1、目錄一、系統(tǒng)框圖2二、m序列31.m序列簡(jiǎn)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(jiǎn)介42.曼徹斯特編碼53.曼徹斯特解碼5四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程61.Multisim仿真圖62.具體模塊63.仿真結(jié)果94.存在的問(wèn)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(jì)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(cè)量等領(lǐng)域。本文介紹了使用m序列對(duì)給定數(shù)字信號(hào)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(jì)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(hào)產(chǎn)生一個(gè)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(guò)程，對(duì)加密后的序列進(jìn)行曼徹斯特編碼，即與另一數(shù)字信號(hào)進(jìn)行模二運(yùn)算，按照前面的理論分析，此數(shù)字信號(hào)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(guò)程。二、m序列1.m序列簡(jiǎn)介如果一個(gè)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(jì)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?yàn)橥瑯泳哂须S機(jī)特性，無(wú)法從一個(gè)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(lái)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(zhǎng)線性反饋移位寄存器序列的簡(jiǎn)稱，它是最常用的一種偽隨機(jī)序列。由n級(jí)串接的移位寄存器和反饋邏輯線路可組成動(dòng)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(shí)鐘觸發(fā)下，每次移位后各級(jí)寄存器狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。其中任何一級(jí)寄存器的輸

4、出，隨著時(shí)鐘節(jié)拍的推移都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)序列，該序列稱為移位寄存器序列。若一個(gè)n次多項(xiàng)式滿足下列條件：(1) f(x)為既約多項(xiàng)式(即不能分解因式的多項(xiàng)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(xiàng)式。本課程設(shè)計(jì)中本原多項(xiàng)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(jí)移位寄存器作為主支路，用若干級(jí)模2加法器作為各級(jí)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(gè)n次本原多項(xiàng)式： 中的二進(jìn)制系數(shù)來(lái)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(jí)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(gè)特性：(1)0-1分布特性。在每一個(gè)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(gè)周期內(nèi)，共有個(gè)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(zhǎng)度為k()元素游程占游程總數(shù)的；長(zhǎng)度為n-1的元素游程只有一個(gè)，為元素0的游程；長(zhǎng)度為r的元素游程只有一個(gè)，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(gè)重要優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(méi)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(jiǎn)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(gè)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(shí)碼。自定時(shí)意味著數(shù)據(jù)流的精確同步是可行的。每一個(gè)比特都準(zhǔn)確的在一預(yù)先定義時(shí)間時(shí)期的時(shí)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(lái)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(shí)碼自定時(shí)意味著數(shù)據(jù)流的精確同步是可行的。每一個(gè)比特都準(zhǔn)確的在一預(yù)先定義時(shí)間時(shí)期的時(shí)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(gè)同步時(shí)鐘編碼技術(shù)，被物理層使用來(lái)編碼一個(gè)同步位流的時(shí)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(gè)簡(jiǎn)單的方式給編碼簡(jiǎn)單的二進(jìn)制序列而沒(méi)有長(zhǎng)的周期沒(méi)有轉(zhuǎn)換級(jí)別，

8、因而防止時(shí)鐘同步的丟失，或來(lái)自低頻率位移在貧乏補(bǔ)償?shù)哪M鏈接位錯(cuò)誤。在這個(gè)技術(shù)下，實(shí)際上的二進(jìn)制數(shù)據(jù)被傳輸通過(guò)這個(gè)電纜，不是作為一個(gè)序列的邏輯1或0來(lái)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(gè)稍微不同的格式，它通過(guò)使用直接的二進(jìn)制編碼有很多的優(yōu)點(diǎn)。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(shí)鐘信號(hào)，又作數(shù)據(jù)信號(hào)；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(shí)鐘定時(shí)，而用每位開始時(shí)有無(wú)跳變表示0或1，有跳變?yōu)?，無(wú)跳變?yōu)?。二進(jìn)制碼與曼徹斯特碼波形的對(duì)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(diǎn)，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(cè)法，兩種方法在下面分別進(jìn)行說(shuō)明。（1）間隔讀取法所謂間隔讀取法，就是通過(guò)定時(shí)器控制每隔一段時(shí)間對(duì)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(méi)有效的，所以在讀取數(shù)據(jù)時(shí)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(shí)器間歇讀取數(shù)據(jù)來(lái)完成的。針對(duì)上面出現(xiàn)的空跳現(xiàn)象，解決的方法是通過(guò)延時(shí)躲過(guò)空跳點(diǎn)，這樣就可以有效的讀出數(shù)據(jù)了。（2）連續(xù)檢測(cè)法所謂連續(xù)檢測(cè)法，是針對(duì)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(guò)波形維持高電

10、平和低電平的時(shí)間長(zhǎng)度以及高低電平的有序組合來(lái)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(duì)高低電平進(jìn)行“計(jì)時(shí)”，只要是維持原來(lái)電平就一直計(jì)時(shí)直到有跳變產(chǎn)生時(shí)停止計(jì)時(shí)。四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過(guò)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(hào)產(chǎn)生一個(gè)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(guò)程，對(duì)加密后的序列進(jìn)行曼徹斯特編碼，即與另一數(shù)字信號(hào)進(jìn)行模二運(yùn)算，按照前面的理論分析，此數(shù)字信號(hào)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(guò)程。1） m序列的產(chǎn)生 圖5 m序列生

11、成圖輸入一個(gè)頻率為100kHz的方波，采用74164芯片生成一個(gè)周期為15的m序列，為111100010011010。2） 基于m序列對(duì)50kHz的信號(hào)源加密圖6 m序列加密輸入一個(gè)頻率為50kHz的信號(hào)源，利用1）產(chǎn)生的m序列對(duì)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(gè)頻率為100kHz的方波，對(duì)加密過(guò)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(gè)頻率為100kHz的方波，對(duì)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(gè)頻率為50kHz的方波，對(duì)曼徹斯特解碼得到的序列進(jìn)行解密，得到一個(gè)序列為111100010011010。3.仿真結(jié)果1）曼徹斯特編碼解碼前后對(duì)比圖10曼徹斯特編碼解碼前后對(duì)比圖說(shuō)明：1路信號(hào)為經(jīng)過(guò)曼徹斯特編碼的序列 2路信號(hào)為100kHz的方波 3路信號(hào)為經(jīng)過(guò)曼徹斯特解碼的序列 4路信號(hào)為經(jīng)過(guò)曼徹斯特編碼前的序列2）m序列經(jīng)加密解密的前后對(duì)比圖11 m序列經(jīng)加密解密的前后對(duì)比說(shuō)明：1路信號(hào)為50kHz的方波 2路信號(hào)為解碼得到的序列 3路信號(hào)為經(jīng)過(guò)解密得到的序列 4路信號(hào)為m序列4.存在的問(wèn)題 在仿真過(guò)程中，由于門電路中當(dāng)兩路信號(hào)同時(shí)發(fā)生改變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生冒險(xiǎn)，即“毛刺”現(xiàn)象，但不影響整個(gè)加密與解密過(guò)程。五、總結(jié)課程設(shè)計(jì)是一個(gè)十分有價(jià)值、有意義的實(shí)踐活動(dòng)，把一個(gè)課題設(shè)計(jì)好不是一步到位的，就拿這個(gè)基于m序列的產(chǎn)生來(lái)說(shuō)，是經(jīng)過(guò)不斷的修改，反復(fù)的調(diào)試，由于對(duì)基本知識(shí)掌握不夠扎實(shí)，審題是不夠仔細(xì)，導(dǎo)致過(guò)程中出現(xiàn)了各種各樣的問(wèn)題，其中有困難也有樂(lè)趣，也使我們對(duì)工程實(shí)踐有所認(rèn)識(shí)。m序列和曼徹斯特編碼應(yīng)用非常廣泛，包括信號(hào)同步、擴(kuò)頻通信、多址通信中的信號(hào)辨識(shí)、通信保密等。本文基于m序列的加密過(guò)程。在本次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，查詢了大量的資料，通過(guò)相關(guān)的資料查詢，掌握了通信領(lǐng)域中更多的知識(shí)，擴(kuò)大了知識(shí)面。由于時(shí)間的限制和水平的有限，本文所達(dá)到的研究