基于FPGA的伪随机序列发生器设计
混沌伪随机序列发生器的 FPGA设计与实现
混沌伪随机序列发生器的 FPGA设计与实现孙克辉;叶正伟;贺少波【摘要】基于简化Lorenz系统，提出混沌伪随机序列发生器的一种设计方法。
根据IEEE-754浮点运算标准，按照模块化设计理念，设计混沌方程所需的浮点运算模块，并在FPGA（ Field Programmable Gate Array）上实现了简化Lorenz 混沌系统。
设计混沌伪随机序列量化算法，对生成的混沌伪随机序列进行复杂度分析。
分析结果表明，量化算法显著提高了序列复杂度。
使用NIST标准进行伪随机序列性能测试，测试结果表明，序列具有良好的随机特性，可直接用于实际加密应用。
为连续混沌系统FPGA实现和混沌伪随机序列在信息安全中的应用奠定了基础。
%A design method of chaotic pseudo-random sequence generator is proposed based on simplified Lorenz system in this paper.Ac-cording to IEEE-754 floating-point operation standard and the idea of module design,we design the modules of floating point operation for sol-ving chaotic equations,and implement the simplified Lorenz chaotic system on FPGA.Moreover,a quantification algorithm of chaos pseudo-random sequence is designed,and the complexity analysis is performed on the generated chaos pseudo-random sequences,analysing results show that the quantification algorithm remarkably improves the complexity of the sequences.Then the NIST standard is employed in perform-ance test of pseudo-random sequences,test results show that the sequence has good pseudo-random character and can be directly used to prac-tical encryption applications.It lays the foundation for the implementation of continuouschaotic system FPGA and the application of chaos pseudo-random sequence in information security.【期刊名称】《计算机应用与软件》【年(卷),期】2014(000)012【总页数】6页(P7-11,20)【关键词】混沌;简化Lorenz系统;FPGA;伪随机序列【作者】孙克辉;叶正伟;贺少波【作者单位】中南大学物理与电子学院湖南长沙 410012;中南大学物理与电子学院湖南长沙 410012;中南大学物理与电子学院湖南长沙 410012【正文语种】中文【中图分类】TP309.70 引言混沌是确定性的非线性动态系统中出现的一种貌似随机的运动。
基于FPGA的伪随机码序列发生器实现方案研究
一
步 ，即捕捉 。
４ 伪 随机序 列发 生器 设计 与实 现 ．
作速度 ，可以采用基于流水线 的设计方法。所 谓 流水 线 设计 实 际上是 把 规模 较 大 、层 次 较 多 的逻辑 电路分为几个级 ，在 每一级插人寄存器 组且暂存 中间数据 。很显然 ，流水线设计在提 高系统处理速度的同时也多耗了器件资源 ，但 是 ，大 多 数 Ｆ Ｇ 中 的 逻 辑 单 元 都 比较 丰 富 ， ＰＡ
‘ 或 “” 随机 等 概 这 一 性 质 及 大 数 定 理 ， １是
扩频序列编码是扩频通信系统的核 心内容
之 一 。扩 频序 列 最 基本 的要 求 是 序 列应 具 有 随
机性 。然而 ，随机信号 的产生 ，复制 ，控制难 以实现。伪随机序列具有类似 于随机信 号的一 些统计特性 ，但 又是有规律 的 ，容易产生 、复
论文通过对 ＦＧ Ｐ Ａ技 术 的研 究 ，对 在 Ｆ Ｇ 中 ＰＡ
实现伪随机码序列发生器做了有益 的研究与实 践 ，设计 中充分运用 了 自上而下 、递 阶式 、结 构化 、 模块化设计思想 。
２ Ｐ ．Ｆ ＧＡ技 术研 究
现 场 可 编 程 门 阵 列 Ｆ Ｇ （ ｉｄ Ｐｏ Ｐ Ａ Ｆｅ ｒ— ｌ
然 后 在设 计 时 调 用 这些 基 本 单 元 ，逐 级 向上 组 合 ，直到形 成 系统 为止 。基 于 Ｅ Ａ技 术 的 自上 Ｄ 而下 的设 计 方 法 正 好相 反 ，它 首 先在 系统 级 对
微控制器 ） ；二是高速并行 Ｉ 口；三是实现数 ／ Ｏ 字信号处理 （ ｓ ）功能 。针对 以上动态 ，本 ｐＰ
愈来愈受到 电子界的青睐 ，开发基 于 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ的 数字集成系统设计的新技术方法将逐渐成为主
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:
一种新型基于FPGA的伪随机序列发生器设计
参考文献
级数 （ ｎ ） 可调 的是本设计的核心之一 ，实 现移位寄存器的多级 移位可调 。伪 随机序列 发 生器 可 由 ｍ序列 的特 征 向量 ，根据控 制级数 的输入信号 （ ｎ ） ，产生 ３ ～ １ ６级 的任意一级 的随 机序列 ，产生 的最长 的序 列长度 为 ，基本上 可 以满足一般应用需求。级数控制 输入信号是
学学报 ， ２ ０ １ ２ ．
Ｇｏ ｌ ｄ序列 、Ｍ 序 列等 ，本 文设计 的伪 随机序 列 发生器是 采用 ｍ序 列设计 的。反馈 函数 可
所 输入 的 ３ Ｎ １ ６级 任意 一个 十进制数 。如 图 ２ 所示 ， 级数控 制输入信号到译码器 中进 行译码 ， 将译码的结果传到多路选择器 。通 过多路选择 器进行选择 ，得到不同的移位控制信息，输出 的移位控制信息控制移 位寄存器组 。 核心 ，实现线性反馈线性移 位寄存器 的反馈 系
系数 可 调 的特 性 。
个电路 ，使 用统一 的输入输 出管脚 ，统一 的
输 入时钟信 号 。输入信 号有 ：４位 的级 数 （ ｎ ） 合 。该设 计的电路可以产生 的最长的序列长度 控制输入 、使能控制、输入 时钟、反馈系数控 为 ，可 以满 足大部 分场合 下的要求 。整体 电 制（ ｃ ） ；输 出信号有 ：伪 随机 序列输 出。 电路 路硬件结构简单、 占用的器件 资源少 、具有很 结构如图 １所示。
电力 电子 ・ Ｐ ｏ ｗｅ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ
一
种新型基于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ的伪随机序列发生器设计
文／ 赵怡 余 稀
特
用 Ｑ ｕ 路
馈
机
反
基于FPGA的伪随机码序列发生器实现方案研究
基于FPGA的伪随机码序列发生器实现方案研究
于燕;焦晖
【期刊名称】《电脑与电信》
【年(卷),期】2006(000)006
【摘要】本文重点设计实现了基于FPGA的伪随机码序列发生器,论文首先对FPGA技术进行了分析研究,阐述了伪随机序列理论,在此基础上,本文阐述了伪随机码发生器原理,并提出了基于FPGA的伪随机码序列发生器设计实现方案.
【总页数】4页(P47-49,52)
【作者】于燕;焦晖
【作者单位】郑州轻工业学院民族职业学院,河南,郑州,450011;郑州轻工业学院民族职业学院,河南,郑州,450011
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.基于"匹配滤波+序列估计"模式的新型长周期伪随机码快速捕获方案 [J], 郭黎利;王东凯;张昕;张曙
2.基于DSP和FPGA的GPS伪随机码并行快速捕获方案设计 [J], 周应强;冯克明
3.基于FPGA伪随机码发生器的实现 [J], 章潋;秦会斌
4.一种伪随机码发生器的DSP实现方法研究 [J], 刘展威;赵晓博
5.m序列伪随机码发生器的低功耗实现 [J], 沈泊;温涛;孙承绶
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基于FPGA的伪随机序列发生器设计方案
基于FPGA的伪随机序列发生器设计方案1基本概念与应用1)1FSR：线性反馈移位寄存器(1inear feedbackshiftregister,1FSR)是指给定前一状态的输出，将该输出的线性的薮再用作输入的移位寄存器。
异或运算是最常见的单比特线性函数：对寄存器的某些位进行异或操作后作为输入，再对寄存器中的各比特进行整体移位。
1FSR产生的两种形式为伽罗瓦(Ga1ois)和斐波那契(FibonaCCi)两种形式。
也有成为外部(Ex隹rna1)执行方式和内部(Interna1)执行方式。
(1)伽罗瓦方式(Interna1)X0X4X17! ! TepCount ,-Θ□□EF-Γ>4300000000Θ{3B0-*~*DaiaFtowW>)∙ι.x4.χ“(Ga1oisImp1ementation)Ga1ois方式特征数据的方向从左至右，反馈线路是从右至左。
其中XCo项(本原多项式里面的T'这一项)作为起始项。
按照本原多项式的指示确定异或门(XOR)在移位寄存器电路上的位置。
如上图所示XM。
因此Ga1ois方式也有人称作线内或模类型(M-型)1FSRo(2)斐波那契方式(Externa1)TapCountB*0;E3t3-⅛QEHIH30GHZHHDGIFSHpcivncrTMrig(M)-X14.X,>♦X n»1(Fibonacciimp1ementation)从图中我们可以看到Fibonacci方式的数学流向和反馈形式是恰好跟Ga1ois方式相反的，按照本原多项式，其中XCO这一项作为最后一项，这里需要一个XOR∏,将本原多项式中所给的taps来设定它的异或方式。
因此Fibonacci方式也被叫做线外或者简型(S-型)1FSR。
2)本原多项式本原多项式是近世代数中的一个概念，是唯一分解整环上满足所有系数的最大公因数为1的多项式。
本原多项式不等于零，与本原多项式相伴的多项式仍为本原多项式。
课程设计论文基于FPGA的m序列发生器
基于FPGA的ｍ序列发生器摘要ｍ序列广泛应用于密码学、通信、雷达、导航等多个领域，本文提出了一种基于FPGA的伪随机序列产生方法，应用移位寄存器理论从序列的本原多项式出发，获得产生该序列的移位寄存器反馈逻辑式，结合FPGA芯片结构特点，在序列算法实现中采用元件例化语句。
算法运用VHDL语言编程，以A1tera的QuartusⅡ软件为开发平台，给出了序列的仿真波形。
序列的统计特性分析表明：该方法产生的序列符合ｍ序列的伪随机特性，验证了算法的正确性。
关键词：ｍ序列；移位寄存器理论；VHDL语言目录摘要 (I)1 m序列 (1)1.1 理论基础 (1)1.1.1 线性反馈移位寄存器 (2)2 m序列的性质 (5)2.1 均衡性 (5)2.2游程特性 (5)2.4 自相关特性 (5)2.5 伪噪声特性 (7)3 m序列的应用 (9)3.1 扩展频谱通信 (9)3.2 通信加密 (10)4 开发工具简介 (11)4.1 Quartus II简介 (11)4.2 数字系统开发流程 (12)4.3 FPGA简介 (12)5 m序列生成器仿真分析 (16)5.1 反馈系数表存储器设计 (16)5.2 移位存储器设计 (17)5.3 仿真分析 (18)参考文献 (20)附录 (22)1 m序列m序列是伪随机序列的一种 ,结构简单 ,实现方便。
在现代工程实践中 , m 序列在通讯、导航、雷达、通信系统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 , 在多址通信中可用作地址信号 , 在数字通信中可用作群同步信号 ,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。
目前，m序列产生实现方法主要有3种：(1)门电路实现该方法设计简单，但随移位寄存器级数的增长，电路装调困难，且占用的印制板面积较大。
(2)DSP编程实现该方法专业性过强，不适合一般用户。
一类基于FPGA的m序列发生器的设计
[收稿日期]20060525 [作者简介]邹学玉(1965),男,1988年大学毕业,副教授,博士生,现主要从事现代通信理论与技术、网络通信新技术方面的教学与研究工作。
一类基于FPGA 的m 序列发生器的设计 邹学玉,易国华 (长江大学电子信息学院,湖北荆州434023)[摘要]基于FP GA 的存储器结构,设计了产生m 序列的本原多项式的存储格式及其查询算法,并且提出了对任意级数n 的m 序列发生器的产生方法。
试验表明,使用该方法实现的m 序列发生器,结构简单,速度快,适用范围广。
[关键词]m 序列;信号发生器;FP GA[中图分类号]TP312;TN91414[文献标识码]A [文章编号]16731409(2006)03008403m 序列是伪随机序列[1～3]的一种,结构简单,实现方便。
在现代工程实践中,m 序列在通讯、导航、雷达、通信系统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,在多址通信中可用作地址信号,在数字通信中可用作群同步信号,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[4]的特点是速度可以很快,但硬件电路不便修改特性,只能产生单一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[5]。
而FP GA 具有硬件电路实现的优点,又具有设计上的灵活性,并且由于FP GA 便于实现大规模的数字系统,其中内嵌了一定数量的E 2PROM 。
为此,笔者将m 序列的本原多项式系数以表格的形式存储于FP GA 的E 2PROM 中,根据级数n 来查询本原多项式系数表,以得到其相应的本原多项式系数,由此设计出m 序列发生器。
1 基于FPGA 的m 序列产生原理m 序列信号发生器是在n 级线性移位寄存器[2]的基础上,加上反馈逻辑电路构成的。
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位 反馈 移 位寄存 器 的逻辑 功能 如 图１ 示 。 所
图 中，蕊 表示 寄存 器所 处 的状 态 ，通 常用Ｏ 和
１ 来代 表 两 个 可 能 的状 态 。并 且 把０ １ 成 是有 和 看
是 当伪 随机 序列 周期 足 够长 时 ，它 便具 有 随 机序 列 的 良好 统 计特 性 。在 已有 的序 列 中 。ｍ序 列 的
利 用 反 馈 移 位 寄存 器 产 生０ １ 列 时 ，其 １ 、 序 ３
收 稿 日期 ：０ ９ １ — ９ ２ ０ — ０ １
从 状 态 （ ａ＋． ｋ ）到下 一 个 状 态 （ １ ２． ｎ ａ ｋ－ ｋ １－ ａ ＋ ． ） ＋＿ ＋
＂ ｅｄ．ｌ ２ １ ． 电 子 元 器 件 主 用 ｃ ａ ｚ ０ ０２ ｃ ４ ９
Ｏ 引 言
伪 随机 序列 现 已广 泛应 用 于密 码 学 、扩 频通
输 出
讯 、导航 、集 成 电路 的可测 性设 计 、现 代 战争 中 的 电子 对抗 技术 等许 多重要 领 域 。伪 随机 序列 的
伪 随机 性表 现在 预 先 的可确 定性 、可重 复 产 生与 处 理 。伪 随机 序列 虽然 不是 真 正 的随机 序 列 ，但
列 和基 于ｍ序 列 的非 线性 ｍ子序 列 的Ｆ Ｇ 实 现 方 ＰＡ
法 。 由于Ｆ Ｇ Ｐ Ａ的 内部 逻 辑 功 能 是 通 过 向 内部 静
数 ，当 。 ，…，－Ｉ
态存 储器 单 元加 载配 置数 据来 实 现 的 ，其配 置 文 件 决定 了逻 辑 单 元 的逻 辑 功 能 以及 模 块 间 或 与 Ｉ ， Ｏ间 的 连 接 ，故 可 最 终 决 定 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ实 现 的 功 能 。
ＦＧ Ｐ Ａ的这 种 结 构 允许 多 次 编程 ．并 享 有 快 速 有 效 地对 新设 计 进行 优化 的灵 活性 ，为此 ，本 文选
用 了 ａ ｅａ的 ｃｃｏ ｅ系 列 Ｆ Ｇ 芯 片 Ｅ １ １ ｌｒ ｔ ｙｌ ｎ Ｐ Ａ Ｐ Ｃ ２—
函数 时 ，且
， １ ，…， ｎ）＝ Ｃ－ Ｘ，ｃ １∈ ． ｎ￣ｉ １ Ｉ
限域 Ｇ （）的 两个 元 素 。ｆ（ 。 一 Ｆ ２ ‰， ，…， 。 ）刻
划 了移 位 寄存 器反 馈逻 辑 的功 能 ，它 可 以看 成一 个 定义 在Ｇ （）上并 且 在Ｇ （）中取 值 的ｎ 函 Ｆ ２ Ｆ ２ 元
应 用最 为 成熟 和 广 泛 。为此 ，本 文 给 出线 性 ｍ序
ｉ０ ＝
Ｇ （） Ｆ ２ ，相应 的反馈 移 位 寄存 器 是 线 性 的 ，而 由 线 性 移位 寄存 器产 生 的序 列 就称 为线 性 移位 寄存 器 序列 。ｍ序列 就是 线性 移位 寄存 器序 列 。
对 于一 个Ｉ ｍ 列移 位 寄存 器来说 ，它在 每 ｔ 序 级
一
２０ Ｑ Ｐ 该 芯 片 内 部 有 １００个 逻 辑 单 元 、 ４Ｐ Ｆ ． ２６
第 １卷 ２
第２ 期
电 手 元 嚣 件 主 用
Ｅｌ ｃｒ ｎ ｃＣｏ ｅ ｔｏ ｉ ｍｐｏ ｅ ＆ Ｄｅ ｉｅＡｐ ｉａｉ ｎ ｎ ｎｔ ｖｃ ｐｌｃ ｔｏ ｓ
Ｖｏ ＿２ Ｎ ． ｌ Ｏ２ １
Ｆｅ ｂ．２０１ ０
１ ｍ 列 的 实现 序
１１ 基 于Ｆ Ｇ ． Ｐ Ａ的ｍ序 列 实现
存 器 的状 态 可 以看做 （ 中的 向量 。设厂（）＝ Ａ
Ａ＋ Ａ …＋ ０ 多项 式 环Ｆ 】中 的一 次ｎ 项 “ｃ一 ＋ ｃ是 １ 多 式 ，那 么 ，对 于 Ｇ （ ， ）中的线 性 移位 寄存 器 序列 ，
段 颖 康
（ 西安 北方 华 山机 电有 限公 司，陕 西 西安 ７ ０４ ） １０ ３
摘 要 ：讨 论 了应 用移 位 寄 存 器在 Ａ ｔ ａ Ｆ Ｇ ｌ ｒ Ｐ Ａ芯 片 中 实现 线 性 和 非 线 性 伪 随 机 序 列 的 方 ｅ 法 ，该算 法基 于ｍ序 列本 原 多项 式来获得 线性ｍ 列 和 非线性ｍ子序 列 移位 寄存 器的反馈 逻 辑 序 式 。文 中给 出 了以Ａ ｔｒ的Ｑ ａｔｓ ｌ ａ ｕ ｒ Ⅱ为开发 平 台 ，并用Ｖ Ｄ 语 言 实现 的ｍ 列 的仿 真波形 。 ｅ ｕ Ｈ Ｌ 序 关键词 ：伪 随机序 列 ；ｍ 列 ；ｍ－ 序 列 ；移位 寄存 器 ；Ｖ Ｌ６ 编程 序 ￣ － － ＨＤ ￣
第１卷 ２
期 ２１ 第 ２ ００ ２ 年月
避姗 尝
Ｖｌ ｏ ｏ１Ｎ． ＿ ２ ２
Ｆ ｂ ２ ０ ｅ ｌ ． ０ｌ
ｄ ｉ ０３ ９ ． ｓ ． ６ － ７ ５ ０ ００ ．１ ｏ： ． ／ ｉ ｎ１ ３ ４ ９ ． １ ．２０ ７ １ ￣ ｊｓ ５ ２
基于Ｆ Ｇ 的伪 随机序列发生器设计 ＰＡ
２ ９ １ ｉ Ｒ Ｍ、两 个 锁 相 环 ｆＬ ） ３ ６ ６ｂｔ Ａ Ｐ Ｌ 。本 文应 用
时 刻 的 内部 状 态 都 可 以 看 做 有 限 域 Ｇ ２ Ｆ ｆ）上
的一 个１ 向量 ，而 反 馈 函数 就 是 刻 划 了从 每一 １ ． 维 时 刻 的状态 到 下一 时刻 状态 的转移 规 律 ，或者 说 反馈 函数定义 了Ｉ 向量空 间上 的一 个线性 变 换 。 ｔ 维
移 位寄存 器理 论来 产 生序 列 ，其算 法 的 关键 是 找
到 线性 ｍ序 列 和 非 线性 ｍ子 序 列 移 位 寄 存 器 的 反
馈逻 辑式 。
通 常 可 以用 （ 代 表 域 Ｇ （）上 全 体Ｉ Ｆ ２ ｔ 元
数组 构 成 的凡 向量 空 间 ，０ （ ａ 维 ＝ ｃ … ｔ ｃ ． 表 ）代 １ 移 位 寄 存 器 产 生 的ｎ序 列 。Ｉ ｌ 列 移 位 寄 ７ ， 级 ｌ ｔ 级ｎ序