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基于FPGA加密扩频通信系统的研究

王鹏飞  
【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EP4SGX70 FPGA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EP4SE110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;文中同时进一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。


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