量子存储板高速数据传输接口关键技术研究

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

摘要 ....................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................. II 第1章绪论 (1)

1.1课题背景及研究的目的和意义 (1)

1.2国内外研究的发展及现状分析 (2)

1.2.1 高速数据传输技术发展现状 (2)

1.2.2 总线技术发展现状 (2)

1.2.3 数据存储技术发展现状 (3)

1.3本文的主要研究内容及结构 (4)

第2章测试设备总体设计方案 (5)

2.1测试设备硬件设计方案 (5)

2.2基于PCIe接口的高速数据传输方案 (7)

2.3基于USB3.0接口的高速数据传输方案 (8)

2.4测试设备软件设计方案 (10)

2.5本章小结 (11)

第3章测试设备硬件设计 (12)

3.1高速数据传输板卡设计 (12)

3.1.1 电源模块设计 (12)

3.1.2USB3.0模块设计 (16)

3.1.3PCIe模块设计 (18)

3.1.4DDR2数据缓冲模块设计 (20)

3.1.5 内部高速总线模块设计 (22)

3.1.6FPGA控制模块设计 (23)

3.2量子通信连接板卡设计 (26)

3.2.1 电源模块设计 (26)

3.2.2TLK2711模块设计 (27)

3.2.3FPGA控制模块设计 (28)

3.2.4 其它电路设计 (29)

3.3USB转串口模块设计 (29)

3.4本章小节 (32)

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第4章测试设备软件设计 (33)

4.1高速数据传输板卡FPGA程序设计 (33)

4.1.1USB3.0模块FPGA程序设计 (34)

4.1.2PCIe模块FPGA程序设计 (37)

4.1.3DDR2数据缓冲模块FPGA程序设计 (42)

4.1.4 内部高速总线模块FPGA程序设计 (45)

4.2量子通信连接板卡FPGA程序设计 (45)

4.2.1TLK2711模块FPGA程序设计 (46)

4.2.2Nios II模块程序设计 (46)

4.3测试设备上位机软件设计 (48)

4.4本章小结 (52)

第5章测试结果与分析 (53)

5.1通信接口测试 (53)

5.1.1USB3.0模块测试 (53)

5.1.2PCIe模块测试 (55)

5.1.3TLK2711模块测试 (56)

5.1.4USB转串口模块测试 (57)

5.2系统测试 (58)

5.2.1 量子通信模式测试 (58)

5.2.2 离散模式测试 (59)

5.2.3BULK模式测试 (60)

5.2.4 遥测解析测试 (60)

5.3本章小结 (62)

结论 (63)

参考文献 (65)

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 (69)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (70)

致谢 (71)

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第1章绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

本课题来源于国家重点专项“量子科学实验卫星”中“量子存储板”专用测试设备研制。目的在于研制一套自动化测试设备，完成对“量子存储板”功能、性能和稳定性等方面的测试。

量子通信是利用量子纠缠效应[1]进行信息传输和处理的新一代通信技术，具有绝对安全[2]和高容量等优点[3]。在20世纪80年代，Bennett和Brassard提出了量子通信的基本思想[4]，主要包括量子密钥分发[5]和量子态隐形传输[6]。并且他们在1984年提出了第一个量子密钥分发协议[7]，即BB84协议。随着量子通信技术的发展，现有的量子密钥分发技术可以实现百公里级量子密钥分发[8]，辅以光电开关等技术，还可以实现量子密钥分发网络[9,10]。2010年，中国完成的16公里量子态隐形传输实验，表明中国将有能力建立起卫星与地面的量子通信网络。

目前科学界普遍认为，通过卫星中转方式进行远距离量子通信是实现全球范围内保密通信的最佳方法。而本次中国研制“量子科学试验卫星”的主要目的是开展卫星与地面之间绝对安全的高速量子密钥分发实验，通过高精度的捕获和跟瞄系统，建立超远距离的量子信道，并在此基础上进行广域量子通信网络的演示。由于量子通信是绝对安全的，通过量子通信，人们可以从根本上解决国防、金融、财政、商业等领域的信息安全问题，这将会引起军事、经济等领域翻天覆地的变化。如果该卫星成功运行，中国将在世界上首次实现卫星和地面间的量子通信，这有助于中国完成建立全球化量子通信网络的宏伟计划。

“量子存储板”是“量子科学实验卫星”的重要组成部分，用于接收“量子通信与流程控制板”和“量子实验主控板”的指令和数据，完成数据的高速传输和存储。

正因为“量子存储板”作用重大，所以研制其专用测试设备就显得尤为重要。本课题针对“量子存储板”的测试需求，研制了一套专用测试设备，用于模拟“量子通信与流程控制板”和“量子实验主控板”，完成对“量子存储板”各方面性能的测试。

研制“量子存储板”专用测试设备意义重大。可以发现“量子存储板”设