基于ＦＰＧＡ的ＦＳＫ加密通信基于ＦＰＧＡ的ＦＳＫ加密通信

楊自恒　齊　濱　李　博

摘 要：主要介紹了二進(jìn)制移頻鍵控FSK通信過程中利用FPGA進(jìn)行偽隨機(jī)序列加密的實(shí)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(shí)現(xiàn)容易,抗噪聲與抗衰減性能較好的優(yōu)點(diǎn),在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用。直接利用FPGA產(chǎn)生偽隨機(jī)序列的方法可以為系統(tǒng)設(shè)計(jì)或測(cè)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(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)潔的偽隨機(jī)序列發(fā)生器的方法。這種方法所產(chǎn)生的隨機(jī)序列不僅可具有極長(zhǎng)的周期,而且還具有良好的隨機(jī)特性。由于該偽隨機(jī)序列可以被設(shè)計(jì)成任意長(zhǎng)度,所以設(shè)計(jì)過程比較靈活。介紹了加密的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)過程和硬件實(shí)現(xiàn)，該電路可進(jìn)行下載生成實(shí)際電路,并應(yīng)用到信息安全領(lǐng)域中。

關(guān)鍵詞：偽隨機(jī)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(hào)：TP309文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(jì)90年代初期出現(xiàn)了FPGA(Field Programmable Gate Array),這是一種比較復(fù)雜的可編程邏輯器件。就當(dāng)時(shí)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(gè)簡(jiǎn)單的邏輯電路,也許需要數(shù)十個(gè)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(shè)計(jì)和仿真是一種集多種優(yōu)點(diǎn)于一身的方法,例如它的保密性強(qiáng)、資源占用量相對(duì)少等,因此對(duì)這種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究,并與其他設(shè)計(jì)方法進(jìn)行比較,為以后自主研發(fā)產(chǎn)品做出了必要的準(zhǔn)備。

目前在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中,FPGA發(fā)揮著越來越重要的作用。從簡(jiǎn)單的接口電路設(shè)計(jì)到復(fù)雜的狀態(tài)機(jī),甚至系統(tǒng)級(jí)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(shè)計(jì)的靈活性,縮短了產(chǎn)品上市的時(shí)間［1］。

隨著網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,信息安全越來越引起人們的關(guān)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(shè)備中添加加密功能,可使存儲(chǔ)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(jī)上運(yùn)行加密軟件實(shí)現(xiàn)的，這種方法除占用主機(jī)資源外,其運(yùn)算速度較硬件加密要慢,密鑰以明文的方式存儲(chǔ)在程序中,或者以加密的方式存儲(chǔ)在文件或數(shù)據(jù)庫中,重要數(shù)據(jù)會(huì)在某一時(shí)刻以明文形式出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存或磁盤中,安全性較差［2］。而硬件加密是通過獨(dú)立于主機(jī)系統(tǒng)外的硬件加密設(shè)備實(shí)現(xiàn)的,所有關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算都通過硬件實(shí)現(xiàn),不占主機(jī)資源、速度快、安全性較高。

采用可編程邏輯門陣列FPGA具體實(shí)現(xiàn)加密功能,設(shè)計(jì)者自己可以對(duì)芯片內(nèi)部單元進(jìn)行配置,設(shè)計(jì)比較靈活,只需改變配置就可實(shí)現(xiàn)安全不同的功能,大大縮短了設(shè)計(jì)周期和開發(fā)時(shí)間,同時(shí)經(jīng)過優(yōu)化可以達(dá)到較高的性能。另外,有多種EDA開發(fā)軟件支持FPGA的設(shè)計(jì),因而用FPGA器件進(jìn)行開發(fā)研制其自由度較大。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)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(diǎn)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(hù)相關(guān)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?yàn)?

對(duì)于XOR LFSR,存在全是零字的可能性,但是這種情況應(yīng)該永遠(yuǎn)也不會(huì)出現(xiàn)。如果循環(huán)是從非零字開始的,則循環(huán)長(zhǎng)度總是2l-1。通常,如果FGPA是在全零字狀態(tài)被喚醒,就會(huì)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(gè)“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(shí)鐘周期為10 ns,當(dāng)LFSR通過所有可能的位模式時(shí),生成的最大序列長(zhǎng)度為63。其中clk為時(shí)鐘,z為L(zhǎng)FSR寄存器中的內(nèi)容,y為L(zhǎng)FSR的輸出。

2 基于FPGA的二進(jìn)制數(shù)字通信平臺(tái)

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(gè)基于FPGA的二進(jìn)制數(shù)字通信平臺(tái)。通過這一平臺(tái),可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的加密、解密過程,也能更加深入地了解FPGA器件的有關(guān)功能以及VHDL的編程方法。

2.1 FSK調(diào)制通信平臺(tái)設(shè)計(jì)

FSK信號(hào)的產(chǎn)生方法主要有兩種:第一種方法是用二進(jìn)制基帶矩形脈沖去調(diào)制一個(gè)調(diào)頻器,使其輸出兩個(gè)不同頻率的碼元。這種方法產(chǎn)生的調(diào)頻信號(hào)是相位連續(xù)的,雖然實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單,但頻率穩(wěn)定度不高,同時(shí)頻率轉(zhuǎn)換速度不能做得太快,但是其優(yōu)點(diǎn)是由調(diào)頻器所產(chǎn)生的FSK信號(hào)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(gè)基帶脈沖控制的開關(guān)電路去選擇兩個(gè)獨(dú)立頻率源的振蕩作為輸出,由于是獨(dú)立的頻率源,所以信號(hào)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(tái)設(shè)計(jì)

二進(jìn)制FSK信號(hào)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(hào)還有其他的解調(diào)方法,比如鑒頻法、過零檢測(cè)法及差分檢測(cè)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€(gè)接一個(gè)按節(jié)拍傳送的數(shù)字信號(hào)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(huì)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(dú)立于主機(jī)系統(tǒng)外的硬件加密設(shè)備實(shí)現(xiàn)的,所有關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算都通過硬件實(shí)現(xiàn),硬件加密具有不占主機(jī)資源、速度快、安全性較高的特點(diǎn)。為了能夠更好地體現(xiàn)出加密算法的實(shí)際應(yīng)用,本文為該加密過程設(shè)計(jì)了一個(gè)通信平臺(tái)。該系統(tǒng)不但完成了基帶信號(hào)的調(diào)制,已調(diào)信號(hào)的解調(diào),還將加密過程加入其中,使整個(gè)通信過程更加完整。最后對(duì)該帶有加密過程的FSK數(shù)字移頻通信系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),并分析、調(diào)試及驗(yàn)證其功能,該電路可進(jìn)行下載生成實(shí)際電路,應(yīng)用到相應(yīng)領(lǐng)域中。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 楊自恒 男,1973年出生，黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院講師,哈爾濱工程大學(xué)碩士研究生。研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng),EDA,信息安全。