互耦合半导体激光器串联系统的双向混沌通信.pdf
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1、目录 摘要I A b s t r a c t I I 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 混沌2 1 3 混沌特性2 1 4 混沌同步3 1 5 本文研究的内容3 第二章半导体激光器的混沌和混沌同步特性5 2 1 引言5 2 2 关于半导体激光器的混沌理论模型5 2 2 1 关于激光器的类型5 2 2 2 半导体激光器的混沌理论模型6 2 3 混沌同步的分类9 2 3 1 完全同步9 2 3 2 广义同步11 2 。4 混沌同步保密通信研究的问题1 2 2 5 实现保密通信的方案1 3 2 6d 、结1 4 第三章基于互耦合系统的混沌同步特性研究。1 5 3 1 引言。1 5 3 2 理论模
2、型:1 5 3 3 结果与讨论1 6 3 3 1 对称互耦合结构的混沌同步特性。1 6 3 3 2 非对称互耦合结构的混沌同步特性。1 7 3 4 小结1 8 第四章与同一激光器互耦合的两个激光器之间的混沌通信1 9 4 、弓言。、9 4 2 理论模型j 2 0 4 3 结果与讨论2 l 4 3 1 混沌同步2 2 4 3 2S L l 与S L 2 之间参数失配对同步的影响2 3 4 3 3S L 3 和S L l 之间参数失配对于同步性能的影响2 4 4 3 4 双向混沌通信2 4 4 4 结论2 7 第五章结束语2 8 参考文献2 9 致谢。3 4 在读期间发表和录用的论文3 5 西南大
3、学硕士学位论文 摘要 互耦合半导体激光器串联系统的双向混沌通信 信号与信息处理专业硕士研究生:李萍 指导教师:吴正茂教授 摘要 随着通信技术的不断发展,通信容量的不断增加,具备高速、高保密性的混 沌通信系统成为了大家争先研究的热点。基于半导体激光器( S e m i c o n d u c t o rl a s e r , S L ) 的激光混沌系统具有大带宽、高复杂、易实现等优势,更加适用于高速保密 通信。近十几年来,国际上对半导体激光器的混沌同步特性及其在光保密通信系 统中的应用进行了大量研究,并提出了很多混沌保密通信方案。其中大多集中于 单向通信系统,然而这种单向通信方案并不能满足大量通
4、信的需求,双向以及多 向的通信方式更适用于现代通信的发展。 本文概述了混沌及其同步基本理论,数值分析了基于双向耦合系统的混沌同 步特性。本文在双向耦合系统的基础上进一步研究了双向耦合半导体激光器串联 系统的通信情况。在这个串联结构的混沌通信系统中:基于两个与同一激光器互 耦合的激光器之间可以实现很好的等时同步和高质量、高保密性双向混沌通信。 通过建立相应的理论模型,研究了系统的双向通信性能、以及系统的保密性。研 究结果表明:在合适的系统参数条件下,两个通信激光器的混沌输出虽然与中间 激光器的混沌输出相差很大,但两个通信激光器的混沌输出却能实现非常好的无 时间延迟的混沌同步;基于两个通信激光器之
5、间的等时同步,传输2 0 G b i t s 的信 号时,解调信息Q 因子可达到l O 以上。因此,该系统方案理论上可用于大容量信 息的双向混沌保密传输。另外,我们对窃听者可能获取信息的各个途径进行了考 察,结果显示该系统具有很好的安全性。 关键词:半导体激光器,混沌,混沌同步,保密通信 西南大学硕:t 学位论文 A b s t r a c t B i d i r e c t i o n a lc h a o sc o m m u n i c a t i o no fm u t u a l l yc o u p l e d s e m i c o n d u c t o rl a s e r
6、si ns e r i e sc o n n e c t i o n M a j o r :S i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g A d v i s o r :P r o f Z h e n g m a oW u A u t h o r :P i n gL i A b s t r a c t W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo p t i c a ln e t w o r kt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s ,
7、t h e c h a o sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i l1 l i g hr a t ea n dh i g hs e c u r i t yh a sb e e ns t u d i e d f r e q u e n t l y C h a o ss y n c h r o n i z a t i o na n ds e 圈2 1 “ ec o m m u n i c a t i o nb a s e do ns e m i c o n d u c t o r l a s e r s ( S L s ) h a v ea t t r
8、a c t e dm u c h m o r ea t t e n t i o nb e c a u s et h ec h a o t i cc a r r i e rg e n e r a t e db y S L sp o s s e s s e ss o m eu n i q u ea d v a n t a g e ss u c ha sw i d eb a n d w i d t h , h i l g hc o m p l e x i t y , a n d e a s yt oi m p l e m e n t T h e r ea r em a n ys t u d i e
9、sa b o u tc h a o ss e c u r ec o m m u n i c a t i o nb a s e dO i l s e m i c o n d u c t o rl a s e r s ,m u c ho fw h i c hm a i n l yi n v e s t i g a t et h ec h a o ss y s t e mo f u n i d i r e c t i o n a lc o u p l e d W h e r e a s ,u n i d i r e c t i o n a l l yc o u p l e ds y s t e mC
10、 a nn o ts a t i s f yt h e n e e d so fag r e a td e a lo fc o m m u n i c a t i o n B i d i r e c t i o n a lo rm u l t i d i r e c t i o n a ls e c r e t c o m m u n i c a t i o n sa r ea l w a y sh i g h l ye x p e c t e d I nt h i sp a p e r , t h et h e o r i e so ft h ec h a o sa n dc h a o s
11、s y n c h r o n i z a t i o nh a v eb e e n i n t r o d u c e d ,t h e c h a o s s y n c h r o n i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f m u t u a l l yc o u p l e d s e m i c o n d u c t o rl a s e r sa r es t u d i e d F u r t h e r m o r e ,b i d i r e c t i o n a lc h a o sc o m m u n i
12、c a t i o n b e t w e e nt w oo u t e rs e m i c o n d u c t o rl a s e r sc o u p l e dm u t u a l l yw i t hac e n t r a ls e m i c o n d u c t o r l a s e ra r ed e t a i l e d l yi n v e s t i g a t e d I nt h i ss y s t e m ,z e r o - l a gh i g h - q u a l i t ys y n c h r o n i z a t i o n b
13、e t w e e nt w oo u t e rs e m i c o n d u c t o rl a s e r sC a nb eo b t a i n e d ,w h i l et h ec r o s s c o r r e l a t i o n e o e f f i c i e n t sb e t w e e nt h et w oo u t e rl a s e r sa n dt h ec e n t r a ll a s e ra r ev e r yl o wu n d e rp r o p e r o p e r a t i o nc o n d i t i o
14、 n B a s e d0 1 1t h eh i g hp e r f o r m a n c ec h a o ss y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nt h e t w oo u t e rl a s e r s ,m e s s a g eb i d i r e c t i o n a lt r a n s m i s s i o n so fb i tr a t e su pt o2 0G b i t sC a nb e r e a l i z e dt h r o u g ha d o p t i n gan o v e ld e c
15、o d i n gs c h e m ew h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h a tb a s e d o nc h a o sp a s sf i l t e r i n ge f f e c t F i n a l l y ,t h es e c u r i t yo fs y s t e mi sa l s oa n a l y z e df o rs o m e p o s s i b l ea t t a c ks c e n a r i o s ,a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tt
16、h es e c u r i t yo f t h i ss c h e m eC a nb e i n s u r e dn om a t t e rw h i c ha t t a c ks c e n a r i oi su s e db yt h ee a v e s d r o p p e r K e yW o r d s :S e m i c o n d u c t o rl a s e r , C h a o s ,C h a o t i cs y n c h r o n i z a t i o n , s e c u r e c o m m u n i c a t i o n
17、I I 西南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 由于光通信技术和光电子技术发展迅速,大家越来越关注光通信的保密性。 然而传统的加密方式是利用软件来实现,其计算方法越复杂保密性就越好,这样 的保密性有很多弊端。近几年来,量子加密成为大家研究的热点话题,然而这种 加密方法对整个信息加密不适用。现阶段,我们需要研制出一种新型的光通信系 统具备高度的保密性。这样无论是在日常通信还是在军事通信中保密性都可 以得到满足。经研究,以混沌信号作为通信载波可以保证端到端通信的保密性, 因为混沌信号具有以下特性:类似噪声、不可预测、无规则和非周期连续宽带频 谱的特性【蚴。除此以外,混沌信号还对
18、初始条件很敏感( 正L y a p t m o v 指数特征) : 即便是两个完全相同的系统拥有相同的初始条件,也会逐渐演化成不同的系统。 因此,混沌信号具备防窃取和不可预测的特性 3 】。混沌系统运动轨迹的复杂性依赖 于正的L y a p u n o v 指数的多少【4 】:正的L y a p u n o v 指数越多混沌信号越复杂。混沌信 号易产生:当非线性系统的参数、方程、初始条件确定时,混沌系统就确定y t 踊】。 实现光混沌保密通信的前提条件是通信终端之间要达到很好的混沌同步 7 1 。混 沌同步的定义如下:混沌通信系统中接收系统输出的混沌信号与发射系统输出的 混沌信号同步,初始条件
19、并不影响同步。同步现象在很早以前就被人们熟悉了, 在生活中存在很多同步现象 s l 。但是在早期对混沌的研究中,实现混沌同步一直是 大家难以解决的一个问题,因为它对于初始条件很敏感。1 9 9 0 年,美国海军实验 室研究员C a r o U 、P e c o r e 9 ,1 0 】等人首次利用电路系统实现了混沌同步【l l 】。从此,人 们又开始了对于混沌同步及其在保密通信中应用的研究。 近来,混沌和混沌通信被人们争先研究,电学混沌方面的理论基础和研究成 果尤其卓越:利用各种电路实现的混沌同步实现了在保密通信中的应用。这些研 究成果推动了混沌保密通信的发展。然而,利用电路系统实现的混沌通信
20、存在一 些缺点:衰减高、带宽受限。这些缺点严重地阻碍了电路混沌系统在长距离有线 通信和高速率的无线通信发展中的应用。于此同时,人们发现了一种更适合于保 密通信的混沌系统一激光混沌系统。激光混沌系统衰减低、带宽大、对参数敏感 性高、动态特性复杂。这些特点给激光混沌系统提供了实现高速长距离通信的条 件:实验证明,现阶段的电子电路混沌系统可以实现几十千赫兹信息的传输,然 而光信号可以实现传输几百千赫兹甚至更高的信息传输。因此,光混沌通信具备 很高的研究价值。 西南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 混沌 混沌( c h a o s ) ( 浑沌) 在确定性非线性系统中不需要附加任何随机因素也可 能出
21、现跟随机类似的行为,混沌运动是一种看似不规则的运动。混沌系统在演化 过程中对初始条件十分敏感。 一一 约克和李天岩于1 9 7 5 年给出了混沌的定义( L i - Y o r k e 定义) : 设连续的自映射:I - I c R ,l 是R 的一个子空间,如果存在不可数的集合S c I , 满足下列条件: ( a ) 任给x J S 及厂周期点P I ,有 l i ms u pl 厂( x ) 一f ( p ) l 0 _ , ( b ) 任给x 1 砣S ,X I 7 1 :X 2 ,令厂( ) 亏及及欲) ) ) 表示t 重函数关系。有 ! i m s u p :( x ) - f (
22、 y ) I 01 i m i n f l f 。( 功- f “I = 0 ( c ) S 不包含周期点。 则称f 在S 上是混沌。 这种定义存在一些缺点g 在某些情况下我们无法观察到混沌现象( 当集合S 的勒贝格测度为零的时候) 。出现这些问题主要归咎于前两个极限说明子集的点 X l ,耽S 很集中又很分散;第三个极限说明子集不可能趋向于任何一个周期点。该 定义说明了混沌运动几个特征i 第一,混沌轨道不稳定的特性很高;第二,存在 所有阶的周期轨道;第三,存在一个不可数集合,该集合不存在渐近周期轨道。 除此以外,混沌还可以如下定义: 设Y 是一个度量空间。有一个连续映射厅Y Y 称为Y 上的
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- 耦合 半导体激光器 串联 系统 双向 混沌 通信
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