基于FPGA可配置m序列發生器的設計與實現

晏浩文 陳偉 吳瓊 黃慶超 劉建國 祝寧華

摘 要： 針對某些設計場合對可變m序列的需求，提出并驗證了一種基于FPGA的m序列發生器方案。該方案采用線性反饋移位寄存器的結構，可通過外設對發生器的初始狀態進行配置來改變所產生的m序列。使用ModelSim仿真軟件對此設計進行了仿真，并將該m序列發生器應用于某光跳頻保密通信系統中完成了實驗驗證。結果表明，使用該方案實現的m序列發生器結構簡單、易于集成，可產生大量不同的m序列，且具有可動態配置的特點。

關鍵詞： FPGA； m序列； 信號發生器； 移位寄存器； ModelSim仿真軟件； 光跳頻通信系統

中圖分類號： TN911?34； TN918 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）08?0001?04

Abstract： In allusion to the demand of variable m?sequence in some design occasions， an m?sequence generator scheme based on FPGA is proposed and verified. In the scheme， the linear feedback shift register structure is adopted， and the generated m?sequence can be changed by using peripherals to configure the initial state of the generator. The Modelsim simulation software is used to perform simulation for the design， and the m?sequence generator is applied to a certain optical frequency hopping secure communication system to accomplish the experimental verification. The results show that the m?sequence generator realized by this scheme has simple structure， is easy to be integrated， can produce a large number of different m?sequences， and has the characteristic of dynamic configuration.

Keywords： FPGA； m?sequence； signal generator； shift register； ModelSim simulation software； optical frequency hopping communication system

m序列作為偽隨機序列[1]的一種，具有優良的偽隨機序列性質，在雷達[2]、導航[3]、常規通信[4?5]、保密通信[6]、地球物理勘察[7]和電子對抗[8]等領域中都有著廣泛的應用。有關產生m序列發生器的方案很多。其中，基于專用集成電路的m序列發生器，其發生速率可以很快，但由于硬件電路不便修改的特性，只能產生單一的m序列；基于軟件的m序列發生器[9] 采用靈活的數據查詢方式可以獲得任意的m序列，因而得到了大量的關注和研究，但其產生速率不及硬件實現方式且實現過程較為復雜，故而在許多高速設計場合往往使用更為簡單的FPGA實現方式。FPGA即現場可編程門陣列，使用FPGA來實現設計，既具有硬件電路實現的優點，又具有設計上的靈活性。本文提出了一種基于FPGA的 m序列發生器，具有初始狀態可配置的特點，可以通過配置線性反饋移位寄存器的初始值來改變產生的m序列，并給出了一個在保密通信系統中的應用實例，對工程應用有一定的現實意義。

1 m序列發生器的設計原理

傳統的m序列發生器有Fabonacci和Galois兩種類型[10]，其中前者是在n級線性移位寄存器的基礎上，加上反饋回路構成的，結構簡單，易于實現，具體結構如圖1所示。圖1中的[ci]是反饋系數，由本原多項式系數確定，當[ci]=1時，反饋回路連接，當[ci]=0時，反饋回路斷開。[ai]用于表示各級觸發器的狀態，[ai]只能等于0或1，表示觸發器的儲值是0還是1。 發生器工作時，產生的m序列從移位寄存器的右端mout輸出，每時鐘周期產生一位。設觸發器的初始狀態為[an-1]，…，[a1][a0]，每一個時鐘周期，移位寄存器的左端都將得到一個新的輸入[an]，其值可表示

由以上分析可知，m序列歸根到底取決于本原多項式和移位寄存器的初始狀態，要改變m序列，就必須改變設計所采用的本原或改變移位寄存器的初始狀態。目前，大多方案都是通過改變本原多項式來改變m序列。這樣的方法優點在于它可以徹底地改變產生的m序列，但在有的設計場合這樣的方法并不適用，因為目前使用的本原多項式至多300多個，通過該方法得到的不同的m序列十分有限。本文提出的方案，是從改變移位寄存器初始狀態的角度來改變m序列。實際上根據某一本原多項式不同的初始狀態可以得到多個m序列，但它們只不過是相差若干步位移，這些m序列稱作一個平移等價類。平移等價類m序列用來模擬信道噪聲時它們可以看作一樣的，但對于用m序列控制的同步通信系統而言，它們是不同的，即使兩個m序列相差一個位移，同步系統也無法正常工作。在全部n級m序列中，平移等價類[11]的個數為[φ（2n-1）n]，其中[φ（υ）]表示[υ]的歐拉函數?？芍猲越大，平移等價類越多。在實際應用中往往希望平移等價類很多，因此，文中設計了一個128級的m序列發生器，其本原多項式[11]為[f（x）=1+x126+x127]，可以由一個128位的移位寄存器和兩個模二加法器構成，結構簡單，平行等價類多。其初始狀態的配置是設計重點，文中選擇通過外設對移位寄存器賦初值的方式來實現。

2 m序列發生器的設計與實現

FPGA是可編程邏輯器件的一種，資源豐富功能強大，既有專用集成電路高速的特點又不失靈活性。文中采用Xilinx公司的FPGA芯片Kintex?7，使用硬件描述語言Verilog和電子設計自動化工具ISE14.1，設計和實現了上述方案中提出的m序列發生器，即通過外設配置移位寄存器的初始值的方式來改變m序列發生器產生的m序列。所設計系統的主要硬件框圖如圖2所示，其中4×4矩陣鍵盤和液晶顯示器LCD1602分別用于移位寄存器初始值的輸入與顯示。從圖2可以看出，該m序列發生器主要由4個模塊組成：輸入模塊、儲值模塊、m序列發生模塊、顯示模塊。其中顯示模塊是顯示器LCD1602的驅動電路，用于控制顯示器顯示按鍵輸入的字符，以確保輸入無誤。

由于該方案實現的是一個128級的m序列發生器，其移位寄存器共有128位，需要128位二進制數來實現移位寄存器的初始化，所以最多可以產生2128個不同的m序列。但該設計在具體的實現過程中并沒有采取對移位寄存器的每一位進行逐一賦值的方式，而是通過16個字符來完成移位寄存器的初始狀態設置。按鍵輸入的字符在進入輸入模塊后會被編譯成8位二進制代碼，此8位二進制代碼同時也是字符在LCD1602中的顯示代碼。例如，字符D在進入輸入模塊后被編譯成它的LCD1602顯示代碼2′b0100_0100。相比于逐位賦值，這樣的賦值方式簡單快捷，體驗更好，只需16次按鍵輸入就可以實現移位寄存器初始狀態的配置，雖然犧牲了可產生的m序列的數量，但即使在這種情況下同樣可以產生216個不同的m序列，遠大于300。

從數據流的角度來看，按鍵輸入的字符流入輸入模塊后會被編譯成上述所說的8位二進制代碼，但在編譯之前輸入模塊必須對輸入信號進行去抖處理，這是因為按鍵輸入過程中抖動是不可避免的，它會影響系統的穩定性。該設計中使用計數器對采樣進行控制，從而實現了去抖功能。經過去抖和編譯后的信號流出輸入模塊，一方面流向顯示模塊，告知顯示模塊要顯示的字符；另一方面流向儲值模塊。

儲值模塊本質上是一個128位的寄存器，從低位到高位，依次存儲輸入的8位二進制代碼，在16次按鍵操作完成后，該寄存器被寫滿，此時會產生一個指示信號用于告知m序列發生器模塊，移位寄存器的初始值已經準備好了。

m序列發生模塊最終用同步有限狀態機的設計方法實現，其主體部分是原理中提到的帶反饋回路的線性反饋移位寄存器。該有限狀態機只有惟一的驅動時鐘（50 MHz），狀態轉移如圖3所示。空閑狀態是該狀態機的初始狀態，該狀態用于等待移位寄存器初始值的輸入，在檢測到儲值模塊的指示信號等于1后，在下個時鐘上升沿自動轉移到配置狀態。配置狀態實現移位寄存器的初始狀態配置，該狀態下系統將儲值模塊中128位寄存器中的值賦給m序列發生器的移位寄存器，賦值操作完成后進入m序列發生狀態，開始產生m序列。

為了實現系統的動態配置，以滿足更多場合的應用需求，該系統對儲值模塊發出的指示信號做了特殊的控制。該指示信號在由0變為1后，如果又有按鍵輸入會重新置0，直到儲值模塊的寄存器被重新寫滿后再變為1。從圖3可以看出，這樣設計的好處是，處于m序列發生狀態的m序列發生模塊可以利用此信號跳出該狀態，重新進行初始狀態設置，實現動態配置的功能。這里沒有使用指示信號變為0這一條件，而使用指示信號的上升沿來跳出m序列發生狀態，可以避免按鍵的誤觸發。

3 ModelSim仿真及結果分析

Mentor公司的ModelSim是業界最優秀的HDL語言仿真軟件，它能提供友好的仿真環境以及完善高性能的驗證功能。使用ModelSim對上述設計中的m序列發生器進行了仿真，結果如圖4所示。圖中num是測試信號，用于模擬按鍵輸入，標記1處模擬了按鍵D被按下的情況，2處模擬了抖動信號。keyboard_val是編譯后的輸入信號，沒有按鍵按下時值為2′b1000_0000；而store_val則是儲值模塊的128位寄存器。由圖4可知，當按鍵D被按下時，輸入信號被編譯為2′b0111_1000并被存儲于store_val[127：120]中。因為此前已經模擬了15次按鍵操作，此時寄存器store_val被存滿，指示信號full信號由0變為1。m序列發生模塊在檢測到指示信號等于1后將store_val的值賦給128位移位寄存器A，配置完成，隨后產生的m序列從端口M_out輸出。因為整個系統工作在50 MHz的時鐘頻率下，m序列發生的速度很快，高達50 Mbit/s，所以信號M_out呈現密集的黑色，放大后可讀出產生的m序列為1000_1100_0010_1100…符合m序列的產生原理。另外，圖4標記2處的抖動信號沒有被譯碼，說明輸入模塊成功實現了去抖功能。此后，繼續模擬輸入了多組不同的16位字符，由于圖片太長這里沒有給出。由仿真結果可知，m序列發生器在每接收完一組字符后都會重新配置，實現了動態配置的功能。通過對輸入各組字符后產生的m序列進行對比，可以發現它們各不相同，也就是說通過改變m序列發生器中移位寄存器的初始狀態可以改變所產生的m序列，與文中的理論分析一致，證明了該設計的正確性和可行性。

4 實驗驗證及結果分析

為了進一步驗證該m序列發生器設計方案的正確性和可行性，本文將該m序列發生器應用于某光跳頻保密通信系統中，并通過搭建光纖鏈路來驗證實際1.25 Gbit/s以太網通信中該m序列發生器的應用，光纖鏈路如圖5所示。2臺電腦使用局域網通信軟件騰訊通（RTX）進行視頻交流，信息的傳輸是雙向的，其中交換機用于完成電光/光電轉換，光跳頻通信系統用于實現對所傳信息的加/解密。該光跳頻保密通信系統的加/解密通過m序列來控制，由于2臺機器的工作上要求加解密同步，所以產生的m序列必須完全相同。

當2臺系統通過4×4矩陣鍵盤設置相同的16位“密碼”時，視頻通信連接成功。使用在線邏輯分析儀Chipscope Pro監測了關鍵信號，如圖6所示，從圖中可以看出，輸出端M_out有加/解密需要的m序列產生。當2臺系統設置的“密碼”不同時，視頻連接失敗。分析可知，這是由于2臺系統中m序列發生器的初始狀態不同，導致產生的m序列不同，加/解密不同步，所以無法成功通信，實驗和理論一致，說明該方案切實可行。另外，在此工程應用中，該m序列發生器在提供加/解密所需的m序列的同時，還實現了設備加密，可以看出第三方即使獲得了相同的通信系統，在不知道“密碼”的情況下同樣無法竊取信息。

5 結 語

本文系統地介紹了一種基于FPGA可配置m序列發生器的實現方案，該方案通過對m序列發生器中線性移位寄存器的初始狀態進行配置，可以產生大量不同的m序列，遠多于使用不同本原多項式的方法。另外，此m序列發生器發生速率快，高達50 Mbit/s，具有可動態配置的特點，且易于集成。將其應用于某光跳頻通信系統中，進行了實驗驗證。結果表明該m序列發生器在為通信系統的加/解密控制提供了可變m序列的同時，還實現了設備上的加密，對工程應用有一定的現實意義。設計中為了更好的用戶體驗，使用的外設是4×4矩陣鍵盤，使用16個字符完成了m序列發生器的初始狀態配置，如果需要產生更多的m序列，可使用2個按鍵，分別對應二進制0和1來完成m序列發生器的初始狀態配置。

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