基于FPGA的FSK加密通信

0 引 言

随着技术的发展，上世纪90年代初期出现了FP—GA(Field Programmahie Gate Array)，这是一种比较复杂的可编程逻辑器件。就当时的情况而言，工程师们必须了解各种逻辑器件的特性，再将逻辑器件组合成电路图，一个简单的逻辑电路，也许需要数十个分散的TTL器件组合成的一块电路板。用VHDL语言完成需要的功能模块的设计和仿真是一种集多种优点于一身的方法，例如它的保密性强、资源占用量相对少等，因此对这种设计方法进行研究，并与其他设计方法进行比较，为以后自主研发产品做出必要的准备。

目前在数字电路设计中，FPGA发挥着越来越重要的作用。从简单的接口电路设计到复杂的状态机，甚至系统级芯片，FPGA所扮演的角色已经不容忽视。它的可编程特性带来了电路设计的灵活性，缩短了产品上市的时间。

随着网络的快速发展，信息安全越来越引起人们的关注，加密技术作为信息安全的利器，正发挥着重大作用。通过在硬件设备中添加加密功能，可使存储和传输的数据具有较高的安全性。传统的加密工作是通过在主机上运行加密软件实现的，这种方法除占用主机资源外，其运算速度较硬件加密要慢，密钥以明文的方式存储在程序中，或者以加密的方式存储在文件或数据库中，重要数据会在某一时刻以明文形式出现在计算机的内存或磁盘中，安全性较差。而硬件加密是通过独立于主机系统外的硬件加密设备实现的，所有关键数据的存储、运算都通过硬件实现，不占主机资源、速度快、安全性较高。

采用可编程逻辑门阵列FPGA具体实现加密功能，设计者自己可以对芯片内部单元进行配置，设计比较灵活，只需改变配置就可实现安全不同的功能，大大缩短了设计周期和开发时间，同时经过优化可以达到较高的性能。另外，有多种EDA开发软件支持FPGA的设计，因而用FPGA器件进行开发研制其自由度较大。在进行数据传输的时候，不仅要保证高速的数据传输，还要保证数据传输的稳定与完整，因此本电路要重点解决数据在加密过程中产生的脉冲现象，使最终能得到较好的加密数据输出波形。

1 FPGA加密技术算法

大多数通信系统都采用数据流密码保护相关的信息，如图1所示。利用X0R函数模2的特性，纯文本P可以在接收器端重构，这是因为：

对于XOR LFSR，存在全是零字的可能性，但是这种情况应该永远也不会出现。如果循环是从非零字开始的，则循环长度总是2t一1。通常，如果FGPA是在全零字状态被唤醒，就会更加方便地使用"镜像"或翻转的LFSR电路。如果全零字是一种正确模式，并且生成了精确的转置序列，就需要用一个"非XOR"或XNOR门代替XOR门。

LFSR仿真局部放大图如图2所示。其中时钟周期为10 ns，当LFSR通过所有可能的位模式时，生成的最大序列长度为63。其中elk为时钟，z为LFSR寄存器中的内容，y为LFSR的输出。

2 基于FPGA的二进制数字通信平台

为了更加清晰地展现FPGA的加密过程，本文将为FPGA加密过程搭建一个基于FPGA的二进制数字通信平台。通过这一平台，可以实现数字信号的加密、解密过程，也能更加深入地了解FPGA器件的有关功能以及VHDL的编程方法。

2．1 FSK调制通信平台设计

FSK信号的产生方法主要有两种：第一种方法是用二进制基带矩形脉冲去调制一个调频器，使其输出两个不同频率的码元。这种方法产生的调频信号是相位连续的，虽然实现方法简单，但频率稳定度不高，同时频率转换速度不能做得太快，但是其优点是由调频器所产生的FSK信号在相邻码元之间的相位是连续的。第二种方法是用一个基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立频率源的振荡作为输出，由于是独立的频率源，所以信号频率稳定度可以做的很高并且没有过渡频率，它的转换速度快，波形好。

FSK调制方框图如图3所示。

来源：现代电子技术