基于FPGA的m序列信號發(fā)生器設計

時間：2014-09-17 21:56:11

關鍵字： FPGA 信號發(fā)生器移位寄存器 PS

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[導讀]摘要：m序列是一種偽隨機序列(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、控制領域。基于FPGA與Verilog硬件描述語言設計井實現(xiàn)了一種數(shù)據(jù)率按步進可調、低數(shù)據(jù)誤碼率、反饋多項式為的m序列信號

摘要：m序列是一種偽隨機序列(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、控制領域?；?strong>FPGA與Verilog硬件描述語言設計井實現(xiàn)了一種數(shù)據(jù)率按步進可調、低數(shù)據(jù)誤碼率、反饋多項式為

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個按鍵實現(xiàn)20 kbps步進可調與系統(tǒng)復位，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生的周期最長的一種偽隨機序列。是由移位寄存器、反饋抽頭及模2加法器組成。m序列一旦反饋多項式及移位寄存器初值給定，則就是可以預先確定并且可以重復實現(xiàn)的序列，該特點使得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、控制領域使用廣泛。因此，深入學習研究m序列具有重要的實際意義。

1 m序列信號發(fā)生器的組成

基于FPGA的m序列信號發(fā)生器硬件結構極其簡單，僅需兩個獨立按鍵(一個是復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現(xiàn)。按鍵去抖動、按鍵復位、按鍵切換數(shù)據(jù)率、時鐘分頻等功能均在FPGA內部編程實現(xiàn)。

2 m序列信號發(fā)生器的關鍵設計

本文中m序列信號發(fā)生器的反饋多項式為

。其反饋及移位寄存器的關系圖如圖2所示。

從本設計中的反饋及移位寄存器的關系圖可以看出，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所示的關系是m序列呈現(xiàn)為隨機性、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的步進通過按鍵可調，則生成按步進20 kbps可調的時鐘是實現(xiàn)該功能的關鍵。當按鍵發(fā)生，時鐘的輸出頻率加20 kbps。在實際電路中，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，來實現(xiàn)按鍵去抖動的目的。該設計中信號發(fā)生器的FPGA內部各功能模塊及其之間的關系，如圖3所示。

3 設計核心之綜合與仿真

3.1 時鐘模塊設計

在所有基于FPGA的設計中，設計滿足設計要求的時鐘信號對設計成敗起著至關重要的作用。滿足在本文所設計的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計要求，設計正確。

3.2 m序列產生模塊設計

m序列產生模塊是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序列產生模塊實現(xiàn)極其容易，只需要一個移位寄存器、一個模2加法器即可實現(xiàn)m序列的產生。

本系統(tǒng)中m序列產生模塊在Synplify綜合結果圖、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，該模塊產生了周期為217的周期序列，設計正確。圖7是系統(tǒng)的quartus II頂層模塊圖。

4 結論

當信號發(fā)生器的移位寄存器A的初值A=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)生器實現(xiàn)了輸出數(shù)據(jù)率在20～100 kbps之間，并實現(xiàn)按20 kbps的步進可調功能;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，實現(xiàn)所有設計功能，符合設計要求。