DVB-T中伪随机序列扰码器的FPGA实现

收稿日期：2023-07-20

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.003

摘  要：伪随机序列在伪码测距、导航、数字数据扰乱器、噪声产生器、通信加密中有着广泛的应用。在这些实际应用中，常常利用现场可编程门阵列（FPGA）来产生伪随机序列，这便于系统设计和测试的实现。针对数字地面电视广播（DVB-T）标准，以线性反馈移位寄存器电路为基础，设计了一种并行伪随机序列产生方法，该方法简单而高效地实现DVB-T系统码流数据的扰码。实验结果表明，MATLAB扰码算法结果与FPGA扰码模块仿真结果和硬件实现结果一致，该设计方法切实可行。

关键词：伪随机序列；DVB-T；MATLAB；FPGA；Verilog

中图分类号：TN914.3  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2024）07-0011-05

FPGA Implementation of Pseudo-random Sequence Scrambler in DVB-T

CHEN Zhenlin

（Electronic Information School， Foshan Polytechnic， Foshan  528137， China）

Abstract： Pseudo-random sequence is widely used in pseudo-code ranging， navigation， digital data scramblers， noise generators and communication encryption. In the practical application， the FPGA is usually used to generate pseudo-random sequences， which can bring great convenience to system design or testing. Aiming at the DVB-T standard， based on the linear feedback shift register circuit， a simple and efficient parallel pseudo-random sequence generation method is designed to realize the scrambling of DVB-T system code flow data. The experimental results show that the MATLAB scrambling algorithm results are consistent with the FPGA scrambling module simulation results and hardware implementation results， so the design method is feasible.

Keywords： pseudo-random sequence; DVB-T; MATLAB; FPGA; Verilog

0  引  言

目前，数字通信已经成为当代通信技术的主流，数字通信的应用越来越广泛，人们开始追求更高的通信质量。一方面，在数字通信系统中，随机噪声会使数字信号产生误码，限制信道容量。因此，人们希望消除或减少数字通信系统中的随机噪声。另一方面，人们希望利用随机噪声，如保密通信需要随机噪声来加密数据，通信设备需要添加一些随机噪声来测试通信性能等。但随机噪声不能反复产生，具有随机性，难以使用。随着技术的发展，伪随机噪声的发明解决了这一难题。伪随机噪声又称伪噪声（Pseudo-Noise， PN），它具有随机噪声的性质，故称为“伪”随机噪声。但是，伪随机噪声可以按照一定的规律周期产生，因此在实际中得到了广泛的应用。

伪随机噪声是由线性移位寄存器产生的周期性序列，我们把这种周期性序列称为伪随机序列。伪随机序列在伪码测距、导航、数字数据扰乱器、噪声产生器、通信加密中有着广泛的应用。在这些实际应用中，常常利用FPGA产生伪随机序列，这为系统设计和测试带来便利。

李宏年[1]指出伪随机序列是一类具有一定随机性质的序列，可以重复产生。伪随机序列由于具有类似白噪声的相关函数和良好的随机性，在现代移动通信和密码学中得到了广泛的应用，介绍了伪随机序列的产生过程、性能及其在现代移动通信中的应用。刘洋等[2]指出m序列伪随机信号具有与白噪声相似的自相关特性，具有良好的抗噪能力。利用伪随机信号作为激励信号提取地面脉冲响应已成为电磁勘探研究的新方向，介绍了m序列的产生原理，利用m序列良好的自相关特性，对激励信号与接收响应进行相关运算，来识别地面脉冲响应。杨俊坡等[3]针对压缩感知理论中确定性测量矩阵的构造问题，基于二进制伪随机序列，提出了一种具有采样和重构性能的确定性测量矩阵，利用有限域、编码理论和伪随机序列理论，研究了奇偶情况下的低相关二进制伪随机序列，提出了一种适用于压缩感知算法的确定性测量矩阵。理论分析和软件仿真实验表明，在相同的信号输入条件下，与高斯随机矩阵和伯努利随机矩阵相比，基于伪随机序列的测量矩阵具有更好的信号重构性能和更低的实现难度。郭璇等[4]为了解决深海探测中探测效率低的问题，国际上普遍采用多平探测，但在回波识别和波时定位方面存在问题，提出了一种采用伪随机编码信号的解决方案。对不同编码信号的回波识别和定位进行了仿真比较，不同编码信号的回波识别性能随噪声的变化而变化。Walsh码具有较好的回波识别性能，但在波时定位上容易出现误差，并且随着噪声的增加，回波识别性能明显下降。m序列具有较好的到达时间定位性能，但回波识别性能不如Walsh码。杨国斌等[5]主要介绍了利用二相伪随机序列进行脉冲压缩的原理，梳理了在实际中广泛应用的伪随机序列的特点，并采用分步模拟实践教学模式，加深学生对伪随机序列的理解。

本文介绍的是数字地面电视广播DVB-T [6]系统伪随机序列扰码器的FPGA实现，设计了一种并行的伪随机序列发生器方法，通过对视频原始数据与伪随机序列进行模2运算，使得数字基带信号频谱平滑，适应基带系统的传输，提高数字通信系统的性能。

1  应用背景

DVB-T是Digital Video Broadcasting-Terrestrial的简写，它被称为地面数字电视广播，是欧洲共同的地面数字电视标准。地面广播具有地形复杂、时变衰落、多径干扰和低信噪比等特点。因此，在数字电视和数字通信中，使用伪随机序列实现数据扰码，扰码又称为数据随机化和能量扩散处理。图1是数字地面电视广播DVB-T信道编码和OFDM调制框图，从图中看出，MPEG-2格式的视频码流首先进行了扰码处理。

在数字通信系统中，基带信号在传输的过程中，码元信号会出现连“1”和连“0”的情况，从而导致频谱产生大量的低频成分，不适合信道的传输特性，也影响位同步的建立和保持。通过采用扰码技术，码元数据与伪随机序列模2运算，可以解决码元信号连“1”和连“0”的问题，从而可以使基带信号频谱更能适应基带传输，也利于位同步的建立与保持，改善数字通信系统的性能。

2  伪随机序列

2.1  线性反馈移位寄存器

伪随机序列是具有一定随机性质的确定序列。虽然它们是由移位寄存器生成的，但它们是具有某些随机属性的随机序列。伪随机序列具有良好的随机性和接近白噪声的相关函数，具有预先的可确定性和可重复性。这些特点使得伪随机序列得到了广泛的应用，特别是在无线通信扰码的生成方面。

图2为n级线性反馈移位寄存器（LFSR）的原理方框图[7]。图中反馈线的连接状态用Ci表示，反馈系数Ci = 1表示有连接（参加反馈），Ci = 0表示无连接（不参加反馈），表示模2运算，n级线性反馈寄存器的状态用Di表示，Di取值为1或0。

图2  n级线性反馈移位寄存器（LFSR）

按照图2线路反馈关系，可以定义LFSR的特征多项式：

式中xi仅表示其系数1或0代表反馈线Ci连通或断开，x本身的取值与反馈线Ci无关。对于一个n级移位寄存器来说，最多有2n个状态。由于全“0”状态不会转入其他状态，所以n级线性移位寄存器的输出序列的周期P≤2n-1。如果反馈系数Ci选取适当，n级线性移位寄存器输出序列的周期可以达到最大值2n-1，这时产生的伪随机序列称为最长线性反馈移位寄存器序列，简称m序列。

2.2  m序列的主要性质

m序列是一种最长线性反馈移位序列，它是由具有线性反馈的移位寄存器生成的一种周期最长的序列。生成m序列电路的输出序列被移位寄存器逐位移出，尽管移位寄存器的状态每一次移位节拍改变一次，但它无疑是循环的。如果反馈线的分布是合适的，那么移位寄存器状态必须在循环之前通过，这样所有的状态都出现了。这种序列是周期性的，当n足够大的时候周期可以很长，在一个周期中，0和1中很多不同的排列方式，对于每一个比特是0还是1似乎是随机的，所以它又被称为伪随机码，并且由于它的一些性质与随机噪声非常相似，所以又被称为伪噪声码。

m序列是一种伪随机序列，广泛应用于通信领域，如扩频通信、卫星通信的码分多址、数字数据加密、加扰、同步、误码率测量等。m序列具有一些与随机噪声相似的统计性质，并且可以通过计算重复生成。其中m序列是通信中常见的一种随机序列，m序列的生成多项式必须是n次本原多项式，m序列是一个周期为p = 2n-1的循环序列[8]。m序列具有类似随机序列的特性：

1）均衡性。在m序列的一个循环中，“1”和“0”的个数基本相等，“1”码只比“0”码多1个。

2）移位相加特性。将一个m序列Mp模2加到另一个由m序列任意延时移位产生的序列Mr上，仍然得到Mp的某个延时移位序列Ms，即：

3）相关特性。根据循环自相关特性很容易证明m序列的自相关函数是：

如果p = 2n-1很大，那么这个自相关函数非常接近随机序列的自相关函数。

3  并行伪随机序列扰码器设计

本文将以DVB-T系统中扰码模块为例，介绍n级线性反馈移位寄存器LFSR具体电路实现[9]。DVB-T数字地面电视广播系统中为了实现基带信号频谱平滑，减少低频成分，利于位定时信号的提取，首先进行扰码处理。DVB-T系统采用MPEG-2视频编码格式，每个MPEG-2数据包有188个字节，首字节是同步字节（其十六进制值为47H）。由于MPEG-2码流以字节传输，为了提高DVB-T系统扰码效率，简化电路结构，设计了一种并行伪随机序列发生器，如图3所示。

图3  DVB-T扰码/解扰实现框图

在图3中，并行伪随机序列发生器的寄存器初始值为：100 101 010 000 000，MPEG-2码流每8个数据包（1 504字节）组成一个数据组，每传输一个数据组时初始化一次寄存器。每一个数据组中的第一个数据包的同步字节进行取反操作，即47H反转为B8H，以便为每一个数据组提供初始化信号标志，其他数据包中同步字节不参与扰码，保持相同的输出（即47H）。

根据图3编写Verilog代码，构造出一个并行伪随机序列扰码模块单元，如图4所示，其模块单元的输入输出端口定义如表1所示。DataIn代表输入MPEG-2数据码流，DataOut代表输出扰码数据流。

图4  DVB-T扰码模块实现框图

4  DVB-T系统扰码的FPGA仿真与实现

现场可编程门阵列（FPGA）是新一代数字逻辑器件，适用于时序、组合等逻辑电路应用。它不仅速度快、可靠性高，而且具有用户可重新定义的逻辑功能，并具有可重复编程的特点。因此，现场可编程门阵列使得数字电路系统的设计非常灵活，大大缩短了系统的开发周期，减少了数字电路系统的体积和所用芯片的种类。FPGA器件是专用集成电路ASIC中的一种半定制电路，它是一种可编程逻辑阵列，可以有效地解决原有的器件门数少的问题。FPGA以其丰富的布线资源、高可重复编程性、高集成度和低投资等优点在数字电路设计领域得到了广泛的应用。现场可编程门阵列（FPGA）在数字通信系统中得到越来越广泛的应用，利用FPGA可以设计符合各种数字通信系统的伪随机序列产生器[10]。

为了验证FPGA设计结果，需要与MATLAB的运算结果作对比，从而验证FPGA设计模块的正确性。因此，采用MATLAB软件实现DVB-T扰码算法设计，并进行MATLAB运算，MATLAB的运算结果（十进制）如图5所示。

DVB-T系统扰码模块实现的关键在于并行伪随机二进制序列（PRBS）的构造，其并行伪随机序列设计框图如图3所示。根据上述设计框图编写Verilog代码，设计出一个扰码模块单元，采用Xilinx公司Isim软件对扰码模块单元进行RTL仿真，其仿真输出结果DataOut与MATLAB运算输出结果相同，仿真结果（十六进制）如图6所示。

DVB-T硬件平台采用Xilinx公司Spartan6系列FPGA开发板，这是一款低成本、低功耗的FPGA开发板，MPEG-2码流数据使用串口通信传输，串口参数设置波特率9 600 Baud，8位数据位，1位奇偶校验位，1位停止位，测试结果与仿真结果一致，如图7所示。

5  结  论

伪随机序列在通信领域有广泛应用，本文详细地介绍了伪随机序列及其产生方法，通过MATLAB扰码算法计算、Verilog代码仿真以及FPGA开发板调试，利用EDA工具Xilinx编写扰码设计代码，通过Verilog代码仿真和MATLAB算法计算保证设计方案的正确性，最后进行FPGA开发板级调试，将编译通过的代码下载至FPGA芯片中，验证实际运行的结果。MATLAB算法和Verilog代码仿真以及FPGA硬件实现的结果证明扰码设计的正确性，该设计方案也可作为其他扰码通信系统的参考。本文采用并行的伪随机序列发生器，结构简单且易实现，只需1个时钟管理单元、35个触发器和75个查找表LUTs就可以实现，占用FPGA非常少的资源。

参考文献：

[1] 李宏年.伪随机序列及其在现代移动通信中的应用 [J].电声技术，2021，45（10）：120-122.

[2] 刘洋，宋汐瑾，肖钧仁.基于m伪随机序列的脉冲响应分析 [J].工业控制计算机，2023，36（1）：78-79.

[3] 杨俊坡，刘文远.基于伪随机序列的压缩感知测量矩阵构造 [J].陕西科技大学学报，2021，39（4）：161-165.

[4] 郭璇，郭英歌，王润田.深海声探测中伪随机编码信号的仿真研究 [J].声学技术，2019，38（1）：46-50.

[5] 杨国斌，段鹏.伪随机序列的仿真教学研究 [J].电子测试，2019（21）：79-80+101.

[6] European Telecommunications Standards Institute. Digital Video Broadcasting （DVB）; Frame Structure， Channel Coding and Modulation for Digital Terrestrial Television： ETSI EN 300 744 V1.6.2 [S/OL].[2023-05-11].https：//www.etsi.org/deliver/etsi_en/300700_300799/300744/01.06.02_60/en_300744v010602p.pdf.

[7] 樊昌信，曹丽娜.通信原理：第7版 [M].北京：国防工业出版社，2012.

[8] 黄霞，张冰洋.M序列信号发生器的设计与实验 [J].中国现代教育装备，2021（23）：35-37.

[9] 夏宇闻，韩彬.Verilog数字系统设计教程：第4版 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2017.

[10] 曾凌川，白燕，卢晓春，等.一种基于调制m序列的直接序列扩频信号调制方法 [J].电子与信息学报，2021，43（8）：2156-2164.

作者简介：陈振林（1991—），男，汉族，广东茂名人，专任教师，硕士研究生，研究方向：移动通信。