[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，具体涉及一种PAM8水下可见光通信系统。

背景技术

水下可见光通信(Underwater visible light communication,UVLC)由于没有可用带宽限制、高速、大容量、远离传统的射频无线通信频段、频谱资源丰富等优良性能而在新频谱资源的开发和利用中具有极高的研究价值[1,2]。可见光的波长较短，在传输时不可穿墙，具有较高的安全性能，但是仍无法避免信号在同一空间内被窃听者窃取的情况，因此有必要研究适用于UVLC系统的信号加密技术，来提高传输的安全性。

2018年，复旦大学(周盈君等)便首次为UVLC系统提出了物理层的频谱加扰安全策略[3]，通过对PAM(Pulse amplitude modulation)信号的频谱的正负半轴进行相同数目的零填充来对信号进行加密，但是这种加密方式有可能在接收端通过分析信号的频谱特性可以被破解。因此，有必要采用更高维度的加密技术来保护待传输的信号。2021年，浙江大学(何赛灵等)首次验证了在高速UVLC系统中采用混沌加密的可行性[4]，采用比特级和子载波级的两级混沌加密，并验证了混沌加密对系统的性能没有负面影响。2022年，他们又采用比特流扩散、同相/正交加扰和时频加扰的三层混沌系统进行UVLC系统的加密[5]。但是这些加密算法在实现时都较为复杂，对系统要求较高，且没有考虑到系统的频谱特性，由于系统使用的器件大多具有带通特性，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。

本发明提出了一种基于共轭跳频(Conjugate frequency hopping,CFH)和混沌相位扰码(Phase scrambling,PS)的双层加密技术，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，实现较高的传输可靠性、安全性和传输质量。

[参考文献]

[1]M.Chen,P.Zou,L.Zhang and N.Chi,Demonstration of a 2.34Gbit/sReal-Time Single Silicon-Substrate Blue LED-Based Underwater VLC System,inIEEE Photonics Journal,vol.12,no.1,pp.1-11,Feb.2020,Art no.7900211

[2]N.Chi,Y.Zhou,Y.Wei and F.Hu,Visible Light Communication in 6G:Advances,Challenges,and Prospects,in IEEE Vehicular Technology Magazine,vol.15,no.4,pp.93-102,Dec.2020