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基于FPGA的伪随机序列的生成方法及应用
张金宝;李新阳;陈波
【期刊名称】《微计算机信息》
【年(卷),期】2009(025)029
【摘要】通过分析各种伪随机序列生成方法,提出了一种基于M序列的连续抽样方法,可以生成满足自适应光学系统SPGD控制算法要求的多路、相互独立以及服从伯努利分布的伪随机序列.该方法适合于用FPGA等超大规模集成电路实现,且具有占用硬件资源较少,实现方便等优点.用FPGA实现了用于61单元自适应光学系统SPGD控制算法的伪随机序列,并将此方法应用于基于SPGD控制算法的自适应光学系统实验中,实验表明,该方法能够满足自适应光学系统SPGD算法的需求,系统实现成功闭环.
【总页数】3页(P153-155)
【作者】张金宝;李新阳;陈波
【作者单位】610209,成都,中国科学院光电技术研究所;100039,北京,中国科学院研究生院;610209,成都,中国科学院光电技术研究所;610209,成都,中国科学院光电技术研究所;100039,北京,中国科学院研究生院
【正文语种】中文
【中图分类】TP301.6;TP331.1+1
【相关文献】
1.基于余数系统与置换多项式的高速长周期伪随机序列生成方法 [J], 马上;刘剑锋;杨泽国;张艳;胡剑浩
2.基于非规则二值化的伪随机序列生成方法 [J], 陈亚如;张雪锋
3.基于随机序列统计特性的伪随机序列生成方法 [J], 柏森;周龙福;郭辉;闫兵;
4.基于FPGA的Leap-forward型线性反馈移位寄存器在伪随机序列算法中的应用[J], 郝洪伟;
5.基于海绵函数的快速伪随机序列生成方法 [J], 赵磊; 郑东; 任方
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基于 FPGA 一种真随机数生成器的设计和实现吴飞;李艳萍【摘要】Aiming at the application of random number in secure communication , we design and implement a new FPGA-based true random number generator ( TRNG) in this paper .It takes the metastability of RS flip-flop as the random source to reduce the phase shift of clock signal and minimises the process differences of internal components so as to guarantee the randomness of output sequence .The outputs of multi-triggers are conducted the XOR operations and are added the post-processing module for enhancing the quality of random sequences and increasing the entropy per bit .This design has been implemented on Xilinx Spartan 3 XC3S400 platform, the random sequence generated can pass the NIST test , and all the indexes meet the design requirements .The true random number generator consists of common logic unites only, it can be quickly transplanted into ASIC design and shorten the development cycle .%针对随机数在保密通信中的应用，设计并实现一种基于FPGA的真随机数生成器，将RS触发器的亚稳态作为随机源，减小时钟信号的相位偏移，最小化内部元件的工艺差异，从而保证输出序列的随机性，对多个触发器的输出进行异或操作并且加入后处理模块来提高随机序列的质量和增加每比特的熵。
一种基于环振荡器的真随机数发生器作者：邹小花李房云来源：《电脑知识与技术》2024年第09期摘要：真随机数发生器（TRNG）是一种用于生成真随机数的设备，是安全芯片中的重要单元之一，生成的真随机数是确保通信加密及身份认证等密码协议安全性的必要工具。
仿真实验结果表明，随着抖动源抖动程度的增大，每次采样的熵趋近于1，即使在最坏的情况下也能达到误差低于10-4的水平。
文章进一步分析环振荡器（RO）的数学模型并提出一种基于环振荡器的高效率、低成本的真随机数发生器。
关键词：真随机数发生器；TRNG；环振荡器；RO；抖动源；jitter中图分类号：TN79，TN918 文献标识码：A文章编号：1009-3044（2024）09-0008-04开放科学（资源服务）标识码（OSID）0 引言随机数在现实世界中有广泛的应用，比如保障互联网安全的各种加密算法、计算机仿真、电子游戏、抽签等方面。
随机数分为两种，伪随机数和真随机数。
伪随机数是以数论和计算机理论为基础生成的，实现方便、分布均匀、成本低。
由于存在有限的可计算状态，伪随机数具有周期性，使其很容易破解[1]。
自然现象或物理过程中的各种随机噪声是真随机数发生器（True Random Number Generator，TRNG）產生随机数的方式。
伪随机数存在的周期性问题的解决方法让序列具有了真正的随机性，根据热噪声、闪烁噪声等随机噪声往往都是不可预测和产生的随机数无规律难破解的特点。
真随机数发生器产生的随机数存在生成速率相对较慢、随机数的统计特性不好、内外部环境影响的问题。
如何设计满足现代加密系统加密需求、具备良好性能的随机数已成为研究的重要问题。
关注熵源的设计和优化非常重要，因为熵源的品质从根本上决定着随机数发生器性能的好坏[2]。
梳理国内外相关研究的现状表明，有些科研人员已经实现了根据不同原理结构设计的真随机数发生器。
国内科研人员如鲁迎春提出基于可配置异步反馈环形振荡器的真随机数发生器，利用与非门和异或门形成可配置的异步反馈环形振荡器，改善熵源的随机性通过增加相位噪声和扩大时间抖动范围来实现[3]。
天津工业大学毕业设计（论文）基于FPGA的LCD显示控制系统的设计姓名：马震院(系）别: 信息与通信工程学院专业: 电子信息工程班级：电子061指导教师：周勇职称：讲师2010年 6 月13 日天津工业大学毕业设计(论文）任务书院长教研室主任指导教师毕业设计（论文）开题报告表天津工业大学毕业设计（论文）进度检查记录天津工业大学本科毕业设计（论文）评阅表摘要本课题主要任务是设计基于FPGA的LCD控制器，兼顾好程序的易用性，以方便之后模块的移植和应用。
本课题的设计采用了带ST7920驱动的12864-12的液晶模块，并使用Xilinx公司的spartanII系列的XC2STQ144来作为核心的控制器。
控制器部分采用VHDL语言编写，主体程序采用了状态机作为主要控制方式。
ST7920是一种内置128x64-12汉字图形点阵地液晶显示控制模块，用于显示汉字和模型。
最后实现使用FPGA在LCD上的任意位置显示任意的16*16像素的中文字符以及16＊8的英文字符，另外要能根据输入数据的变化同步变化LCD上显示的内容.同时要能将储存模块中的图片数据正常地显示在LCD上。
该课题的研究将有助于采用FPGA的系列产品的开发,特别是需要用到LCD 的产品的开发。
同时可以大大缩短FPGA的开发时间。
另外，由于模块的易用性，也将使得更多的采用FPGA的产品之上出现LCD，增加人机之间的交互性，为行业和我们的生活带来新的变化。
关键词：ST7920；12864—12 ；VHDL；FPGA ；LCDABSTRACTIn this project, the main object is to design a LCD controller based on FPGA，and at the same time emphasize on the convenience for the later application and migration. In this project, This topic is designed with a belt—driven 12864—12 ST7920 LCD module, and use the Xilinx's spartanII series XC2STQ144 as the core of the controller。
第一章绪论随着电子技术的快速发展，对通信系统功能的要求不断提高。
基于同样的硬件环境，由软件来完成不同的通信功能的方式趋于成熟。
于是，可编程高速器件如DSP、ARM、FPGA等成了现代通信系统的主要角色[1]。
FPGA即现场可编程门阵列，它是在PLA、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是一种高度集成的可编程逻辑器件，它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点[2]。
FPGA的结构灵活，其逻辑单元、可编程内部连线和I／O单元都可以由用户编程，可以实现任何逻辑功能，满足各种设计需求。
其速度快，功耗低，通用性强，特别适用于复杂系统的设计。
使用FPGA还可以实现动态配置、在线系统重构（可以在系统运行的不同时刻，按需要改变电路的功能，使系统具备多种空间相关或时间相关的任务）及硬件软化、软件硬化等功能。
数字调制解调是无线通信中一个重要技术之一。
FPGA 的基本特点主要有：1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合成的芯片；2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片；3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚；4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一；5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。
可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。
FPGA 是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM 进行编程。
用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。
与传统的DSP或GPP 相比，FPGA在某些信号处理任务中表现出非常强的性能，具有高吞吐率、架构和算法灵活、并行计算、分配存储以及动态配置等优势，因此能够解决设计者在通信领域尤其是无线通信方面需要一个高速通用硬件平台来实现并验证自己通信系统和相关算法的需求[3]。
DVB-T中伪随机序列扰码器的FPGA实现作者：***来源：《现代信息科技》2024年第07期收稿日期：2023-07-20DOI：10.19850/ki.2096-4706.2024.07.003摘要：伪随机序列在伪码测距、导航、数字数据扰乱器、噪声产生器、通信加密中有着广泛的应用。
在这些实际应用中，常常利用现场可编程门阵列（FPGA）来产生伪随机序列，这便于系统设计和测试的实现。
针对数字地面电视广播（DVB-T）标准，以线性反馈移位寄存器电路为基础，设计了一种并行伪随机序列产生方法，该方法简单而高效地实现DVB-T系统码流数据的扰码。
实验结果表明，MATLAB扰码算法结果与FPGA扰码模块仿真结果和硬件实现结果一致，该设计方法切实可行。
关键词：伪随机序列；DVB-T；MATLAB；FPGA；Verilog中图分类号：TN914.3 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）07-0011-05FPGA Implementation of Pseudo-random Sequence Scrambler in DVB-TCHEN Zhenlin（Electronic Information School， Foshan Polytechnic， Foshan 528137， China）Abstract： Pseudo-random sequence is widely used in pseudo-code ranging， navigation，digital data scramblers， noise generators and communication encryption. In the practical application， the FPGA is usually used to generate pseudo-random sequences， which can bring great convenience to system design or testing. Aiming at the DVB-T standard， based on the linear feedback shift register circuit， a simple and efficient parallel pseudo-random sequence generation method is designed to realize the scrambling of DVB-T system code flow data. The experimental results show that the MATLAB scrambling algorithm results are consistent with the FPGA scrambling module simulation results and hardware implementation results， so the design method is feasible.Keywords： pseudo-random sequence; DVB-T; MATLAB; FPGA; Verilog0 引言目前，数字通信已经成为当代通信技术的主流，数字通信的应用越来越广泛，人们开始追求更高的通信质量。
一种基于FPGA的新型误码测试仪的设计与实现摘要：本文设计实现了一种用于测量基带传输信道的误码仪，阐述了主要模块的工作原理，提出了一种新的积分鉴相同步时钟提取的实现方法，此方法能够提高同步时钟的准确度，从而提高误码测量精度。
关键词：误码测试仪；FPGA ；鉴相器；数字锁相环引言误码仪是评估信道性能的基本测量仪器。
本文介绍的误码仪结合FPGA 的特点,采用全新的积分式鉴相结构，提出了一种新的误码测试方法，经多次测试验证，方案可行，设计的系统稳定。
本文设计的误码仪由两部分组成：发信机和接收机。
1、发信机发信机的主要功能是产生具有随机特性的伪随机m 序列，通过FPGA 由VHDL 编程实现。
伪随机序列产生原理如下：图1 伪随机序列产生原理图其中，ak-i是各移位寄存器的状态，Ci对应各寄存器的反馈系数，为1表示参与反馈，为0不参与反馈。
反馈函数为：当级数n 和反馈系数一旦确定，则反馈移位寄存器的输出序列确定了，m序列的一个重要的性质是：任一m序列的循环移位仍是一个m序列，序列长度为m = 2n-1 。
2、接收机接收机主要由时钟同步模块、状态同步模块组成，其功能框图如图2 所示。
图2 误码器接收机功能框图2.1 时钟提取模块本单元所采用的时钟提取方法是采用新的积分鉴相来实现的，通过在一个时钟周期内对码元进行积分，判断超前滞后，从而极大的降低了因干扰信号的出现导致误调的可能性。
时钟提取的原理图如下：图3 时钟提取原理图（1 ）鉴相器导前- 滞后型数字鉴相器的特点是,它输出一个表示本地估算信号超前或滞后于输入信号的量.如果本地估算信号超前于输入信号,则输出“超前脉冲”, 以便利用该“超前脉冲”控制本地估算信号的相位推后。
反之,则输出“滞后脉冲”,并使本地估算信号的相位前移. 导前- 滞后型数字鉴相器可分为微分型和积分型两种.由于积分型导前- 滞后数字鉴相器,具有优良的抗干扰性能. 因此本设计采用了积分型导前-滞后型数字鉴相器.积分型导前-滞后型数字鉴相器中，本地时钟的上升沿为同相积分的清洗时刻,上升沿到来时,在本地高频时钟下，同相计数器开始计数，当输入码元是“1”时，每来一高频脉冲计数器加1计数，当输入码元是“0”时，每来一高频脉冲计数器减1计数。
随机序列在FPGA上的应用毕业论文目录1 绪论 (1)1.1设计背景 (1)1.1.1伪随机序列发展 (1)1.1.2伪随机序列的用途 (1)1.1.3 伪随机序列研究现状 (2)1.2设计目的和意义 (3)2 FPGA简介 (4)2.1 FPGA器件的应用状况与发展趋势 (4)2.2 FPGA概述 (5)2.3 FPGA开发编程原理 (6)2.4 FPGA开发流程 (6)2.5硬件设计意识 (9)3 Verilog硬件描述语言 (11)3.1 Verilog硬件描述语言简介 (11)3.2Verilog语言的基础知识学习 (12)3.2.1 Verilog HDL的语言要素 (12)4 伪随机序列 (28)4.1伪随机序列的原理 (28)4.2 m 序列（伪随机序列）的性质 (30)4.3 m序列（伪随机序列）的设计 (31)4.4 m序列的产生方法 (33)5 随机序列在FPGA上实现 (35)5.1 FPGA基础实验——按键消抖控制LED 亮灭 (35)5.1.1.实验任务 (35)5.1.2.实验环境 (35)5.1.3实验原理 (35)5.1.4实验程序 (35)5.1.5实验结果 (37)5.2 FPGA产生基于LFSR的伪随机数实验 (37)5.2.1.概念 (37)5.2.2.由LFSR引出的产生方法 (38)5.2.3.verilog实现 (39)5.2.4实验结果 (47)结论 (48)致谢 (49)参考文献 (50)1 绪论1.1设计背景1.1.1伪随机序列发展随着通信技术的发展，在某些情况下，为了实现最有效的通信应采用具有白噪声条统计特性的信号;为了实现高可靠的通信，也希望利用随机噪声;另外在测试领域，大量的需要使用随机噪声来作为检测系统性能的测试信号。
然而，利用随机噪声的最大困难是它难以重复再生和处理。
伪随机序列的出现为人们解决了这一难题。
伪随机序列具有类似随机噪声的一些统计特性，同时又便于重复产生和处理，有预先的可确定性和可重复性。
由于它的这些优点，在通信、雷达、导航以及密码学等重要的技术领域中伪随机序列获得了广泛的应用。
而在近年来的发展中，它的应用围远远超出了上述的领域，如计算机系统模拟、数字系统中误码测试、声学和光学测量、数值式跟踪和测距系统等也都有着广阔的使用。
1.1.2伪随机序列的用途伪随机序列通常由反馈位移寄存器产生，又可分为线性反馈位移寄存器和非线性反馈位移寄存器两类。
由线性反馈位移寄存器产生的周期最长的二进制数字序列称为最大长度线性反馈位移寄存器，即为通常说的m序列，因其理论成熟，实现简单，应用较为广泛。
伪随机序列的特点决定了它有着重要并且广泛的应用，这里举出一些有代表性的用途。
误码率测量。
在数字通信中误码率是一项重要的质量指标，在时间测量数字通信系统的误码率时，一般来说，测量结果与信源发出信号的统计特性有关。
通常认为二进制信号0 和1是以等概率随机出现的。
所以测量误码率时最理想的信源应是伪随机序列产生器。
这两测量的结果，我们认为是符合实际运用时的情况。
时延测量。
有时我们需要测量信号经过某一传输路径所收到的时间延时，例如，需要测量某一演示线的时间延时。
另外，我们还常常通过测量一无线电信号在某个介质中的传播时间，从而这算传播距离，即利用无线电信号测距。
这就是说，这种测距的原理实质上也是测量延时。
噪声产生器，测量通信系统的性能时，常常使用噪声产生器，由它给出具有所要求的统计特性和频率特性的噪声，并且可以随意控制其强度，以便得到不占用信噪比条件下的系统性能，例如，在许多情况下，要求它能产生限带白色高斯噪声。
通信加密、数据序列的加扰与解扰、扩展频谱通信、分离多径技术等等。
1.1.3 伪随机序列研究现状迄今为止，人们获得的伪随机序列仍主要是PC（相控）序列，移位寄存器序列（m和M序列），Gold序列，GMW序列，级联GMW序列，Kasami序列，Bent 序列，No序列。
其中m序列是最有名和最简单的,也是研究的最透彻的序列。
m序列还是研究其它序列的基础。
它序列平衡，有最好的自相关特性，但互相关满足一定条件的族序列数很少(对于本原多项式的阶数小于等于13的m序列，互为优选对的序列数不多于6)，且线性复杂度很小。
M序列族序列数极其巨大（当寄存器级数等于6时，有226个序列）。
但其生成困难，且其互相关特性目前知之甚少，一般很少用。
Gold序列互相关函数为3值，序列部分平衡，有良好的相关特性，族序列数相对较大，但它有致命的弱点，线性复杂度很低，仅是相同长度的m序列的两倍，这制约了Gold序列的广泛应用，特别在抗干扰及密码学中的应用。
GMW序列具有序列平衡，线性复杂度大，自相关性能好（同m序列）等优点。
它是非线性序列，且数量比m序列多。
作为单个序列GMW序列有优势，但一族GMW序列满足一定互相关条件的序列数很少。
一般不用于多址通信作地址码。
级联GMW序列平衡性和相关性同于GMW序列，族数比GMW序列多，一般情况下，线性复杂度比GMW序列大。
Kasami序列分小集Kasami序列和大集Kasami 序列。
小集Kasami序列族序列数大，且互相关值达welch下界，大集Kasami 序列族序列数非常大，互相关较小集Kasami序列为劣。
它们都有共同的弱点，序列是不平衡的，线性复杂度不大(但比m, Gold序列稍大)。
Bent序列是80年代初构造出来的，具有序列平衡，相关值达welch下界，族序列数多，线性复杂度大等优点。
它在整个80年代，90年代大放光芒，也是目前综合性能最好的伪随机序列。
但Bent序列构造较难，未有满足一定要求的快速算法。
No序列是80年代末构造出来的一种新型伪随机序列，它的突出优点是线性复杂度很大，且相关值可达welch下界，族序列数多，但有序列不平衡的弱点。
1.2设计目的和意义伪随机序列系列具有良好的随机性和接近于白噪声的相关函数，并且有预先的可确定性和可重复性。
这些特性使得伪随机序列得到了广泛的应用。
FPGA是在PAL、GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。
和以往的PAL、GAL 等相比较，FPGA/CPLD的规模比较大，可以替代几十甚至几千块IC芯片。
从这种意义上来说，FPGA实际上就是一个子系统部件。
具体地讲，FPGA在硬件系统设计中具有以下优越性。
缩小体积、减轻重量、降低功耗，具有高集成度和高可靠性；易于获得高性能，系统设计、电路设计、工艺设计之间紧密结合，这种一体化的设计有利于获得前所未有的高性能系统；软件模拟仿真后下载到FPGA制成了专用IC，设计者可以很直观地测试其逻辑功能及性能指标。
利用FPGA这些优点，选择合适的FPGA芯片，用户就能轻而易举地设计自己的“计算机”和“数字系统”。
通过在FPGA上产生随机序列这个实验，可以深入的了解FPGA的开发原理以及随机序列的工作原理。
2 FPGA简介2.1 FPGA器件的应用状况与发展趋势随着半导体工艺及EDA技术的飞速发展，FPGA的应用在通信、消费电子、汽车、存储、服务器、工业、航空和国防等领域日益渗透和拓宽。
几乎可以说已涉及到社会的各个方面，而数字信号处理是FPGA应用的重要领域。
实现以FPGA 为核心的数字信号处理自动化和机电设备及科学仪器仪表的现代化，是我国信息产业技术进步的重要容，是降低能源及原材料消耗、提高产品质量及性能、增强国际竞争能力缩短产品上市时间的重要技术进步手段。
EDA技术是以Electronic Design Automation(电子设计自动化)的缩写EDA 技术就是以计算机为工具，在EDA软件平台上，根据硬件描述语言HDL完成的设计文件自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、不局限、仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和变成下载等工作。
EDA主要包括FPGA 器件、硬件描述语言HDL和EDA工具软件三大部分。
电子设计自动化技术是21世纪电子设计领域中最重要的技术之一。
EDA技术是20世纪90年代初从CAD(电子辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)/CAT(计算机辅助工程)的概念发展而来的。
可编程逻辑器件自上世纪70年出现以来，已有了很普遍的应用，为数字系统的设计带来极大的灵活性。
20世纪末世界上最大的变化就是全球市场的形成。
全球市场导致竞争空前激烈，促使企业必须加快新产品投放市场时间（Time to Market）、改善质量（Quality）、降低成本(cost)以及完善服务体系（Service）、这就是企业的T.Q.C.S。
由于可编程逻辑器可以通过软件编程对其硬件的结构和工作方式进行重构，使得硬件设计可以如同软件设计那样方便快捷。
这一切给数字系统的设计带来了革命性的变化。
纵观可编程逻辑器件的发展史，他在结构原理、集成规模、下载方式、逻辑设计手段等方面的每一次进步都为现代化电子设计技术革命与发展提供了不可或缺的强大动力。
可编程逻辑器件的门类较多。
先后发展出PLA、LAL、GAL、EPLD、FPGA和CPLD等类型。
事实上期中的FPGA和CPLD日益成为基本主导形式，这已成为半导体器件行业的共识。
与其他可编程逻辑器件相比，FPGA和CPLD在结构工艺集成度、功能熟速度和灵活性方面都有很大的该机和提高。
CPLE是指基于乘积项技术FLASH工艺的PLD，FPGA是指基于查找表技术、SRAM工艺的PLD。
CPLD与FPGA由于各自的特点与优势，使得二者在可编程逻辑器件技术的竞争中并驾齐驱，成为两支领导可编程器件技术发展的主要力量。
对于用户而言，CPLD 与FPGA的部结构确实不同，东随着技术的发展，一些厂家陆续推出了一些新的CPLD和FPGA，这些产品逐渐模糊了CPLD和FPGA的区别。
因此也很难准确定义没个型号到底属于这两种类型中的哪一种。
因此在实际应用中，用户无需深究两者的区别，习惯上都把他们叫做FPGA。
FPGA主要用于工业、农业、教学和科学研究中的实时信号处理和过程控制。
现在一些重要的消费电子产品（如移动通信设备和数字电视）和科学仪器仪表（如示波器和生物医学仪器）将FPGA作为解决方案的越来越多。
综上所述，FPGA技术是一类跨世纪的高新技术，应用广泛，发展前景良好，因此，相信以FPGA为基础的高新能数字系统将成为主流。
2.2 FPGA概述FPGA是现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array）的简称，与之相应的CPLD是复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device）的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或CPLD/PGFA。
CPLD/PGFA几乎能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路。
