CN114785417B - 自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集方法和系统，包括：将进过自由空间信道的脉冲光信号，在接收端通过光电转换器转为电信号；通过功分器将电信号均匀分成两路；使用两路ADC分别对这两路电信号进行采样并将两路信号作为一组数据储存；使用可编程延时模块控制ADC时钟延迟，直至遍历整个脉冲周期；对采样数据进行处理，将每组中的两个数据相除，使用得到的比值恢复出脉冲波形，对该波形进行高斯拟合，得到脉冲峰值位置点；通过调整可编程延时模块至脉冲峰值位置点，使得采样时钟的上升沿和峰值位置点对齐，从而实现精确峰值采样。本发明具有高精度低成本的优点。

Description

自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集方法和系统
技术领域
本发明涉及密钥分发系统的数据采集技术领域，具体地，涉及一种自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集方法和系统。
背景技术
随着信息时代的发展，信息传输量在快速增加，伴随而来的是信息技术对信息安全的要求日益增加。占据主导地位的经典密码系统随着计算机算力的增加，被加密系统破译的风险的也在逐步增加，现有的安全体现面临重大挑战。由于量子密钥分发技术能够在物理上保证通信的无条件安全性，吸引了许多研究人员的目光。量子密钥分发技术主要可以分为两类：离散变量量子密钥分发以及连续变量量子密钥分发技术，其中连续变量量子密钥分发多采用光纤传输方案。近年来自由空间连续变量量子密钥分发技术由于其在链路建立方面的灵活性而得到关注。
专利文献CN112968768A（申请号：CN202110215054.X）公开了一种连续变量量子密钥分发系统中内生量子随机数的方法，其中发送端内生量子随机数的方法中引入时钟精确延时模块和时域平衡零拍探测器，接收端内生量子随机数的方法中对用于校准散粒噪声基准的数据进行复用，实现了量子随机数的内生，使得连续变量量子密钥分发系统无需专用的量子随机数产生模块，有效降低成本；同时在一定程度上减小密钥分发系统的体积和重量，简化了连续变量量子密钥分发系统的结构，有效提升了系统的适用性。
在连续变量量子密钥分发系统中，通常使用零差或外差检测器测量编码在具有电子脉冲输出的相干态脉冲的正交X和P上的调制密钥信息。然后采用ADC通过脉冲峰值采样方案获取原始密钥数据。通常，在连续变量量子密钥分发的理论分析中，通常认为用于数据采集的ADC的采样带宽是无限的。然而，对于实际的基于光纤的连续变量量子密钥分发系统，有限采样带宽效应会影响其性能和实际安全性。采样结果的偏差将导致参数估计误差，从而降低密钥速率的下限，抑制关键速率与系统重复率之间的线性提升。因此，精确峰值采样对自由空间连续变量量子密钥分发系统十分重要。
传统数据采集方案通常采用高采样带宽的ADC来在一个脉冲周期内采集多个点并通过算法筛选出最大值点来找到峰值。但是这种方案所获取的数据精度很依赖于ADC的采样带宽，现有的商用ADC的带宽约GHz水平。这意味着两个采样点间隔在ns量级，所以采用这种方案的误差也会被限制在ns量级，从而影响安全密钥率。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集方法和系统。
根据本发明提供的自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集方法，包括：
步骤1：将经过自由空间信道的脉冲光信号，在接收端通过光电转换器转为电信号；
步骤2：通过功分器将电信号均匀分成两路；
步骤3：使用两路模/数转换器ADC分别对这两路电信号进行采样并将两路信号作为一组数据储存，且两路ADC的时钟信号间隔Δt；
步骤4：使用可编程延时模块控制两路ADC时钟各延迟Δt，返回步骤3继续执行，直至遍历整个脉冲周期；
步骤5：对采样数据进行处理，首先将每组中的两个数据相除，使用得到的比值恢复出脉冲波形，然后使用高斯拟合的方法拟合该波形，得到脉冲峰值位置点；
步骤6：通过调整可编程延时模块至脉冲峰值位置点，使得采样时钟的上升沿和峰值位置点对齐，从而实现精确峰值采样。
优选的，ADC的采样频率与脉冲重复频率一致，且两路ADC的时钟信号的间隔Δt与脉冲重复频率成反比。
优选的，调制脉冲的重复频率为fr=10MHz，占空比为30%，此时每个脉冲的持续时间为100ns，调制信号宽度小于30ns，经过自由空间信道后被接收端接收，若Δt为10ns，则需要ADC采集10组数据。
根据本发明提供的自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集系统，包括：
模块M1：将经过自由空间信道的脉冲光信号，在接收端通过光电转换器转为电信号；
模块M2：通过功分器将电信号均匀分成两路；
模块M3：使用两路模/数转换器ADC分别对这两路电信号进行采样并将两路信号作为一组数据储存，且两路ADC的时钟信号间隔Δt；
模块M4：使用可编程延时模块控制两路ADC时钟各延迟Δt，回调模块M3，直至遍历整个脉冲周期；
模块M5：对采样数据进行处理，首先将每组中的两个数据相除，使用得到的比值恢复出脉冲波形，然后使用高斯拟合的方法拟合该波形，得到脉冲峰值位置点；
模块M6：通过调整可编程延时模块至脉冲峰值位置点，使得采样时钟的上升沿和峰值位置点对齐，从而实现精确峰值采样。
优选的，ADC的采样频率与脉冲重复频率一致，且两路ADC的时钟信号的间隔Δt与脉冲重复频率成反比。
优选的，调制脉冲的重复频率为fr=10MHz，占空比为30%，此时每个脉冲的持续时间为100ns，调制信号宽度小于30ns，经过自由空间信道后被接收端接收，若Δt为10ns，则需要ADC采集10组数据。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
（1）本发明具有很高的精度，本发明采取可编程延时模块结合高斯拟合方法，当调制脉冲的重复频率为10MHz时，等效精度可达100ps，甚至更低，相比于使用高带宽的ADC而言精度高了一个数量级；
（2）本发明的时间精度会随着调制脉冲的重复频率提升而提升，过采样方案在调制脉冲的重复频率提升时，精度并不会改变，而本发明基于高斯拟合，在同等信噪比条件下，精度与脉冲持续时间成正比，随着调制脉冲的重复频率提升，只受商用可编程延时模块精度限制，而目前商用可编程延时模块精度在ps级别，因此在高脉冲的重复频率的条件下，精度相比于使用高带宽的ADC而言精度高了不止一个数量级；
（3）本发明的成本相对较低，商用高带宽的ADC的价格十分昂贵，而高精度的延时模块价格以及低带宽的ADC的价格相对低了很多，本发明采用两个低带宽的ADC以及延时模块，从成本而言降低了很多。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明所提方案的流程示意图。
图2为本发明所提算法的流程示意图，图2a为还原的波形G，图2b为高斯拟合结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
本发明提供了一种自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集方法，包括：
步骤一，脉冲光信号经过自由空间信道后在接收端通过光电转换器转为电信号。
步骤二，通过功分器将电信号均匀的分成两路。
步骤三，使用两路模/数转换器（ADC）分别对这两路电信号进行采样并将两路信号作为一组数据储存，其中ADC的采样频率与脉冲重复频率一致，且两路ADC的时钟信号间隔Δt（与脉冲重复频率成反比）。
步骤四，使用可编程延时模块控制ADC时钟延迟Δt，重复步骤三。直至遍历整个脉冲周期。步骤一至步骤四如图1所示。
步骤五，对采样数据进行处理。首先将每组中的两个数据相除，使用得到的比值恢复出脉冲波形，其形状近似为高斯（）。使用高斯拟合的方法拟合该波形，得到脉冲峰值位置点。步骤五如图2所示。
步骤六，通过调整可编程延时模块至脉冲峰值位置点，使得采样时钟的上升沿和峰值位置点严格对齐，以实现精确的峰值采样。
假设调制脉冲的重复频率为fr=10MHz，占空比为30%。此时，每个脉冲的持续时间为100ns，调制信号宽度小于30ns。经过自由空间信道后被接收端接收。假设Δt为10ns，则需要ADC采集10组数据。
设系统开始运行时的一路时钟的初始延时为0ns，令一路时钟的初始延时为1ns设为第一组，对该位置进行采样。而后两路时钟各延时1ns，进行第二组进行采样。重复100次完成整个周期的采样。由于自由空间内透过率为时变这一特性，不能直接用这些数据还原出原始波形。因此需要对每组数据中的两个数据进行除法操作得到二者的比值k(1),k(2)……k(100)。设还原的波形为G，则G(1)=1，G(2)=k(1)G(1)，……G(11)=k(10)G(10)。将G进行高斯拟合后得到拟合中的均值。因为高斯拟合收到噪声影响存在一定误差，因此可根据信号的信噪比设定最佳精度。通过设定的精度以及均值即可使用可编程延时模块控制时钟延迟至脉冲峰值所在位置。
根据本发明提供的自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集系统，包括：模块M1：将经过自由空间信道的脉冲光信号，在接收端通过光电转换器转为电信号；模块M2：通过功分器将电信号均匀分成两路；模块M3：使用两路模/数转换器ADC分别对这两路电信号进行采样并将两路信号作为一组数据储存；模块M4：使用可编程延时模块控制ADC时钟延迟，回调模块M3，直至遍历整个脉冲周期；模块M5：对采样数据进行处理，首先将每组中的两个数据相除，使用得到的比值恢复出脉冲波形，然后使用高斯拟合的方法拟合该波形，得到脉冲峰值位置点；模块M6：通过调整可编程延时模块至脉冲峰值位置点，使得采样时钟的上升沿和峰值位置点对齐，从而实现精确峰值采样。
ADC的采样频率与脉冲重复频率一致，且两路ADC的时钟信号的间隔Δt与脉冲重复频率成反比。调制脉冲的重复频率为fr=10MHz，占空比为30%，此时每个脉冲的持续时间为100ns，调制信号宽度小于30ns，经过自由空间信道后被接收端接收，若Δt为10ns，则需要ADC采集10组数据。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集方法，其特征在于，包括：
步骤1：将经过自由空间信道的脉冲光信号，在接收端通过光电转换器转为电信号；
步骤2：通过功分器将电信号均匀分成两路；
步骤3：使用两路模/数转换器ADC分别对这两路电信号进行采样并将两路信号作为一组数据储存，且两路ADC的时钟信号间隔Δt；
步骤4：使用可编程延时模块控制两路ADC时钟各延迟Δt，返回步骤3继续执行，直至遍历整个脉冲周期；
步骤5：对采样数据进行处理，首先将每组中的两个数据相除，使用得到的比值恢复出脉冲波形，然后使用高斯拟合的方法拟合该波形，得到脉冲峰值位置点；
步骤6：通过调整可编程延时模块至脉冲峰值位置点，使得采样时钟的上升沿和峰值位置点对齐，从而实现精确峰值采样。
2.根据权利要求1所述的自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集方法，其特征在于，ADC的采样频率与脉冲重复频率一致，且两路ADC的时钟信号的间隔Δt与脉冲重复频率成反比。
3.根据权利要求2所述的自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集方法，其特征在于，调制脉冲的重复频率为fr=10MHz，占空比为30%，此时每个脉冲的持续时间为100ns，调制信号宽度小于30ns，经过自由空间信道后被接收端接收，若Δt为10ns，则需要ADC采集10组数据。
4.一种自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集系统，其特征在于，包括：
模块M1：将经过自由空间信道的脉冲光信号，在接收端通过光电转换器转为电信号；
模块M2：通过功分器将电信号均匀分成两路；
模块M3：使用两路模/数转换器ADC分别对这两路电信号进行采样并将两路信号作为一组数据储存，且两路ADC的时钟信号间隔Δt；
模块M4：使用可编程延时模块控制两路ADC时钟各延迟Δt，回调模块M3，直至遍历整个脉冲周期；
模块M5：对采样数据进行处理，首先将每组中的两个数据相除，使用得到的比值恢复出脉冲波形，然后使用高斯拟合的方法拟合该波形，得到脉冲峰值位置点；
模块M6：通过调整可编程延时模块至脉冲峰值位置点，使得采样时钟的上升沿和峰值位置点对齐，从而实现精确峰值采样。
5.根据权利要求4所述的自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集系统，其特征在于，ADC的采样频率与脉冲重复频率一致，且两路ADC的时钟信号的间隔Δt与脉冲重复频率成反比。
6.根据权利要求4所述的自由空间连续变量量子密钥分发系统的数据采集系统，其特征在于，调制脉冲的重复频率为fr=10MHz，占空比为30%，此时每个脉冲的持续时间为100ns，调制信号宽度小于30ns，经过自由空间信道后被接收端接收，若Δt为10ns，则需要ADC采集10组数据。
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