基于FPGA的QKD光源时序校准系统研究与设计

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。

目录

声明

致谢

摘要

第一 章绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容及组织架构

第二章 系统总体设计

2．1 需求分析

2．2 总体设计方案

2．3 核心器件选择

2．3．1 TDC-GPX

2．3．2 FPGA

2．4 本章小结

第三章 系统硬件设计

3．1 系统硬件框图

3．2 电源模块设计

3．2．1 单板电源树

3．2．2 DC-DC 电源

3．2．3 LDO 电源

3．3 信号调理模块设计

3．3．1 总体设计

3．3．2 比较器电路

3．3．3 脉冲展宽电路

3．3．4 电平转换电路

3．4 TDC 时间测量模块设计

3．4．1 供电电路

3．4．2 对外接口

3．5 FPGA 主控模块设计

3．5．1 时钟电路

3．5．2 配置电路

3．5．3 串行通信接口电路

3．5．4 辅助电路

3．5．5 对外接口

3．6 系统 PCB 设计

3．6．1 信号完整性

3．6．2 单板叠层

3．6．3 布局布线

3．6．4 电源平面分割

3．6．5 Gerber 文件

3．7 本章小结

第四章 系统 FPGA 逻辑设计

4．1 FPGA 流程控制

4．2 TDC—GPX 读写控制

4．2．1 逻辑设计

4．2．2 接收数据分析

4．3 数据处理

4．4 串行通信接口UART设计

4．4．1 UART 通信协议

4．4．2 UART 总体架构

4．4．3 UART 发送器设计

4．4．4 UART 接收器设计

4．4．5 数据报文

4．5 校准结果存储

4．5．1 SPI 通信协议

4．5．2 逻辑设计

4．6 本章小结

第五章 系统测试与结果分析

5．1 电源电压及纹波测试

5．2 信号调理单元测试

5．3 TDC—GPX 性能测试

5．3．1 精度测试

5．3．2 线性度测试

5．4 系统整体测试

5．4．1 测试平台搭建

5．4．2 测试结果分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况