光跳频通信系统及方法

本公开涉及光通信领域，具体地，涉及一种光跳频通信系统及方法。

背景技术：

1、光跳频安全传输技术，最初的构想来自于无线数字通信中的跳频技术。跳频技术，是指在伪随机序列的控制下，传输信号的载波频率发生周期性跳变。其作为扩频技术的一种，其将待传输的信息的频谱扩展到一个很大的带宽上进行传输，接收端一般采用相关接收的方法对带宽压缩，恢复出原始的窄带信号。同时，由于频谱的扩展，跳频技术也具有扩频系统的诸多优点，比如较好的抗干扰和抗截获能力，以及较好的抗衰落和抗多径能力。

2、载波频率在时间域上的跳变规则被称为跳频图案。n个可能的载波频率构成了跳变集{f1，f2，f3，…，fn}，每个频率的信道占据了整个信道带宽w中的一小段频谱区域b，在该跳频带宽b内足以包含信号脉冲的大部分能量。一般有w≥nb。从时域上看，不同跳变之间的时间间隔被称为跳频周期，载波跳变的速率即为跳频速率。由于跳变的载波分布在一个很宽的带宽内，且由伪随机序列控制，因而不易被追踪和窃听。因此，研究基于不同物理原理的光跳频通信安全技术，实现不同的光跳频通信系统，不仅具有学术价值，而且具有重要的现实意义。

3、然而目前光跳频安全传输技术大多基于离散分立器件，链路复杂，体积大，且收发端仅有一组密钥，被破解或盗用后会造成密钥安全性丧失，无法保证通信安全。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、本公开提供一种光跳频通信系统及方法，用于至少部分解决上述技术问题之一。

3、(二)技术方案

4、本公开一方面提供一种光跳频通信系统，包括：发送端，用于发送信号，发射端基于密钥组对光信号进行调控，生成多路跳频序列，而后将多个数据流序列分别调制在每路跳频序列上，将带有调制信号的跳频序列汇入发射信号形成模块后耦合，生成发射信号，将发射信号送入光纤中传输；其中，密钥组包括第一密钥和第二密钥，光信号包含多个波长；发送端基于第一密钥确定目标路径，基于第二密钥对目标路径传输的光信号中的多个波长进行广播分发，生成多路跳频序列，每路跳频序列的波长会随时间变化而发生改变，跳频序列的变化规律受控于密钥组；接收端，用于接收发射信号，基于和发送端相同的密钥组对发射信号进行解码，经多个光电探测器转换后恢复出原始的数据流序列。

5、可选地，发送端包括：第一光开关，用于基于第一密钥确定目标第一路径；其中，第一光开关包括多个第一路径，每一第一路径对应一个第一输出端口；第一广播路由波长选择阵列，用于基于第二密钥对光信号中的多个波长进行广播分发，生成多路跳频序列；其中，广播分发产生的第二路径上的跳频序列取决于第二密钥和第一目标路径的输出结果，即每个第二路径中的信号波长会随时间变化而发生改变，跳频序列信号的变化规律受控于密钥组。

6、可选地，第一广播路由波长选择阵列包括多个第二输入端口和多个第二输出端口，第二输入端口与第一光开关的第一输出端口连接，用于接收由第一光开关传输的光信号，其中，不同第一输出端口输出的光信号在第一广播路由波长选择阵列中对应的分发模式不同。

7、可选地，发送端还包括：光源发射装置，用于发射光信号，其中，光源发射装置为多通道激光器阵列芯片，或，单波长光源与光学频率梳的组合装置。数据调制模块，由多个调制器构成，用于将多个数据流序列分别调制在每路跳频序列上，生成多路调制后的跳频信号；其中，不同跳频序列上加载的数据流序列不同；其中，多个调制器分别与第一广播路由波长选择阵列中的多个第二输出端口连接；发射信号形成模块，由多波长光学复用器构成，用于对带有调制信号的跳频序列进行信号复用，生成发射信号；任意波形发生器，用于生成多个数据流序列，并将多个数据流序列分别发送至多个调制器中；第一伪随机码发生器，与第一光开关和第一广播路由波长选择开关阵列连接，用于获取第一密钥和第二密钥，并将第一密钥和第二密钥分别发送至第一光开关和第一广播路由波长选择开关阵列。

8、可选地，接收端包括：第二光开关，用于基于第一密钥确定目标路径，其中，不同目标路径对应的发射信号路径切换模式不同；第二广播路由波长选择阵列，用于基于第二密钥对接收到的发射信号的多个波长进行广播分发，以恢复跳频序列。

9、可选地，接收端还包括：信号放大器，用于接收并增强经光纤传输后的发射信号强度，以弥补光纤链路上的传输损耗，并将放大后的发射信号发送至第二光开关；信号还原模块，由多个光电探测器构成，用于对恢复出的跳频序列进行光电转换，从而还原出多组原始数据流序列；第二伪随机码发生器，与第二光开关和第二广播路由波长选择开关阵列连接，用于获取第一密钥和第二密钥，并将第一密钥和所述第二密钥分别发送至第二光开关和第二广播路由波长选择开关阵列。

10、可选地，发送端和接收端由分立器件连接而成，或，基于硅基有源芯片和/或三五族有源芯片加工制备而成。

11、可选地，第一光开关和第二光开关均由一分二光开关级联而成。

12、本公开另一方面提供一种光跳频通信方法，包括：基于密钥组对光信号进行调控，生成多路跳频序列，而后将多个数据流序列分别调制在每路跳频序列上，将带有调制信号的跳频序列汇入发射信号形成模块后耦合，生成发射信号，将发射信号送入光纤中传输；接收发射信号，基于和发送端相同的密钥组对发射信号进行解码，经光电探测器转换后恢复出原始的数据流序列；其中，密钥组包括第一密钥和第二密钥，光信号包含多个波长；基于密钥组对光信号进行调制，生成多路跳频序列，包括：基于第一密钥确定目标路径，基于第二密钥对目标路径传输的光信号中的多个波长进行广播分发，生成多路跳频序列，每路跳频序列的波长会随时间变化而发生改变，跳频序列的变化规律受控于密钥组。

13、可选地，基于和发送端相同的密钥组对发射信号进行解码，包括：基于第一密钥确定发射信号在第二光开关中的目标路径，其中，不同目标路径对应的发射信号路径切换模式不同；基于第二密钥对接收到的发射信号的多个波长进行广播分发，以恢复跳频序列；对恢复出的跳频序列进行光电转换，从而还原出多组原始数据流序列。

14、(三)有益效果

15、本公开提供的光跳频通信系统至少包括以下有益效果：

16、本公开通过两组密钥依次对光信号进行调控，实现光信号的跳频，从而提高信号的安全性，降低密钥被破解的风险，有效避免通信内容泄露，密钥分组机制可以有效提高光通信安全，增强光跳频系统的抗干扰和抗截获能力。

技术特征：

1.一种光跳频通信系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的光跳频通信系统，其特征在于，所述发送端包括：

3.根据权利要求2所述的光跳频通信系统，其特征在于，所述第一广播路由波长选择阵列(130)包括多个第二输入端口和多个第二输出端口，所述第二输入端口与所述第一光开关的第一输出端口连接，用于接收由所述第一光开关传输的光信号，其中，不同第一输出端口输出的光信号在第一广播路由波长选择阵列中对应的分发模式不同。

4.根据权利要求1所述的光跳频通信系统，其特征在于，所述发送端还包括：

5.根据权利要求1所述的光跳频通信系统，其特征在于，所述接收端包括：

6.根据权利要求1所述的光跳频通信系统，其特征在于，所述接收端还包括：

7.根据权利要求1所述的光跳频通信系统，其特征在于，发送端(100)和所述接收端(200)由分立器件连接而成，或，基于硅基有源芯片和/或三五族有源芯片加工制备而成。

8.根据权利要求2或6所述的光跳频通信系统，其特征在于，所述第一光开关(120)和所述第二光开关(320)均由一分二光开关级联而成。

9.一种光跳频通信方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的光跳频通信方法，其特征在于，所述基于和发送端相同的密钥组对发射信号进行解码，包括：

技术总结
本公开提供的光跳频通信系统，应用于光通信领域，包括：发送端，用于发送信号，基于密钥组对光信号进行调控生成多路跳频序列，将多个数据流序列分别调制在每路跳频序列上，将带有调制信号的跳频序列汇入发射信号形成模块后耦合生成发射信号，将发射信号送入光纤中传输；密钥组包括第一密钥和第二密钥，光信号包含多个波长；发送端基于第一密钥确定目标路径，基于第二密钥对目标路径传输的光信号中的多个波长进行广播分发生成多路跳频序列，每路跳频序列的波长会随时间变化而发生改变，跳频序列的变化规律受控于密钥组；接收端，用于接收发射信号，基于和发送端相同的密钥组对发射信号进行解码，经光电探测器转换后恢复出原始的数据流序列。

技术研发人员：陈蓓,祝宁华,金亚,李明,文花顺
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29