基于FPGA加密扩频通信系统的研究

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南京理工大学

硕士学位论文

基于FPGA加密扩频通信系统的研究

姓名：王鹏飞

申请学位级别：硕士

专业：通信与信息系统

指导教师：彭树生

20100601

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硕士论文基于ＦＰＧＡ加密扩频通信系统的研究

摘要

扩频通信具有抗干扰性好，保密性好，频谱密度低，通信容量大的优点，被广泛应用于现代通信领域的各个方面。随着信息技术的快速发展，人们在享受信息化带来便利的同时，也在面临着其带来的问题和隐患，其中一个重要的方面就是信息的安全问题。密码技术就是保障信息安全的核心技术，事实证明保证信息机密性的最有效的方法是使用密码算法对其进行加密。ＥＤＡ技术和ＦＰＧＡ工艺的快速发展为扩频和信息加密的应用提供了新的技术，本文围绕这几个方面展开了对一种基于ＦＰＧＡ的加密扩频通信系统的研究，分析了加密算法和扩展频谱通信的相关原理；探讨了加密算法和扩频通信的ＦＰＧＡ的实现方案；并以Ａｌｔｅｒａ公司的ＳｔｒａｔｉｘＩＶ系列芯片作为硬件载体，利用开发、仿真和综合工具，实现了一个加密扩频通信系统中的加／解密和扩频发送和接收的相关功能。

首先，研究了加密扩频通信系统的性能指标，分析了系统的工作原理。

其次，研究扩频通信技术，依据射频的相关理论，完成了射频发送单元的系统设计和性能指标分析；分析并比较了各类伪码特性，实现了具有优良自相关性的ｍ序列；选定并实现了ＱＰＳＫ数字窄带调制技术，完成了扩频通信过程中信号低误码率的调制与解调。利用科斯塔斯环路准确实现接收载波同步；设计采用了并行匹配滤波器实现了扩频码的快速捕获：设计并实现了超前滞后门模块用以完成对接收信号的精确跟踪；最后完成了加扩／解扩核心模块。上述各单元电路和相关功能模块相互协调作用，采用ＥＰ４ＳＧＸ７０ＦＰＧＡ核心芯片作为硬件载体，最终实现了一个完整的扩频通信系统。

第三，研究了加／解密技术。在３ＤＥＳ算法理论的基础上，完成了对于３ＤＥＳ算法的基本单元ＤＥＳ中每一个处理步骤的理论分析和相应模块的ＦＰＧＡ实现方案；同时采用ＥＰ４ＳＥｌ１０型号ＦＰＧＡ作为核心芯片对其进行了相关的功能验证，仿真结果表明该模块可以快速稳定的工作，能够达到预期的处理效果；文中同时进～步分析讨论了如何采用状态机和流水线技术对整个加／解密过程加以控制来提高算法的处理效率，最终实现资源损耗和处理速度的优化。

关键词：扩频通信加密加密扩频通信系统３ＤＥＳＦＰＧＡＳｔｒａｔｉｘＩＶ

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硕士论文基于ＦＰＧＡ｝３１：１密扩频通信系统的研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｓｐｒｅａｄｓｐｅｃｔｒｕｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎａｌｌａｓｐｅｃｔｓｏｆｍｏｄｅｒｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｇｏｏｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎａｎｔｉ—ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ｌｏｗｓｐｅｃｔｒａｌｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｌａｒｇｅｃａｐａｃｉｔｙ．Ｗｉｔｌｌｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｅｏｐｌｅｅｎｊｏｙｔｈｅｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｚａｔｉｏｎａｎｄａｌｓｏｆａｃｅ、＾，ｉｔｈｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｒｉｓｋｓｉｔｂｒｉｎｇｓ．

ｏｎｅＴｈｅｓｅｃｕｒｉｔｙｉｓｓｕｅｉｓｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔａｓｐｅｃｔｓ，ａｎｄｔｈｅｃｏｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ．

ｅｎｓｕｒｅＩｔｗａｓｐｒｏｖｅｄｂｙｓｏｍｅｆａｃｔｓｔｈａｔｔｈｅｍｏｓｔ

ｅｎｃｒｙｐｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅｗａｙｔｏｃｏｎｆｉｄｅｎｔｉａｌｉｔｙｉｓｔｏｉｔ谢ｔ１１ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．ＴｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅＥＤＡ

ａｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＦＰＧＡｗｏｒｋｍａｎｓｈｉｐｈａｓｐｒｏｖｉｄｅｄ

ａｎｅｗｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｔｗｏａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｌａｕｎｃｈｓｓｅｒｉｅｓｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎａｎｄｓｐｒｅａｄｓｐｅｃｔｒｕｍ

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄ

ａｓｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｏｎＦＰＧＡ．ＵｓｉｎｇｔｈｅＳｔｒａｔｉｘＩＶｓｅｒｉｅｓｃｈｉｐｓｏｆＡｌｔｅｒａｃｏｍｐａｎｙＣａｎ

ａｎｄｃａｒｒｉｅｒ，ａｎｄ谢ｔｌｌｒｅｌａｔｅｄｆｕｎｃｔｉｏｎｓｔｏｏｌｓｏｆｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｓｙｎｔｈｅｓｉｓ．ｉｔｏｆｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ／ｄｅｃｒｙｐｔｉｏｎ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｐｒｅａｄｉｎｇｉｍｐｌｅｍｅｎｔ

ｒｅｃｅｐｔｉｏｎｉｎｔｈｅａｅｎｃｒｙｐｔｅｄｓｐｒｅａｄｓｐｅｃｔｒｕｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．

Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｅｘｅｓｏｆｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎｓｐｒｅａｄｓｐｅｃｔｒｕｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｎａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｏｒｋｐｒｉｎｃｐｌｅ．

Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｓｐｒｅａｄｓｐｅｃｔｒｕｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

ｔｏＲＦｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒｈａｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

ｔｈｅＲＦｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｕｎｉｔ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｔｙｐｅｓｏｆｐｓｅｕｄｏ－ｒａｎｄｏｍｃｏｄｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄ，ａｎｄｍ—ｓｅｑｕｅｎｃｅ

ｂａｎｄｄｉｇｉｔａｌｍｏｄｕｌｍｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓａｄｏｐｔｅｄｗｉｔｈｇｏｏｄａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ．ＡｎａｒｒｏｗｅｒｒｏｒＱＰＳＫｗｉｔｈｌｏｗｂｉｔｒａｔｅｉｓｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｗｅｌｌｆｏｒｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｉｇｎａｌｄｕｒｉｎｇｔｈｅｓｐｒｅａｄｓｐｅｃｔｒｕｍ

ＴｈｅＣｏｓｔａｓｌｏｏｐｉｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，ａｎｄ

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