基于FPGA的m序列信號發(fā)生器設(shè)計(jì)

摘要：m序列是一種偽隨機(jī)序列(PN碼)，廣泛用于數(shù)據(jù)白噪化、去白噪化、數(shù)據(jù)傳輸加密、解密等通信、控制領(lǐng)域?；?strong>FPGA與Verilog硬件描述語言設(shè)計(jì)井實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)據(jù)率按步進(jìn)可調(diào)、低數(shù)據(jù)誤碼率、反饋多項(xiàng)式為

的m序列信號發(fā)生器。系統(tǒng)時鐘為20MHz，m序列信號發(fā)生器輸出的數(shù)據(jù)率為20～100 kbps，通過2個按鍵實(shí)現(xiàn)20 kbps步進(jìn)可調(diào)與系統(tǒng)復(fù)位，輸出誤碼率小于1%。

m序列是最長線性反饋移位寄存器序列的簡稱，它是由帶線性反饋的移位寄存器產(chǎn)生的周期最長的一種偽隨機(jī)序列。是由移位寄存器、反饋抽頭及模2加法器組成。m序列一旦反饋多項(xiàng)式及移位寄存器初值給定，則就是可以預(yù)先確定并且可以重復(fù)實(shí)現(xiàn)的序列，該特點(diǎn)使得m序列在數(shù)據(jù)白噪化、去白噪化、數(shù)據(jù)傳輸加密、解密等通信、控制領(lǐng)域使用廣泛。因此，深入學(xué)習(xí)研究m序列具有重要的實(shí)際意義。

1 m序列信號發(fā)生器的組成

基于FPGA的m序列信號發(fā)生器硬件結(jié)構(gòu)極其簡單，僅需兩個獨(dú)立按鍵(一個是復(fù)位按鍵與另一個控制數(shù)據(jù)率切換按鍵)、一個48 MHz的用于提供系統(tǒng)時鐘有源晶振、系統(tǒng)電源、一塊配置芯片、幾個簡單的電阻與電容即可實(shí)現(xiàn)。按鍵去抖動、按鍵復(fù)位、按鍵切換數(shù)據(jù)率、時鐘分頻等功能均在FPGA內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)。

2 m序列信號發(fā)生器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)

本文中m序列信號發(fā)生器的反饋多項(xiàng)式為

。其反饋及移位寄存器的關(guān)系圖如圖2所示。

從本設(shè)計(jì)中的反饋及移位寄存器的關(guān)系圖可以看出，一個時鐘周期，移位寄存器右移一位，最高位輸入為x0、x2、x3、x4及x8的異或(模2相加)。m序列的輸出是移位寄存器的最低位。圖2所示的關(guān)系是m序列呈現(xiàn)為隨機(jī)性、周期性的根本原因。

為了滿足信號發(fā)生器輸出數(shù)據(jù)率20 kbps的步進(jìn)通過按鍵可調(diào)，則生成按步進(jìn)20 kbps可調(diào)的時鐘是實(shí)現(xiàn)該功能的關(guān)鍵。當(dāng)按鍵發(fā)生，時鐘的輸出頻率加20 kbps。在實(shí)際電路中，按鍵會有很大抖動，對系統(tǒng)會造成很大的不穩(wěn)定性，因此，必須想辦法減小這樣的不利影響。在FPGA中一般使用硬件描述語言，描述一個延時電路，來實(shí)現(xiàn)按鍵去抖動的目的。該設(shè)計(jì)中信號發(fā)生器的FPGA內(nèi)部各功能模塊及其之間的關(guān)系，如圖3所示。

3 設(shè)計(jì)核心之綜合與仿真

3.1 時鐘模塊設(shè)計(jì)

在所有基于FPGA的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求的時鐘信號對設(shè)計(jì)成敗起著至關(guān)重要的作用。滿足在本文所設(shè)計(jì)的m序列信號發(fā)生器的時鐘信號輸出頻率為：20 MHz、20 kHz、40 kHz、60 kHz、80 kHz、100 kHz。輸出的時鐘信號在modelsim 6.5f中的仿真波形如圖4所示。從圖4中可以看出，時鐘模塊性能滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)正確。

3.2 m序列產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)

m序列產(chǎn)生模塊是m序列信號發(fā)生器的最核心部分。文中的m序列生氣器核心模塊的verilog的代碼為：

從Verilog代碼可以看出，m序列產(chǎn)生模塊實(shí)現(xiàn)極其容易，只需要一個移位寄存器、一個模2加法器即可實(shí)現(xiàn)m序列的產(chǎn)生。

本系統(tǒng)中m序列產(chǎn)生模塊在Synplify綜合結(jié)果圖、在modelsim 6.5f中的仿真波形圖，分別如圖5、6所示。從圖5、6中可看出，該模塊產(chǎn)生了周期為217的周期序列，設(shè)計(jì)正確。圖7是系統(tǒng)的quartus II頂層模塊圖。

4 結(jié)論

當(dāng)信號發(fā)生器的移位寄存器A的初值A(chǔ)=9’b1_0000_0000時，m序列的周期T=217，輸出的周期m序列為：0000000011111010110011011111 0001101001101011101100000110 110110010011100110011111110111100001010100111101101000101000011001011110100100101001011010101 01111110011101110000001011100100011000011101010001110001001000010001。

該信號發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了輸出數(shù)據(jù)率在20～100 kbps之間，并實(shí)現(xiàn)按20 kbps的步進(jìn)可調(diào)功能;輸出數(shù)據(jù)率僅在輸出60 kbps的數(shù)據(jù)率時有較大誤差，數(shù)據(jù)率偏小約0.2%。該m序列信號發(fā)生器性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)計(jì)功能，符合設(shè)計(jì)要求。