楊自恒　齊　濱　李　博

摘 要：主要介紹了二進制移頻鍵控FSK通信過程中利用FPGA進行偽隨機序列加密的實現(xiàn)方法。移頻鍵控是信息傳輸中使用較早的一種調(diào)制方式,它具有實現(xiàn)容易,抗噪聲與抗衰減性能較好的優(yōu)點,在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應用。直接利用FPGA產(chǎn)生偽隨機序列的方法可以為系統(tǒng)設計或測試帶來極大的便利。給出了基于線性反饋移位寄存器電路,設計一種簡潔的偽隨機序列發(fā)生器的方法。這種方法所產(chǎn)生的隨機序列不僅可具有極長的周期,而且還具有良好的隨機特性。由于該偽隨機序列可以被設計成任意長度,所以設計過程比較靈活。介紹了加密的設計理論、設計過程和硬件實現(xiàn)，該電路可進行下載生成實際電路,并應用到信息安全領域中。

關鍵詞：偽隨機序列發(fā)生器；線性反饋移位寄存器；m序列；移頻鍵控FSK

中圖分類號：TP309文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)05-078-03

FSK Encryption Communication Based on FPGA

YANG Ziheng1,QI Bin1,LI Bo2

(1.The Key Lab of Signal and Information,Heilongjiang University,Harbin,150080,China;

2.University of Science & Technology of China,Hefei,230026,China)

Abstract：The method of using FPGA to encrypt pseudo-random sequence in the process of binary Frequency Shift Keying(FSK)communication is introduced.FSK,which is early used in the information transmission,has many advantages such as it′s convenience to realize,anti-noise and anti-attenuation,so it is widely used in middle and low-speed data transmission.Now,as FPGA can be directly used to generate pseudo-random sequence.It has become an indispensable technology and brought great convenience to system design or test .In this paper,a simple method of pseudo-random sequence generator based on the linear feedback shift register circuit is designed.This method can not only has a extremly long cycle,but also has good random properties.As the pseudo-random sequence can be designed to any length,so the design process turn out to be more flexible.The design theory of encryption,design process and hardware implementation are introduced.The circuit can be downloaded to generate the actual circuit which can be applied to the field of information security.

Keywords：pseudo-random sequence generator;linear feedback shift register;m sequence;frequency shift keying

0 引 言

隨著技術(shù)的發(fā)展,上世紀90年代初期出現(xiàn)了FPGA(Field Programmable Gate Array),這是一種比較復雜的可編程邏輯器件。就當時的情況而言,工程師們必須了解各種邏輯器件的特性,再將邏輯器件組合成電路圖，一個簡單的邏輯電路,也許需要數(shù)十個分散的TTL器件組合成的一塊電路板。用VHDL語言完成需要的功能模塊的設計和仿真是一種集多種優(yōu)點于一身的方法,例如它的保密性強、資源占用量相對少等,因此對這種設計方法進行研究,并與其他設計方法進行比較,為以后自主研發(fā)產(chǎn)品做出了必要的準備。

目前在數(shù)字電路設計中,FPGA發(fā)揮著越來越重要的作用。從簡單的接口電路設計到復雜的狀態(tài)機,甚至系統(tǒng)級芯片,FPGA所扮演的角色已經(jīng)不容忽視。它的可編程特性帶來了電路設計的靈活性,縮短了產(chǎn)品上市的時間［1］。

隨著網(wǎng)絡的快速發(fā)展,信息安全越來越引起人們的關注，加密技術(shù)作為信息安全的利器,正發(fā)揮著重大作用。通過在硬件設備中添加加密功能,可使存儲和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有較高的安全性。傳統(tǒng)的加密工作是通過在主機上運行加密軟件實現(xiàn)的，這種方法除占用主機資源外,其運算速度較硬件加密要慢,密鑰以明文的方式存儲在程序中,或者以加密的方式存儲在文件或數(shù)據(jù)庫中,重要數(shù)據(jù)會在某一時刻以明文形式出現(xiàn)在計算機的內(nèi)存或磁盤中,安全性較差［2］。而硬件加密是通過獨立于主機系統(tǒng)外的硬件加密設備實現(xiàn)的,所有關鍵數(shù)據(jù)的存儲、運算都通過硬件實現(xiàn),不占主機資源、速度快、安全性較高。

采用可編程邏輯門陣列FPGA具體實現(xiàn)加密功能,設計者自己可以對芯片內(nèi)部單元進行配置,設計比較靈活,只需改變配置就可實現(xiàn)安全不同的功能,大大縮短了設計周期和開發(fā)時間,同時經(jīng)過優(yōu)化可以達到較高的性能。另外,有多種EDA開發(fā)軟件支持FPGA的設計,因而用FPGA器件進行開發(fā)研制其自由度較大。在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候,不僅要保證高速的數(shù)據(jù)傳輸,還要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定與完整,因此本電路要重點解決數(shù)據(jù)在加密過程中產(chǎn)生的脈沖現(xiàn)象,使最終能得到較好的加密數(shù)據(jù)輸出波形。

1 FPGA加密技術(shù)算法

大多數(shù)通信系統(tǒng)都采用數(shù)據(jù)流密碼保護相關的信息,如圖1所示。利用XOR函數(shù)模2的特性,純文本P可以在接收器端重構(gòu),這是因為:

對于XOR LFSR,存在全是零字的可能性,但是這種情況應該永遠也不會出現(xiàn)。如果循環(huán)是從非零字開始的,則循環(huán)長度總是2l-1。通常,如果FGPA是在全零字狀態(tài)被喚醒,就會更加方便地使用“鏡像”或翻轉(zhuǎn)的LFSR電路。如果全零字是一種正確模式,并且生成了精確的轉(zhuǎn)置序列,就需要用一個“非XOR”或XNOR門代替XOR門［3］。

BEGIN

PROCESS

BEGIN

WAIT UNTIL clk=′1′;

ff(1)＜=NOT(ff(5)XOR ff(6));

FOR I IN 6 DOWNTO 2 LOOP

ff(1)＜=ff(I-1);

END LOOP;

END PROCESS;

PROCESS(ff)

BEGIN

FOR k IN l TO 6 LOOP

y(k)＜=ff(k);

END LOOP

END PROCESS;

END flex;

LFSR仿真局部放大圖如圖2所示。其中時鐘周期為10 ns,當LFSR通過所有可能的位模式時,生成的最大序列長度為63。其中clk為時鐘,z為LFSR寄存器中的內(nèi)容,y為LFSR的輸出。

2 基于FPGA的二進制數(shù)字通信平臺

為了更加清晰地展現(xiàn)FPGA的加密過程,本文將為FPGA加密過程搭建一個基于FPGA的二進制數(shù)字通信平臺。通過這一平臺,可以實現(xiàn)數(shù)字信號的加密、解密過程,也能更加深入地了解FPGA器件的有關功能以及VHDL的編程方法。

2.1 FSK調(diào)制通信平臺設計

FSK信號的產(chǎn)生方法主要有兩種:第一種方法是用二進制基帶矩形脈沖去調(diào)制一個調(diào)頻器,使其輸出兩個不同頻率的碼元。這種方法產(chǎn)生的調(diào)頻信號是相位連續(xù)的,雖然實現(xiàn)方法簡單,但頻率穩(wěn)定度不高,同時頻率轉(zhuǎn)換速度不能做得太快,但是其優(yōu)點是由調(diào)頻器所產(chǎn)生的FSK信號在相鄰碼元之間的相位是連續(xù)的［4］。第二種方法是用一個基帶脈沖控制的開關電路去選擇兩個獨立頻率源的振蕩作為輸出,由于是獨立的頻率源,所以信號頻率穩(wěn)定度可以做的很高并且沒有過渡頻率,它的轉(zhuǎn)換速度快,波形好［5］。

FSK調(diào)制方框圖如圖3所示。

FSK調(diào)制VHDL程序仿真圖如圖4所示。

2.2 FSK解調(diào)通信平臺設計

二進制FSK信號常用的解調(diào)方法是采用非相干解調(diào)法和相干解調(diào)法,除此之外,FSK信號還有其他的解調(diào)方法,比如鑒頻法、過零檢測法及差分檢測法［7］。

FSK解調(diào)方框圖如圖5所示。

FSK解調(diào)VHDL程序仿真圖如圖6所示。

3 基于FPGA加密技術(shù)的FSK數(shù)字通信系統(tǒng)

數(shù)字通信傳輸?shù)氖且粋€接一個按節(jié)拍傳送的數(shù)字信號單元,因此接收端必須按與發(fā)送端相同的節(jié)拍接收。否則,會因收發(fā)節(jié)拍不一致而使接收性能變壞。FSK數(shù)字通信系統(tǒng)模型如圖7所示。

FSK數(shù)字加密通信系統(tǒng)Quartus Ⅱ原理框圖如圖8所示。

基于FPGA的FSK數(shù)字加密通信系統(tǒng)Quartus Ⅱ仿真框圖如圖9所示。

系統(tǒng)Quartus Ⅱ仿真圖

4 結(jié) 語

硬件加密是通過獨立于主機系統(tǒng)外的硬件加密設備實現(xiàn)的,所有關鍵數(shù)據(jù)的存儲、運算都通過硬件實現(xiàn),硬件加密具有不占主機資源、速度快、安全性較高的特點。為了能夠更好地體現(xiàn)出加密算法的實際應用,本文為該加密過程設計了一個通信平臺。該系統(tǒng)不但完成了基帶信號的調(diào)制,已調(diào)信號的解調(diào),還將加密過程加入其中,使整個通信過程更加完整。最后對該帶有加密過程的FSK數(shù)字移頻通信系統(tǒng)進行模擬實驗,并分析、調(diào)試及驗證其功能,該電路可進行下載生成實際電路,應用到相應領域中。

參考文獻

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［7］Shannon C E.Communication Theory of Secrecy Systems［J］.Bell System Technology,2004,28(8):656-715.

作者簡介 楊自恒 男,1973年出生，黑龍江大學電子工程學院講師,哈爾濱工程大學碩士研究生。研究方向為嵌入式系統(tǒng),EDA,信息安全。