量子密钥分发宽频电子控制系统设计

发布时间：2017-08-06 08:13

  本文关键词：量子密钥分发宽频电子控制系统设计

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【摘要】：随着计算机技术的不断发展,基于问题求解规模的现代密码遇到了越来越严峻的考验。虽然一次一密加密算法能保证信息的绝对安全,但如何进行大规模的密钥分发和管理却极大的限制了它的实用性。量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)利用量子本身的物理特性很好的解决了长距离密钥分发的问题。QKD系统包括QKD物理系统、QKD电子控制系统、QKD后处理系统和应用层软件。不同的QKD物理系统量子态的制备、传输和测量过程均不相同,导致已有的QKD电子控制系统很难对新结构的QKD物理系统进行适配。为了提升QKD电子控制系统对物理系统的适配能力,本课题研制了一种适用于采用相位编码的双路QKD物理系统的宽频电子控制系统。本文主要完成了以下工作:针对双路QKD物理系统的宽频控制问题,提出了一种PC软件和FPGA相结合的QKD宽频电子控制系统架构。为了提升QKD电子控制系统的适应性和稳定性,该架构将控制系统划分为负责具体信号生成的核心控制模块和负责参数设置的指令控制模块。该架构很好的解决了基于Faraday-Michelson的双路QKD物理系统在不同通讯要求下面临的控制问题。针对QKD物理系统对控制信号频率变化范围大、调节精度高的需求,提出了一种基于专用计数器的控制信号生成方案。该方案解决了高频工作时钟下控制信号输出不理想的高频数字电路设计问题。为了解决相位调制器控制数据生成过程和控制信号生成过程因速度不匹配造成控制信号输出间断的问题,本课题提出了一种基于流水线思想的相位调制器控制数据生成方案和控制信号生成方案。实验结果表明,本课题提出的专用计数器方案和流水线设计方案能够达到物理系统对于控制信号的要求,降低了QKD通讯过程的误码率。为了验证本课题提出的QKD宽频电子控制系统的实用性,本课题在实现QKD宽频电子控制系统的基础上搭建了一套QKD实验系统。该系统的现场测试结果表明:本课题设计的QKD宽频电子控制系统能够以不同频率控制信号驱动物理系统进行信息的交互并成功进入后处理流程,有效解决了QKD物理系统在不同工作频率下不能长时间正确运行的问题,促进了QKD系统的实用化。
【关键词】：量子密钥分发宽频电子控制系统 控制信号生成 高频数字电路设计 FPGA
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN918.4;TP273
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 国外研究现状11-13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.2.3 国内外研究总结14-15
• 1.3 本文的主要内容和组织15-16
• 第2章 QKD系统研究16-31
• 2.1 引言16
• 2.2 QKD系统结构16-21
• 2.2.1 QKD系统基本协议17-18
• 2.2.2 基于相位编码的QKD物理系统18-21
• 2.2.3 QKD后处理21
• 2.3 QKD物理系统关键设备介绍21-24
• 2.3.1 单光子源22
• 2.3.2 相位调制器22-23
• 2.3.3 单光子探测器23-24
• 2.4 QKD电子控制系统24-28
• 2.4.1 控制系统工作流程25-26
• 2.4.2 控制系统设计难点26-28
• 2.5 QKD宽频电子控制系统架构设计28-30
• 2.6 本章小节30-31
• 第3章 QKD宽频电子控制系统核心模块设计31-58
• 3.1 引言31
• 3.2 时钟模块31-34
• 3.2.1 锁相环基本原理31-32
• 3.2.2 混合模式时钟管理32-33
• 3.2.3 时钟模块硬件设计33-34
• 3.3 握手模块34-37
• 3.3.1 握手模块算法流程34-35
• 3.3.2 握手模块的设计与实现35-37
• 3.4 LD/SPD控制模块37-43
• 3.4.1 IODELAYE1与IDELAYCTRL37-38
• 3.4.2 LD/SPD控制模块算法流程38-39
• 3.4.3 LD/SPD控制模块原始方案39-41
• 3.4.4 专用计数器设计41-43
• 3.4.5 LD/SPD控制模块改进方案43
• 3.5 随机数模块43-45
• 3.5.1 线性移位反馈寄存器43-44
• 3.5.2 随机数生成模块硬件设计44-45
• 3.5.3 随机数采集模块硬件设计45
• 3.6 PM控制模块45-50
• 3.6.1 PM控制数据生成流程46-47
• 3.6.2 PM控制数据生成硬件设计47-48
• 3.6.3 PM控制信号生成模块算法流程48-49
• 3.6.4 PM控制信号生成模块硬件设计49-50
• 3.7 后处理接口模块50-57
• 3.7.1 数据采集模块50-52
• 3.7.2 网络通信模块52-57
• 3.8 本章小节57-58
• 第4章 QKD宽频电子控制系统指令模块设计58-68
• 4.1 引言58
• 4.2 指令设计58-59
• 4.3 指令接收模块59-61
• 4.3.1 Uart通讯协议59-60
• 4.3.2 指令接收模块算法流程60
• 4.3.3 指令接收模块硬件设计60-61
• 4.4 指令执行模块61-62
• 4.4.1 指令执行模块算法流程61
• 4.4.2 指令执行模块硬件设计61-62
• 4.5 配置寄存器组模块62-64
• 4.5.1 寄存器编址63-64
• 4.5.2 寄存器更新算法64
• 4.6 指令模块软件设计64-67
• 4.6.1 数据类设计64-65
• 4.6.2 软件的主要工作流程65-67
• 4.7 本章小节67-68
• 第5章 QKD宽频电子控制系统测试68-94
• 5.1 引言68
• 5.2 QKD宽频电子控制系统测试环境68-70
• 5.3 QKD宽频电子控制系统核心模块测试70-83
• 5.3.1 时钟模块测试70
• 5.3.2 握手模块测试70-71
• 5.3.3 LD/SPD控制模块测试71-75
• 5.3.4 随机数模块测试75-77
• 5.3.5 PM控制模块测试77-81
• 5.3.6 后处理接口模块测试81-83
• 5.4 QKD宽频电子控制系统指令模块测试83-90
• 5.4.1 宽频电子控制系统控制软件测试83-84
• 5.4.2 指令接收模块测试84-87
• 5.4.3 指令执行模块测试87-88
• 5.4.4 配置寄存器组模块测试88-90
• 5.5 整体测试90-93
• 5.5.1 2M系统测试90-92
• 5.5.2 20M系统测试92-93
• 5.6 本章小节93-94
• 结论94-95
• 参考文献95-101
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果101-103
• 致谢103

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本文编号：629041