基于共轭跳频和混沌相位扰码加密的PAM8水下可见光通信系统技术方案

本发明专利技术属于电子信息技术领域，具体为基于共轭跳频和混沌相位扰码加密的PAM8水下可见光通信系统。本发明专利技术系统由PAM8映射模块、快速傅里叶变换模块、混沌相位扰码加密模块、共轭跳频加密模块、反傅里叶变换模块、波形级最小均方滤波模块、共轭跳频移除模块、混沌相位扰码移除模块、符号级最小均方滤波模块、PAM8反映射模块依次连接组成；本发明专利技术对PAM8信号经傅里叶变换后获得的频谱进行频率和相位两个维度加密；通过最小均方算法滤波实现波形级分类；发送端的码本将共轭跳频加密和相位扰码移除，再通过第二级LMS滤波器实现符号级分类，最后将符号信息映射回到比特序列。本发明专利技术系统在较低复杂度前提下，具有高的传输可靠性、安全性和传输质量。性和传输质量。性和传输质量。

【技术实现步骤摘要】
Communications and Photonics Conference(ACP)2018,OSA Technical Digest(Optica Publishing Group,2018),paper Su1G.4.
[0009][4]Ji Du,Yuan Wang,Chao Fei,Ruilin Chen,Guowu Zhang,Xiaoj ian Hong,and Sailing He,"Experimental demonstration of 50
‑
m/5
‑
Gbps underwater optical wireless communication with low
‑
complexity chaotic encryption,"Opt.Express 29,783
‑
796(2021).
[0010][5]Huan Deng,Zihao Du,Jianmin Xiong,Xingqi Yang,Yan Hua,and Jing Xu,"Security enhancement for OFDM
‑
UWOC system using three
‑
layer chaotic encryption and chaotic DFT precoding,"Chin.Opt.Lett.20,110601
‑
(2022)。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的在于提供一种传输可靠性、安全性和传输质量高的PAM8水下可见光通信系统。
[0012]对于PAM8信号的水下可见光通信，由于系统使用的器件具有带通特性，而PAM信号的频谱包括直流分量和丰富的低频成分，因此需要对信号进行频谱的搬移，为了保持信号频谱的共轭对称性以获得时域上的实信号，本专利技术在进行频谱搬移时需要保持正负半轴的对称性，而这一点是现有的技术中极少考虑到的。
[0013]此外，水下可见光通信仍存在信号被窃听的风险，需要对信号进行有效且易于实现的多维度的加密。本专利技术结合系统对频谱搬移的需求，通过共轭跳频(Conjugate frequency hopping,CFH)，即在信号频谱的正负半轴进行相同数量的零填充，并且不同组信号补零的个数不同来实现频率维度的加密；利用混沌信号的初值敏感性和随机性，可以利用混沌信号对信号频谱的相位进行旋转(即混沌相位扰码(Phase scrambling,PS)，从而达到相位维度的加密。
[0014]本专利技术提出的PAM8水下可见光通信系统，是基于共轭跳频和混沌相位扰码的双层加密技术的，包括对PAM8信号进行傅里叶变换后获得的频谱进行频率和相位两个维度的加密，在接收端将接收信号和原始发送的信号进行相关操作实现同步；通过最小均方(Least mean square,LMS)算法滤波实现波形级的分类，通过发送端的码本将共轭跳频加密和相位扰码移除，再通过第二级LMS滤波器实现符号级的分类，最后将符号信息映射回到比特序列。通过这个系统实现PAM8信号的加密和水下可见光传输，在系统较低复杂度的前提下，实现高的传输可靠性、安全性和传输质量。
[0015]本专利技术提出的基于共轭跳频和混沌相位扰码加密的PAM8水下可见光通信系统，如图1所示，由PAM8映射模块、快速傅里叶变换模块、混沌相位扰码加密模块、共轭跳频加密模块、反傅里叶变换模块、波形级最小均方滤波模块、共轭跳频移除模块、混沌相位扰码移除模块、符号级最小均方滤波模块、PAM8反映射模块等依次连接组成；其中：
[0016]所述PAM8映射模块，用于将比特信息流进行PAM映射，每3个比特映射为一个符号，然后将PAM8信号进行分组；
[0017]所述快速傅里叶变换模块，用于将时域的PAM8实信号变换到频域，频域是共轭对称的；
[0018]所述混沌相位扰码加密模块，用于将通过Logistic映射生成的混沌信号对频域信
号进行相位旋转，实现加密；
[0019]所述共轭跳频加密模块，用于随机生成跳频码，其个数与PAM8信号分组的组数相同，共轭地添加相应个数的零到每一组信号的频域的零频和低频部分，使信号的低频成分为零，并进行上采样；
[0020]所述反傅里叶变换模块，用于将两次加密后的信号恢复到时域，得到时域实信号用于传输；
[0021]所述波形级最小均方滤波模块，用于将接收的波形信号进行自适应滤波，消除噪声和串扰；
[0022]所述共轭跳频移除模块，用于将滤波后的信号变换到频域之后将添加的零移除，实现解密；
[0023]所述混沌相位扰码移除模块，用于将添加到频域信号的混沌相位旋转移除，实现解密；
[0024]所述符号级最小均方滤波模块，用于对已经解密后的信号进行第二级的自适应滤波，得到干扰更少的信号，用于解码。
[0025]所述PAM8反映射模块，用于将解密后的PAM8信号解调得到接收比特序列，用于误码率的测试分析。
[0026]进一步地：
[0027]本专利技术中，所述PAM8映射模块，用于将比特信息流进行PAM映射，每3个比特映射为一个符号，然后将PAM8信号进行分组；具体设每组的长度都是N，分为M组，得到一个M
×
N维的时域PAM8信号矩阵D
M
×
N
，这个矩阵的所有元素都是实数。经过PAM8映射后，实验得到的信号的时频域。
[0028]本专利技术中，所述快速傅里叶变换模块，用于将时域PAM8实信号变换到频域：
[0029]D
M
×
N
＝FFT(d
M
×
N
)，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0030][0031]由于傅里叶变换的共轭对称性，时域的实信号变换到频域后是具有共轭对称性。以信号的其中一组为例进行说明(即g取[1,M]范围内的任意一个值都满足)，有：
[0032][0033]记频谱的正半轴和负半轴分别为：
[0034]D
+
＝[D(0),D(1),
…
,D(N/2)]T
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0035]D
‑
＝[D(0),D(
‑
1),
…
,D(
‑
N/2+1)]T
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0036]则满足：
[0037][0038]表示D
k
的共轭，表示D
+
的共轭，
[0039]由于之后的混沌加密和共轭跳频加密都是在频域进行的，可以只对正半轴D
+
进行操作，再共轭对称到负半轴D
‑
即可。
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于共轭跳频和混沌相位扰码加密的PAM8水下可见光通信系统，其特征在于，由PAM8映射模块、快速傅里叶变换模块、混沌相位扰码加密模块、共轭跳频加密模块、反傅里叶变换模块、波形级最小均方滤波模块、共轭跳频移除模块、混沌相位扰码移除模块、符号级最小均方滤波模块、PAM8反映射模块依次连接组成；其中：所述PAM8映射模块，用于将比特信息流进行PAM映射，每3个比特映射为一个符号，然后将PAM8信号进行分组；所述快速傅里叶变换模块，用于将时域的PAM8实信号变换到频域，频域是共轭对称的；所述混沌相位扰码加密模块，用于将通过Logistic映射生成的混沌信号对频域信号进行相位旋转，实现加密；所述共轭跳频加密模块，用于随机生成跳频码，其个数与PAM8信号分组的组数相同，共轭地添加相应个数的零到每一组信号的频域的零频和低频部分，使信号的低频成分为零，并进行上采样；所述反傅里叶变换模块，用于将两次加密后的信号恢复到时域，得到时域实信号用于传输；所述波形级最小均方滤波模块，用于将接收的波形信号进行自适应滤波，消除噪声和串扰；所述共轭跳频移除模块，用于将滤波后的信号变换到频域之后将添加的零移除，实现解密；所述混沌相位扰码移除模块，用于将添加到频域信号的混沌相位旋转移除，实现解密；所述符号级最小均方滤波模块，用于对已经解密后的信号进行第二级的自适应滤波，得到干扰更少的信号，用于解码；所述PAM8反映射模块，用于将解密后的PAM8信号解调得到接收比特序列，用于误码率的测试分析。2.根据权利要求1所述的PAM8水下可见光通信系统，其特征在于，所述PAM8映射模块，用于将比特信息流进行PAM映射，每3个比特映射为一个符号，然后将PAM8信号进行分组；具体设每组的长度都是N，分为M组，得到一个M
×
N维的时域PAM8信号矩阵D
M
×
N
，这个矩阵的所有元素都是实数；经过PAM8映射后，得到信号的时频域。3.根据权利要求2所述的PAM8水下可见光通信系统，其特征在于，所述快速傅里叶变换模块，用于将时域PAM8实信号变换到频域：D
M
×
N
＝FFT(d
M
×
N
)，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)由于傅里叶变换的共轭对称性，时域的实信号变换到频域后是具有共轭对称性；g取[1,M]范围内的任意一个值，有：记频谱的正半轴和负半轴分别为：D
+
＝[D(0),D(1),
…
,D(N/2)]
T
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
D
‑
＝[D(0),D(
‑
1),
…
,D(
‑
N/2+1)]
T
，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)则满足：则满足：表示D
k
的共轭，表示D
+
的共轭；由于混沌加密和共轭跳频加密都是在频域进行的，只对正半轴D
+
进行操作，再共轭对称到负半轴D
‑
即可。4.根据权利要求3所述的PAM8水下可见光通信系统，其特征在于，所述混沌相位扰码加密模块，用于将通过Logistic映射生成的混沌信号对频域信号进行相位旋转，实现加密，具体为，Logistic混沌系统的状态由初值和分岔因子唯一确定；基于Logistic映射的混沌信号由以下的三种模型之一产生，确定系统的初值θ0和分岔因子μ之后，通过下面的式子不断迭代产生下一个值，即可生成一组Logistic混沌信号：θ
k+1
＝F(θ
k
)＝μθ
k
(1
‑
θ
k
),μ∈(0,4)，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)其中，分岔因子μ决定系统的状态是处于稳定还是混沌状态，衡量系统的状态可以通过李雅普诺夫指数λ得到，当λ＞0时，系统处于混沌状态；当λ≤0时，系统处于稳定或者周期变化的状态：对于前两种生成混沌信号的模型，分别设置参数初值为θ0,μ，生成两组混沌信号，记为Θ1和Θ2；为了保持信号频谱正负半轴的共轭对称性，只生成正半轴的混沌信号，负半轴与正半轴共轭对称即可；接下来把生成的两个混沌信号进行线性组合，再乘以一个权重因子w之后作用在PAM8信号的频谱的相位上，即得到混沌加密后的信号D
PS
：D
PS+
＝D
+
·
exp[jw(aΘ1+bΘ2)]，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)D
PS
‑
＝D
‑
·
exp[
‑
ｊw(aΘ1+bΘ2)]，
ꢀꢀꢀꢀ
(12)这里，a和b是对两个混沌信号进行线性加权的系数，w是混沌相位对信号相位进行旋转的权重大小，j是虚数单位，整项放在exp()内部表示对信号D
+
和D
‑
做相位上...

【专利技术属性】
技术研发人员：迟楠，卢芝蓝，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：