随着信息化的蓬勃发展,人们对信息安全的关注与日俱增。现代密码学的安全性主要依赖于数学的复杂度,而量子计算机的出现给这种基于计算复杂性的密码系统带来重大安全隐患。量子密钥分发（Quantum Key Distribution,QKD）能够使得通信双方在不安全的信道共享信息论意义上安全的密钥,结合一次一密密码体制,可实现无条件安全的量子保密通信,在国防、政务、金融、电力和大数据等领域具有重要应用前景。QKD利用量子态作为密钥的载体,基于量子力学基本原理保证密钥的无条件安全性,任何潜在的窃听行为都会对携带密钥的量子态进行干扰,从而被合法通信双方通过检测发现。目前,QKD主要有两类技术路线:离散变量量子密钥分发（Discrete-Variable QKD,DV-QKD）和连续变量量子密钥分发（Continuous-Variable QKD,CV-QKD）,两者各具优势。其中,CV-QKD具有光源容易制备,中短距离理论安全密钥速率高,与现有光通信网络兼容,抗额外噪声能力强等优势,适用于城域的量子通信网络建设。自从DV-QKD提出以来,备受研究人员的关注,经过几十年的迅速发展,目前在国内外已建成多个量子保密通信验证网络,开始走向实用化。CV-QKD的提出相对较晚,近些年在理论和实验研究上取得重大突破,开始从实验室走向外场实际环境。为推动CV-QKD的实用化进程,需要设计高集成度、高速率的系统。平衡零拍探测器（Balance Homodyne Detector,BHD）是CV-QKD系统的关键器件,决定了的系统重复速率上限。FPGA是一种功耗低、集成度高、灵活性高的大规模可编程器件,现如今大多数QKD的工程样机都是基于此实现。本论文围绕如何设计集成化、实用化CV-QKD系统展开理论和实验研究,主要内容包括以下几个方面:1.基于FPGA的CV-QKD光学系统设计。首先,根据实验系统的实现流程和光路模块,设计系统的整体结构。然后分别对收发两端的光路模块和光学控制系统的各个模块进行设计,并对收发两端光学控制系统各自硬件之间的时钟和数据传输控制及两者之间的时钟同步进行设计。接下来,根据系统光路模块的需求,结合光学控制系统的输出,对系统相关的电子学模块进行设计,主要包括放大电路模块,高速脉冲发生器、时钟恢复电路模块和高速BHD模块。最后对收发两端的光路模块进行集成化设计。设计的光学系统为实用化CV-QKD系统奠定了基础。2.实用化CV-QKD系统中的关键算法实现。提出一种平均法寻找消光工作点的方法实现了铌酸锂-马赫曾德尔强度调制器偏置工作点的锁定,该算法简单,锁定结果与多项式拟合相差很小,锁定消光比可达到40d B以上。利用FPGA编程实现模拟退火算法,实现了实用化CV-QKD系统中的信号光和本地振荡光的偏振锁定,偏振消光比大于27d B。实现了实用化CV-QKD系统中的BHD两臂自动平衡、信号光和本地振荡光的相对相位补偿和信号光的高斯调制。测试了系统相关电子学模块的性能,测试结果均满足设计要求。综合分析上述各算法的实现结果,整个光学系统的设计是可行的。3.BHD带宽和信号调制方式对CV-QKD系统的影响机制研究。建立了有限BHD带宽和不同信号调制方式下的CV-QKD系统的参数估计模型,并推导出有限码长情形下针对集体攻击的安全密钥速率下界。数值仿真结果表明,有限的BHD带宽会明显影响通道参数的精确评估和恶化系统性能,并且对大占空比脉冲来说,影响的程度相对更大。通过对比两种不同的信号调制方式,根号升余弦脉冲信号调制和矩形脉冲调制,发现前者对系统的参数估计影响程度较小,能够提升系统性能。分析BHD带宽确定的情况,发现存在最佳重复速率,能够使得系统的安全密钥速率最大。同时对于大占空比的脉冲来说,系统传输距离越远,要求BHD带宽越高。上述研究结果对于高速CV-QKD系统的设计具有指导意义,所提的理论模型可用于分析BHD带宽对其它CV-QKD协议的影响。