基于M序列的通信加密系統(tǒng)設(shè)計

1、目錄一、系統(tǒng)框圖2二、m序列31.m序列簡介32.m序列的產(chǎn)生33.m序列的隨機(jī)性質(zhì)44.m序列的加密與解密4三、曼徹斯特編碼解碼41.曼徹斯特碼簡介42.曼徹斯特編碼53.曼徹斯特解碼5四、系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)過程61.Multisim仿真圖62.具體模塊63.仿真結(jié)果94.存在的問題10五、總結(jié)10六、參考文獻(xiàn)10基于M序列的通信加密系統(tǒng)設(shè)計摘要：m 序列是目前廣泛應(yīng)用的一種偽隨機(jī)序列，其在通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如擴(kuò)頻通信，衛(wèi)星通信的碼分多址，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)中的加密、加擾、同步、誤碼率測量等領(lǐng)域。本文介紹了使用m序列對給定數(shù)字信號進(jìn)行加密解密以及曼徹斯特編碼解碼。該通信加密系統(tǒng)設(shè)計使用multisi

2、m軟件進(jìn)行仿真。關(guān)鍵詞：m序列 加密 曼徹斯特 譯碼1 系統(tǒng)框圖圖1 系統(tǒng)框圖本通信系統(tǒng)首先利用頻率為100kHz數(shù)字信號產(chǎn)生一個周期為15的m序列，與將要進(jìn)行加密的頻率為50kHz的數(shù)字信源進(jìn)行模二運(yùn)算即加密過程，對加密后的序列進(jìn)行曼徹斯特編碼，即與另一數(shù)字信號進(jìn)行模二運(yùn)算，按照前面的理論分析，此數(shù)字信號頻率設(shè)置為100kHz，得到編碼序列。然后進(jìn)行解碼、解密，分別為編碼與加密的逆過程。二、m序列1.m序列簡介如果一個序列，一方面它是可以預(yù)先確定的，并且是可以重復(fù)地生產(chǎn)和復(fù)制的；一方面它又具有某種隨機(jī)序列的隨機(jī)特性（即統(tǒng)計特性），我們便稱這種序列為偽隨機(jī)序列。偽隨機(jī)序列是具有某種隨機(jī)特性的確

3、定的序列。它們是由移位寄存器產(chǎn)生確定序列，然而他們卻具有某種隨機(jī)特性的隨機(jī)序列。因為同樣具有隨機(jī)特性，無法從一個已經(jīng)產(chǎn)生的序列的特性中判斷是真隨機(jī)序列還是偽隨機(jī)序列，只能根據(jù)序列的產(chǎn)生辦法來判斷。偽隨機(jī)序列系列具有良好的隨機(jī)性和接近于白噪聲的相關(guān)函數(shù)，并且有預(yù)先的可確定性和可重復(fù)性。m序列是一種典型的偽隨機(jī)序列、偽噪聲(PN)碼或偽隨機(jī)碼。2.m序列的產(chǎn)生m序列是最長線性反饋移位寄存器序列的簡稱，它是最常用的一種偽隨機(jī)序列。由n級串接的移位寄存器和反饋邏輯線路可組成動態(tài)移位寄存器，帶線性反饋邏輯的移位寄存器設(shè)定初始狀態(tài)后，在時鐘觸發(fā)下，每次移位后各級寄存器狀態(tài)會發(fā)生變化。其中任何一級寄存器的輸

4、出，隨著時鐘節(jié)拍的推移都會產(chǎn)生一個序列，該序列稱為移位寄存器序列。若一個n次多項式滿足下列條件：(1) f(x)為既約多項式(即不能分解因式的多項式；(2) f(x)可整除(xp+1), p=;(3) f(x)除不盡(xk+1), kp。則稱f(x)為本原多項式。本課程設(shè)計中本原多項式 。圖2 m序列生成的一般方法m序列發(fā)生器一般組成如上圖所示，它用n級移位寄存器作為主支路，用若干級模2加法器作為各級移位寄存器的抽頭形成線性反饋支路。各抽頭的系數(shù)hi稱為反饋系數(shù)，它必須按照某一個n次本原多項式： 中的二進(jìn)制系數(shù)來取值。產(chǎn)生m序列的移位寄存器的電路結(jié)構(gòu)，其反饋線連接不是隨意的，m序列的周期P也是

5、不能取任意值，而必須滿足p=，其中，n是移位寄存器的級數(shù)。3.m序列的隨機(jī)性質(zhì)m序列是一種偽隨機(jī)序列，它滿足以下3個特性：(1)0-1分布特性。在每一個周期內(nèi)，元素0出現(xiàn)次，元素1出現(xiàn)次，元素1比元素0多出現(xiàn)一次。(2)游程特性。在每一個周期內(nèi)，共有個元素游程，其中元素0的游程和元素1的游程數(shù)目各占一半，長度為k()元素游程占游程總數(shù)的；長度為n-1的元素游程只有一個，為元素0的游程；長度為r的元素游程只有一個，為元素1的游程。(3)位移相加特性。m序列與其位移序列的模2加序列仍是該m序列的另一位移序列，即。4.m序列的加密與解密數(shù)字通信的一個重要優(yōu)點就是容易做到加密，在這方面m 序列應(yīng)用也很

6、多。這種加密的序列在信道中傳輸，被他人竊聽時不能理解其中的內(nèi)容，達(dá)到保密目的。設(shè)信源發(fā)出的序列X為101010101010101；m序列為111100010011010。模二加運(yùn)算得到的序列為z。假設(shè)信道傳輸中沒有發(fā)生誤碼，序列Z到達(dá)接收端再與m 序列進(jìn)行模二加運(yùn)算，即可恢復(fù)原信息X。三、曼徹斯特編碼解碼1.曼徹斯特碼簡介在電信領(lǐng)域，曼徹斯特碼,(也稱作相位碼或者PE）是一種數(shù)據(jù)通訊線性碼，它的每一個數(shù)據(jù)比特都是由至少一次電壓轉(zhuǎn)換的形式所表示的曼徹斯特編碼被因此被認(rèn)為是一種自定時碼。自定時意味著數(shù)據(jù)流的精確同步是可行的。每一個比特都準(zhǔn)確的在一預(yù)先定義時間時期的時間中被傳送。用于數(shù)字基帶傳輸?shù)拇a

7、型種類較多，Manchester碼是其中常用的一種。Manchester碼是一種用跳變沿（而非電平）來表示要傳輸?shù)亩M(jìn)制信息（0或1），一般規(guī)定在位元中間用下跳變表示“1”，用上跳變表示“0”。曼徹斯特編碼被被認(rèn)為是一種自定時碼自定時意味著數(shù)據(jù)流的精確同步是可行的。每一個比特都準(zhǔn)確的在一預(yù)先定義時間時期的時間中被傳送。2.曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼（Manchester Encoding），也叫做相位編碼(PE)，是一個同步時鐘編碼技術(shù)，被物理層使用來編碼一個同步位流的時鐘和數(shù)據(jù)。曼徹斯特編碼被用在以太網(wǎng)媒介系統(tǒng)中。曼徹斯特編碼提供一個簡單的方式給編碼簡單的二進(jìn)制序列而沒有長的周期沒有轉(zhuǎn)換級別，

8、因而防止時鐘同步的丟失，或來自低頻率位移在貧乏補(bǔ)償?shù)哪M鏈接位錯誤。在這個技術(shù)下，實際上的二進(jìn)制數(shù)據(jù)被傳輸通過這個電纜，不是作為一個序列的邏輯1或0來發(fā)送的（技術(shù)上叫做反向不歸零制(NRZ)）。相反地，這些位被轉(zhuǎn)換為一個稍微不同的格式，它通過使用直接的二進(jìn)制編碼有很多的優(yōu)點。曼徹斯特編碼，常用于局域網(wǎng)傳輸。在曼徹斯特編碼中，每一位的中間有一跳變，位中間的跳變既作時鐘信號，又作數(shù)據(jù)信號；從低到高跳變表示0，從高到低跳變表示1。還有一種是差分曼徹斯特編碼，每位中間的跳變僅提供時鐘定時，而用每位開始時有無跳變表示0或1，有跳變?yōu)?，無跳變?yōu)?。二進(jìn)制碼與曼徹斯特碼波形的對比關(guān)系如下： 圖3 曼徹斯特

9、編碼3.曼徹斯特解碼根據(jù)曼碼的編碼特點，有以下解決編碼的方案。在這里分別命名為間隔讀取法，連續(xù)檢測法，兩種方法在下面分別進(jìn)行說明。（1）間隔讀取法所謂間隔讀取法，就是通過定時器控制每隔一段時間對數(shù)據(jù)進(jìn)行一次讀取，只有前0.5T 的數(shù)據(jù)是有效的，而后0.5T 的數(shù)據(jù)是沒有效的，所以在讀取數(shù)據(jù)時只要讀取0-0.5T 的數(shù)據(jù)就可以了，這種方法主要是利用定時器間歇讀取數(shù)據(jù)來完成的。針對上面出現(xiàn)的空跳現(xiàn)象，解決的方法是通過延時躲過空跳點，這樣就可以有效的讀出數(shù)據(jù)了。（2）連續(xù)檢測法所謂連續(xù)檢測法，是針對上面提到的間隔讀取法而言的，這種方法不是間隔讀取數(shù)據(jù)，而是一直在監(jiān)視著電平的變化，然后通過波形維持高電

10、平和低電平的時間長度以及高低電平的有序組合來判斷當(dāng)前的數(shù)據(jù)是“1” 還是“0”。這種方法的主要思路是對高低電平進(jìn)行“計時”，只要是維持原來電平就一直計時直到有跳變產(chǎn)生時停止計時。四、系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)過程1.Multisim仿真圖 圖4 系統(tǒng)電路圖2.具體模塊首先利用頻率為100kHz數(shù)字信號產(chǎn)生一個周期為15的m序列，與將要進(jìn)行加密的數(shù)字信源（頻率設(shè)置為50kHz）進(jìn)行模二運(yùn)算即加密過程，對加密后的序列進(jìn)行曼徹斯特編碼，即與另一數(shù)字信號進(jìn)行模二運(yùn)算，按照前面的理論分析，此數(shù)字信號頻率設(shè)置為200kHz，得到編碼序列。然后進(jìn)行解碼、解密，分別為編碼與加密的逆過程。1） m序列的產(chǎn)生 圖5 m序列生

11、成圖輸入一個頻率為100kHz的方波，采用74164芯片生成一個周期為15的m序列，為111100010011010。2） 基于m序列對50kHz的信號源加密圖6 m序列加密輸入一個頻率為50kHz的信號源，利用1）產(chǎn)生的m序列對其進(jìn)行加密，得到序列010110111001111。3） 曼徹斯特編碼圖7 曼徹斯特編碼輸入一個頻率為100kHz的方波，對加密過后的序列進(jìn)行曼徹斯特編碼，得到的序列為100110010110010101101001010101。4） 曼徹斯特解碼圖8 曼徹斯特解碼再次輸入一個頻率為100kHz的方波，對曼徹斯特碼進(jìn)行解碼，得到的序列010110111001111。5

12、） m序列解密圖9 m序列解密再次輸入一個頻率為50kHz的方波，對曼徹斯特解碼得到的序列進(jìn)行解密，得到一個序列為111100010011010。3.仿真結(jié)果1）曼徹斯特編碼解碼前后對比圖10曼徹斯特編碼解碼前后對比圖說明：1路信號為經(jīng)過曼徹斯特編碼的序列 2路信號為100kHz的方波 3路信號為經(jīng)過曼徹斯特解碼的序列 4路信號為經(jīng)過曼徹斯特編碼前的序列2）m序列經(jīng)加密解密的前后對比圖11 m序列經(jīng)加密解密的前后對比說明：1路信號為50kHz的方波 2路信號為解碼得到的序列 3路信號為經(jīng)過解密得到的序列 4路信號為m序列4.存在的問題 在仿真過程中，由于門電路中當(dāng)兩路信號同時發(fā)生改變時，會產(chǎn)生冒險，即“毛刺”現(xiàn)象，但不影響整個加密與解密過程。五、總結(jié)課程設(shè)計是一個十分有價值、有意義的實踐活動，把一個課題設(shè)計好不是一步到位的，就拿這個基于m序列的產(chǎn)生來說，是經(jīng)過不斷的修改，反復(fù)的調(diào)試，由于對基本知識掌握不夠扎實，審題是不夠仔細(xì)，導(dǎo)致過程中出現(xiàn)了各種各樣的問題，其中有困難也有樂趣，也使我們對工程實踐有所認(rèn)識。m序列和曼徹斯特編碼應(yīng)用非常廣泛，包括信號同步、擴(kuò)頻通信、多址通信中的信號辨識、通信保密等。本文基于m序列的加密過程。在本次課程設(shè)計過程中，查詢了大量的資料，通過相關(guān)的資料查詢，掌握了通信領(lǐng)域中更多的知識，擴(kuò)大了知識面。由于時間的限制和水平的有限，本文所達(dá)到的研究