0 引言

    量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution，QKD）系統(tǒng)能夠提供一種物理上安全的密鑰分發(fā)方式，在國(guó)家政府、軍隊(duì)、金融、科研等信息安全領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值，因而成為量子保密通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)^[1]。

    由于傳輸路徑的差異、各路激光器響應(yīng)時(shí)間的不嚴(yán)格一致性，使得QKD系統(tǒng)發(fā)送方同一時(shí)刻發(fā)出的八路光信號(hào)在設(shè)備出口處會(huì)有明顯的時(shí)間間隔，這會(huì)給竊聽(tīng)者提供一定的分析價(jià)值，系統(tǒng)存在安全隱患。為了保證QKD系統(tǒng)的安全性，必須對(duì)QKD系統(tǒng)發(fā)送方的八路光源信號(hào)進(jìn)行時(shí)序校準(zhǔn)處理，達(dá)到任意兩路光源信號(hào)在時(shí)間上不可分辨性，從而使竊聽(tīng)者無(wú)法辨別發(fā)送方發(fā)送的狀態(tài)信息。傳統(tǒng)的QKD光源時(shí)序校準(zhǔn)方法操作復(fù)雜、精度不高，且需要借助于專(zhuān)用的校準(zhǔn)設(shè)備。因此，開(kāi)發(fā)一套高精度、高效率的QKD光源時(shí)序自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)迫在眉睫，并且對(duì)加快量子通信產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也有重要意義。

    本文使用高精度時(shí)間間隔測(cè)量芯片TDC-GPX與現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA，設(shè)計(jì)了一套能夠滿(mǎn)足量子密鑰分發(fā)光源時(shí)序校準(zhǔn)要求的高精度、高效率時(shí)序校準(zhǔn)系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)

    量子密鑰分發(fā)光源時(shí)序校準(zhǔn)系統(tǒng)以TDC-GPX為核心器件，以FPGA為主控制單元，配以其他外圍輔助單元完成整個(gè)校準(zhǔn)功能，系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由光電轉(zhuǎn)換單元、信號(hào)調(diào)理單元、TDC-GPX時(shí)間測(cè)量單元、FPGA主控制單元、板級(jí)通信單元組成。光電轉(zhuǎn)換單元采用PIN光電管分別將同步光、信號(hào)光（信號(hào)態(tài)和誘騙態(tài)下各四路）脈沖轉(zhuǎn)換成脈沖電信號(hào)；信號(hào)調(diào)理單元由交流耦合電路、高速比較器ADCMP572、電平轉(zhuǎn)換芯片MC100EPT21組成，最終調(diào)理成TDC-GPX能夠識(shí)別的LVTTL信號(hào)；時(shí)間測(cè)量單元采用德國(guó)ACAM公司的高精度時(shí)間間隔測(cè)量芯片TDC-GPX，將各路信號(hào)光相對(duì)于同步光的時(shí)間準(zhǔn)確測(cè)量出來(lái)；主控制單元選用Altera公司的型號(hào)為EP4CE10E22C8N的FPGA，主要完成對(duì)TDC-GPX的工作模式配置、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作及后期的數(shù)據(jù)處理等；板級(jí)通信單元主要通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)本校準(zhǔn)系統(tǒng)與QKD發(fā)送方設(shè)備的FPGA、ARM通信。

    在主控制單元完成對(duì)時(shí)間測(cè)量單元的初始參數(shù)及模式配置后，時(shí)間測(cè)量單元測(cè)出八路信號(hào)光相對(duì)于同步光之間的時(shí)間間隔；主控制單元分別讀取時(shí)間測(cè)量單元中八路信號(hào)光與同步光的時(shí)間間隔值并進(jìn)行特定的數(shù)據(jù)處理，然后將處理后的結(jié)果命令幀通過(guò)串口下發(fā)給QKD發(fā)送方FPGA。此FPGA按照接收到的命令幀產(chǎn)生各路延時(shí)電驅(qū)動(dòng)信號(hào)延遲各路信號(hào)對(duì)應(yīng)的激光器發(fā)光，經(jīng)過(guò)一次延時(shí)調(diào)整后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行第二次信號(hào)光與同步光的時(shí)間間隔測(cè)量，由主控制單元讀取第二次測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后通過(guò)串口再次下發(fā)延時(shí)命令。如此反復(fù)，經(jīng)多次測(cè)量、偏差比較、反饋控制后，八路信號(hào)之間的偏差值會(huì)越來(lái)越小，直至八路信號(hào)之間時(shí)間間隔小于給定技術(shù)指標(biāo)后校準(zhǔn)完成，校準(zhǔn)完成后主控制單元將最終的校準(zhǔn)參數(shù)一方面寫(xiě)到Flash存儲(chǔ)器中用于保存校準(zhǔn)參數(shù)，另一方面將校準(zhǔn)參數(shù)通過(guò)串口寫(xiě)入QKD發(fā)送方ARM中。

2 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

2.1 前端信號(hào)調(diào)理

    信號(hào)調(diào)理單元主要由交流耦合電路、高速比較器、電平轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，同步光經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換單元輸出的信號(hào)為差分小信號(hào)，共模幅值為1 V，差分幅值為400 mV左右。為了甄別出此小幅值信號(hào)，需要通過(guò)交流耦合的方式接入高速比較器^[2]。為了消除噪聲，比較器需要設(shè)置一定的滯回比較閾值，設(shè)定其值為±20 mV^[3]，比較器輸出的是CML差分信號(hào)，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片將其轉(zhuǎn)換成LVTTL單端信號(hào)作為T(mén)DC-GPX的輸入信號(hào)。同步光信號(hào)調(diào)理電路原理圖如圖3所示。

    圖4為經(jīng)信號(hào)調(diào)理單元調(diào)理前后的波形圖，示波器Ch2、Ch3為信號(hào)調(diào)理前的差分小信號(hào)，Ch1為調(diào)理后的單端LVTTL信號(hào)。

2.2 TDC-GPX模式配置

    TDC-GPX采用起停型的測(cè)量方式，共有4種測(cè)量模式，在本量子密鑰分發(fā)光源時(shí)序校準(zhǔn)系統(tǒng)中設(shè)置同步光、信號(hào)光頻率都為100 kHz；選用TDC-GPX的I模式進(jìn)行測(cè)量，設(shè)置信號(hào)的輸入類(lèi)型為L(zhǎng)VTTL單端輸入，TDC-GPX的起始、停止輸入信號(hào)全部為上升沿觸發(fā)；設(shè)置StartRetrig=1，開(kāi)啟內(nèi)部再觸發(fā)，此時(shí)測(cè)量的是每個(gè)停止信號(hào)相對(duì)于前面最近的起始信號(hào)之間的時(shí)間間隔；考慮到TDCGPX的測(cè)量精度與芯片內(nèi)部PLL有關(guān)^[4]，設(shè)置與PLL相關(guān)的HSDiv=205、RefClkDiv=128、MTimer=40。

2.3 FPGA流程控制

    基于Quartus II平臺(tái)，通過(guò)編寫(xiě)Verilog HDL邏輯代碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)量子密鑰分發(fā)光源時(shí)序校準(zhǔn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，相應(yīng)的程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA對(duì)TDC-GPX的寄存器進(jìn)行配置，完成TDC-GPX的初始化；然后FPGA發(fā)出指令給QKD發(fā)送方設(shè)備，使其發(fā)出同步光和第1種類(lèi)型光，當(dāng)TDC-GPX的FIFO不為空時(shí)，F(xiàn)PGA將FIFO中的時(shí)間間隔數(shù)據(jù)讀取出來(lái)并進(jìn)行特定的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理；將第1種類(lèi)型光延時(shí)一個(gè)固定的時(shí)間，關(guān)閉第1種類(lèi)型光、發(fā)出第X種類(lèi)型光（X的初始值為2）；逐一判斷第X種類(lèi)型光與第1種類(lèi)型光的時(shí)間偏差Δt_x是否小于給定的指標(biāo)δ，不滿(mǎn)足時(shí)進(jìn)行延時(shí)調(diào)整，直至所有類(lèi)型光全部滿(mǎn)足要求為止；最后將8種類(lèi)型光對(duì)應(yīng)的延時(shí)時(shí)間寫(xiě)入Flash，固化到QKD發(fā)送方設(shè)備的ARM中。

3 TDC-GPX性能測(cè)試

    TDC-GPX作為整個(gè)校準(zhǔn)系統(tǒng)的核心器件，其性能的好壞直接決定了校準(zhǔn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)結(jié)果，為此進(jìn)行了TDC-GPX的測(cè)量精度及線(xiàn)性度的測(cè)試。

3.1 精度測(cè)試

    時(shí)間測(cè)量的精度是指在可重復(fù)的條件下，對(duì)相同的時(shí)間間隔重復(fù)測(cè)量所得標(biāo)準(zhǔn)差的分布，通常取最壞情況的值為測(cè)量精度^[5，6]。本測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩路窄脈沖信號(hào)，一路作為T(mén)DC-GPX的START信號(hào)，另一路作為T(mén)DC-GPX的STOP信號(hào)，STOP信號(hào)相對(duì)于START信號(hào)的時(shí)間間隔可調(diào)。

    在本測(cè)試實(shí)驗(yàn)中設(shè)置STOP信號(hào)與START信號(hào)間的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔分別為10 ns、20 ns、50 ns、100 ns，對(duì)每組標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔分別進(jìn)行測(cè)量10 000次，測(cè)試結(jié)果如表1所示，圖6給出了標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔為20 ns時(shí)的測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)分布。分析測(cè)試結(jié)果知，TDC的測(cè)量精度小于80 ps，可以滿(mǎn)足量子密鑰分發(fā)光源時(shí)序校準(zhǔn)的要求。

3.2 線(xiàn)性度測(cè)試

    在5 ns~9 μs的測(cè)試時(shí)間區(qū)間內(nèi)，抽取12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。采用最小二乘法得出數(shù)據(jù)擬合方程如下所示：

    式中，x為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔，單位為ns；y為T(mén)DC測(cè)量值，單位為ns；曲線(xiàn)斜率為0.999 994，由于所使用的信號(hào)發(fā)生器自身的精度、測(cè)試系統(tǒng)板布線(xiàn)不嚴(yán)格一致等方面的影響^[7]，測(cè)試數(shù)據(jù)始終存在0.421 848 ns左右的偏差^{[5，8-10]}。圖7為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)擬合曲線(xiàn)圖，從數(shù)據(jù)擬合曲線(xiàn)圖及數(shù)據(jù)擬合曲線(xiàn)方程可以看出TDC-GPX在整個(gè)測(cè)試區(qū)間內(nèi)具有良好的線(xiàn)性度。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

    將校準(zhǔn)系統(tǒng)用于實(shí)際量子密鑰分發(fā)待校準(zhǔn)設(shè)備中進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試，圖8為校準(zhǔn)前八路光信號(hào)之間的時(shí)間關(guān)系分布圖，圖9為校準(zhǔn)后八路光信號(hào)之間的時(shí)間關(guān)系分布圖。圖中幅度較高的為四路信號(hào)態(tài)信號(hào)，幅度較低的為四路誘騙態(tài)信號(hào)，從圖中可以看出校準(zhǔn)前的八路信號(hào)之間會(huì)有明顯的時(shí)間偏差，而校準(zhǔn)后的八路信號(hào)之間達(dá)到了時(shí)間上的不可分辨性，可以滿(mǎn)足量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)對(duì)光源時(shí)序的要求。

5 結(jié)論

    以TDC-GPX為核心研制了一套量子密鑰分發(fā)光源時(shí)序自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，對(duì)TDC-GPX進(jìn)行了精度和線(xiàn)性度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明在整個(gè)測(cè)試區(qū)間內(nèi)線(xiàn)性度良好，測(cè)量精度小于80 ps。將校準(zhǔn)系統(tǒng)用于實(shí)際量子密鑰分發(fā)待校準(zhǔn)設(shè)備中進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試，最終結(jié)果表明校準(zhǔn)性能良好，可以滿(mǎn)足量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)對(duì)光源時(shí)序的要求。

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