信号加扰与FPGA实现

加扰有利于数据传输的可靠性和保密性。

目的

1. 减少连续的0或1：在数据传输中，长时间的连续0或1可能会导致时钟恢复困难和传输错误。加扰可以打破这些连续的比特，确保时钟信号能够正确恢复和同步。
2. 改善频谱特性：加扰能够使信号的频谱特性更加平滑，减少特定频率成分的突发，从而减少对特定频段的干扰，提高信号的传输质量。
3. 保密：在某些应用中，加扰还可以起到简单的数据保密作用，防止未授权的解读。

原理

加扰器的工作原理通常基于以下几种方法：

1. 线性反馈移位寄存器 (LFSR)：这是最常用的加扰方法之一，利用移位寄存器和反馈逻辑生成伪随机序列，与输入数据进行异或操作来扰乱数据。
2. 异或操作 (XOR)：通过将输入数据与伪随机序列进行逐位异或操作，改变输入数据的比特模式。
3. 简单翻转 (Toggle)：通过简单地翻转状态位来实现扰乱。

对于1bit的信号如图所示，在传输过程中使用scrambled_data进行传输，可以有效避免未授权的访问

对于多bit的信号

常用的多位加扰方法：

1. 线性反馈移位寄存器 (LFSR)：LFSR 是一种常见且有效的多位加扰方法。它利用移位寄存器和反馈逻辑生成伪随机序列，然后将输入数据与此伪随机序列进行逐位异或操作

2. 加法混合：加法混合方法通过对输入数据进行加法操作（通常是模2加法，即异或操作），使用不同的加扰密钥或者伪随机序列来扰乱数据。

3. 复杂的非线性算法：一些高级加扰方法可能采用复杂的非线性算法，如分组密码或者块加密算法。对于非线性加扰，一个例子如下，该例子使用多项式$x ^ { 4 } + x + 1$来对32bit的传输信号加扰

module scrambler_x4_x1_32bit(
    input wire clk,           
    input wire rst,           
    input wire [31:0] data_in, 
    output reg [31:0] data_out 
);

reg [31:0] state; 

always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) begin
        state <= 32'b0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0001; // 初始化状态，任意非零初始状态均可
    end else begin
        state <= {state[30:0], state[31] ^ state[0] ^ data_in}; 
    end
end

assign data_out = data_in ^ state[0];

endmodule

64bit仿真代码

对加扰仿真，输出结果符合预期

 

仿真代码如下

module scrambler_64bit(
    input wire clk,
    input wire rst,
    input wire [63:0] data_in,
    output reg [63:0] data_out
);

reg [63:0] state;

always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) begin
        state <= 64'hFFFFFFFFFFFFFFFF; 
    end else begin
        state <= state + 64'hAAAAAAAAAAAAAAAA; // 64位加法扰乱器
    end
end

assign data_out = data_in ^ state; // 异或

endmodule

 

module descrambler_64bit(
    input wire clk,
    input wire rst,
    input wire [63:0] data_in,
    output reg [63:0] data_out
);

reg [63:0] state;

always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) begin
        state <= 64'hFFFFFFFFFFFFFFFF; // 初始化，需与加扰器一致
    end else begin
        state <= state + 64'hAAAAAAAAAAAAAAAA; // 解扰器状态更新，需与加扰器保持同步
    end
end

assign data_out = data_in ^ state; // 异或恢复原始数据

endmodule

 

module tb_scrambler_descrambler_64bit();

reg clk;
reg rst;
reg [63:0] data_in;
wire [63:0] scrambled_data;
wire [63:0] descrambled_data;

scrambler_64bit scrambler_inst (
    .clk(clk),
    .rst(rst),
    .data_in(data_in),
    .data_out(scrambled_data)
);

descrambler_64bit descrambler_inst (
    .clk(clk),
    .rst(rst),
    .data_in(scrambled_data),
    .data_out(descrambled_data)
);

// Clock generation
always #5 clk = ~clk;

initial begin
    clk = 0;
    rst = 1;
    data_in = 64'h12340000ABCD0000; 
    #10 rst = 0; 
    #100;
    $display("Input Data: %h", data_in);
    $display("Scrambled Data: %h", scrambled_data);
    $display("Descrambled Data: %h", descrambled_data);
    // $finish;
end

endmodule