毕业论文综合设计

I基于FPGA的伪随机序列发生器设计摘要随着通信理论的发展，早在20世纪40年代末，香农（Shannon）就曾指出，在某些情况下，为了实现最有效的通信，应采用具有白噪声的统计特性的信号。目前广泛应用的伪随机噪声由数字电路产生的周期序列（经滤波等处理后）得到的。我们将这种周期序列称为伪随机序列。伪随机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Altera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：伪随机序列；移位寄存器理论；m序列IIAbstractAlongwiththecorrespondencetheorydevelopment,asearlyasinthe20thcenturytheendof40's,Shannon(Shannon)oncepointedout,incertainsituations,inordertorealizethemosteffectivecorrespondence,shouldusehasthewhitenoisestatisticalpropertysignal.Atpresentthewidespreadapplicationpseudo-randomnoisetheperiodicsequencewhichproducesbythedigitalcircuit(afterprocessingandsoonfilter)obtains.Wearecalledthiskindofperiodicsequencethepseudo-randomsequence.Pseudo2randomsequenceiswidelyusedincryptography,communications,radar,navigationandmanyotherfields,Thispaperdiscussesrealizationmethodofpseudo2randomsequencebyusingshiftregistertheorybasedonFPGA,itiskeythatrelationofbothmsequenceprimitivepolynomialandfeedbackpolynomialofmsequenceshiftregisterisfoundbytheoreticalanalysis.CombiningwithcycloneseriesFPGAchipEP1C122240PQFPstructuralcharacteristicsandusingcomponentsExamplestatementinQuartusⅡsoftwaredevelopmentplatform,algorithmisimplementedbasedonVHDLprogramming.simulationwaveformofthesequenceisgiven.TheanalysisofSequencestatisticalcharacteristicsshowsthatstatisticalcharacteristicsofthissequenceaccordswithpseudo2randomperformanceofmsequenceandsoverifythecorrectnessofthealgorithm.Keywords:pseudo-randomsequence;shiftregistertheory;msequence目录摘要........................................................................................................................IAbstract......................................................................................................................II1引言.......................................................................................................................12伪随机序列简述...................................................................................................22.1伪随机序列.................................................................................................22.2伪随机序列的原理.....................................................................................32.2.1m序列的生成....................................................................................32.2.2m序列的特性分析............................................................................42.2.3m序列的自相关函数........................................................................53m序列（伪随机序列）的设计............................................................................53.1m序列（伪随机序列）的FPGA实现与调试............................................73.1.1Fibonacci（斐波纳契）实现m序列.............................................73.1.2Galois（伽罗瓦）实现m序列.......................................................84m序列发生器的应用............................................................................................84.1m序列在误码测试中的应用......................................................................84.2m序列在噪声产生中的应用......................................................................94.3m序列在通信加密中的应用......................................................................95总结.....................................................................................................................10参考文献.................................................................................................................11附录AFibonacci实现m序列程序.....................................................................12附录BGalois实现m序列程序...........................................................................13综合设计11引言在许多实际的工程应用中，直接利用FPGA产生伪随机序列的方法可以为系统设计或测试带来极大的便利。伪随机序列具有类似于白噪声的一些统计特性，同时又便于重复产生和处理，并且它的结构或形式是预先可以确定的。实际应用中，产生的随机数不是绝对随机数，而是相对的，称为“伪随机数”。伪随机码发生器（PseudoRandomNumberGenerator）在扩频通信、信息加密和系统测试等领域中有着广泛的应用。随着电子技术的飞速发展，FPGA（FieldPro-grammableGateArray）作为一种可编程逻辑器件得到了众多电子设计者的青睐。FPGA既具有通用计算系统的灵活性，又有专用处理系统的性能，对实现高性能信号处理具有很高的应用价值，而且可重构的特性使其可以根据算法来调整相应的通信结构和数据字长。FPGA以其高度的灵活性与硬件的高密度性在通信信号处理中得到了广泛的应用。本文给出了利用VHDL语言实现伪随机码发生器的设计，在FPGA内利用线性反馈移位寄存器（LinearFeedbackShiftRegisters）结构实现伪随机码的产生，该方法结构简单，易于实现，所产生的伪随机序列具有周期长和随机特性好的特点。利用QuartusII软件编译综合、仿真适配，下载至CycloneEP1C12Q240C8芯片中，采用示波器观测和分析伪随机码的波形。基于FPGA的伪随机序列发生器设计22伪随机序列简述2.1伪随机序列伪随机码，又称伪随机序列,是一种可以预先确定并可以重复地产生和复制,又具有随机统计特性的二进制码序列。伪随机序列的特性，一般情况下为：⑴信号必须具有尖锐的自相关函数,且互相关函数应接近于零。⑵有足够长的码周期和尽可能大的复杂度,以确保抗侦破、抗干扰的要求。⑶有足够多的独立地址数,以满足码分多址的要求。⑷具有近似噪声的频谱,即近似连续谱且均匀分布。⑸工程上易于产生、加工、复制和控制。通常采用的二电平(0,1)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。伪随机序列通常具有类似于随机序列的性质,归纳起来有下列三点:⑴平衡特性:每一周期内0和1出现的次数近似相等。⑵游程特性:把随机序列中连续出现0或1的子序列称为游程。连续的0或1的个数称为游程长度。随机序列中长度为1的游程约占游程总数的1/2,长度为2的游程约占游程总数的1/4,长度为3的游程约占游程总数的1/8,即每周期内,长度为n比特的游程出现的次数比长度为n+l比特游程出现的次数多一倍。⑶相关特性:随机序列的自相关函数具有类似于白噪声自相关函数的性质,一般具有双值自相关函数。伪随机序列由0和1两个元素组成的二元(或二进制)序列是数的序列,它可以用波形进行模拟。通常把二元序列(或波形)中的元素称做比特或码元,而把它的持续时间称做比特长度。一个序列中元素0和1顺序排列的结构(排列次序)如果具有周期性则称为周期序列,否则称为随机序列。随机序列有三个特点:综合设计3（1）序列元素的排列次序无法预先确定、也不可能重复产生和复制,也就是说它是非周期性的。（2）序列中0和1的出现次数大致相等n个0(或1)连续出现的次数比