專利名稱：量子保密通信系統(tǒng)中的信號處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及保密通信類，具體的講是涉及一種量子保密通信系統(tǒng)中單光子信號和隨機信號的處理方法，實現(xiàn)量子保密通信系統(tǒng)中單光子信號和隨機信號的采集、轉(zhuǎn)換和處理。
背景技術(shù)：
量子保密通信是基于光量子的通信，信息加載于單光子上，并由單光子進行傳輸，未知量子態(tài)是不可克隆的，測量量子會改變量子態(tài)，這樣竊聽者就不可能得到通訊信息而不被發(fā)現(xiàn)。光子計數(shù)及光子信號與計算機之間的連接傳輸，是量子保密通信系統(tǒng)的重要組成部分。目前，光子計數(shù)和光子信號與計算機之間的傳輸是通過光子計數(shù)器來完成的，在該流程中，光子計數(shù)器先對單光子信號進行計數(shù)疊加，然后將疊加后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接嬎銠C中。這種單光子信號處理方法不能把光子計數(shù)器接受到的光子信號立即傳輸?shù)接嬎銠C，就有可能會造成在使用整個量子保密通信系統(tǒng)中無法即時發(fā)現(xiàn)竊聽行為。由于光子計數(shù)器不能進行隨機數(shù)的采集，所以光子計數(shù)器不能單獨直接地應(yīng)用到量子保密通信系統(tǒng)中，還需要另外一塊隨機信號的同步采集設(shè)備，增加了整個量子保密通信系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種量子保密通信單光子信號和隨機信號的處理方法，即信號處理方法，該方法可將單光子信號直接采集進入計算機并且在采集單光子信號的同時進行隨機數(shù)的采集，從而使之能夠直接應(yīng)用到量子保密通信系統(tǒng)中。由于本方法是將信號直接通過計算機并行接口傳輸?shù)接嬎銠C，然后在計算機中對信號進行疊加計數(shù)，這樣信號就能夠?qū)崟r的傳輸?shù)接嬎銠C中，信號的分組和疊加計數(shù)處理則是在計算機內(nèi)部進行。
本發(fā)明目的實現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成本發(fā)明主要包括光子信號同步處理、隨機信號同步處理、并行信號轉(zhuǎn)換處理、數(shù)據(jù)采集處理。
其中光子信號同步處理的流程如圖2所示，同步門信號進入本流程后被分為兩路，一路通過延時電路1輸出有一定延時的同步門信號，該信號作為并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理中光子信號的同步門信號，另一路進入延時電路3和脈寬調(diào)整電路，經(jīng)過延時和脈寬調(diào)整后的同步門信號進入觸發(fā)電路的信號輸入端。輸入本流程的光子信號，經(jīng)過信號放大處理后，輸入觸發(fā)電路的時鐘輸入端，而光子信號經(jīng)過信號放大處理后輸出的波形如圖3中2號波形圖所示，2號波形圖中波形在每一個同步門脈沖(如1號波形圖所示)的前方都有一個觸發(fā)復(fù)位脈沖信號對觸發(fā)電路進行清零處理，跟在這個脈沖信號后面的是真實的光子信號，因此，當(dāng)有光子信號時，觸發(fā)電路輸出為高，在沒有光子信號時觸發(fā)電路的輸出為低，并且這些觸發(fā)電路輸出的信號(如3號波形圖所示)都是與第一路經(jīng)延時的同步門脈沖(如1號波形圖所示)一一對應(yīng)的。
隨機信號同步處理的流程如圖4所示，該流程是將由電噪聲產(chǎn)生隨機信號中與同步信號同步的隨機信號過濾出來。在該流程中，隨機信號和同步門信號同時輸入單穩(wěn)態(tài)電路，使得只有與同步門信號同步的隨機信號才會被輸出，并且輸出的隨機信號脈沖的寬度都是相同的；從單穩(wěn)態(tài)輸出的隨機信號脈沖經(jīng)過延時調(diào)整最后輸出；同步門信號在進入單穩(wěn)態(tài)電路前被分為兩路，一路輸入上述的單穩(wěn)態(tài)電路，另一路通過延時調(diào)整電路輸出作為并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理中隨機信號的同步門信號。
并行信號轉(zhuǎn)換處理的流程如圖5所示，在量子保密通信系統(tǒng)中的一個通信終端同時有三路信號需要處理，分別是兩路經(jīng)光子信號同步處理的光子信號和同步門信號、一路經(jīng)隨機信號同步處理的隨機信號和同步門信號。三路同步門信號中每一路同步門信號都被分為兩路，一路與隨機信號和光子信號輸入與非門，然后從三個與非門分別輸出的數(shù)據(jù)信號再次輸入三與非門合并成為一路同步門信號，合并后的數(shù)據(jù)信號則從數(shù)據(jù)端輸入移位寄存器；另一路同步門信號分別通過非門后，一起輸入三與非門合并成為路同步門信號，這個合并的同步門信號經(jīng)積分電路和整形成為有固定延時和特定脈寬的同步門信號后，一路輸入移位寄存器。因此從移位寄存器輸出的即是一路8位的并行信號，但是這個數(shù)據(jù)要通過鎖存電路才能被計算機正確識別，該鎖存電路是將上述經(jīng)整形后的另一路同步門信號經(jīng)8分頻電路后再經(jīng)過延時電路2所得到的信號作為時鐘脈沖的，時鐘脈沖的一部分被送入鎖存電路，還有一部分進入計算機作為數(shù)據(jù)信號的準(zhǔn)備信號。進入計算機的信號除了數(shù)據(jù)信號和準(zhǔn)備信號，還有外部產(chǎn)生的復(fù)位信號，這個復(fù)位信號在每次計算機采集一定數(shù)據(jù)后，對8分頻電路進行復(fù)位處理。這樣就可以防止在長時間通信時，數(shù)據(jù)之間產(chǎn)生錯位現(xiàn)象，從而保證計算機得到信號是完全正確的。
數(shù)據(jù)采集處理的流程如圖6所示，在每次數(shù)據(jù)采集初始化時，計算機將清零信號置高，此時計算機對并行接口進行清零；當(dāng)清零信號為低時，計算機并行接口處于正常工作狀態(tài)，然后計算機繼續(xù)檢測8分頻信號，當(dāng)8分頻信號為高的時候，說明此時的數(shù)據(jù)還未準(zhǔn)備完成，計算機則放棄該數(shù)據(jù)，在8分頻信號為低的時候，說明此時的數(shù)據(jù)是可以讀取的完整數(shù)據(jù)，計算機再根據(jù)參數(shù)T來判斷是否讀取數(shù)據(jù)。參數(shù)T是在計算機程序中設(shè)定的變量，這個變量是由8分頻信號控制的，在每次計算機數(shù)據(jù)讀取完成后，參數(shù)T被置‘1’，計算機下次檢測參數(shù)T前，參數(shù)T先與8分頻號進行‘與’處理，當(dāng)T還是‘1’時，說明此時將讀入的數(shù)據(jù)已經(jīng)被輸入過，計算機則放棄這組數(shù)據(jù)，當(dāng)T變?yōu)椤?’時，說明此時將讀入的數(shù)據(jù)是新的，計算機則讀入這組數(shù)據(jù)并重新將參數(shù)T置為‘1’。讀入的數(shù)據(jù)按照順序存入數(shù)組，然后計算機再將這個數(shù)組的數(shù)據(jù)逐一分離開來，接著依據(jù)三路信號輸入的順序?qū)⒎蛛x開來的數(shù)據(jù)重新組合成為三個獨立的、分別代表三路信號的三個數(shù)組。這三個數(shù)組就是最后量子保密通信系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認(rèn)識到，本流程的任務(wù)是在計算機內(nèi)部通過計算機程序完成的，在此不再贅述。
單光子信號通過“光子信號同步處理”有效的去除信號中的噪聲，增加信號采集的信噪比；隨機信號通過“隨機信號同步處理”將與同步脈沖相同步的隨機信號提取出來，提取出的隨機信號則被作為輸入“并行信號轉(zhuǎn)換處理”的同步隨機信號；然后在“并行信號轉(zhuǎn)換處理”中對同步后的隨機信號和光子脈沖信號進行并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，使其成為計算機可以識別的并行數(shù)據(jù)；出入計算機的數(shù)據(jù)經(jīng)過“數(shù)據(jù)采集處理”，將數(shù)據(jù)中的光子信號和隨機信號逐一分離出來，再進行疊加計數(shù)或進行直接的比較。
本發(fā)明的優(yōu)點是，結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、擴展性好，可以同時采集多路光子信號和隨機信號，能夠進行信號的實時采集和傳輸。
附圖概述附

圖1為本發(fā)明處理流程圖；附圖2為本發(fā)明光子信號同步處理流程圖；附圖3為本發(fā)明光子信號同步流程的時序圖；
其中1號波形圖為同步脈沖的波形圖；2號波形圖為信號處理后的光子信號波形圖；3號波形圖為輸出的數(shù)據(jù)波形圖；4號波形圖為8分頻信號的時序圖；附圖4為本發(fā)明隨機信號同步處理流程圖；附圖5為本發(fā)明并行信號轉(zhuǎn)換處理流程圖；附圖6為本發(fā)明信號采集處理流程圖；附圖7為本發(fā)明實施例采集得到的單光子干涉數(shù)據(jù)；附圖8為本發(fā)明實施例光子信號同步處理電路圖；附圖9為本發(fā)明實施例隨機信號同步處理電路圖；附圖10為本發(fā)明實施例并行信號轉(zhuǎn)換電路圖；具體技術(shù)方案以下結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進一步詳細(xì)說明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解如圖1-10所示，在本實施例光子信號同步處理中，同步門信號在通過兩塊非門74HC04后被分為兩路，一路進入由電阻、電容和非門74HC04、74AS04組成的脈寬調(diào)整電路，然后接入74AS374上升觸發(fā)電路中的信號輸入端口，同時光子信號輸入到74AS374中的時鐘輸入端口，最后從74HC374輸出并行轉(zhuǎn)換流程所需的光子信號。另外一路同步門信號經(jīng)過由兩塊74HC123組成的延時電成為延時后的同步門信號。
隨機信號同步處理中使用由4013組成的單穩(wěn)態(tài)電路和非門4069將隨機信號與同步門信號相對應(yīng)起來，同步門信號通過一塊非門4069后被分為兩路，一路通過74HC123組成的延時電路輸出，另一路通過三塊4069后與隨機信號同時分別接入單穩(wěn)態(tài)電路的時鐘輸入端口和信號輸入端口，4013輸出的同步后的隨機信號經(jīng)過74HC123的延時處理后輸出。
在并行信號轉(zhuǎn)換處理中，使用74HC04作為非門，74AS00作為與非門。74AS02作為三與非門，利用4069作為延時控制器，8分頻信號則是由4040計數(shù)器來產(chǎn)生的。三路經(jīng)過同步處理的信號通過74AS00、74HC04、74AS02組成的電路，成為一路合成的信號。同樣，三路信號的同步門信號也被合成為一路同步門信號，合成后的信號通過移位寄存器74HC164將單路信號轉(zhuǎn)換成八位的并行信號，轉(zhuǎn)換后的八位并行信號通過74AS374鎖存器輸入到計算機并行接口。并行信號轉(zhuǎn)換處理中的準(zhǔn)備信號是由8分頻信號通過4069組成延時電路延時產(chǎn)生的，復(fù)位信號則是由計算機并行接口的16針輸出的。
權(quán)利要求
1.一種量子保密通信系統(tǒng)中的信號處理方法，其特征在于該方法主要包括的處理步驟有光子信號同步處理、隨機信號同步處理、并行信號轉(zhuǎn)換處理、數(shù)據(jù)采集處理，其中首先單光子信號通過光子信號同步處理步驟，隨機信號通過隨機信號同步處理步驟，然后在并行信號轉(zhuǎn)換處理步驟中對同步后的隨機信號和光子脈沖信號進行并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，輸入計算機的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集處理步驟，將數(shù)據(jù)中的光子信號和隨機信號逐一分離出來，再進行疊加計數(shù)或進行直接的比較。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子保密通信系統(tǒng)中的信號處理方法，其特征在于所述的光子信號同步處理步驟的流程是輸入本流程的光子信號，經(jīng)過信號處理后，輸入觸發(fā)電路的時鐘輸入端，同步門信號進入本流程后被分為兩路，一路通過延時電路1輸出有一定延時的同步門信號，該信號作為并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理中光子信號的同步門信號，另一路進入延時電路3和脈寬調(diào)整電路，經(jīng)過延時和脈寬調(diào)整后的同步門信號進入觸發(fā)電路的信號輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子保密通信系統(tǒng)中的信號處理方法，其特征在于所述的隨機信號同步處理步驟的流程是隨機信號和同步門信號同時輸入單穩(wěn)態(tài)電路，從單穩(wěn)態(tài)電路輸出的隨機信號脈沖經(jīng)過延時調(diào)整電路最后輸出，其中的同步門信號在進入單穩(wěn)態(tài)電路前是被分為兩路的，一路輸入上述的單穩(wěn)態(tài)電路，另一路通過延時調(diào)整電路輸出作為并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理步驟中隨機信號的同步門信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子保密通信系統(tǒng)中的信號處理方法，其特征在于所述的并行信號轉(zhuǎn)換處理步驟的流程中有兩路經(jīng)光子信號同步處理的光子信號和同步門信號、一路經(jīng)隨機信號同步處理的隨機信號和同步門信號，其中的三路同步門信號中每一路同步門信號又都被分為兩路，一路與隨機信號和光子信號輸入與非門，然后從三個與非門分別輸出的數(shù)據(jù)信號再次輸入三與非門合并成為一路同步門信號，合并后的數(shù)據(jù)信號則被輸入移位寄存器；另一路同步門信號分別通過非門后，一起輸入三與非門合并成為一路同步門信號，該同步門信號經(jīng)積分電路和整形電路后，一路輸入移位寄存器，從移位寄存器輸出的信號，通過鎖存電路被計算機識別，
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種量子保密通信系統(tǒng)中的信號處理方法，其特征在于所述的該鎖存電路是將整形后的另一路同步門信號經(jīng)8分頻電路后再經(jīng)過延時電路所得到的信號作為時鐘脈沖的，時鐘脈沖的一部分被送入鎖存電路，還有一部分進入計算機作為數(shù)據(jù)信號的準(zhǔn)備信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子保密通信系統(tǒng)中的信號處理方法，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集處理步驟的流程是在每次數(shù)據(jù)采集初始化時，計算機將清零信號置高，計算機對并行接口進行清零，當(dāng)清零信號為低時，計算機繼續(xù)檢測8分頻信號是否為高，當(dāng)8分頻信號為高的時候，計算機則忽略該數(shù)據(jù)，當(dāng)8分頻信號為低的時候，計算機準(zhǔn)備讀取數(shù)據(jù)。參數(shù)T是用來判斷當(dāng)前的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)被輸入，該參數(shù)是由8分頻電路控制的，T值與上次的值相同時，說明數(shù)據(jù)已經(jīng)被讀入，計算機停止讀入數(shù)據(jù)，當(dāng)T值不同時，計算機讀入數(shù)據(jù)，并重新置值，讀入的數(shù)據(jù)按照順序存入數(shù)組，再按一定的規(guī)律將輸入的幾種信號一一區(qū)分開來。
全文摘要
本發(fā)明涉及保密通信類，具體的講是涉及一種量子保密通信系統(tǒng)中單光子信號和隨機信號的處理方法，實現(xiàn)量子保密通信系統(tǒng)中單光子信號和隨機信號的采集、轉(zhuǎn)換和處理，本發(fā)明主要包括光子信號同步處理、隨機信號同步處理、并行信號轉(zhuǎn)換處理、數(shù)據(jù)采集處理，其優(yōu)點是，結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、擴展性好，可以同時采集多路光子信號和隨機信號，能夠進行信號的實時采集和傳輸。
文檔編號H04B10/30GK1487693SQ03142148
公開日2004年4月7日 申請日期2003年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月8日
發(fā)明者曾和平, 周春源, 吳光, 陳修亮, 李和祥 申請人:華東師范大學(xué)