适用于量子隐形传输系统的信号恢复装置及方法与流程

本发明涉及计算机领域，尤其涉及一种适用于量子隐形传输系统的信号恢复装置及方法。

背景技术：

量子通信已经被证明具有经典通信无法超越的优势，例如量子通信具有高效率、高速度的特点，并且具有绝对安全性。量子隐形传输系统作为量子通信的重要元素以及基本架构，还可以作为一种量子中继器，为构建量子通信网络提供有力支撑，该传输方案可以推广运用到电力等行业的重要业务的传输网络中。

量子隐形传输系统在接收端采用平衡零拍探测器对信号进行光电转化，为了保证信号的恢复精度需要使用高精度模数转化器(adc)进行转化，同时为了保证信号的保真度，需要使用高采样率在高信号质量区间进行采样。由于信号的保真度与量子隐形传输系统传输信息密切相关，能够实时恢复高保真度的信号，成为量子隐形传输系统从实验室走向实际应用的关键技术之一。

现有的量子隐形传输系统接收端信号的恢复技术采用示波器作为高速采集装置，对平衡零拍探测器输出的电信号进行采样。整个采样过程虽然可以使用示波器采用在线模式实时将数据高速采集，由于示波器在采样精度方面有所限制，部分高精度示波器价格非常昂贵，很难在实际应用环境中实现数据的实时处理；在信号的数据处理方面，采样得到的大量数据需在计算机上进行缓存，然后通过计算软件做离线后处理，完成信号的恢复。由于对信号的恢复计算过程需要大量的信号数据，并且在计算过程中会也产生大量的中间数据，这必将对数据处理过程中的数据缓存容量和数据吞吐速率提出很大的要求，然而计算机和基于计算机的计算软件在这方面很难达到，这样在很大的程度上限制了量子隐形传输系统的实用化。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适用于量子隐形传输系统的信号恢复装置及方法。

本发明所采用的技术方案是：一种适用于量子隐形传输系统的信号恢复装置，该装置包括：与量子传输信道连接的分束器、分别与所述分束器连接的时钟恢复模块和平衡零拍探测器、与所述平衡零拍探测器连接的放大器、与所述放大器连接的分路器、与所述分路器连接的延时模块、分别与所述时钟恢复模块和延时模块连接的高速模数转换器(adc,analog-to-digitalconverter)采样模块、fgpa(fieldprogrammablegatearray)内部逻辑模块，fgpa(fieldprogrammablegatearray)内部逻辑模块包括数据同步单元、与所述数据处理单元连接的数据监测单元、与所述数据监测单元连接的控制单元，所述控制单元分别与所述延时模块和所述高速模数转换器采样模块连接，所述数据处理单元通过网口与控制室连接，所述平衡零拍探测器，用于对量子隐形传输系统输出的振幅和位相信息进行探测，所述fpga用于通过控制所述高速模数转换器采集模块，实现对输出的电信号采集,得到数据，并将数据回传到fpga内部，同时利用所述fpga内部逻辑搭建信号恢复算法进行实时数据处理和恢复。

进一步的，所述延时模块包括多个延时单元，所述高速模数转换器采样模块包括与延时单元同样多个模数转换器采样单元，每个延时单元都与一个模数转换器采样单元一一对应连接，所述fpga通过控制所述高速模数转换器采集模块的各个模数转换器采样单元，实现对输出的电信号的高速同步采集。

进一步的，所述高速模数转换器采样模块基于时分复用原理进行采样，并结合信号延迟模块，将单个信号在一个模数转换器采样周期内进行多次采样。

进一步的，所述信号恢复算法通过fpga内部硬件资源实现。

本发明还提供一种适用于量子隐形传输系统的信号恢复方法，其中，采用上述任一项所述的装置，所述方法包括：

第一步，量子隐形传输系统时钟在接收端通过时钟恢复模块获得系统发送端传输时钟，实现量子隐形传输发送端和接收端的系统时钟同步；

第二步，在信息传输过程中，通过在有效传输信息前端添加数据同步码的方式实现量子隐形传输双方的数据同步；

第三步，通过平衡零拍探测器获得传输信号后，通过放大器对所述传输信号的幅值进行放大，所述传输信号进入分路器分为多路分传输信号，每路所述分传输信号分别进入对应的延迟模块和高速模数转换器采集模块，接收端通过时钟恢复模块重新获得量子隐形传输系统发送端时钟，通过锁相环生成多路同步时钟信号，分别传输到高速模数转换器采集模块中的各个模数转换器采样单元；

第四步，fpga通过对每路延时单元的信号延迟参数和高速模数转换器采样模块中模数转换器的采样率的参数进行配置；

第五步，多个模数转换器采样单元同时采集数据，将采集的信号数据传输到fpga内部的数据同步单元进行数据同步，数据同步单元将信号数据发送到数据处理单元，通过在数据处理单元执行信号恢复算法以实现对信号数据的恢复。

进一步的，第一步中，量子隐形传输系统时钟在接收端通过时钟恢复模块得到发送时钟并实现发送与接收端的时钟同步，对单模光纤中本地光场和信号光场进行偏振解复用，提取一部分本地光场作为系统同步时钟恢复，时钟恢复模块包括时钟整形电路和锁相环时钟电路，接收端系统时钟在时钟恢复模块的整形电路对时钟信号的输出电平进行整形处理，输出规则的时钟信号进入到锁相环时钟电路，锁相环时钟电路可提供低抖动、高频率的多路时钟信号；接收端通过在调制器上加载正交振幅和正交位相测量基，最后利用平衡零拍探测器将信号光场的正交振幅分量和正交位相分量以电信号输出。

进一步的，第五步中，通过在fpga内部实现的数据处理单元进行信号恢复，实现对信号数据的高保真度恢复，信号数据的高保真度恢复采用高保真度信号采样寻优控制流程对最佳采样区间进行控制。其中，高速高精度采集过程中将同步码信号实时保真度作为控制信息。

进一步的，第五步中，最佳采样区间进行控制算法中，实现一个模数转换器采样周期范围内多个模数转换器采样单元的均匀采样和循环采样模式，通过动态调节延迟模块延迟参数，实现一个模数转换器采样周期内最佳采样区间的调节。

进一步的，采用高保真度信号采样寻优控制流程对最佳采样区间进行控制，包括：

步骤1：接收端进行初始化配置：设置各路信号相对延迟为0，采样周期为ts，寻优总循环次数为l,延时模块步进延迟时间上限为δtd；

步骤2：信号周期为t，则在每个信号周期内有m＝t/ts个采样点；

步骤3：将各个模数转换器采样单元采样的每个信号周期内的m个点的数据data1～datam回传到fpga的数据同步单元，并进行7位同步码判断，如果判断为同步码进入步骤4，否则继续采样并判断；

步骤4：数据处理单元对单个同步码元信号的m个采样点的保真度η进行计算，排序并取保真度最大值ηmax，记录此时的采样点为

步骤5：取所述保真度最大值ηmax与预设的保真度阈值ηst比较，如果ηmax<ηst，则进入循环采样寻优过程步骤6；

步骤6：以其中一路模数转换器采样单元为基准分别调整其他各路(四路)模数转换器采样单元的信号之间相对延迟间隔δt＝ts/5，每路模数转换器采样单元对信号按照时分复用的原理，以所述采样点为中心点在[-ts/2,ts/2]的信号区间内采样。

步骤7：对每路模数转换器采样单元在[-ts/2,ts/2]区间内采样点的保真度η进行计算，排序并取最大值记录此时模数转换器的采样点并作为最优采样区间中心点，设置区间[-ts/(2×5),ts/(2×5)]作为最优采样区间；

步骤8：将最优区间中心点作为延迟调节的中心点，调节相对延迟为△t＝ts/5ⁿ，在最优采样区间[-ts/(2×5^n-1),ts/(2×5^n-1)]内执行采样。当△t＝ts/5ⁿ≥△td时依次循环执行步骤7、8，每次执行后循环次数l加一；

步骤9：当l＝l0或者保真度0.9996，结束寻优过程，记录为最优采样区间中心点,以采样点为中心在[-ts/(2×5^n-1),ts/(2×5^n-1)]的信号区间内采样；

步骤10：运行过程中若同步码保真度异常波动幅度较大或不在标准阈值ηst范围内，则重新从步骤1开始初始化，并执行后续步骤2～步骤10。

与现有技术相比，本发明提出了一种量子隐形传输系统中高保真度信号恢复的实现装置和方法，能够精确实时对高保真度信号恢复，并对信号恢复质量进行监测，增强了系统由于传输环境变化所造成的信号质量变化的适应性。本发明可有效提高量子隐形传输系统传输信号的高保真度和生成速率，为量子隐形传输系统的实用化发展提供技术支持。

本发明采用多个模数转换器采样单元和延时单元组成高速高精度采样模块对探测器输出的高保真度信号进行精确高速采样，通过fpga作为高速采样的主要控制单元，根据实时监测信号的恢复质量，对信号的采样模式和采样区间进行控制，有效地提高信号的恢复质量。同时，由于量子隐形传输系统传输信息对信噪比以及采集精度要求非常高，一般高精度采样芯片在采样速率上很难满足应用需求，这里采用多片模数转换器采样单元分时采样传输信号的方法提高采样率。fpga逻辑资源在其内部构建数据处理算法单元，利用fpga并行执行处理，加速信号恢复算法过程，有效得提升了高保真度信号的恢复速度。

另外，本发明将信号数据直接进行高速算法处理，将有效得改善由于计算速率慢所导致的大量数据缓存空间不足的问题，增强了系统的实时处理能力。上述方法有效解决了量子隐形传输系统中由于采样率和采样精度不足带来的信号的保真度恢复质量问题和计算机数据处理能力不足所导致的信号实时处理能力不足的问题。

本发明的高保真度信号恢复装置可以有效提高量子隐形传输系统的保真度，从而保证通信质量。

本发明控制灵活，信号采集速率快、精度高、数据处理速度快，能够高效实现数据信号的实时后处理，解决了量子隐形传输系统在高速传输过程中由于采集速度慢、精度低以及后处理能力不足所造成的信号保真度不足的问题。实现实时监测信号保真度功能，增强了量子隐形传输系统接收端信息的恢复能力，提高了系统稳定性、安全性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的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示出本发明一实施例的一种适用于量子隐形传输系统的高保真度信号恢复装置的示意图；

图2示出本发明一实施例的传输信号与同步码的示意图；

图3示出本发明一实施例的高保真度信号采样寻优控制流程图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种适用于量子隐形传输系统的信号恢复装置，该装置包括：与量子传输信道连接的分束器、分别与所述分束器连接的时钟恢复模块和平衡零拍探测器、与所述平衡零拍探测器连接的放大器、与所述放大器连接的分路器、与所述分路器连接的延时模块、分别与所述时钟恢复模块和延时模块连接的高速模数转换器(adc,analog-to-digitalconverter)采样模块、fgpa(fieldprogrammablegatearray)内部逻辑模块，fgpa(fieldprogrammablegatearray)内部逻辑模块包括数据同步单元、与所述数据处理单元连接的数据监测单元、与所述数据监测单元连接的控制单元，所述控制单元分别与所述延时模块和所述高速模数转换器采样模块连接，所述数据处理单元通过网口与控制室连接，所述平衡零拍探测器，用于对量子隐形传输系统输出的振幅和位相信息进行探测，所述fpga用于通过控制所述高速模数转换器采集模块，实现对输出的电信号采集,得到数据，并将数据回传到fpga内部，同时利用所述fpga内部逻辑搭建信号恢复算法进行实时数据处理和恢复。

所述延时模块包括多个延时单元，所述高速模数转换器采样模块包括与延时单元同样多个模数转换器采样单元，每个延时单元都与一个模数转换器采样单元一一对应连接，所述fpga通过控制所述高速模数转换器采集模块的各个模数转换器采样单元，实现对输出的电信号的高速同步采集。

所述高速模数转换器采样模块基于时分复用原理进行采样，并结合信号延迟模块，将单个信号在一个模数转换器采样周期内进行多次采样，有效得提高了信号的采样速度和采样精度，为信号的高保真度恢复提供了足够的数据。

所述信号恢复算法通过fpga内部硬件资源实现，在一定的速度范围内能够实现信号的实时恢复处理，同时配合信号保真度变化监测单元，增强系统的抗攻击能力。

一种适用于量子隐形传输系统的信号恢复方法，采样上述适用于量子隐形传输系统的信号恢复装置，所述方法包括：

量子隐形传输系统的时钟在接收端通过时钟恢复模块获得发送时钟并利用发送时钟实现传输双方的时钟同步，通过平衡零拍探测器获得传输信号后，通过放大器对所述传输信号的幅值进行放大，所述传输信号进入分路器分为多路分传输信号，每路所述分传输信号分别进入对应的延迟模块和高速模数转换器采集模块；

fpga通过对每路延时单元的信号延迟参数和高速模数转换器采样模块中模数转换器的采样率的参数进行配置，以实现对信号的高速精确采集；

在信息传输过程中，通过在有效传输信息前端添加数据同步码的方式实现通信双方的数据同步，多个模数转换器采样单元采集数据同时，将采集的信号数据传输到fpga内部的数据同步单元进行数据同步，数据同步单元将信号数据发送到数据处理单元，通过在数据处理单元进行信号恢复算法实现对信号数据的高保真度恢复。

在此，量子隐形传输系统时钟在接收端通过时钟恢复模块得到发送时钟并实现发送与接收端的时钟同步，对单模光纤中本地光场和信号光场进行偏振解复用，提取一部分本地光场作为系统同步时钟恢复，时钟恢复模块包括时钟整形电路和锁相环时钟电路，接收端系统时钟在时钟恢复模块的整形电路对时钟信号的输出电平进行整形处理，输出规则的时钟信号进入到锁相环时钟电路，锁相环时钟电路可提供低抖动、高频率的多路时钟信号；接收端通过在调制器上加载正交振幅和正交位相测量基，最后利用平衡零拍探测器将信号光场的正交振幅分量和正交位相分量以电信号输出。

同步时钟信号进入高速模数转换器采样模块，为了实现高保真度的信号采集。由于量子隐形传输系统传输信息对信噪比以及采集精度要求非常高，这里采用adi公司的高精密模数转化芯片ad4002，可提供高速、超低噪声、高精度的采样性能，能够有效减少信号链功率、降低信号链复杂性以及实现更高的通道密度，多个模数转换器采样单元之间通过时钟同步实现多个模数转换器采样单元之间的同步采集，保证数据的准确解析，延迟模块采用高精密延迟芯片ds1023作为主要器件，可提供500ps的步进可编程延迟，由分路器输出的每路信号分别通过延迟芯片后进入高速模数转换芯片，fpga通过对每路延迟模块的信号延迟参数和高速模数转换器采集模块中模数转换器的采样率等参数进行配置实现对信号的高速精确采集。系统中采用高保真度信号采样寻优控制流程确定信号的最佳采样区间，这里设置采样速率为1msps，在一个模数转换器采样周期1000ns内分别调整每路延迟信号的相对延迟为200ns，等效为5msps的高速高精密采样。根据高保真度信号采样寻优控制流程，在一个信号周期内寻找最优的采样区间，对最佳采样区间进行控制。多个模数转换器数据同时分别传输到fpga内部进行多个数据通道之间的数据同步，然后将信号数据发送到fpga算法单元，通过在fpga内部进行信号恢复算法实现对信号的高保真度恢复。

fpga内部中，由控制单元控制高速模数转换器采样模块实现高保真度采样区间的寻优过程，可以保真度大于0.9996作为采样寻优控制算法停止的判决阈值。

所述时钟同步和数据同步基于光纤传输的local光实现，能够实现通信双方的信号的准确同步，通过对同步码的保真度监测，实现对传输过程中信息保真度的实时监测，为信息的高保真度恢复提供基础。

通过在数据处理单元进行信号恢复算法实现对信号数据的高保真度恢复，包括：

采用高保真度信号采样寻优控制流程对最佳采样区间进行控制，其中，高速高精度采集过程中将同步码信号实时保真度作为控制信息，通过fpga内部控制算法，实现一个模数转换器采样周期范围内多个模数转换器采样单元的均匀采样和循环采样模式，通过动态调节延迟模块延迟参数，实现一个模数转换器采样周期内最佳采样区间的调节；当信号保真度异常波动情况下，重新进行初始化配置，以达到传输信息的高保真度恢复效果。

如图2和3所示，本发明的适用于量子隐形传输系统的信号恢复方法一实施例中，采用高保真度信号采样寻优控制流程对最佳采样区间进行控制，包括：

步骤1：接收端进行初始化配置；

步骤2：信号周期为100us，采样周期为1000ns，延时模块步进延迟时间为500ps，则在每个信号周期内有100个采样点，调节各路信号相对延迟为0，设置寻优总循环次数为4；

步骤3：将各个模数转换器采样单元采样的每个信号周期内的100个点的数据回传到fpga的数据同步单元，并进行7位同步码判断，如果判断为同步码进入步骤4，否则继续采样并判断；

步骤4：数据处理单元对每个同步码元信号的100个采样点的保真度η进行计算，排序并取最大值ηmax＝0.99831，记录此时的采样点为100个采样数据的第52个

步骤5：此时的最大值大于保真度阈值ηst＝0.9980，进入循环采样寻优过程步骤6；

步骤6：以第三路模数转换器采样单元为基准，分别调整各路模数转换器采样单元的信号之间相对延迟间隔所有路模数转换器采样单元以第52个采样点为中心点在[-500ns,500ns]的信号区间内采样，循环次数记为1，然后进步骤7。

步骤7：对每路模数转换器采样单元在[-500ns,500ns]区间内采样点的保真度η进行计算，排序并取保真度最大值0.99917，此时第3路模数转换器的采样点

步骤8：将第3路采样点作为下次延迟调节的中心点，调节相对延迟为δt＝40ns在区间[-100ns,100ns]内执行采样，执行步骤6和7，此时循环次数为2；

步骤9：在执行第3次循环的时候，计算出来的第5路的保真度为0.99962,，大于预设的保真度值0.9996，结束寻优过程记录此时的以采样点为中心在[-8ns,8ns]的信号区间内采样；

步骤10：运行过程中若同步码保真度异常波动幅度较大或者不在标准阈值ηst范围内，则重新从步骤1开始初始化，并执行后续步骤2～步骤10。

综上所述，本发明提出了一种量子隐形传输系统中高保真度信号恢复的实现装置和方法，能够精确实时对高保真度信号恢复，并对信号恢复质量进行监测，增强了系统由于传输环境变化所造成的信号质量变化的适应性。本发明可有效提高量子隐形传输系统传输信号的高保真度和生成速率，为量子隐形传输系统的实用化发展提供技术支持。

本发明采用多个模数转换器采样单元和延时单元组成高速高精度采样模块对探测器输出的高保真度信号进行精确高速采样，通过fpga作为高速采样的主要控制单元，根据实时监测信号的恢复质量，对信号的采样模式和采样区间进行控制，有效得提高信号的恢复质量。同时，由于量子隐形传输系统传输信息对信噪比以及采集精度要求非常高，一般高精度采样芯片在采样速率上很难满足应用需求，这里采用多片模数转换器采样单元分时采样传输信号的方法提高采样率。fpga逻辑资源在其内部构建数据处理算法单元，利用fpga并行执行处理，加速信号恢复算法过程，有效得提升了高保真度信号的恢复速度。

另外，本发明将信号数据直接进行高速算法处理，将有效得改善由于计算速率慢所导致的大量数据缓存空间不足的问题，增强了系统的实时处理能力。上述方法有效解决了量子隐形传输系统中由于采样率和采样精度不足带来的信号的保真度恢复质量问题和计算机数据处理能力不足所导致的信号实时处理能力不足的问题。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。