量子密鑰分發(fā)光源時(shí)序校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余海源，洪占勇，蔣連軍

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.科大國盾量子技術(shù)股份有限公司，安徽 合肥 230088）

量子密鑰分發(fā)光源時(shí)序校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余海源1，洪占勇1，蔣連軍2

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.科大國盾量子技術(shù)股份有限公司，安徽 合肥 230088）

針對(duì)量子密鑰分發(fā)終端設(shè)備中八路量子態(tài)光信號(hào)在設(shè)備出口處存在固有時(shí)間偏差的問題，設(shè)計(jì)了一套以TDC-GPX為核心的量子密鑰分發(fā)光源時(shí)序校準(zhǔn)系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)量子態(tài)光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理，使用高精度時(shí)間間隔測量芯片TDC-GPX分時(shí)對(duì)調(diào)理后的脈沖電信號(hào)進(jìn)行采集，并通過FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，調(diào)整八路光信號(hào)的發(fā)光時(shí)間，使其滿足在時(shí)間上的不可分辨性。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)測量精度小于80 ps，用于實(shí)際量子密鑰分發(fā)待校準(zhǔn)設(shè)備中的校準(zhǔn)性能良好，滿足校準(zhǔn)要求。

量子密鑰分發(fā)；TDC-GPX；時(shí)序校準(zhǔn)；信號(hào)調(diào)理；FPGA；高精度

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，從而使竊聽者無法辨別發(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，且需要借助于專用的校準(zhǔn)設(shè)備。因此，開發(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)間間隔測量芯片TDC-GPX與現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，設(shè)計(jì)了一套能夠滿足量子密鑰分發(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)間測量單元采用德國ACAM公司的高精度時(shí)間間隔測量芯片TDC-GPX，將各路信號(hào)光相對(duì)于同步光的時(shí)間準(zhǔn)確測量出來；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)讀寫操作及后期的數(shù)據(jù)處理等；板級(jí)通信單元主要通過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。

圖1 系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖

在主控制單元完成對(duì)時(shí)間測量單元的初始參數(shù)及模式配置后，時(shí)間測量單元測出八路信號(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)間間隔測量，由主控制單元讀取第二次測量結(jié)果并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后通過串口再次下發(fā)延時(shí)命令。如此反復(fù)，經(jīng)多次測量、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)通過串口寫入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。

圖2 信號(hào)調(diào)理單元結(jié)構(gòu)框圖

在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，同步光經(jīng)過光電轉(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)，通過電平轉(zhuǎn)換芯片將其轉(zhuǎn)換成LVTTL單端信號(hào)作為 TDC-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3 同步光信號(hào)調(diào)理電路原理圖

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采用起停型的測量方式，共有4種測量模式，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)行測量，設(shè)置信號(hào)的輸入類型為LVTTL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，開啟內(nèi)部再觸發(fā)，此時(shí)測量的是每個(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。

圖4 信號(hào)調(diào)理前后波形圖

2.3 FPGA流程控制

基于 Quartus II平臺(tái)，通過編寫 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種類型光延時(shí)一個(gè)固定的時(shí)間，關(guān)閉第1種類型光、發(fā)出第X種類型光（X的初始值為2）；逐一判斷第X種類型光與第1種類型光的時(shí)間偏差Δtx是否小于給定的指標(biāo)δ，不滿足時(shí)進(jìn)行延時(shí)調(diào)整，直至所有類型光全部滿足要求為止；最后將8種類型光對(duì)應(yīng)的延時(shí)時(shí)間寫入Flash，固化到QKD發(fā)送方設(shè)備的ARM中。

圖5 時(shí)序校準(zhǔn)系統(tǒng)程序流程圖

3 TDC-GPX性能測試

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的測量精度及線性度的測試。

3.1 精度測試

時(shí)間測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)測量所得標(biāo)準(zhǔn)差的分布，通常取最壞情況的值為測量精度[5，6]。本測試系統(tǒng)通過信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩路窄脈沖信號(hào)，一路作為TDC-GPX的START信號(hào)，另一路作為TDC-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)行測量10 000次，測試結(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)的測試結(jié)果數(shù)據(jù)分布。分析測試結(jié)果知，TDC的測量精度小于 80 ps，可以滿足量子密鑰分發(fā)光源時(shí)序校準(zhǔn)的要求。

表1 4組標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)測試結(jié)果數(shù)據(jù)表

圖6 20 ns測試結(jié)果數(shù)據(jù)分布圖

3.2 線性度測試

在 5 ns～9 μs的測試時(shí)間區(qū)間內(nèi)，抽取12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔進(jìn)行測試，測試結(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：

表2 線性度測試結(jié)果數(shù)據(jù)表

式中，x為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔，單位為ns；y為TDC測量值，單位為ns；曲線斜率為 0.999 994，由于所使用的信號(hào)發(fā)生器自身的精度、測試系統(tǒng)板布線不嚴(yán)格一致等方面的影響[7]，測試數(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)擬合曲線圖，從數(shù)據(jù)擬合曲線圖及數(shù)據(jù)擬合曲線方程可以看出TDC-GPX在整個(gè)測試區(qū)間內(nèi)具有良好的線性度。

圖7 數(shù)據(jù)擬合曲線圖

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，可以滿足量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)對(duì)光源時(shí)序的要求。

圖8 校準(zhǔn)前八路光信號(hào)時(shí)間關(guān)系分布圖

圖9 校準(zhǔn)后八路光信號(hào)時(shí)間關(guān)系分布圖

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)行了精度和線性度測試。測試結(jié)果表明在整個(gè)測試區(qū)間內(nèi)線性度良好，測量精度小于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)測試，最終結(jié)果表明校準(zhǔn)性能良好，可以滿足量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)對(duì)光源時(shí)序的要求。

[1]王金東，張智明.量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)無條件安全性[J].量子電子學(xué)報(bào)，2014，31(4)：449-458.

[2]高原.量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中若干電子學(xué)模塊的設(shè)計(jì)[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

[3]陳瑞強(qiáng)，江月松，裴朝.基于雙閾值前沿時(shí)刻鑒別法的高頻脈沖激光測距系統(tǒng)[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(9)：155-162.

[4]Acam-Messelectronic GmbH.TDC-GPX ultra-high performance 8 channel time-to digital converter datasheet[Z].2007.

[5]郭靜，龍濤，包澤民，等.飛行時(shí)間質(zhì)譜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].分析測試學(xué)報(bào)，2014，33(12)：1426-1430.

[6]NAPOLITANO P，MOSCHITTA A，CARBONE P.A survey on time interval measurement techniques and testing methods[C].Instrumentation and Measurement Technology Conference(I2MTC)，2010 IEEE.IEEE，2010：181-186.

[7]章堅(jiān)武，數(shù)明.TDC-GP2在激光測距傳感器中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009(8)：74-76.

[8]朱磊，黃庚華，歐陽俊華，等.光子計(jì)數(shù)成像激光雷達(dá)時(shí)間間隔測量系統(tǒng)研究[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2008，27(6)：461-464.

[9]侯利冰，郭穎，黃庚華，等.光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2012，31(3)：243-247.

[10]JIANG L J，TANG S B，YIN Z J.TDC-GPX-based synchronization scheme for QKD system[J].Nuclear Science and Techniques，2016，27(1)：1-5.

Design of quantum key distribution photon timing calibration system

Yu Haiyuan1，Hong Zhanyong1，Jiang Lianjun2
(1.Institute of Industry and Equipment Technology，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Quantum CTek Co.，Ltd.，Hefei 230088，China)

Aiming at the problem that there were inherent time deviations among eight channel quantum state signals at the exit of the quantum key distribution equipment,quantum key distribution photon timing calibration system based on TDC-GPX was designed.The system completed photoelectric conversion,signal conditioning about quantum state signal.A high precision time interval measurement chip TDC-GPX was used to measure pulse signal has been conditioned.To meet eight channel signals indiscernibility in time,the system used FPGA for data processing and adjusted emission time of eight channel signals.The actual test results show that the measurement precision is less than 80 ps,calibration performance is good by applying to actual quantum key distribution devices,it can meet system calibration requirement.

quantum key distribution；TDC-GPX；timing calibration；signal conditioning；FPGA；high precision

TP274

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.018

余海源，洪占勇，蔣連軍.量子密鑰分發(fā)光源時(shí)序校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(12)：69-72.

英文引用格式：Yu Haiyuan，Hong Zhanyong，Jiang Lianjun.Design of quantum key distribution photon timing calibration system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(12)：69-72.

2016-06-20）

余海源（1991-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：智能控制系統(tǒng)，E-mail：haiyuan_yu@126.com。

洪占勇（1970-），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：在線檢測技術(shù)與儀器智能化、現(xiàn)代顯示技術(shù)。

蔣連軍（1984-），男，碩士，工程師，主要研究方向：量子通信。