19 9 1 ，3 8 ( 4 ) ，p p 4 5 3 - 4 5 6 9 】p e c o r alm ，c a r r o l ltl ，d r i v i n gs y s t e m sw i t hc h a o t i cs i g n a l s p h y s i c a lr e va ，19 9 1 ，4 4 ( 4 ) 。p p 2 3 7 4 2 3 8 3 10 】o p p e n h e i mav ，e ta 1 ，s i g n a lp r o c e s s i n gi nt h ec o n t e x to fc h a o t i c s i g n a l s ，i e e ep r o co fi c a s s p 9 2 ，4 ，p p 1 17 12 0 【11 】k o c a r e vl ，h a l l eks ，e c k e r tk ，e ta 1 ，e x p e r i m e n t a ld e m o n s t r a t i o n o fs e c u r ec o m m u n i c a t i o nv i ac h a o t i cs y n c h r o n i z a t i o n ，m a d a nr n ( e d ) c h u a sc ir c u i t ：ap a r a d i g mf o rc h a o s s i n g a p o r e ：w o r l d s c i e n t i f i c 19 9 3 ：3 7 1 3 7 8 12 z h a n gj ，a n dw a n gs ，ac h a o ss c h e m ef o rs e c u r ec o m m u n i c a t i o n b a s e do nn e ur a ln e t w o r k ，i e e ea p o c a s 一2 0 0 0 ，d e c 2 0 0 0 ，t i a n j i n 9 上海人学硕十学何论文 c h i n a 3 7 1 3 7 4 13 】k o hcl ，a n du s h i ot ，d i g i t a lc o m m u n i c a t i o nm e t h o db a s e do n m s v n c hr o n i z e dc h a o t i cs y s t e m s ，i e e et r a n s c a s i 。19 9 7 ， 3 8 3 3 9 0 【1 4 】凌聪，孙松庚，用于跳频码分多址的混沌跳频序列，电子学报，19 9 7 ， 2 7 ( 1 ) ：6 7 6 9 。 【15 s o b i s k idj ，t h o r pjs ，p d m a i i ：t h ef e e d b a c kk a l m a nf i l t e ra n d s i m u l t a n e o u sm u l t i p l ea c c e s so fas i n g l ec h a n n e l ，i e e et r a n s o n c a s - i ，19 9 8 ，4 5 ( 2 ) ，14 2 14 9 【16 】王宏霞，混沌技术在现代保密通信中的应用研究，电子科技大学博士学位 论文，2 0 0 2 。 【17 】k o l u m b a ng ，t h e o r e t i c a ln o i s ep e r f o r m a n c eo fc o r r e l a t o r - b a s e d c h a o t i cc o m m u n i c a t i o n ss c h e m e s ，i e e et r a n s o nc a s 21f t a a ，v o ， 1 1 1 ，1 1 0 上海人学硕十学位论文 第二章混沌保密通信 2 1 引言 自从混沌【1 1 【2 l 现象在2 0 世纪6 0 年代被气象学家l o r e n z 发现后，随着非 线性科学及混沌理论的发展，混沌科学与其它科学相互渗透，并在数学、物理、 化学、电子学、信息科学、图像处理等领域都有了广泛的应用研究。2 0 0 2 年 j u n j io h t s u b o 对混沌掩盖技术的几种方法进行了理论研究和模拟试验的分 析，证明了这种方案具有高保密性；s s i v a p r a k a s a m 研究了外部空腔激光器 二极管内的混沌同步，并得到了良好的同步性能；t i l m a n nh e i l 对外部空腔半 导体激光器采用相位通断键控来实现混沌保密通信。混沌保密通信成为国内外 的个研究热点。 本章将给出混沌的定义，并详细介绍混沌运动的基本性质，再对混沌保密通 信中用到的几种主要技术进行总结说明。 2 2 混沌理论 2 2 。1 混沌的基本概念 关于什么是混沌，目前尚无通用的严格的定义，一般认为，将不是由随机眭 外因引起的，而是由确定性方程( 内因) 直接得到的具有随机性的运动状态称为 混沌。混沌运动是确定性系统中局限于有限相空间的高度不稳定的运动。所谓轨 道高度不稳定，是指近邻的轨道随时间的发展会指数地分离。由于这种不稳定性， 系统的长时间行为会显示出某种混乱性。 吸引子是指相空间的这样的一个点集s ( 或一个子空间) ，对5 邻域的几乎 任意一点，当t 一。时所有轨迹线均趋于s ，吸引子是稳定的不动点。奇异吸引 子又称混沌吸引子，指相空间中具有分数维的吸引子的集合。该吸引集由永不重 复自身的一系列点组成，并且无论如何也不表现出任何周期性。混沌轨道就运行 在该吸引集中。 上海人学硕十学位论文 2 2 。2 混沌运动的基本性质 l o g i s t i c 映射1 3 1 1 4 是非线性方程中出现的一个能成功地进行实验数学研究的 不寻常的实例，它虽然简单却能体现出所有非线性现象的本质。l o g i s t i c 映射如 式( 2 1 ) ，最初用来描述昆虫数目的世代变化规律： + 。= f ( u ，x n ) = 肛( 1 一x 。) 一h = o ，1 ，2 ， ( 2 1 ) 其中p 为控制参量；有限差分方程( 2 1 ) 可以看作是一个动力学系统。p 值确定后， 由任意初值x 0 o ，1 】，可迭代出一个确定的时间序列x i ，x 2 ，x 3 ，。对于不 同的p 值，将呈现不同的特性。随着参数p 的不断增加，系统不断地经历倍周期 分叉，最终达到混沌。如图2 1 所示。 图2 1 分叉图 称当p = 4 时由系统产生的序列 x n ) 为混沌变量，混沌变量饥) 的运动形式 有如下特征： 随机性：当芦= 4 时，l o g i s t i c 映射在有限区间 o ，1 内不稳定运动，其长时 间的动态行为将显示随机性质。 规律性：尽管k 体现出随机性质，但它是由确定方程( 2 1 ) 导出的，初值 确定后 x 。 便已确定，即其随机性是内在的，这就是混沌运动的规律性。 遍历性：混沌运动的遍历性是指混沌变量能在定范围内按其自身规律不重 上海人学硕十学位论文 复地遍历所有状态。 对初值的敏感性：初值的微小变化将导致序列 x 。 远期行为的巨大差异。 对初值的敏感性是混沌的一个十分鲜明的特征，l o r e n z 曾十分形象地称其为蝴 蝶效应：“仅仅是蝴蝶翅膀的一次小小扇动，就有可能改变一个月以后的天气情 况”。 具有分形的性质：如图2 1 所示，混沌的奇异吸引子在微小尺度上具有与整 体自相似的几何结构，对它的空间描述只能采用分数维。 普适性：是指混沌系统中存在着一些普遍适用的常数。如在l o g i s t i c 映射的 倍周期分叉点 ) 有如下一个普适常数： 2 。2 3 混沌的识别 6 ：l i m 丝监：4 6 6 9 2 0 1 6 6 ( 2 2 ) p m + i 一 l v a p u n o v 指数m - t - 量度在相空间中初始条件不同的两条相邻轨迹随时间按 指数律吸引或分离的程度，这种轨迹收敛或发散的比率称为l y a p u n o v 指数。对 于系统+ 。= f ( x o ) ，其l y a p u n o v 指数为： 1h i a = ! i 婴土1 1 1 ) i ( 2 3 ) n “i = 0 l 。17 i l y a p u n o v 指数 实际上就是系统在各次迭代点处导数绝对值的对数平均，它从 统计特性上反映了非线性系统的动力学特性。在混沌的诊断中， 起着非常重要 的作用：若a 0 ( 且有限) ，系统既不会稳定在 不动点，也不存在稳定的周期解，同时也不会发散，表示系统进入混沌；分叉点 相应于稳定轨迹的边缘，故a = 0 。 p o i n c a r e 截面法是在相空间中适当选取一截面，在此截面上某一对共轭变量 如x i 和取固定值，称此截面为p o i n c a r e 截面，相空间的连续轨迹与p o i n c a r e 截面的交点成为截点。通过观察p o i n c a r e 截面上截点的情况可以判断是否发生混 上海人学硕十学佩论文 沌：当p o i n c a r e 截面上有且只有一个不动点或少数离散点时，运动是周期的：当 p o i n c a r e 截面上是封闭曲线时，运动是准周期的：当p o i n c a r e 截面上是一些 成片的具有分形结构的密集点时，运动便是混沌。 谱分析是识别混沌的一个重要手段。根据傅里叶分析，任何一个周期运动都 可以看成是基振和其一系列谐振的叠加，各谐振的振幅与频率的关系为离散谱 线；而对于任何一个非周期运动，我们不能把它展开成傅里叶级数，而只能展开 成傅里叶积分，即非周期运动的频率谱是连续的。若某动力学系统的频率谱定常 且连续并可重现，则可确定该系统是混沌的。鉴别混沌运动还有分维法和拓扑熵 法，但其核心仍然是计算l y a p u n o v 指数。 随着混沌理论和非线性科学的发展，混沌科学得到了快速的发展，并在数学、 物理、化学、电子学、信息科学、图像处理等领域都有了广泛的应用研究。m s h l e s i n g e r 就曾指出“2 0 世纪科学将永远铭记的只有三件事，那就是相对论、 量子力学和混沌”。 2 3 混沌保密通信 目前常用的混沌通信可以分为四类：混沌掩盖技术、混沌参数调制技术、 混沌键控技术和混沌扩频技术。 2 3 1 混沌掩盖技术【s 】 混沌掩盖又称混沌遮掩或混沌隐藏，是较早提出的一种混沌保密通信方式， 其基本原理是编码器为一个自治的混沌系统。在它的输出信号上迭加上信息信 号，通过信道发送出去，解码器利用这个传输的信号来同步另一个等价的混沌系 统，这个等价的混沌系统输出一个重构的混沌信号，然后从所传输信号中减去这 个重构的混沌信号，以恢复信息信号。如图2 2 f f 示，在发射端，小信号的信息 5 ( r ) 混合在光电反馈环形激光器产生混沌波形x ( t ) 之中，即发射s ( t ) + 式( t ) 。 在接收端，分成两路：一路直接接收s ( t ) + x ( f ) ；另一路注入同样参数的光电 反馈环形激光器恢复出混沌信号x ( t ) 。在减法器中取出信号s ( r ) 。 上海人学硕七学位论文 + 蔓捌f z 仆( t )= 似 干系缴 h j 千系斑 一u 干系鞭 s ( f ) l 千系鞭 干鞠予系绍 图2 2 混沌掩盖技术原理图 为保证同步，解码器端收到的信号中信息信号比起混沌信号应足够小。混沌 掩盖通信是最早研究的混沌保密通信，它利用了p e c o r a c a r r o l 的自同步定理， 混沌掩盖通信存在着对信道噪声敏感，线路带宽限制及保密性低的缺点，因而在 实用中存在困难。混沌掩盖通信同步不总是得到满足，由于在混沌信号上迭加了 信息信号，作为驱动信号驱动接收机时相当于注入了扰动信号，从而使混沌掩盖 通信的信号受到了限制，这是一个严重的缺陷，这样一来，信道上小的噪声注入 就可能影响恢复信号的质量。因而模一模混沌掩盖通信实用价值看来并不大。但 是首先能把混沌自同步定理应用于通信从原理上是一个突破。 2 3 2 混沌键控技术【6 - 8 】 混沌键控技术的实现主要可分两类。一种是利用所发送的数字信号调制发 送端混沌系统的参数使其在两个值中切换，信息便被编码在两个混沌吸引子中， 接收端由两个相同类型的混沌系统构成，其参数分别固定为这两个值之一。信 息发送间隔内，通过检测各混沌系统的同步误差，以判决出所发送信息。另一 方面可以利用混沌系统在实现同相同步的同时还可以实现反相同步，以及奇异 非混沌吸引子同步等方式实现混沌键控通信。 另一种实现方式是差分混沌键控技术。它将发射的每一个信息比特的时间间 隔分成两段：第一段传送参考信号，第二段传输数字信号( 信息) 。也就是在每 个信息发送间隔内增加参考信息，该参考信息取决于所发送的数字信号，然后利 用该信号实现相关解调，从而在接收端恢复出所传输的信号。见图2 _ 3 。 上海人学硕十学位论文 图2 3 差分混沌键控技术原理图 2 3 3 混沌参数调制技术 在传统的模拟和数字通信系统中，用待发送的模拟或数字信号对载波的振 幅、频率或相位进行调制，由此形成了三种基本的调制方式：调幅、调频和调 相。在混沌通信中同样可以用待发送的模拟或数字信号对混沌吸引子的各种参 数进行调制，信号传送到接收端后，以自适应的方式实现同步。在达到同步的 同时也估计出时变的参数，信息从这些参数中提取。 混沌参数调制技术的基本思想就是：利用发送端所传输的信号来调制混沌 系统的参数，在接收端利用混沌同步信号提取出相应的混沌系统参数，进而恢 复出所传输的信号。混沌参数调制如图2 4 所示。 图2 4 混沌参数调制技术原理图 上海人学颁十学位论文 对于光混沌传输系统，可利用的参数有：光波的强度、波长、频率、相位 以及偏振态等。在实验中利用偏振态参数，并采用数字移位键控调制，即偏振 态移位键控( p o l a r i z a t i o ns h i f tk e y i n g ，p o l s k ) 调制技术实现信息的保密通 信。 2 3 。4 混沌扩频技术 由于混沌信号具有宽带，类噪声，难于预测的特点，并且对初始条件十分 敏感，因而可以产生性能良好的扩频序列。混沌系统对初始条件和参数十分敏 感，是指当给一个混沌系统两个非常接近的初始条件或参数时，系统经过几次 迭代后，输出的结果可以完全不相关。也就是说，初始条件的微小变化，就能 产生完全不相关的信号。从而可以非常方便地产生大量的不相关信源。另外， 由于从序列的有限长度不可能导出系统的初始条件，从而起到了保密通信的作 用。见图2 5 。混沌扩频通信的特点就是其相关性好，鲁棒性强，安全性能高。 混沌扩频通信的关键在于混沌扩频序列的选择。 图z s 混沌扩频技术