多路径相差光跳频保密通信系统技术方案

本发明专利技术提供了一种多路径相差光跳频保密通信系统，在通信光纤的两端各插入一个光跳频机进行加密与解密，光跳频机包括5个SFP光收发模块，1块FPGA芯片，8段光纤延时线，1个双向阵列波导光栅AWG。两个光跳频机之间的传输光纤中包含4个不同波长的光信号，不同光信号之间引入相位差，使得通信数据碎片混乱地隐藏在4个通道的随机信号中，并且在时序先后上进行打乱，提高光通信的保密安全性。在加密端，跳频机内部通过不同长度的光纤延时线实现不同波长的不同路径，产生相位差；在解密端，跳频机内部通过引入互补的光纤延时，完成4路信号的相位对齐。每一路信号在加密端与解密端经历的光纤延时线总长度相等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及保密光通信领域，尤其涉及多路径相差光跳频保密通信系统。
技术介绍
在当今的信息时代，光纤每天承载着海量的信息，涉及到社会的方方面面，包括民用，政府，商业，军事等。然而，随着网络攻击与窃听技术不断发展，光纤通信在为人类带来福利的同时，也存在着安全隐患。事实表明，光纤中传输的信息可以被窃听，因此，如何保护光纤传输的信息不被窃取，成为一个有重要意义的课题。目前常用的提高通信安全性的方法是对信源数据进行算法加密，比如AES加密，使得窃听者难以直接获取有用信息，然而，随着高性能计算技术的发展，算法加密的破解成本不断降低，算法加密的安全强度已经变弱。另外，光纤通信的巨大带宽使得需加密的信息量十分巨大，采用算法加密需要进行大量的运算，不论是软件还是硬件上，都对设备提出了很高的要求。
技术实现思路
本专利技术提供了一种多路径相差光跳频保密通信系统，光通信的数据被分成小碎片，与随机信号混合后，加载到多个不同波长的载波上，不同波长的光信号经过不同的路径，产生相位差，使得信号碎片之间的分离度更大，有效避免光纤窃听者捕获信息。本专利技术提供了一种光跳频机，包括：第一到第五光收发模块、处理芯片、第一到第四光纤延时线、以及阵列波导光栅，其中：第一光收发模块将从外部通信设备接收的光信号解调成电数据信号输入处理芯片；处理芯片将电数据信号分成信息碎片，将信息碎片按时序随机分散到分别与第二到第五光收发模块相对应的四个数据通道，并在每个数据通道中除信息碎片以外的部分填充以随机噪声信号，然后以与所述电数据信号相同的速率，将四个数据通道中的数据发送到第二到第五光收发模块中相应的一个光收发模块；第二到第五光收发模块使用相应数据通道中的数据调制并输出相应光载波，第二到第五光收发模块各自的光载波具有不同波长；第二到第五光收发模块输出的光载波分别通过第一到第四光纤延时线，以使四路光载波信号彼此之间产生相位差；以及第一到第四光纤延时线输出的四路光信号在阵列波导光栅中被耦合成一路复合光并输出。本专利技术还提供了一种光跳频机，包括：第一到第五光收发模块、处理芯片、第一到第四光纤延时线、以及阵列波导光栅，其中：阵列波导光栅将从外部光纤接收的光信号按波长分为四路，输出至第一到第四光纤延时线中的相应光纤延时线；四路光纤延时线分别对输入的光信号施加延时，实现四路光信号的相位对齐并输出至相应第二到第五光收发模块；第二到第五光收发模块从相应光信号解调出电信号并输入至处理芯片；处理芯片从接收自第二到第五光收发模块的四路电信号中提取出信号碎片以恢复出一路电数据信号，并将恢复的电数据信号输出至第一光收发模块；第一光收发模块使用来自处理芯片的电数据信号调制并输出一路光信号。本专利技术还提供了一种光跳频机，包括：第一到第五光收发模块、处理芯片、第一到第八光纤延时线、以及双向阵列波导光栅，其中：当该光跳频机在通信发送端使用时：第一光收发模块将从外部通信设备接收的光信号解调成电数据信号输入处理芯片；处理芯片将电数据信号分成信息碎片，将信息碎片按时序随机分散到分别与第二到第五光收发模块相对应的四个数据通道，并在每个数据通道中除信息碎片以外的部分填充以随机噪声信号，然后以与所述电数据信号相同的速率，将四个数据通道中的数据发送到第二到第五光收发模块中相应的一个光收发模块；第二到第五光收发模块使用相应数据通道中的数据调制并输出相应光载波，第二到第五光收发模块各自的光载波具有不同波长；第二到第五光收发模块输出的光载波分别通过第一到第四光纤延时线，以使四路光载波信号彼此之间产生相位差；以及第一到第四光纤延时线输出的四路光信号在双向阵列波导光栅中被耦合成一路复合光并输出；并且当该光跳频机在通信接收端使用时：双向阵列波导光栅将从外部光纤接收的光信号按波长分为四路，输出至第五到第八光纤延时线中的相应光纤延时线；四路光纤延时线分别对输入的光信号施加延时，实现四路光信号的相位对齐并输出至相应第二到第五光收发模块；第二到第五光收发模块从相应光信号解调出电信号并输入至处理芯片；处理芯片从接收自第二到第五光收发模块的四路电信号中提取出信号碎片以恢复出一路电数据信号，并将恢复的电数据信号输出至第一光收发模块；第一光收发模块使用来自处理芯片的电数据信号调制并输出一路光信号。附图说明图1示出了根据本专利技术实施例的系统结构示意图。图2示出了根据本专利技术实施例在不同路径上分布信息碎片的示意图。图3示出了根据本专利技术实施例对不同路径施加延时后的信息碎片分布图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术的专利技术人提出，源于无线电通信的跳频技术能够弥补光通信技术中算法加密的不足。由于信息的载波不停地跳变，不知道跳频序列的窃听方无法捕获完整信息，也就无法解密了。基于此认知，本专利技术提出了一种多路径相差光跳频保密通信系统，信息碎片在不同波长的信道内传输，并且引入了不同长度的光纤延时，使得不同通道信息的相位存在较大的差别，进一步增加了捕获完整信息的难度。图1示出了根据本专利技术实施例的系统结构示意图。如图1所示，在该系统中，在用于双向通信的第一传输光纤1和第二传输光纤2的两端各插入一个光跳频机，进行双向通信的加密解密。第一传输光纤1和第二传输光纤2内各自含有4个波长，两根传输光纤各传输一个方向的数据。光跳频机内部主要包括：5个SFP光收发模块SFP_0、SFP_1、SFP_2、SFP_3、SFP_4；1块FPGA芯片；8段光纤延时线T1_a、T1_b、T2_a、T2_b、T3_a、T3_b、和T4_a、T4_b；以及1个双向阵列波导光栅AWG。下面以图1左侧部分为通信发送端、右侧部分为通信接收端为例进行说明。但是可以理解，以图1右侧部分为通信发送端、左侧部分为通信接收端也是可以的。如图1所示，通信发送端光跳频机的光收发模块SFP_0为固定波长光收发模块，与商用光通信设备中的光收发模块兼容。在通信发送端的光跳频机中，光收发模块SFP_0接收来自发送端通信设备的光信号，进行光电转换，提取出待加密的通信数据，输入FPGA芯片。在通信接收的光跳频机中端，光收发模块SFP_0接收FPGA芯片输出的解密后的通信数据，加载到光载波上，向接收端通信设备发送光信号。所述的通信设备可以是通信网络设备，例如光交换机，光口插一个SFP或者SFP+封装的光电收发模块，与本系统的光跳频机进行双向数据传输。如图1所示，在每个光跳频机中，光收发模块SFP_1、SFP_2、SFP_3、SFP_4为4个DWDM(高密度波分多路复用技术)光收发模块，波长为
国际电信联盟(ITU)规定的DWDM波长中任取4个；这4个光收发模块的电信号输入输出端均通过微带线连接到FPGA芯片上，光输入输出端均连接到光纤延时线上。如图1所示，在每个光跳频机中，双向阵列波导光栅AWG总共包含10根引出光纤，其中2根光纤内为复合光，8根光纤内为单波长光，其中，4根单波长光纤作为输入口，输入的4路光在AWG内耦合成一路复合光后，由一根复合光纤输出，1根复合光纤作为输入口，输入的1路复合光在AWG内根据波长分离后，由4根单波长光纤输出。如附图1所示，延时值为Delay1_a的延时光纤T1_a连接在光收发模块SFP_1的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光跳频机，包括：第一到第五光收发模块、处理芯片、第一到第四光纤延时线、以及阵列波导光栅，其中：第一光收发模块将从外部通信设备接收的光信号解调成电数据信号输入处理芯片；处理芯片将电数据信号分成信息碎片，将信息碎片按时序随机分散到分别与第二到第五光收发模块相对应的四个数据通道，并在每个数据通道中除信息碎片以外的部分填充以随机噪声信号，然后以与所述电数据信号相同的速率，将四个数据通道中的数据发送到第二到第五光收发模块中相应的一个光收发模块；第二到第五光收发模块使用相应数据通道中的数据调制并输出相应光载波，第二到第五光收发模块各自的光载波具有不同波长；第二到第五光收发模块输出的光载波分别通过第一到第四光纤延时线，以使四路光载波信号彼此之间产生相位差；以及第一到第四光纤延时线输出的四路光信号在阵列波导光栅中被耦合成一路复合光并输出。

【技术特征摘要】
1.一种光跳频机，包括：第一到第五光收发模块、处理芯片、第一到第四光纤延时线、以及阵列波导光栅，其中：第一光收发模块将从外部通信设备接收的光信号解调成电数据信号输入处理芯片；处理芯片将电数据信号分成信息碎片，将信息碎片按时序随机分散到分别与第二到第五光收发模块相对应的四个数据通道，并在每个数据通道中除信息碎片以外的部分填充以随机噪声信号，然后以与所述电数据信号相同的速率，将四个数据通道中的数据发送到第二到第五光收发模块中相应的一个光收发模块；第二到第五光收发模块使用相应数据通道中的数据调制并输出相应光载波，第二到第五光收发模块各自的光载波具有不同波长；第二到第五光收发模块输出的光载波分别通过第一到第四光纤延时线，以使四路光载波信号彼此之间产生相位差；以及第一到第四光纤延时线输出的四路光信号在阵列波导光栅中被耦合成一路复合光并输出。2.根据权利要求1所述的光跳频机，其中：第一光收发模块与商用光通信设备中的光收发模块兼容；以及第二到第五光收发模块所对应的光载波波长为ITU规定的DWDM波长中任取四个。3.根据权利要求1所述的光跳频机，其中：处理芯片是FPGA芯片，通过五个高速串行收发器分别与第一到第五光收发模块交换数据。4.一种光跳频机，包括：第一到第五光收发模块、处理芯片、第一到第四光纤延时线、以及阵列波导光栅，其中：阵列波导光栅将从外部光纤接收的光信号按波长分为四路，输出至第一到第四光纤延时线中的相应光纤延时线；四路光纤延时线分别对输入的光信号施加延时，实现四路光信号的相位对齐并输出至相应第二到第五光收发模块；第二到第五光收发模块从相应光信号解调出电信号并输入至处理芯片；处理芯片从接收自第二到第五光收发模块的四路电信号中提取出信号碎片以恢复出一路电数据信号，并将恢复的电数据信号输出至第一光收发模块；第一光收发模块使用来自处理芯片的电数据信号调制并输出一路光信号。5.根据权利要求4所述的光跳频机，其中：第一光收发模块与商用光通信设备中的光收发模块兼容；以及第二到第五光收发模块所对应的光载波波长为ITU规定的DWDM波长中任取四个。6.根据权利要求4所述的光跳频机，其中：处理芯片是FPGA芯片，通过五个高速串行收发器分别与第一到第五光收发模块交换数据。7.根据权利要求4所述的光跳频机，其中，处理芯片从接收自第二到第五光收发模块的四路电信号中提取出信号碎片以恢复出一路电数据信号包括：对于每一路电信号，以特定的同步头为起始端，将该路电信号分成等长的信息碎片片段，片段长度与加密端使用的信息碎片长度相等，对于每一个时刻，四路电信号中，都有一路信号的信息碎片片段为有效信号碎片，其余三路信号的信息碎片片段为噪声信号，根据一串与加密过程相同的随机序列，选择有效信息碎片作为输出，其余三路的信息碎片片段被丢弃，从而恢复出所述一路电数据信号。8.一种光跳频机，包括：第一到第五光收发模块、处理芯片、第一到第八光纤延时线、以及双向阵列波导光栅，其中：当该光跳频机在通信发送端使用时：第一光收发模块将从外部通信设备接收的光信号解调成电数据信号输入处理芯片；处理芯片将电数据信号分成信息碎片，将信息碎片按时序随机分散到分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：王孙龙，陈伟，刘建国，祝宁华，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11