专利名称：量子保密通信系统中的信号处理方法
技术领域：
本发明涉及保密通信类，具体的讲是涉及一种量子保密通信系统中单光子信号和随机信号的处理方法，实现量子保密通信系统中单光子信号和随机信号的采集、转换和处理。
背景技术：
量子保密通信是基于光量子的通信，信息加载于单光子上，并由单光子进行传输，未知量子态是不可克隆的，测量量子会改变量子态，这样窃听者就不可能得到通讯信息而不被发现。光子计数及光子信号与计算机之间的连接传输，是量子保密通信系统的重要组成部分。目前，光子计数和光子信号与计算机之间的传输是通过光子计数器来完成的，在该流程中，光子计数器先对单光子信号进行计数叠加，然后将叠加后的数据通过数据采集卡传输到计算机中。这种单光子信号处理方法不能把光子计数器接受到的光子信号立即传输到计算机，就有可能会造成在使用整个量子保密通信系统中无法即时发现窃听行为。由于光子计数器不能进行随机数的采集，所以光子计数器不能单独直接地应用到量子保密通信系统中，还需要另外一块随机信号的同步采集设备，增加了整个量子保密通信系统的复杂程度。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种量子保密通信单光子信号和随机信号的处理方法，即信号处理方法，该方法可将单光子信号直接采集进入计算机并且在采集单光子信号的同时进行随机数的采集，从而使之能够直接应用到量子保密通信系统中。由于本方法是将信号直接通过计算机并行接口传输到计算机，然后在计算机中对信号进行叠加计数，这样信号就能够实时的传输到计算机中，信号的分组和叠加计数处理则是在计算机内部进行。
本发明目的实现由以下技术方案完成本发明主要包括光子信号同步处理、随机信号同步处理、并行信号转换处理、数据采集处理。
其中光子信号同步处理的流程如图2所示，同步门信号进入本流程后被分为两路，一路通过延时电路1输出有一定延时的同步门信号，该信号作为并行数据转换处理中光子信号的同步门信号，另一路进入延时电路3和脉宽调整电路，经过延时和脉宽调整后的同步门信号进入触发电路的信号输入端。输入本流程的光子信号，经过信号放大处理后，输入触发电路的时钟输入端，而光子信号经过信号放大处理后输出的波形如图3中2号波形图所示，2号波形图中波形在每一个同步门脉冲(如1号波形图所示)的前方都有一个触发复位脉冲信号对触发电路进行清零处理，跟在这个脉冲信号后面的是真实的光子信号，因此，当有光子信号时，触发电路输出为高，在没有光子信号时触发电路的输出为低，并且这些触发电路输出的信号(如3号波形图所示)都是与第一路经延时的同步门脉冲(如1号波形图所示)一一对应的。
随机信号同步处理的流程如图4所示，该流程是将由电噪声产生随机信号中与同步信号同步的随机信号过滤出来。在该流程中，随机信号和同步门信号同时输入单稳态电路，使得只有与同步门信号同步的随机信号才会被输出，并且输出的随机信号脉冲的宽度都是相同的；从单稳态输出的随机信号脉冲经过延时调整最后输出；同步门信号在进入单稳态电路前被分为两路，一路输入上述的单稳态电路，另一路通过延时调整电路输出作为并行数据转换处理中随机信号的同步门信号。
并行信号转换处理的流程如图5所示，在量子保密通信系统中的一个通信终端同时有三路信号需要处理，分别是两路经光子信号同步处理的光子信号和同步门信号、一路经随机信号同步处理的随机信号和同步门信号。三路同步门信号中每一路同步门信号都被分为两路，一路与随机信号和光子信号输入与非门，然后从三个与非门分别输出的数据信号再次输入三与非门合并成为一路同步门信号，合并后的数据信号则从数据端输入移位寄存器；另一路同步门信号分别通过非门后，一起输入三与非门合并成为路同步门信号，这个合并的同步门信号经积分电路和整形成为有固定延时和特定脉宽的同步门信号后，一路输入移位寄存器。因此从移位寄存器输出的即是一路8位的并行信号，但是这个数据要通过锁存电路才能被计算机正确识别，该锁存电路是将上述经整形后的另一路同步门信号经8分频电路后再经过延时电路2所得到的信号作为时钟脉冲的，时钟脉冲的一部分被送入锁存电路，还有一部分进入计算机作为数据信号的准备信号。进入计算机的信号除了数据信号和准备信号，还有外部产生的复位信号，这个复位信号在每次计算机采集一定数据后，对8分频电路进行复位处理。这样就可以防止在长时间通信时，数据之间产生错位现象，从而保证计算机得到信号是完全正确的。
数据采集处理的流程如图6所示，在每次数据采集初始化时，计算机将清零信号置高，此时计算机对并行接口进行清零；当清零信号为低时，计算机并行接口处于正常工作状态，然后计算机继续检测8分频信号，当8分频信号为高的时候，说明此时的数据还未准备完成，计算机则放弃该数据，在8分频信号为低的时候，说明此时的数据是可以读取的完整数据，计算机再根据参数T来判断是否读取数据。参数T是在计算机程序中设定的变量，这个变量是由8分频信号控制的，在每次计算机数据读取完成后，参数T被置‘1’，计算机下次检测参数T前，参数T先与8分频号进行‘与’处理，当T还是‘1’时，说明此时将读入的数据已经被输入过，计算机则放弃这组数据，当T变为‘0’时，说明此时将读入的数据是新的，计算机则读入这组数据并重新将参数T置为‘1’。读入的数据按照顺序存入数组，然后计算机再将这个数组的数据逐一分离开来，接着依据三路信号输入的顺序将分离开来的数据重新组合成为三个独立的、分别代表三路信号的三个数组。这三个数组就是最后量子保密通信系统所需要的数据。本领域技术人员可以认识到，本流程的任务是在计算机内部通过计算机程序完成的，在此不再赘述。
单光子信号通过“光子信号同步处理”有效的去除信号中的噪声，增加信号采集的信噪比；随机信号通过“随机信号同步处理”将与同步脉冲相同步的随机信号提取出来，提取出的随机信号则被作为输入“并行信号转换处理”的同步随机信号；然后在“并行信号转换处理”中对同步后的随机信号和光子脉冲信号进行并行数据转换，使其成为计算机可以识别的并行数据；出入计算机的数据经过“数据采集处理”，将数据中的光子信号和随机信号逐一分离出来，再进行叠加计数或进行直接的比较。
本发明的优点是，结构简单、价格低廉、扩展性好，可以同时采集多路光子信号和随机信号，能够进行信号的实时采集和传输。
附图概述附
图1为本发明处理流程图；附图2为本发明光子信号同步处理流程图；附图3为本发明光子信号同步流程的时序图；
其中1号波形图为同步脉冲的波形图；2号波形图为信号处理后的光子信号波形图；3号波形图为输出的数据波形图；4号波形图为8分频信号的时序图；附图4为本发明随机信号同步处理流程图；附图5为本发明并行信号转换处理流程图；附图6为本发明信号采集处理流程图；附图7为本发明实施例采集得到的单光子干涉数据；附图8为本发明实施例光子信号同步处理电路图；附图9为本发明实施例随机信号同步处理电路图；附图10为本发明实施例并行信号转换电路图；具体技术方案以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解如图1-10所示，在本实施例光子信号同步处理中，同步门信号在通过两块非门74HC04后被分为两路，一路进入由电阻、电容和非门74HC04、74AS04组成的脉宽调整电路，然后接入74AS374上升触发电路中的信号输入端口，同时光子信号输入到74AS374中的时钟输入端口，最后从74HC374输出并行转换流程所需的光子信号。另外一路同步门信号经过由两块74HC123组成的延时电成为延时后的同步门信号。
随机信号同步处理中使用由4013组成的单稳态电路和非门4069将随机信号与同步门信号相对应起来，同步门信号通过一块非门4069后被分为两路，一路通过74HC123组成的延时电路输出，另一路通过三块4069后与随机信号同时分别接入单稳态电路的时钟输入端口和信号输入端口，4013输出的同步后的随机信号经过74HC123的延时处理后输出。
在并行信号转换处理中，使用74HC04作为非门，74AS00作为与非门。74AS02作为三与非门，利用4069作为延时控制器，8分频信号则是由4040计数器来产生的。三路经过同步处理的信号通过74AS00、74HC04、74AS02组成的电路，成为一路合成的信号。同样，三路信号的同步门信号也被合成为一路同步门信号，合成后的信号通过移位寄存器74HC164将单路信号转换成八位的并行信号，转换后的八位并行信号通过74AS374锁存器输入到计算机并行接口。并行信号转换处理中的准备信号是由8分频信号通过4069组成延时电路延时产生的，复位信号则是由计算机并行接口的16针输出的。
权利要求
1.一种量子保密通信系统中的信号处理方法，其特征在于该方法主要包括的处理步骤有光子信号同步处理、随机信号同步处理、并行信号转换处理、数据采集处理，其中首先单光子信号通过光子信号同步处理步骤，随机信号通过随机信号同步处理步骤，然后在并行信号转换处理步骤中对同步后的随机信号和光子脉冲信号进行并行数据转换，输入计算机的数据经过数据采集处理步骤，将数据中的光子信号和随机信号逐一分离出来，再进行叠加计数或进行直接的比较。
2.根据权利要求1所述的一种量子保密通信系统中的信号处理方法，其特征在于所述的光子信号同步处理步骤的流程是输入本流程的光子信号，经过信号处理后，输入触发电路的时钟输入端，同步门信号进入本流程后被分为两路，一路通过延时电路1输出有一定延时的同步门信号，该信号作为并行数据转换处理中光子信号的同步门信号，另一路进入延时电路3和脉宽调整电路，经过延时和脉宽调整后的同步门信号进入触发电路的信号输入端。
3.根据权利要求1所述的一种量子保密通信系统中的信号处理方法，其特征在于所述的随机信号同步处理步骤的流程是随机信号和同步门信号同时输入单稳态电路，从单稳态电路输出的随机信号脉冲经过延时调整电路最后输出，其中的同步门信号在进入单稳态电路前是被分为两路的，一路输入上述的单稳态电路，另一路通过延时调整电路输出作为并行数据转换处理步骤中随机信号的同步门信号。
4.根据权利要求1所述的一种量子保密通信系统中的信号处理方法，其特征在于所述的并行信号转换处理步骤的流程中有两路经光子信号同步处理的光子信号和同步门信号、一路经随机信号同步处理的随机信号和同步门信号，其中的三路同步门信号中每一路同步门信号又都被分为两路，一路与随机信号和光子信号输入与非门，然后从三个与非门分别输出的数据信号再次输入三与非门合并成为一路同步门信号，合并后的数据信号则被输入移位寄存器；另一路同步门信号分别通过非门后，一起输入三与非门合并成为一路同步门信号，该同步门信号经积分电路和整形电路后，一路输入移位寄存器，从移位寄存器输出的信号，通过锁存电路被计算机识别，
5.根据权利要求1或4所述的一种量子保密通信系统中的信号处理方法，其特征在于所述的该锁存电路是将整形后的另一路同步门信号经8分频电路后再经过延时电路所得到的信号作为时钟脉冲的，时钟脉冲的一部分被送入锁存电路，还有一部分进入计算机作为数据信号的准备信号。
6.根据权利要求1所述的一种量子保密通信系统中的信号处理方法，其特征在于所述的数据采集处理步骤的流程是在每次数据采集初始化时，计算机将清零信号置高，计算机对并行接口进行清零，当清零信号为低时，计算机继续检测8分频信号是否为高，当8分频信号为高的时候，计算机则忽略该数据，当8分频信号为低的时候，计算机准备读取数据。参数T是用来判断当前的数据是否已经被输入，该参数是由8分频电路控制的，T值与上次的值相同时，说明数据已经被读入，计算机停止读入数据，当T值不同时，计算机读入数据，并重新置值，读入的数据按照顺序存入数组，再按一定的规律将输入的几种信号一一区分开来。
全文摘要
本发明涉及保密通信类，具体的讲是涉及一种量子保密通信系统中单光子信号和随机信号的处理方法，实现量子保密通信系统中单光子信号和随机信号的采集、转换和处理，本发明主要包括光子信号同步处理、随机信号同步处理、并行信号转换处理、数据采集处理，其优点是，结构简单、价格低廉、扩展性好，可以同时采集多路光子信号和随机信号，能够进行信号的实时采集和传输。
文档编号H04B10/30GK1487693SQ03142148
公开日2004年4月7日 申请日期2003年8月8日 优先权日2003年8月8日
发明者曾和平, 周春源, 吴光, 陈修亮, 李和祥 申请人:华东师范大学