基于FPGA的m序列发生器的设计

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两种利用FPGA产生m序列的算法分析

并在每个上升沿对数据进行处理。RST 是复位信号，程
序会在初始时刻自动进行一次复位操作，将系统初
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列，由图 1 可以看出，两种算法所产生的 m 序列波形相
同，且在短时间内可视为随机序列。经过检测，确定两
Abstract：In order to produce m sequence with high performance and resource⁃saving，two algorithms based on FPGA，which
respectively named as Logic Description and IP Core Transfer，are provided，and the implementation steps of the two algorithms
自带 100 MHz 内部晶振，最高可以提供高达 300 MHz 的
运算速度。
收稿日期：2Biblioteka 13⁃11⁃19逻辑法Verilog HDL 为 IEEE 确认的标准硬件描述语言。
逻辑法采用 Verilog HDL 语言，在逻辑层面对移位寄存
器的功能进行行为描述，并通过 ISE 编程软件进行
0
引
1
言
m 序列的实现算法
下面以特征方程为 f (x) = 1 + x2 + x3 + x4 + x8 的 m 序
伪随机序列作为一种信号形式，具有良好的相关特
性和伪随机性，可应用于扩频通信和信号加密等领域。
列为例，分别介绍两种算法。
根据应用场合的不同，可以将伪随机序列设计成具有不

基于FPGA的简易m序列信号发生器

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．
探索婴察＿＿（＿（（（
基于ＦＧＰＡ的简易ｍ序列信号发生器
北方工业大学屈天凯
【摘要】本系统基于ＦＧｆ控制核心，采用ＥＣ —ＣＳ０ＥＰＡＪＸＤＸ３５０开发板及模拟电，完成了简易数字ｍ序列信号发生器的设路
计，实现对数字ｍ序列信号的生成与发送。
【关键词】ＦＧｍ序列信号；曼彻斯特编码ＰＡ；
１方案论证与比较．
数字信号为ｍ列，ｍ序序列发生
器是一种反馈移位型结构的电路，
２系统设计．
ＶＤ语言进行编写。其产生原理是ｍＨＬ
数字信号Ｖ为ｆＸ＝＋＋＋序列信号发生器是在ｒ（）ｌｘ２ｘ３ｌ级线性移位寄
调外ｌｉｄＩ用体ｃｖｆｋ，ｄ
上
分情况讨论柚与ｑ的关系ｗｈｎａ＝ｅ？ｎ
定义九位信号ｚ信号ｌ，
上ｃｄｌｉｋＶ作为模块ＵＩ提供，言号
写出所用程序。
４系统测试与分．
析结论
产生的ｍ序列数字信号频率可由按键依
Ｉ义入钟ｋ位键．出ｖ定输时ｃ４帅ｃｌ按输１Ｉ＿
上
电Ｊｃｄ的结构体ｌｌｉ建ｋｖ
。
定义输入：时钟ｃ，四位按键ｂｔｎ输，输出ｌｋｕｔｏ
创建ｆｉｆ的结构体ｌｌｅａｓｒ
定义ｌ位信号ｓ７．ｇ
。
定义２位信号ｔ

基于FPGA的AMI编解码设计

else
86 2020.10
左磊，等：基于 FPGA 的 AMI 编解码设计
第 20 期
output1<='0'; output2<='0';
--“00”时为“0”电平
end if;
end if;
2.3 译码模块
AMI 译码模块较简单，这里不再给出流程图，将两路
输入 input1 和 input2 相或输出，当输入是“01”或者是“10” 时，相或的结果为“1”，当输入是“00”时，相或结果为“0”。
Keywords：FPGA；CMI；CODEC
0引言
AMI 码全称是传号交替反转码，其对应的波形正负脉冲交替，无直流成分，且具有很小的低频成分，在不允许直流、低频成分通过的信道传输中大量使用。常见的数字基带传输码有：AMI 码、NRZ 码、RZ 码、CMI 码和曼切斯特码。 AMI 是一个比较有代表性的码型，高、低电频分量少，能量集中在频率为 1/2 码速处；编解码电路简单，且可以利用传号极性交替这一规律来观察误码情况。随着科技的快速发展，电子计算机、大规模集成电路、超大规模集成电路以及微处理器技术得以更新换代，FPGA 器件作为超大规模、超高速的可编程逻辑器件，也得以迅猛发展。由于其具有高集成度、高速、可编程、硬件描述语言的可修改性、低功耗、开发周期短、硬件与软件并行性等优点而被广泛应用。笔者所在实验室在 2020 北京市的大学生科学研究与创业计划项目中，研究的对象是基于 FPGA 的程序设计，在相关专业知识的的启发下，对基于 FPGA 的 AMI 编解码的设计展开了研究。对 AMI 的编码规则、解码方法进行详细分析，利用 Quartus Ⅱ软件设计程序，再通过 ModelSim 平台进行仿真。本论文阐述了对基于 FPGA 的 AMI 编解码的设计实现，设

基于FPGA的M序列的设计与实现

０引言
扩频通信系统与传统通信系统的区别在于其
利用伪随机序列来实现扩频与解扩步骤。而伪随机序列作为扩频通信系统的关键，将直接影响到
系统的性能。
实现同步与捕获等都与扩频码的设计密切相关。
自相关函数．即：
６电子元器件主用２０．４０７９
．ｄａｎｅｃｃｃ
维普资讯
第９卷
期２７第月０年９０９
莲钎渗
Ｖ１Ｎ．ｏｏ．９９
Ｓ．２０７ｅｐ０
ｆｌ
当ｒ０＝
香农在证明编码定理的时候，也提出了使用具有白噪声统计特性的信号来编码。
通常采用的二电平（，１０）伪随机序列的结构已预先确定，但它们都具有类似白噪声的相关特性，只是幅度概率分布不再服从高斯分布。伪
２２基于ＶＤ语言的ＦＧ．ＨＬＰＡ实现
ＦＧＰＡ器件具有集成度高、编程灵活、阵列引脚数多、功耗低、设计编程速度快等特点［４１。Ｑａｔｓ１．Ａｔｒ司第五代可编程逻辑器ｕｒ０是ｌａ公ｕＩ５ｅ件的集成开发环境。该软件可提供从设计输入、设计编译、功能仿真、设计处理、时序仿真到器
尺小于Ｃ，二是编码的码长周期足够长。同时，
以确保抗侦破、抗干扰的要求。

基于FPGA的m序列信号发生器设计

基于FPGA的m序列信号发生器设计摘要：m序列是一种伪随机序列(PN码)，广泛用于数据白噪化、去白噪化、数据传输加密、解密等通信、控制领域。

基于FPGA与Verilog硬件描述语言设计井实现了一种数据率按步进可调、低数据误码率、反馈多项式为的m序列信号发生器。

系统时钟为20MHz，m序列信号发生器输出的数据率为20～100 kbps，通过2个按键实现20 kbps步进可调与系统复位，输出误码率小于1%。

m序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称，它是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种伪随机序列。

是由移位寄存器、反馈抽头及模2加法器组成。

m序列一旦反馈多项式及移位寄存器初值给定，则就是可以预先确定并且可以重复实现的序列，该特点使得m序列在数据白噪化、去白噪化、数据传输加密、解密等通信、控制领域使用广泛。

因此，深入学习研究m序列具有重要的实际意义。

1 m序列信号发生器的组成基于FPGA的m序列信号发生器硬件结构极其简单，仅需两个独立按键(一个是复位按键与另一个控制数据率切换按键)、一个48 MHz 的用于提供系统时钟有源晶振、系统电源、一块配置芯片、几个简单的电阻与电容即可实现。

按键去抖动、按键复位、按键切换数据率、时钟分频等功能均在FPGA内部编程实现。

2 m序列信号发生器的关键设计本文中m序列信号发生器的反馈多项式为。

其反馈及移位寄存器的关系图如图2所示。

从本设计中的反馈及移位寄存器的关系图可以看出，一个时钟周期，移位寄存器右移一位，最高位输入为x0、x2、x3、x4及x8的异或(模2相加)。

m序列的输出是移位寄存器的最低位。

图2所示的关系是m序列呈现为随机性、周期性的根本原因。

为了满足信号发生器输出数据率20 kbps的步进通过按键可调，则生成按步进20 kbps可调的时钟是实现该功能的关键。

当按键发生，时钟的输出频率加20 kbps。

在实际电路中，按键会有很大抖动，对系统会造成很大的不稳定性，因此，必须想办法减小这样的不利影响。

基于FPGA的M序列的设计与实现_冀勇钢

参考文献
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
［１］ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＵｓｉｎｇｔｈｅＴＭＳ３２０Ｃ６０００ＥｎｈａｎｃｅｄＤＭＡ．ＴＩ，２００１．
６６
２００７．９ｗｗｗ．ｅｃｄａ．ｃｎ
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［２］ＴＭＳ３２０Ｃ６０００ＯｐｔｉｍｉｚｉｎｇＣｏｍｐｉｌｅｒＵｓｅｒ’ｓＧｕｉｄｅ．ＴＩ，２００１．
０引言
扩频通信系统与传统通信系统的区别在于其利用伪随机序列来实现扩频与解扩步骤。而伪随机序列作为扩频通信系统的关键，将直接影响到系统的性能。
信息论的奠基人香农提出的编码定理指出：只要信息速率Ｒｂ小于信道容量Ｃ，那么，就总可以找到某种编码方法，在码周期相当长的条件下，几乎无差错的从受到高斯噪声干扰的信号中复制出原来发送的信息。这里有两个条件：一是Ｒｂ小于Ｃ，二是编码的码长周期足够长。同时，香农在证明编码定理的时候，也提出了使用具有白噪声统计特性的信号来编码。
［３］江思敏、刘畅．ＴＭＳ３２０Ｃ６０００ＤＳＰ应用开发教程［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００５．
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
本刊启事
为适应我国信息化建设，扩大本刊及作者知识信息交流渠道，本刊已被ＣＮＫＩ中国期刊全文数据库网络出版，其作者著作权使用费与本刊发表费用一次性处理。如作者不同意文章被收录，请在来稿时向本刊声明，本刊将做适当处理。
行仿真，本例程在ＱｕａｒｔｕｓＩＩ下得到的寄存器传输级电路图和仿真波形如图５所示。
３结束语

基于FPGA伪随机序列发生器设计

0 0 0 … 1 cn- 1 称为线性移位寄存器的状态转移矩阵 ,显然状态转移
矩阵 T 和初始状态完全刻画了线性移位寄存器所产生的
序列[12] 。在此建立起了反馈函数 ,即 f ( x0 , x1 , …, x n- 1 ) =
n- 1
∑cn- 1- i x i , cn- 1 - i ∈ GF (2) 和状态转移矩阵 T 之间的对应
可编程器件应用
电子测量技术 EL EC TRON IC M EASU R EM EN T TEC HNOLO GY
第 32 卷第 5 期 2009 年 5 月
基于 FPGA 伪随机序列发生器设计 3
段颖妮1 ,2
(1. 西安文理学院机电系西安 710065 ; 2. 咸阳师范学院数学系咸阳 712000)
END COMPON EN T ; 实现 D 触发器 ,结合图 1 所示反馈移位寄存器的逻辑功能图 , m 序列移位寄存器结构中前向通道采用 n 级 D 触发器串级联接 ,反馈通道中是某几个 D 触发器输出端的异或运算 ,异或运算的结果送给最左端 D 触发器 ,从最右端 D 触发器输出 m 序列。例 1 :误码测试仪中测试序列采用 m 序列 ,国际电信联盟 ITU ( International Telegrap h Union) 建议用于数据传输设备测量误码的 m 序列周期是 511 ,其特征多项式 (本原多项式) 建议采用 f ( x) = x9 + x5 + 1[12213] , 本文应用移位寄存器理论从本原多项式出发产生 m 序列 ,本原多项式是 f ( x) = x9 + x5 + 1 的 m 序列 V HDL 语言编程主要代码如下:

基于FPGA可配置m序列发生器的设计与实现

基于FPGA可配置m序列发生器的设计与实现作者：晏浩文陈伟吴琼黄庆超刘建国祝宁华来源：《现代电子技术》2018年第08期摘要：针对某些设计场合对可变m序列的需求，提出并验证了一种基于FPGA的m序列发生器方案。

该方案采用线性反馈移位寄存器的结构，可通过外设对发生器的初始状态进行配置来改变所产生的m序列。

使用ModelSim仿真软件对此设计进行了仿真，并将该m序列发生器应用于某光跳频保密通信系统中完成了实验验证。

结果表明，使用该方案实现的m序列发生器结构简单、易于集成，可产生大量不同的m序列，且具有可动态配置的特点。

关键词： FPGA； m序列；信号发生器；移位寄存器； ModelSim仿真软件；光跳频通信系统中图分类号： TN911⁃34； TN918 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2018）08⁃0001⁃04Abstract： In allusion to the demand of variable m⁃sequence in some design occasions， anm⁃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 systemm序列作为伪随机序列[1]的一种，具有优良的伪随机序列性质，在雷达[2]、导航[3]、常规通信[4⁃5]、保密通信[6]、地球物理勘察[7]和电子对抗[8]等领域中都有着广泛的应用。

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的周期最长的一种基本序列。本文首先分析ｍ序列的基本原理、结构、性质，然后实现了１位ｍ序列的仿真以５及硬件实现，最终用示波器观察波形。实验表明，使用该方法实现的ｍ序列发生器，结构简单，快，用范速度适
围广。
关键词：ｍ序列；伪随机码；ＦＧＡＰ
号，还可用作噪声源及在保密通信中起加密作用等。伪噪声
发生器在测距、通信等领域的应用日益受到人们重视。有
灵活性，且由于ＦＧ并ＰＡ便于实现大规模的数字系统，中其
中图分类号：Ｎ９５．Ｔ２＋９文献标识码：Ａ
ＤｅｉｆｄｉｔｌｔａｍｉｔｒｂａｅｓｇｎｏｇｉａｒｎｓｔｅｓｄｏｎＦＰＧＡ
ＧｏＬｉｈｎＺｉａｇａｅ，Ｃｅｈｑｎ，ＷｕＬｈｉＰ￣ｉｇｉｉｕ，ｕＮａａｎ（ｎｔｕｅｆｉａＣａｔｒｇ＆ＰｏｅｉｇＴｃｎｌｇ，ａｉｅｉｆｈｎ，ａｕｎ００５，ｈｎ）ＩｓｔｔｇｌｐｉｉｏＳｎｕｎｒｃｓｎｅｈｏｏｙＮｏｈＵｎｖｒｔｏｉａｉａ，３０ＣｉａｓｓｙＣＴｙ１
２＂年８月ｏ第８期
电子
测
试
ＥＬＥＣＴＲ０ＮＩＣＴＥＳＴ
Ａｕｇ．２０１１Ｎｏ．口
基于ＦＧＰＡ的ｍ序列发生器的设计★
高磊，陈志强，吴黎慧，蒲南江（中北大学信息探测与处理技术研究所，山西太原００５）３０１摘要：随机码越来越受到人们的重视，被广泛应用于导弹、卫星、飞船轨道测量和跟踪、雷达、导航、移动通信、保密通信和通信系统性能的测量以及数字信息处理系统中。１序列是伪随机码中，带线性反馈移位寄存器ＴＩ
ｓｑｅｃｔｕｔｒ，ｒｐｒｅ，ｎｅｅｌｅ１ｓｑｅｃｉｌｔｎａｄｔｅｈｒｗａｅｒａｉａｉｎａｄｆａｙｗｉｅｕｎｅｓｃｕｅｐｏｅｔｓａｄｔｎｒａｚｍｅｕｎｅｓｒｉｈｉ５ｍｕａｉｎａｄｒｅｌｔｎｎｌｔｏｈｚｏｉｌｈａｓｉｏｃｐｂｅｖｔｏｖｆｒ．ｘｅｉｅｔｓｏｈｔｕｅｔｅｍｅｈｄｏａｉａｉｎｏｓｑｅｃｅｅａｏ，ｎｏｃｌｓｏｅｏｓｒａｉｎｗａｅｍＥｐｒｎｈｗｓｔａｓｈｔｏｆｒｌｔｆｌｏｍｅｚｏｍｅｕｎｅｇｎｒｔｒ
Ａｂｓｒｃ：Ｒａｏｍａｄｓｉｒａｉｔｅｉｓｂｅｎｗｉｅｙｕｓｄｆｒｔｕｉｅｉｓｌｓａｅｌｔｓｎｄｓｃｃａｔａｔｎｄｙｒｎｃｅｓｎｇａｔｎｔｏｎｈａｅｄｌｅｏｈｅｇｄｄｍｓｉｅ，ｓｔｌｉｅ，ａｐａｅｒｆｔｍｅｓｅｅｎｄｔａｋｉａｕｒｍｎｔａｒｃｎｇ，ｒｄａ，ｎａｉａｉａｒｖｇｔｏｎ，ｍｏｌｏｍｍｕｎｃｔｏ，ｓｃｅｏｍｍｕｎｉａｉｎｄｃｍｍｕｎｃｔｏｂｉｅｃｉａｉｎｓｅｒｔｃｃｔｏｎａｏｉａｉｎｓｓｅｒｏｒａｅｍｅｓｅｅｎｄｄｉｔｌｉｏｒａｉｏｃｓｉｙｓｅ．ｍｅｕｅｅｉｐｓｕｄｙｔｍｐｅｆｍｎｃａｕｒｍｎｔａｇｉａｎｆｍｔｏｎｐｒｅｓｎｇｓｔｍｓｑｎｃｓｅｏ—ｒｎｄｏｍｏｄｅａｃ，
址通信中可用作地址信号，数字通信中可用作群同步信在
能产生单一ｎ级ｍ序列；用软件方式构成的特点是采用灵
活的数据查询方式可以获得任意级数ｎ的本原多项式系数，从而实现ｍ序列的产生，但速度受到单片机工作速度的限制。而ＦＧ具有硬件电路实现的优点，ＰＡ又具有设计上的
关产生ｍ序列发生器的方法很多。其中，用通用数字器件
构成的特点是速度可以很快，但硬件电路不便修改特性，只
现代工程实践中，序列在通讯、导航、雷达、通信系统ｍ
性能的测量等领域中有着广泛的应用。例如，在连续波雷达中可用作测距信号，在遥控系统中可用作遥控信号，在多
ｔｔｕｃｕｅｉｉｐｅ，ａｔｐｃｐｅ．ｉＫｅｙｗｏｒ：ｍｅｅｅ；ＰＮｏｄｄｓｓｑｕｎｃｃｅ；ＦＰＧＡ
０引言
ｍ序列是伪随机序列的一种，结构简单，实现方便。在
ｗｉｈｌｎｅｒｆｅｂａｋｓｆｅｇｓｅｙｃｅｈａｈｅｌｇｅｔｂｓｃｓｑｎｃ．Ｔｈｉｐａｅｎａｙｓｓｔ，ｔａｉｒｎｉｅｏｆｔｉａｅｄｃｈｉｔｒｉｔｒｃｌｓｔｏｎｓａｉｅｕｅｅｓｐｒａｌｅｈｅｍｈｅｂｓｃｐｉｃｐｌ