基于FPGA的QKD光源时序校准系统研究与设计

发布时间：2019-07-21 07:19

【摘要】：随着量子理论与技术的发展,以量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)为基础的量子保密通信逐步成为保障网络信息安全的强有力技术手段,在对信息安全要求较高的政府、国防、金融、能源、科研等领域有着广泛的应用。QKD终端设备中各路光源的时序校准是QKD系统生成安全可靠密钥的前提条件,因此研究高效率、高精度的时序校准装置对于量子通信的安全性有着重要意义,可加快量子通信产业化进程。本文针对QKD终端设备中八路量子态光信号在设备出口处存在固有时间偏差的问题,设计了一套以高精度时间数字转换器(Time Digitial Converter,TDC)为核心、以FPGA为主控单元的QKD光源时序校准系统。整个时序校准系统可分为信号调理部分、时间测量部分和FPGA主控部分。信号调理部分采用高速比较器对光电转换后的差分小信号进行幅度甄别,采用D触发器和RC延时电路实现脉冲展宽,之后将同步光、信号光脉冲电信号分别作为TDC的起始、停止信号;时间测量部分采用高精度时间间隔测量芯片TDC-GPX对调理后的脉冲电信号进行时间间隔测量并将测量结果传送给FPGA主控部分;FPGA主控部分负责系统外围电路的控制及测量数据的运算和处理,通过向待校QKD设备下发延时调整命令帧,分别调整八路光信号的发光时间,使其满足在时间上的不可分辨性。为验证校准系统的性能,对TDC-GPX的性能进行了测试,对QKD光源时序校准系统进行了整体测试。测试结果表明,校准系统精度小于80ps,用于实际待校准QKD设备中,校准性能良好,能够满足QKD光源时序校准系统的需求。
【图文】：

究背景及意义背景信技术以单光子为信息载体，以光纤为量子信道，，量子理量子态不可克隆原理保证了量子通信成为一种绝对安全的论与技术的发展，以量子密钥分发（Quantum Key Distribut子保密通信逐步成为未来保障网络信息安全的一种非常有子通信领域理论和应用研究的热点，在技术研究、试点应迅速[1]。量子密钥分发系统框图如图 1.1 所示，QKD 系统主要由发QKD 系统发送方首先通过发送方控制模块进行量子态信号过量子信道即光纤传输量子态信号给接收方；QKD 系统接号并解码，QKD 系统发送方和接收方接着通过经典信道进错、隐私放大等处理后生成最终密钥。通过量子密钥分发钥，所共享的量子密钥基于一次一密的加密机制加密所要传
图2.2时序校准系统总体结构框图

参数值以液晶屏显示的方式进行显示。2.2 总体设计方案根据课题的需求分析，本研究以高精度时间间隔测量芯片 TDC-GPX 为核心，以现场可编程门阵列 FPGA 为主控单元，设计了一套用于 QKD 终端设备的光源时序校准系统，如图 2.2 所示为时序校准系统的总体结构框图。时序校准系统主要由光电转换单元、信号调理单元、TDC-GPX 时间测量单元、FPGA 主控制单元和板级通信单元等组成。光电转换单元采用 PIN 光电管分别将同步光、信号光（信号态和诱骗态下各四路）脉冲转换成脉冲电信号；信号调理单元由交流耦合电路、幅值甄别电路、脉冲展宽电路、电平转换电路等组成，最终调理成 TDC-GPX 能够识别的 LVTTL/LVPECL 信号；时间测量单元采用德国 ACAM 公司的高精度时间间隔测量芯片 TDC-GPX，将各路信号光相对于同步光的时间准确测量出来；主控制单元选用Altera公司的型号为EP4CE10E22C8N的FPGA，主要完成对TDC-GPX的工作模式配置、数据读写操作及后期的数据处理等；板级通信单元主要通过FPGA 实现本校准系统与 QKD 发送方设备的 FPGA、ARM 通信。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O413;TN918

【参考文献】