CN114900403B - 一种基于闭环数字预失真的信号失真控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于闭环数字预失真的信号失真控制系统，应用于CV‑QKD发送端，包括：光源产生模块，输出光信号；调制模块，对光信号进行调制；分光与衰减模块，将调制后的光信号分为输出与反馈信号；探测模块，对反馈信号探测和滤波，得到模拟信号；模数转换模块，将模拟信号转换为数字信号z；原始数据产生模块，产生数字信号x；闭环数字预失真模块，根据数字信号z、x计算预失真参数，并对数字信号x预失真处理，得到数字信号y并传递至数模转换模块；数模转换模块，将数字信号y转换为电信号，并传递至调制模块。本发明能够消除器件不完美性引入的线性和非线性影响，提升CV‑QKD系统的性能。

Description

一种基于闭环数字预失真的信号失真控制系统

技术领域

本发明涉及量子密钥领域，特别涉及一种基于闭环数字预失真的信号失真控制系统。

背景技术

本发明涉及随着量子计算机技术的发展，基于计算复杂度的经典密码体系存在巨大的安全隐患。量子密钥分发技术基于量子力学基本原理，具备可证安全性，能有效抵御量子计算破译攻击，引起了广泛的关注和研究。量子密钥分发技术主要分为离散变量和连续变量两大类技术体制。其中，连续变量量子密钥分发(Continuous Variable Quantum KeyDistribution，CV-QKD)采用量子光场的正则分量作为密钥信息的载体，不需要单光子产生和探测器件，大部分器件与经典相干光通信通用，具备安全码率高和易集成等潜在优势，极具发展前景。

对于CV-QKD系统，发送端调制的准确性严重影响系统的核心指标-安全码率。然而，由于数模转换器(DAC)、放大器以及调制器等器件的不可避免的不完美性，会对最终输出信号引入各种线性和非线性噪声，导致发送端希望调制的信号和实际发送的信号之间存在失真，影响系统性能。

发明内容

针对现有技术中存在连续变量量子密钥分发系统发送端存在的线性和非线性失真问题，提供了一种基于数字预失真处理的CV-QKD发送端的信号失真控制的闭环系统，通过在发送端DAC之前增加预失真单元，抵消后续DAC、放大器以及调制器等器件不完美性引入的线性和非线性影响，可有效提升CV-QKD系统的性能。

本发明采用的技术方案如下：一种基于闭环数字预失真的信号失真控制系统，应用于CV-QKD发送端，包括：

光源产生模块，输出光信号至调制模块；

调制模块，接收数模转换输入的电信号，对光信号进行调制，输出调制后的光信号至分光与衰减模块；

分光与衰减模块，将调制后的光信号进行分光，一部分经衰减后作为最终输出，另一部分作为反馈信号进入探测模块；

探测模块，对接收的反馈信号进行探测和滤波，得到模拟信号并传递至模数转换模块；

模数转换模块，将接收的模拟信号转换为数字信号z，并传递至闭环数字预失真模块；

原始数据产生模块，产生需要调制的数字信号x，并传递至闭环数字预失真模块；

闭环数字预失真模块，计算预失真参数，对数字信号x预失真处理，得到数字信号y并传递至数模转换模块；

数模转换模块，将数字信号y转换为电信号，并传递至调制模块；

其中，闭环数字预失真模块中，根据数字信号x与数字信号z计算预失真参数，通过预失真参数对数字信号x进行预失真处理。

进一步的，所述闭环数字预失真模块包括：

预失真实施单元，通过预失真模型参数计算单元计算得到的预失真参数对数字信号x预失真处理得到数字信号y，输出至数模转换模块；

数据预处理单元，接收数字信号x、数字信号z依次进行延时补偿、增益补偿、固定相位补偿、相位噪声补偿，得到处理后的数字信号x0、z0并输出至预失真模型参数计算单元；

预失真模型参数计算单元，根据处理后的数字信号x0、z0计算预失真参数，输出至预失真实施单元。

进一步的，所述预失真实施单元中计算模型为y＝f(x,{a_i})，其中，f(x,{a_i})为以x时间序列为变量的各种线性和非线性函数，{a_i}为相应的模型参数；

在该计算模型只与当前数据有关时，具体形式为：

令

则，y(n)＝AΨ^T{x(n)}；其中，A＝[a₁,a₂,....,a_M]为预失真参数，

在该计算模型与过去数据有关时，具体形式为：

令

i＝q*K+k，M＝(Q+1)*K，则y(n)＝AΨ^T{x(n)}，其中，A＝[a₁,a₂,....,a_M]为预失真参数，

进一步的，预失真模型参数计算单元的计算过程为：将参数计算转换为最小二乘问题的求解，根据最小方差估计得到预失真参数估计结果，最后采用迭代的方式完成预失真参数的计算。

进一步的，将参数计算转换为最小二乘问题的求解具体为：

其中，e₂(n)＝z₀(n)-x₀(n)为误差值，ΔA＝[Δa₁,Δa₂,....,Δa_M]为待定参数。

进一步的，所述预失真参数估计结果：

ΔA＝E₂*Z^T(Z*Z^T)^-1

其中，E₂＝[e₂(1),e₂(2),...,e₂(N)]为误差值组成的向量，Z^T为Z的转置；

Z＝[Ψ^T{x₀(1)},Ψ^T{x₀(2)},...,Ψ^T{x₀(N)}]。

进一步的，所述迭代具体过程为：

A^p+1＝A^p-λ*ΔA

其中，p为迭代次数，λ为迭代因子。

进一步的，原始数据产生模块产生的数据采用高斯调制或离散调制协议生成。

进一步的，所述调制模块采用IQ调制、振幅调制、相位调制任意一种调制方式。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明可有效解决发送端的失真问题，降低由于失真带来的过量噪声，提升系统的安全码率，增加安全传输距离。主要解决了QKD系统发送端的失真问题，同时不仅仅适用于基于相干态的CV-QKD系统，也适用于且不限于基于压缩态的CV-QKD系统、测量无关CV-QKD系统、光源无关CV-QKD系统等。

附图说明

图1为本发明提出的基于闭环数字预失真的信号失真控制系统示意图。

图2本发明提出的闭环数字预失真模块示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

为了抵消后续DAC、放大器以及调制器等器件不完美性引入的线性和非线性影响，通过在发送端DAC之前增加一闭环的闭环数字预失真模块，可有效提升CV-QKD系统的性能。具体方案如下：

如图1所示，一种基于闭环数字预失真的信号失真控制系统，包括：

光源产生模块，输出光信号至调制模块；

调制模块，接收数模转换输入的电信号，对光信号进行调制，输出调制后的光信号至分光与衰减模块；

分光与衰减模块，将调制后的光信号进行分光，一部分经衰减后作为最终输出，另一部分作为反馈信号进入探测模块；

探测模块，对接收的反馈信号进行探测和滤波，得到模拟信号并传递至模数转换模块；

模数转换模块，将接收的模拟信号转换为数字信号z，并传递至闭环数字预失真模块；

原始数据产生模块，产生需要调制的数字信号x，并传递至闭环数字预失真模块；

闭环数字预失真模块，计算预失真参数，对数字信号x预失真处理，得到数字信号y并传递至数模转换模块；

数模转换模块，将数字信号y转换为电信号，并传递至调制模块；

其中，闭环数字预失真模块中，根据数字信号x与数字信号z计算预失真参数，通过预失真参数对数字信号x进行预失真处理。

具体的，如图2所示，闭环数字预失真模块包括：

预失真实施单元，通过预失真模型参数计算单元计算得到的预失真参数对数字信号x预失真处理得到数字信号y，输出至数模转换模块；

数据预处理单元，接收数字信号x、数字信号z进行延时补偿、增益补偿、固定相位补偿、相位噪声补偿，同时输出处理后的数字信号x0、z0至预失真模型参数计算单元；

预失真模型参数计算单元，根据处理后的数字信号x0、z0计算预失真参数，输出至预失真实施单元。

需要说明的是，本实施例中数字信号x、z通过数据预处理单元依次进行延时补偿、增益补偿、固定相位补偿、相位噪声补偿等处理，仅需输出数字信号，x₀和z₀，用于预失真参数的计算，其中预处理单元中的补偿过程可采用现有补偿算法进行。

其中，预失真模型参数计算单元和预失真实施单元中采用相同的计算模型，该计算模型设为y＝f(x,{a_i}),其中，f(x,{a_i})为以x时间序列为变量的各种线性和非线性函数，{a_i}为相应的模型参数。预失真的最终目的是使得z与x相同，相应的，y＝f(x₀,{a_i})与y_post＝f(z₀,{a_i})最终也相同。

在本实施例中，针对不存在记忆效应与存在记忆效应两种情况进行具体说明，需要说明的时，在下述计算过程中涉及到部分参数为数学计算过程中通用的中间参数，不具备明确物理意义，在此不做具体解释说明，

不失一般性的，假设预失真模型只与当前数据有关，不存在记忆效应，则函数f(x,{a_i})的具体形式如下：

令

则，

y(n)＝AΨ^T{x(n)}；其中，A＝[a₁,a₂,....,a_M]为预失真参数，

Ψ^T{x(n)}为Ψ{x(n)}的转置。

此时，预失真参数计算可以转换为求解如下最小二乘问题：

其中，e₂(n)＝z₀(n)-x₀(n)为误差值，ΔA＝[Δa₁,Δa₂,....,Δa_M]为待定参数；

则根据最小方差估计，待定参数估计结果为：

ΔA＝E₂*Z^T(Z*Z^T)^-1

其中，E₂＝[e₂(1),e₂(2),...,e₂(N)]为由误差值组成的向量，Z^T为Z的转置；

Z＝[Ψ^T{x₀(1)},Ψ^T{x₀(2)},...,Ψ^T{x₀(N)}]；

则预失真参数采用迭代的方法求解：

A^p+1＝A^p-λ*ΔA

其中，p为迭代次数，λ为迭代因子；

通过上述步骤即可完成预失真参数求解，代入至预失真计算模型y(n)＝AΨ^T{x(n)}即可完成预失真处理。

不失一般性的，假设预失真模型与过去数据有关，存在记忆效应，函数的具体形式如下：

令

i＝q*K+k，M＝(Q+1)*K，则y(n)＝AΨ^T{x(n)}，其中，A＝[a₁,a₂,....,a_M]为预失真参数，

Ψ^T{x(n)}为Ψ{x(n)}的转置。

此时参数计算可以转换为求解如下最小二乘问题：

其中，e₂(n)＝z₀(n)-x₀(n)为误差值，ΔA＝[Δa₁,Δa₂,....,Δa_M]为待定参数；

则根据最小方差估计，待定参数估计结果为：

ΔA＝E₂*Z^T(Z*Z^T)^-1

其中，E₂＝[e₂(1),e₂(2),...,e₂(N)]为由误差值组成的向量，Z^T为Z的转置；

Z＝[Ψ^T{x₀(1)},Ψ^T{x₀(2)},...,Ψ^T{x₀(N)}]。

则预失真参数采用迭代的方法求解：

A^p+1＝A^p-λ*ΔA

其中，p为迭代次数，λ为迭代因子。

通过上述步骤即可完成预失真参数求解，代入至预失真计算模型y(n)＝AΨ^T{x(n)}即可完成预失真处理。

在本实施例提出的信号失真控制系统中，原始数据产生模块产生的数据采用高斯调制、离散调制等协议生成；所述调制模块采用IQ调制、振幅调制、相位调制任意一种调制方式。

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于闭环数字预失真的信号失真控制系统，其特征在于，应用于CV-QKD发送端，包括：

光源产生模块，输出光信号至调制模块；

调制模块，接收数模转换输入的电信号，对光信号进行调制，输出调制后的光信号至分光与衰减模块；

分光与衰减模块，将调制后的光信号进行分光，一部分经衰减后作为最终输出，另一部分作为反馈信号进入探测模块；

探测模块，对接收的反馈信号进行探测和滤波，得到模拟信号并传递至模数转换模块；

模数转换模块，将接收的模拟信号转换为数字信号z，并传递至闭环数字预失真模块；

原始数据产生模块，产生需要调制的数字信号x，并传递至闭环数字预失真模块；

闭环数字预失真模块，计算预失真参数，对数字信号x预失真处理，得到数字信号y并传递至数模转换模块；

数模转换模块，将数字信号y转换为电信号，并传递至调制模块；

其中，闭环数字预失真模块中，根据数字信号x与数字信号z计算预失真参数，通过预失真参数对数字信号x进行预失真处理；

所述闭环数字预失真模块包括：

预失真实施单元，通过预失真模型参数计算单元计算得到的预失真参数对数字信号x预失真处理得到数字信号y，输出至数模转换模块；

数据预处理单元，接收数字信号x、数字信号z依次进行延时补偿、增益补偿、固定相位补偿、相位噪声补偿，得到处理后的数字信号x0、z0并输出至预失真模型参数计算单元；

预失真模型参数计算单元，根据处理后的数字信号x0、z0计算预失真参数，输出至预失真实施单元。

2.根据权利要求1所述的基于闭环数字预失真的信号失真控制系统，其特征在于，所述预失真实施单元中计算模型为y＝f(x,{a_i})，其中，f(x,{a_i})为以x时间序列为变量的各种线性和非线性函数，{a_i}为相应的模型参数；

在该计算模型只与当前数据有关时，具体形式为：

令

则，y(n)＝AΨ^T{x(n)}；其中，A＝[a₁,a₂,....,a_M]为预失真参数，

在该计算模型与过去数据有关时，具体形式为：

令

i＝q*K+k，M＝(Q+1)*K，则y(n)＝AΨ^T{x(n)}，其中，A＝[a₁,a₂,....,a_M]为预失真参数，

3.根据权利要求2所述的基于闭环数字预失真的信号失真控制系统，其特征在于，预失真模型参数计算单元的计算过程为：将参数计算转换为最小二乘问题的求解，根据最小方差估计得到预失真参数估计结果，最后采用迭代的方式完成预失真参数的计算。

4.根据权利要求3所述的基于闭环数字预失真的信号失真控制系统，其特征在于，将参数计算转换为最小二乘问题的求解具体为：

其中，e₂(n)＝z₀(n)-x₀(n)为误差值，ΔA＝[Δa₁,Δa₂,....,Δa_M]为待定参数。

5.根据权利要求4所述的基于闭环数字预失真的信号失真控制系统，其特征在于，所述预失真参数估计结果：

ΔA＝E₂*Z^T(Z*Z^T)^-1

其中，E₂＝[e₂(1),e₂(2),...,e₂(N)]为由误差值组成的向量，Z^T为Z的转置；

Z＝[Ψ^T{x₀(1)},Ψ^T{x₀(2)},...,Ψ^T{x₀(N)}]。

6.根据权利要求5所述的基于闭环数字预失真的信号失真控制系统，其特征在于，所述迭代具体过程为：

A^p+1＝A^p-λ*ΔA

其中，p为迭代次数，λ为迭代因子。

7.根据权利要求1所述的基于闭环数字预失真的信号失真控制系统，其特征在于，原始数据产生模块产生的数据采用高斯调制或离散调制协议生成。

8.根据权利要求1所述的基于闭环数字预失真的信号失真控制系统，其特征在于，所述调制模块采用IQ调制、振幅调制、相位调制任意一种调制方式。

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