基于FPGA的偽隨機(jī)序列發(fā)生器設(shè)計(jì)

摘要：討論了應(yīng)用移位寄存器在Ahera的FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)線性和非線性偽隨機(jī)序列的方法，該算法基于m序列本原多項(xiàng)式來獲得線性m序列和非線性m子序列移位寄存器的反饋邏輯式。文中給出了以Altera的QuartusⅡ?yàn)殚_發(fā)平臺，并用VHDL語言實(shí)現(xiàn)的m序列的仿真波形。
關(guān)鍵詞：偽隨機(jī)序列；m序列；m子序列；移位寄存器；VHDL語言編程

0 引言
偽隨機(jī)序列現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于密碼學(xué)、擴(kuò)頻通訊、導(dǎo)航、集成電路的可測性設(shè)計(jì)、現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的電子對抗技術(shù)等許多重要領(lǐng)域。偽隨機(jī)序列的偽隨機(jī)性表現(xiàn)在預(yù)先的可確定性、可重復(fù)產(chǎn)生與處理。偽隨機(jī)序列雖然不是真正的隨機(jī)序列，但是當(dāng)偽隨機(jī)序列周期足夠長時(shí)，它便具有隨機(jī)序列的良好統(tǒng)計(jì)特性。在已有的序列中，m序列的應(yīng)用最為成熟和廣泛，為此，本文給出線性m序列和基于m序列的非線性m子序列的FPGA實(shí)現(xiàn)方法。由于FPGA的內(nèi)部邏輯功能是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲器單元加載配置數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的，其配置文件決定了邏輯單元的邏輯功能以及模塊間或與I／O間的連接，故可最終決定FPGA實(shí)現(xiàn)的功能。FPGA的這種結(jié)構(gòu)允許多次編程，并享有快速有效地對新設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化的靈活性，為此，本文選用了altera的cyclone系列FPGA芯片。EPlCl2-240PQFP，該芯片內(nèi)部有12060個(gè)邏輯單元、239616 bit RAM、兩個(gè)鎖相環(huán)(PLL)。本文應(yīng)用移位寄存器理論來產(chǎn)生序列，其算法的關(guān)鍵是找到線性m序列和非線性m子序列移位寄存器的反饋邏輯式。

1 m序列的實(shí)現(xiàn)
1．1 基于FPGA的m序列實(shí)現(xiàn)
利用反饋移位寄存器產(chǎn)生0、1序列時(shí)，其n位反饋移位寄存器的邏輯功能如圖1所示。

圖中，xi表示寄存器所處的狀態(tài)，通常用0和1來代表兩個(gè)可能的狀態(tài)，并且把0和1看成是有限域GF(2)的兩個(gè)元素。f(x0，x1，…，xn-1)刻劃了移位寄存器反饋邏輯的功能，它可以看成一個(gè)定義在GF(2)上并且在GF(2)中取值的n元函數(shù)，當(dāng)f(x0，x1，…，xn-1)可以表示成一線性齊次函數(shù)時(shí)，即GF(2)，相應(yīng)的反饋移位寄存器是線性的，而由線性移位寄存器產(chǎn)生的序列就稱為線性移位寄存器序列。m序列就是線性移位寄存器序列。