基于半导体超晶格器件的信号处理装置和信号处理方法与流程

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种基于半导体超晶格器件的信号处理装置和信号处理方法。

背景技术：

混沌是一种复杂的动力学行为，是确定性系统中出现的类随机现象，在信息安全中有广阔的应用前景。使初始条件不同的两个混沌个体，在耦合作用下达到一定的同步状态，在同步过程中，原始信号经发送端的混沌信号加密并发送，接收端接收调制信息并解密，同时其他窃听者不能解密出信息，因此，产生同步混沌振荡信号的技术是混沌保密通讯的核心技术之一。

半导体超晶格器件在室温下能出现自发混沌振荡，带宽达1ghz、振幅0.4伏，是一种非常理想的混沌个体。2015年wenli等人在实验中利用超晶格器件实现了混沌同步，结果发表在epl,112(2015)30007，但文中提及的输入的原始信号和输出的混沌振荡信号之间的相关性系数高达到70％，这给信息安全带来极大隐患。

因此，现有技术有待于改进和发展。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于半导体超晶格器件的信号处理装置，其目的在于降低输入的原始信号和最终输出的混沌振荡信号之间的相关性。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于半导体超晶格器件的信号处理装置，其包括第一半导体超晶格器件所述第一半导体超晶格器件根据输入的第二混沌振荡信号输出第一混沌振荡信号；其中，所述第二混沌振荡信号是与原始信号相关的混沌振荡信号。

在一个具体的技术方案中，所述信号处理装置包括原始信号发生模块和所述第一半导体超晶格器件；所述原始信号发生模块与所述第一半导体超晶格器件的输入端连接，向所述第一半导体超晶格器件提供原始信号；所述第一半导体超晶格器件的输出端与所述第一半导体超晶格器件的输入端连接，将所述第一半导体超晶格器件输出的混沌振荡信号引出形成第二混沌振荡信号输入至所述第一半导体超晶格器件的输入端，以使所述第一半导体超晶格器件根据输入的第二混沌振荡信号输出第一混沌振荡信号。

具体地，所述信号处理装置还包括第一放大器和第二放大器；所述原始信号发生模块通过所述第一放大器连接至所述第一半导体超晶格器件的输入端，所述原始信号发生模块生成的原始信号经由所述第一放大器放大后输入至所述第一半导体超晶格器件的输入端；所述第一半导体超晶格器件的输出端通过所述第二放大器连接至所述第一半导体超晶格器件的输入端，所述第二放大器将所述第一半导体超晶格器件输出的混沌振荡信号引出形成第二混沌振荡信号并进行放大后输入至所述第一半导体超晶格器件的输入端。

在另一个具体的技术方案中，所述信号处理装置包括原始信号发生模块、第二半导体超晶格器件和所述第一半导体超晶格器件；所述原始信号发生模块与所述第二半导体超晶格器件的输入端连接，所述第二半导体超晶格器件的输出端与所述第一半导体超晶格器件的输入端连接；所述原始信号发生模块生成原始信号输入至所述第二半导体超晶格器件的输入端，所述第二半导体超晶格器件根据输入的原始信号输出第二混沌振荡信号并输入至所述第一半导体超晶格器件的输入端，以使所述第一半导体超晶格器件根据输入的第二混沌振荡信号输出第一混沌振荡信号。

具体地，所述信号处理装置还包括第一放大器和第二放大器；所述原始信号发生模块通过所述第一放大器连接至所述第二半导体超晶格器件的输入端，所述原始信号发生模块生成的原始信号经由所述第一放大器放大后输入至所述第二半导体超晶格器件的输入端；所述第二半导体超晶格器件的输出端通过所述第二放大器连接至所述第一半导体超晶格器件的输入端，所述第二放大器将所述第二半导体超晶格器件输出的第二混沌振荡信号放大后输入至所述第一半导体超晶格器件的输入端。

进一步地，所述第二半导体超晶格器件是与所述第一半导体超晶格器件具有相同的结构参数的半导体超晶格器件。

其中，所述第一放大器将所述原始信号的电压幅值放大至400～1200mv，所述第二放大器将所述第二混沌振荡信号的电压幅值放大3～6倍。

其中，所述原始信号发生模块生成的原始信号为随机模拟信号。

进一步地，所述信号处理装置还包括电源模块和信号采集模块，所述电源模块用于向所述信号处理装置的各个模块提供工作电压；所述信号采集模块连接至所述第一半导体超晶格器件的输出端，用于采集所述第一半导体超晶格器件生成第一混沌振荡信号并输出。

本发明的另一方面是提供一种基于半导体超晶格器件的信号处理方法，其包括：生成原始信号；由半导体超晶格器件根据输入的所述原始信号输出第二混沌振荡信号；由半导体超晶格器件根据输入的所述第二混沌振荡信号输出第一混沌振荡信号。

本发明实施例提供的基于半导体超晶格器件的信号处理装置，在半导体超晶格器件将原始信号(例如随机模拟信号)转换为混沌振荡信号的过程中，首先是由半导体超晶格器件根据原始信号生成第二混沌振荡信号，然后再根据第二混沌振荡信号形成第一混沌振荡信号，由此能够降低输入的原始信号和最终输出的第一混沌振荡信号之间的相关性，可以将两者的相关性系数降低至30％以下，提升了混沌保密通信的安全性，为混沌保密通信提供了可靠的安全保障。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的信号处理装置的结构框图；

图2是本发明实施例1提供的信号处理装置中，输入的原始信号和输出的混沌振荡信号的相关性系数图；

图3是本发明实施例1中，两个相互匹配的信号处理装置输出的混沌振荡信号波形图；

图4是本发明实施例1中，两个相互匹配的信号处理装置输出的混沌振荡信号的相关性系数图；

图5是本发明实施例2提供的信号处理装置的结构框图；

图6是本发明实施例2提供的信号处理装置中，输入的原始信号和输出的混沌振荡信号的相关性系数图；

图7是本发明实施例2中，两个相互匹配的信号处理装置输出的混沌振荡信号波形图；

图8是本发明实施例2中，两个相互匹配的信号处理装置输出的混沌振荡信号的相关性系数图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。

半导体超晶格器件在室温下能出现自发混沌振荡，是一种非常理想的混沌个体。已有的技术方案中，在使用半导体超晶格器件将原始信号转换为混沌振荡信号的过程中，输入的原始信号和输出的混沌振荡信号之间的相关性系数高达到70％，这给信息安全带来极大隐患。针对这一问题，经本申请的发明人研究发现：首先将原始信号转换形成一个混沌振荡信号，然后再根据这一混沌振荡信号形成另一个混沌振荡信号(最终输出的混沌振荡信号)，可以降低输入端的原始信号和最终输出的混沌振荡信号之间的相关性；其中，将原始信号转换形成一个混沌振荡信号和将这一混沌振荡信号转换形成另一个混沌振荡信号可以是采用同一个半导体超晶格器件，也可以是采用不同的半导体超晶格器件。由此，本申请的发明人提出了基于半导体超晶格器件的信号处理装置，以实现减小输入的原始信号和输出的混沌振荡信号之间的相关性，提升了混沌保密通信的安全性。

以下通过实施例描述的方式对基于半导体超晶格器件的信号处理装置。应当理解的是，本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。

实施例1

本实施例提供了一种基于半导体超晶格器件的信号处理装置，如图1所示，所述基于半导体超晶格器件的信号处理装置包括原始信号发生模块10、第一半导体超晶格器件20、信号采集模块50和电源模块(图中未示出)。

其中，所述原始信号发生模块10与所述第一半导体超晶格器件20的输入端连接，所述原始信号发生模块10用于向所述第一半导体超晶格器件20提供原始信号，通常地，所述原始信号为随机模拟信号。在本实施例中，如图1所示，所述原始信号发生模块10通过第一放大器30连接至所述第一半导体超晶格器件20的输入端，所述原始信号发生模块10生成的原始信号经由所述第一放大器30放大后输入至所述第一半导体超晶格器件20的输入端。优选地，所述第一放大器30将所述原始信号的电压幅值放大至400～1200mv后输入至所述第一半导体超晶格器件20的输入端。

其中，所述第一半导体超晶格器件20的输出端与所述第一半导体超晶格器件20的输入端连接，将所述第一半导体超晶格器件20输出的混沌振荡信号引出形成第二混沌振荡信号输入至所述第一半导体超晶格器件20的输入端，以使所述第一半导体超晶格器件20根据输入的第二混沌振荡信号输出第一混沌振荡信号。即，本实施例中，将原始信号转换形成一个混沌振荡信号(第二混沌振荡信号)和将这一混沌振荡信号转换形成另一个混沌振荡信号(第一混沌振荡信号)采用的是同一个半导体超晶格器件(第一半导体超晶格器件20)。

具体地，如图1所示，所述第一半导体超晶格器件20的输出端通过第二放大器40连接至所述第一半导体超晶格器件20的输入端，所述第二放大器40将所述第一半导体超晶格器件20输出的混沌振荡信号引出形成第二混沌振荡信号并进行放大后输入至所述第一半导体超晶格器件20的输入端。所述第一半导体超晶格器件20首先是根据输入的原始信号输出混沌振荡信号，输出的混沌振荡信号引出形成第二混沌振荡信号返回至所述第一半导体超晶格器件20的输入端，在接收到第二混沌振荡信号之后，所述第一半导体超晶格器件20此时稳定地输出第一混沌振荡信号(最终输出的混沌振荡信号)。在优选的方案中，所述第二放大器40将所述第二混沌振荡信号的电压幅值放大3～6倍后输入至所述第一半导体超晶格器件20的输入端。

需要说明的是，本实施例中，所述第二混沌振荡信号和所述原始信号是输入到所述第一半导体超晶格器件20中相同的输入通道。

其中，所述信号采集模块50连接至所述第一半导体超晶格器件20的输出端，用于采集所述第一半导体超晶格器件20生成第一混沌振荡信号并输出。进一步地，将所述第一半导体超晶格器件20输出的混沌振荡信号引出形成第二混沌振荡信号的方式具体可以是：在所述第一半导体超晶格器件20和所述信号采集模块50之间连接的线路上增加设置功分器或三通转接头，由此将第一半导体超晶格器件20输出的混沌振荡信号引出形成为第二混沌振荡信号连接至所述第二放大器40的输入端，第二混沌振荡信号经由所述第二放大器40放大之后输入至所述第一半导体超晶格器件20的输入端。

其中，所述电源模块是用于向所述信号处理装置的各个模块提供工作电压，例如向所述原始信号发生模块10、第一半导体超晶格器件20、第一放大器30、第二放大器40以及信号采集模块50分别提供工作电压。所述电源模块可以是采用多通道高精度稳压电源，每一个通道对应一个需要提供工作电压的模块；所述电源模块也可以是包含多个单通道的子电源，每一个子电源对应一个需要提供工作电压的模块。需要说明的是，所述电源模块向所述第一半导体超晶格器件20提供偏置电压，使得所述第一半导体超晶格器件20处于自发混沌振荡状态或无自激振荡状态。

基于以上的信号处理装置的信号处理方法，首先由原始信号发生模块10生成原始信号，然后由第一半导体超晶格器件20根据输入的原始信号输出混沌振荡信号并引出形成为第二混沌振荡信号，将第二混沌振荡信号再输入至第一半导体超晶格器件20的输入端，再由第一半导体超晶格器件20根据输入的第二混沌振荡信号输出第一混沌振荡信号，由此降低输入的原始信号和最终输出的第一混沌振荡信号之间的相关性。

针对本实施例提供的信号处理装置及其信号处理方法，进行如下的测试：

(a1)、由电源模块向该装置中的各个模块提供工作电压，所述原始信号发生模块10生成的原始信号经由所述第一放大器30放大后输入至所述第一半导体超晶格器件20的输入端，在所述第一半导体超晶格器件20的输出端引出的第二混沌振荡信号经由所述第二放大器40放大后输入至所述第一半导体超晶格器件20的输入端，由所述信号采集模块50采集所述第一半导体超晶格器件20生成第一混沌振荡信号。测试所述原始信号发生模块10生成的原始信号与所述第一半导体超晶格器件20最终输出的混沌振荡信号(第一混沌振荡信号)的相关性系数，如图2所示，两个信号的相关性系数非常低，低于30％。

(a2)、作为一个对比测试，在第(a1)项测试的基础上，由电源模块控制该装置中的第二放大器40停止工作，其余模块正常工作，第一半导体超晶格器件20的输入端仅接收到所述原始信号发生模块10生成并由所述第一放大器30放大的原始信号。此时测试所述原始信号发生模块10生成的原始信号与所述第一半导体超晶格器件20输出的混沌振荡信号的相关性系数，两个信号的相关性系数达到70％左右，与现有技术公开的技术方案(参见epl,112(2015)30007中的实验结果)相吻合。

对比第(a1)项和第(a2)项测试可知，在第一半导体超晶格器件20的输入端增加输入一个混沌振荡信号(这一混沌振荡信号是由第一半导体超晶格器件20本身生成)之后，第一半导体超晶格器件20的输出端输出的混沌振荡信号与输入端接收的原始信号的相关性系数得到显著地降低，由此提升了混沌保密通信的安全性，为混沌保密通信提供了可靠的安全保障。

(a3)、针对本实施例提供的信号处理装置，将两个匹配的半导体超晶格器件应用在两个相同的这种装置上，构成两个装置并对其进行混沌同步测试。图3示出了两个装置输出的混沌振荡信号的波形图，图4示出了这两个装置输出的混沌振荡信号的相关性系数图；图3中d1对应的是其中一个装置输出的信号，d2对应的是另一个装置输出的信号。从图3可以看出，两个装置输出的混沌振荡信号的波形基本相同，具有非常好的混沌同步效果。从图4可以看出，两个装置输出的混沌振荡信号在0ns处相关性系数达到90％以上，这说明由两个匹配半导体超晶格器件分别组成的两个信号处理装置之间实现了混沌同步。

第(a3)项测试可以说明的是，本实施例提供的信号处理装置，在第一半导体超晶格器件20的输入端增加输入一个混沌振荡信号(这一混沌振荡信号是由第一半导体超晶格器件20本身生成)之后，其可以显著地降低原始信号和最终输出的混沌振荡信号之间的相关性系数，但是又不会影响多个互相匹配的半导体超晶格器件分别组成的信号处理装置之间的混沌同步特性。

实施例2

本实施例提供了另一种基于半导体超晶格器件的信号处理装置，与实施例1提供的信号处理装置不同之处在于：将原始信号转换形成一个混沌振荡信号和将这一混沌振荡信号转换形成另一个混沌振荡信号采用了不同的半导体超晶格器件。

具体地，如图5所示，本实施例的基于半导体超晶格器件的信号处理装置包括原始信号发生模块10、第一半导体超晶格器件20、第二半导体超晶格器件60、信号采集模块50和电源模块(图中未示出)。

其中，所述原始信号发生模块10通过第一放大器30连接至所述第二半导体超晶格器件60的输入端，所述第二半导体超晶格器件60的输出端通过第二放大器40连接至所述第一半导体超晶格器件20的输入端。所述原始信号发生模块10生成的原始信号(通常是随机模拟信号)经由所述第一放大器30放大后输入至所述第二半导体超晶格器件60的输入端，所述第二半导体超晶格器件60根据输入的原始信号输出第二混沌振荡信号，所述第二放大器40将所述第二半导体超晶格器件60输出的第二混沌振荡信号放大后输入至所述第一半导体超晶格器件20的输入端，所述第一半导体超晶格器件20根据输入的第二混沌振荡信号输出第一混沌振荡信号。所述信号采集模块50连接至所述第一半导体超晶格器件20的输出端，用于采集所述第一半导体超晶格器件20生成第一混沌振荡信号并输出。

在优选的方案中，所述第一放大器30将所述原始信号的电压幅值放大至400～1200mv后输入至所述第二半导体超晶格器件60的输入端，所述第二放大器40将所述第二混沌振荡信号的电压幅值放大3～6倍后输入至所述第一半导体超晶格器件20的输入端。

在本实施例中，作为优选的方案，所述第二半导体超晶格器件60采用的是与所述第一半导体超晶格器件20具有相同的结构参数的半导体超晶格器件。

其中，所述电源模块是用于向所述信号处理装置的各个模块提供工作电压，例如向所述原始信号发生模块10、第一半导体超晶格器件20、第二半导体超晶格器件60、第一放大器30、第二放大器40以及信号采集模块50分别提供工作电压。所述电源模块可以是采用多通道高精度稳压电源，每一个通道对应一个需要提供工作电压的模块；所述电源模块也可以是包含多个单通道的子电源，每一个子电源对应一个需要提供工作电压的模块。需要说明的是，所述电源模块向所述第一半导体超晶格器件20和所述第二半导体超晶格器件60提供偏置电压，使得所述第一半导体超晶格器件20和所述第二半导体超晶格器件60分别处于自发混沌振荡状态或无自激振荡状态。

基于以上的信号处理装置的信号处理方法，首先由原始信号发生模块10生成原始信号，然后由第二半导体超晶格器件60根据输入的原始信号输出第二混沌振荡信号，再由第一半导体超晶格器件20根据输入的第二混沌振荡信号输出第一混沌振荡信号，由此降低输入的原始信号和最终输出的第一混沌振荡信号之间的相关性。

针对本实施例提供的信号处理装置及其信号处理方法，进行如下的测试：

(b1)、由电源模块向该装置中的各个模块提供工作电压，所述原始信号发生模块10生成的原始信号经由所述第一放大器30放大后输入至所述第二半导体超晶格器件60的输入端，所述第二半导体超晶格器件60生成的第二混沌振荡信号经由所述第二放大器40放大后输入至所述第一半导体超晶格器件20的输入端，由所述信号采集模块50采集所述第一半导体超晶格器件20生成的第一混沌振荡信号。测试所述原始信号发生模块10生成的原始信号与所述第一半导体超晶格器件20输出的混沌振荡信号的相关性系数，如图6所示，两个信号的相关性系数非常低，低于30％。

(b2)、作为一个对比测试，在第(b1)项测试的基础上，由电源模块控制该装置中的第二半导体超晶格器件60停止工作(此时半导体超晶格器件60仅表现出线性电阻的特性)，其余模块正常工作，所述原始信号发生模块10生成的原始信号由所述第一放大器30放大后通过所述第二半导体超晶格器件60，再经过所述第二放大器40后输入至所述第一半导体超晶格器件20的输入端，所述第一半导体超晶格器件20根据输入的原始信号输出混沌振荡信号。此时测试所述原始信号发生模块10生成的原始信号与所述第一半导体超晶格器件20输出的混沌振荡信号的相关性系数，两个信号的相关性系数达到70％左右，与现有技术公开的技术方案(参见epl,112(2015)30007中的实验结果)相吻合。

对比第(b1)项和第(b2)项测试可知，在正常工作状态的第一半导体超晶格器件20的输入端施加一个混沌振荡信号(由第二半导体超晶格器件60根据原始信号产生的混沌振荡信号)之后，第一半导体超晶格器件20的输出端的混沌振荡信号与原始信号的相关性系数得到显著地降低，由此提升了混沌保密通信的安全性，为混沌保密通信提供了可靠的安全保障。

(b3)、针对本实施例提供的信号处理装置，将两组匹配的半导体超晶格器件应用在两个相同的这种装置上，构成两个装置并对其进行混沌同步测试。图7示出了两个装置输出的混沌振荡信号的波形图，图8示出了这两个装置输出的混沌振荡信号的相关性系数图；图3中d1对应的是其中一个装置输出的信号，d2对应的是另一个装置输出的信号。从图7可以看出，两个装置输出的混沌振荡信号的波形基本相同，具有非常好的混沌同步效果。从图8可以看出，两个装置输出的混沌振荡信号在0ns处相关性系数达到90％以上，这说明由两组匹配半导体超晶格器件分别组成的两个信号处理装置之间实现了混沌同步。

第(b3)项测试可以说明的是，本发明提供的信号处理装置，首先采用第二半导体超晶格器件60将原始信号转换形成第二混沌振荡信号，然后再采用第一半导体超晶格器件20根据第二混沌振荡信号输出第一混沌振荡信号，由此可以显著地降低原始信号和输出的混沌振荡信号之间的相关性系数，但是又不会影响多个互相匹配的半导体超晶格器件分别组成的信号处理装置之间的混沌同步特性。

综上所述，根据本发明的实施例提供的基于半导体超晶格器件的信号处理装置和信号处理方法，在半导体超晶格器件将原始信号转换为混沌振荡信号的过程中，首先由半导体超晶格器件根据原始信号生成第二混沌振荡信号，然后再根据第二混沌振荡信号形成第一混沌振荡信号，由此能够降低输入的原始信号和最终输出的第一混沌振荡信号之间的相关性，可以将相关性系数降低至30％以下，提升了混沌保密通信的安全性，为混沌保密通信提供了可靠的安全保障。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。