基于余数系统的扩频通信系统设计与实现.pdf

摘要

目前，扩频技术仍然是一种重要的通信技术，在移动通信、传感网络、测控等

系统中得到了广泛应用。传统基于固定序列的扩频技术已经非常成熟，但其通信的

安全性难以保障。新兴的混沌扩频技术虽然可以通过使用复杂度高的混沌序列提

高系统的抗破译能力，但由于混沌系统在数字电路应用中的局限性，面临着系统设

计复杂度高、同步困难等问题。

针对上述问题，本文研究了一种基于余数系统和置换多项式的伪随机序列生

成方法，讨论了该方法在数字电路实现过程中的周期退化问题，并给出了详细的理

论证明，设计了基于存储计算架构的伪随机序列发生器。基于此，本文提出一种基

于时相映射的同步方法，设计并实现了一套长周期扩频通信系统，在提高物理层通

信安全性能的同时，可以有效降低系统设计复杂度。本文的主要工作如下：

首先研究了一种基于余数系统和置换多项式的伪随机序列生成方法，针对其

在数字电路应用中的难点问题提出了低复杂度设计方案，设计出了一种高效的数

字电路结构，仅使用10个BRAM和少量的逻辑单元，即可产生高速极长周期的伪

随机序列，序列周期可达283且具有简单灵活的可扩展性，并设计了一种序列相位

快速切换方法，从相位输入到序列输出仅需要26个时钟周期。经NIST随机性测

试，序列的各项测试指标均在98.65%以上，且具有良好的自相关性、互相关性和

均衡性。

然后结合序列发生器的特点研究了一种基于时相映射的同步方法，可以有效

解决长周期扩频系统同步困难的问题。该方法将“时间”与序列相位建立映射关系，

通过调整时间与相位的映射粒度，在一定时间误差内实现收发端的快速同步。在此

基础上，本文选择了基于慢序列辅助的同步方案，设计了一套扩频通信系统，并分

别在AWGN信道和Rayleigh信道下测试了系统的误码性能。

最后设计并实现了一套基于余数系统的长周期扩频通信硬件电路系统，使用

Modelsim工具对系统的各个关键模块进行了仿真，并在基于XC7Z045和AD9361

通信硬件平台上对系统进行了测试。测试结果表明，本文设计的扩频通信系统可以

成功实现突发通信。

关键词：余数系统，伪随机序列，扩频通信，同步，FPGA

ABSTRACT

Atpresent,spreadspectrumtechnologyisstillanimportantcommunication

technologyandhasbeenwidelyusedinmobilecommunication,sensornetwork,

measurementandcontrolsystems,etc.Thetraditionalspreadspectrumtechnologybased

onfixedsequencehasbeenverymature,anditscommunicationsecurityisdifficultto

guarantee.Althoughtheemergingchaoticspreadspectrumtechnologycanimprovethe

anti-decodingabilityofthesystembyusinghigh-complexitychaoticsequences,dueto

thelimitationsofchaoticsystemsindigitalcircuitapplications,itfacesproblemssuchas

highcomplexityinsystemdesignanddifficultyinsynchronization,etc.

Aimingattheaboveproblems,thisthesisstudiesapseudo-randomsequence

generationmethodbasedonresiduenumbersystem(RNS)andpermutationpolynomial,

anddiscussestheperiodicdegradationofthismethodinthe