基于SSFBG的±π/2和0/π相移編碼的安全性比較

張學(xué)典,顏澤帆,焦加潔,?！∶?/p>

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院,上海　200093)

基于SSFBG的±π/2和0/π相移編碼的安全性比較

張學(xué)典,顏澤帆,焦加潔,常敏

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)

摘要分別采用0/π和±π/2相移的方式對光脈沖信號進(jìn)行了編碼,并比較了基于超結(jié)構(gòu)光纖光柵的0/π和±π/2兩種相移編碼方式的安全性,通過研究分析兩編碼器所生成的編碼波形來評估各自的安全性。結(jié)果表明,0/π相移編碼器生成的編碼波形中存在明顯的凹陷,光學(xué)碼信息易被竊取,安全性低;而±π/2相移編碼器生成的編碼波形能隱秘地將光學(xué)碼信息隱藏于編碼波形中,大幅改善了編碼安全性,提高了通信安全。

關(guān)鍵詞超結(jié)構(gòu)光纖光柵;光譜相位編碼;安全性

Security Comparison of ±π/2 and 0/π Phase-shifted Superstructured Fiber Bragg Grating Encoding

ZHANG Xuedian,YAN Zefan,JIAO Jiajie,CHANG Min

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for

Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractIn this paper,0/π-phase-shifted SSFBG (0/π-SSFBG) and the ±π/2-phase-shifter SSFBG (±π/2-SSFBG) are used to encode the optical pulse signal.A comparison is made of the security performance of the 0/π-SSFBG and the ±π/2-SSFBG.We evaluate the security performance by the investigation of the encoded waveforms of both encoders.The existence of dips in the waveform encoded by 0/π-SSFBG allows eavesdroppers to extract code sequence straightforwardly.Nevertheless,the ±π/2 SSFBG based encoder improves the security by concealing the code information in the encoded waveform.

Keywordssuper structured fiber brag grating;spectral phase coding;security

光碼分多址(OCDMA)系統(tǒng)中的編解碼方案在OCDMA 技術(shù)的研究中占有重要地位,直接影響到系統(tǒng)誤碼率、系統(tǒng)的靈活性、系統(tǒng)的成本等,是OCDMA 系統(tǒng)能否實用化的關(guān)鍵。在OCDMA系統(tǒng)中,常用的編解碼的設(shè)備有:光纖延遲線、衍射光柵、陣列波導(dǎo)光柵(AWG)、級聯(lián)光纖光柵、光纖布拉格光柵(FBG)、超結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵(Super Structured Fiber Bragg grating,SSFBG)等。超結(jié)構(gòu)光纖光柵因其特殊的濾波特性、嚴(yán)格的波長間隔以及成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊等特點,是目前最有應(yīng)用前景的編解碼器[1]。光學(xué)編碼技術(shù)是保證光通信安全的前提,關(guān)于光學(xué)編碼的安全性的探討備受關(guān)注。

0/π-SSFBG是典型的相移編碼器,常用在二進(jìn)制碼上,其方法是在相鄰的碼片之間加一個0或π的相移。然而,使用0/π-SSFBG編碼器編碼產(chǎn)生的波形存在易被破解的弊端。采用π相移的編碼方式,使得兩個相鄰脈沖中間的重疊部分相互抵消,會產(chǎn)生一個明顯的凹陷,代碼的規(guī)律性容易被發(fā)現(xiàn)。在單用戶系統(tǒng)中,竊聽者根據(jù)這一規(guī)律可輕易地從編碼波形中提取碼字序列。為克服0/π-SSFBG編碼器生成的編碼波形可被推斷出碼字序列這一安全漏洞,提出了±π/2-SSFBG的相移編碼器[2]。

文中在傳統(tǒng)的0/π-SSFBG相移編碼器的基礎(chǔ)上,提出了±π/2-SSFBG相移編碼器,并通過對兩個編碼器產(chǎn)生的編碼波形的研究分析評估了各自的安全性,結(jié)果表明,±π/2-SSFBG相移編碼器的編碼方式比0/π-SSFBG相移編碼方式更安全。

1SSFBG編碼原理及其系統(tǒng)構(gòu)成

1.1　基于SSFBG的編碼原理

超結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵(SSFBG)是一種折射率調(diào)制函數(shù)隨長度緩慢變化的光纖布拉格光柵,常用于相位編碼中。若將短光脈沖信號輸入相移SSFBG中,則會產(chǎn)生一系列相干的碼片脈沖信號。從而可實現(xiàn)對光信號的編碼,提高光信號傳輸?shù)陌踩訹3]?；赟SFBG的編解碼示意圖如圖1 所示[4],由光纖激光器發(fā)出的窄脈沖信號,輸入至光環(huán)行器中,再由光環(huán)行器輸入至超結(jié)構(gòu)光纖光柵編碼器,超結(jié)構(gòu)光纖光柵編碼器將對其在時域上進(jìn)行展寬編碼,編碼后的信號再由光環(huán)行器對其進(jìn)行輸出,得到編碼后的光信號。編碼后的光信號經(jīng)光環(huán)行器輸入至與解碼器中,與編碼超結(jié)構(gòu)光纖光柵共軛的解碼光纖光柵將對輸入的編碼信號進(jìn)行解碼,從而解碼出原始脈沖信號。

圖1　基于SSFBG的編解碼示意圖

1.2　基于SSFBG構(gòu)成的編解碼器系統(tǒng)

圖2為由超結(jié)構(gòu)光纖光柵構(gòu)成的編解碼器的系統(tǒng)示意圖[5],由諧波鎖模摻鉺光纖激光器(EFRL)作為信號源發(fā)出一系列高速光脈沖信號,產(chǎn)生的信號輸入鈮酸鋰電光調(diào)制器(MOD)中進(jìn)行調(diào)制,經(jīng)調(diào)制后的光信號輸入摻鉺光纖放大器(EDFA)中進(jìn)行一級信號放大,放大后的信號輸入光環(huán)行器中,光信號經(jīng)光環(huán)行器輸入SSFBG中進(jìn)行編碼,編碼后的光信號再經(jīng)光環(huán)行器進(jìn)行輸出,輸出的信號由EDFA對其中進(jìn)行二級放大處理,再經(jīng)25 km的單模光纖(SMF)進(jìn)行傳輸實現(xiàn)對光信號的色散,通過光環(huán)行器由線性啁啾光纖光柵(LCFBG)對色散后的光信號進(jìn)行色散補(bǔ)償,補(bǔ)償后的色散信號再經(jīng)光環(huán)行器輸入至與編碼器共軛的SSFBG解碼器中進(jìn)行解碼,解碼后的光信號經(jīng)過光電探測器(PD)轉(zhuǎn)換后在示波器(OSC)上顯示出解碼后的時域波形,從而實現(xiàn)對光信號的編解碼功能。該系統(tǒng)中的超結(jié)構(gòu)光纖光柵可在頻域較寬范圍內(nèi)(幾~幾十nm)對光信號進(jìn)行0或π的相位附加。研究表明,速率為10 Gbit·s-1的信源信號(碼片速率160 Gbit·s-1)在光纖中可進(jìn)行25 km的無誤傳輸。

圖2　超結(jié)構(gòu)光纖光柵構(gòu)成的編解碼器的系統(tǒng)示意圖

2基于SSFBG的0/π和±π/2相移編碼

在光譜相位編碼中,相鄰光譜間的相移與光學(xué)碼的變化存在著固定的關(guān)系。用二進(jìn)制碼對光信號進(jìn)行相移編碼時,采用0/π相移編碼方式,若相鄰碼片相同,如(1,1)或(0,0),則相移為0;若相鄰碼片不同,如(1,0)或(0,1),則相移為π。為提高通信安全,提出了用±π/2相移器進(jìn)行光譜相位編碼。在提出的方案中,用于編碼的相移是+π/2和-π/2,取代了原來的0和π。若相鄰碼片相同,如(1,1)或(0,0),則相移為+π/2;若相鄰碼片不同,如(1,0)或(0,1),則相移為-π/2[6]。

光纖激光器產(chǎn)生光學(xué)高斯脈沖信號,其波形圖和光譜圖分別如圖3和圖4所示。圖5是經(jīng)7碼片光學(xué)碼進(jìn)行0/π相移方式編碼后的波形圖,編碼后的波形圖不同于初始信號,圖6為輸入信號經(jīng)7碼片光學(xué)碼進(jìn)行±π/2相移方式編碼后的波形圖,編碼后的波形圖也不同于初始信號,經(jīng)兩種方式編碼后的波形均凹凸不平,編碼后的信號強(qiáng)度有了明顯的衰減,其原因在于編碼過程中高斯脈沖信號在超結(jié)構(gòu)光纖光柵段之間的多次反射,也在于通過整個光柵而造成了強(qiáng)度減弱[7]。兩幅編碼波形圖均呈現(xiàn)出不規(guī)則的噪聲信號波形,無法讀出初始信號,從而可保護(hù)光學(xué)信號的安全而不被竊取。圖7是經(jīng)7碼片光學(xué)碼進(jìn)行0/π相移方式編碼后產(chǎn)生的頻域光譜圖,光譜圖中多處存在明顯凹陷。π相移的存在導(dǎo)致了光譜圖中有明顯的凹陷。圖8是經(jīng)7碼片光學(xué)碼進(jìn)行±π/2相移方式編碼后產(chǎn)生的頻域光譜圖,圖中的光譜均勻波動,無法辨別出是+π/2或-π/2相移方式而引起的凹陷,編碼后的光譜圖不受編碼光學(xué)碼片模式影響。

圖3　初始高斯脈沖信號的波形圖

圖4　初始高斯脈沖信號的光譜圖

圖5　經(jīng)7碼片光學(xué)碼用0/π相移方式編碼后的波形圖

圖6　經(jīng)7碼片光學(xué)碼用±π/2相移方式編碼后的波形圖

圖7　經(jīng)7碼片光學(xué)碼用0/π相移方式編碼后的光譜圖

圖8　經(jīng)7碼片光學(xué)碼用±π/2相移方式編碼后的光譜圖

3SSFBG兩種編碼方式的安全性比較

3.1　SSFBG的0/π相移編碼安全性分析

采用7碼片光學(xué)碼超級結(jié)構(gòu)光纖光柵測試0/π相移編碼方式的安全性,編碼超結(jié)構(gòu)光纖光柵的碼字序列為[0010111]。為研究0/π相移方式編碼后光譜圖發(fā)生的變化,將0/π相移方式編碼后的光譜圖繪制于原始光譜圖中,并對其做歸一化處理,如圖9 所示,圖中虛線表示初始高斯脈沖信號的頻域光譜圖,實線表示用0/π相移編碼器編碼后的頻域光譜圖。通過比較兩波谷之間的頻率間隔與碼片作用的頻率范圍來定位碼片位置,碼片作用的位置用6條豎直虛線標(biāo)注在圖中,將光譜圖分成7個離散部分,以便于更清晰地看出相移位置對應(yīng)的光譜變化。同時將相應(yīng)的光學(xué)碼和相移也繪制于光譜圖中。

由于在計算光譜分量時對其進(jìn)行了濾波,從而造成編碼后光譜帶寬和強(qiáng)度有所損失。圖中編碼后的光譜圖中有3處明顯的深凹陷,其位置均產(chǎn)生在π相移編碼方式處,其原因在于相鄰波長間產(chǎn)生了π相移,抵消了兩相鄰脈沖中間的重疊部分,從而產(chǎn)生了明顯的深凹陷[8]。反之,若相鄰波長間相移為0,則不影響兩個鄰的脈沖的重疊部分,從而光譜圖形的形狀將不受影響。從編碼后的光譜形狀中可推斷出π相移存在的位置,從而可推斷出用于編碼的碼片序列,光學(xué)碼片的序列直接關(guān)系到相移編碼的方式。竊取者可輕易提取出用于0/π相移編碼的光學(xué)碼序列,從而獲取到原始信息,威脅到系統(tǒng)的信號傳輸安全[9]。

圖9　經(jīng)7碼片光學(xué)碼用0/π相移方式編碼后的波形圖和光譜圖

3.2　SSFBG的±π/2相移編碼安全性分析

為研究±π/2相移方式編碼后光譜圖發(fā)生的變化,將±π/2相移方式編碼后的光譜圖繪制于原始光譜圖中,并對其進(jìn)行歸一化處理,如圖10所示。圖中虛線表示初始高斯脈沖信號的頻域光譜圖,實線表示經(jīng)±π/2相移編碼器編碼后的頻域光譜圖。通過比較兩波谷之間的頻率間隔與碼片作用的頻率范圍來定位碼片位置,碼片作用的位置用6條豎直虛線標(biāo)注在圖中,6條虛線將光譜圖分成7個離散部分,便于清晰地觀察相移位置處所對應(yīng)的光譜變化。同時將相應(yīng)的編碼光學(xué)碼片序列和對應(yīng)的相移變化也繪制于光譜圖中。

經(jīng)±π/2方式的相移編碼器編碼后的光譜圖均勻波動。編碼后的光譜圖中有多個淺凹陷,結(jié)合相移變化位置,可發(fā)現(xiàn)淺凹陷隨機(jī)分布在+π/2或-π/2相移編碼方式處,其原因在于相鄰波長之間,+π/2和-π/2的相移位置處有均勻部分干擾,所以發(fā)生相移的位置處會出現(xiàn)小的均勻凹陷波形,無法辨別是因+π/2或-π/2的相移編碼方式而引起的波形凹陷,編碼后的光譜圖不受編碼光學(xué)碼片模式影響,在光譜圖中,這種均勻凹陷是無法區(qū)分的,使光譜波形與編碼光學(xué)碼序列失去了固定的關(guān)系,從而提高了編碼系統(tǒng)的安全等級。

圖10　經(jīng)7碼片光學(xué)碼用±π/2相移方式編碼后的波形圖和光譜圖

3.3　兩種編碼方式的安全性比較

在光學(xué)編碼技術(shù)中編碼信息的安全性問題備受關(guān)注。一種安全性能高的光學(xué)編碼方式,竊取者因無法獲得破解編碼信號的光學(xué)碼序列,從而無法從編碼信號中解密出正確的信息。

基于SSFBG的0/π相移編碼方式產(chǎn)生的光譜圖中在發(fā)生π相移的位置存在明顯的深凹陷,從編碼后的光譜形狀中可推斷出π相移存在的位置,從而可推斷出用于編碼的碼片序列,竊取者可根據(jù)這種不安全性來竊取信息。從編碼光譜中竊取光學(xué)碼的步驟如下:

步驟1檢查光譜圖中潛在的深凹陷位置,找出深凹陷;

步驟2根據(jù)凹陷的位置將光譜圖分成若干個部分;

步驟3假設(shè)第一部分的編碼碼片為0或1;

步驟4根據(jù)假設(shè)竊取下一個光學(xué)碼。若第一個碼片和第二個碼片之間存在凹陷,則第二個碼片不同于第一個碼片;若沒有凹陷,則其與第一個碼片相同;

步驟5重復(fù)步驟4直到竊取所有碼片的光學(xué)碼序列[10]。

用上述方法,最多只要經(jīng)過兩次假設(shè)即可完成對編碼后的光譜圖中所有光學(xué)碼序列的竊取。盡管編碼后的波形圖是不規(guī)則噪聲信號波形,竊取者也能從編碼后的頻域光譜圖中提取出光學(xué)碼序列,進(jìn)而實現(xiàn)對原始信息的破解。因此,采用0/π相移的編碼方式不能滿足通信系統(tǒng)的安全性要求。

然而,采用±π/2相移編碼方式產(chǎn)生的光譜圖中盡管存在凹陷,但+π/2與-π/2相移編碼產(chǎn)生的凹陷波形難以辨別,竊取者難以通過光譜的形狀來判斷出對應(yīng)用于編碼的光學(xué)碼片序列,從而無法獲取原始信息。因此,采用±π/2相移的編碼方式能將光學(xué)碼信息隱藏于編碼波形中,可有效提高編碼方式的安全性,保證了通信系統(tǒng)的安全。

4結(jié)束語

文中介紹了超結(jié)構(gòu)光纖光柵的編解碼原理及其系統(tǒng)構(gòu)成,再通過研究分析兩編碼器產(chǎn)生的編碼波形來評估了0/π-SSFBG和±π/2-SSFBG兩種相移編碼方式的安全性,結(jié)論證明,采用0/π相移編碼方式產(chǎn)生的編碼波形中存在明顯的凹陷,不能滿足通信安全的要求,而采用±π/2相移編碼方式產(chǎn)生的編碼光譜波形均勻波動,從中無法解密相關(guān)的光學(xué)碼信息,因而能較好地隱藏光學(xué)碼信號。與0/π-SSFBG相移編碼方式相比,±π/2-SSFBG相移編碼方式的安全性更高,更能滿足安全通信系統(tǒng)的要求。

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作者簡介:張學(xué)典(1974—),男,博士,副教授。研究方向:光電檢測儀器。顏澤帆(1991—),男,碩士研究生。研究方向:光通信。

基金項目:國家科技部重大儀器專項基金資助項目(2013YQ03065104);國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項基金資助項目(2014YQ090709)

收稿日期:2015- 06- 11

中圖分類號TN929.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)01-083-05

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.01.022