AES是美國于2000年10月份確立的高級加密標準，該標準的反饋鏈路模式AESCBC加密算法，用于在IPSec中替代DESCBC和3DESCBC。 加密是安全數據網絡的關鍵，要保證在公眾網上傳輸的信息不被竊取和偷聽，必須對數據進行加密。在不影響網絡性能的前提下，快速實現數據加密/解密，對于開發高性能的安全路由器、安全網關等對數據處理速度要求高的通信設備具有重要的意義。 在目前可查詢的基于FPGA技術實現AESCBC的設計中，最快的加/解密速度達到700Mbps/400MHZ。商用CPU奔騰4主頻3.06，用匯編語言編寫程序，全部資源用于加密解密，最快的加密解密速度可以達到1.4Gbps。但根據國外測試結果表明，即使開發的路由器本身就基于高性能的雙64位MIPS網絡處理器，軟件加密解決方案僅能達到路由器所要求的最低吞吐速率600Mbps。 本文首先研究分析了目前幾種實現AESCBC的方法有缺點的情況下，在深入研究影響硬件快速實現AESCBC難點基礎上，設計出一種適應于報文加密解密的硬件快速實現AESCBC的方案，在設計中采用加密解密和密鑰展開并行工作，實現了在線提供子密鑰。在解密中采用了雙隊列技術，實現了報文解密和子密鑰展開協調工作，提高了解密速度。 本文在quartus全面仿真設計方案的基礎上，全面驗證了硬件實現AESCBC方案的正確性，全面分析了本設計加密解密的性能。并且針對設計中的流水線效率低的問題，提出改善流水線性能的方案，設計出報文級并行加密解密方案，并且給出了硬件實現VPN的初步方案。實現了單一模塊加密速度達到1.16Gbps，單一模塊解密速度達到900Mbps，多個模塊并行工作加密解密速度達到6.4Gbps。 論文最后給出了總結與展望。目前實現的AESCBC算法，只能通過仿真驗證其功能的正確性，還需要下載到芯片上做進一步的驗證。要用硬件實現整個IPSec，還要進一步開發基于FPGA的技術。總之，為了適應路由器發展的需求，還有很多技術需要研究。
上傳時間： 2013-05-29
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加密算法一直在信息安全領域起著無可替代的作用,它直接影響著國家的未來和發展.隨著密碼分析水平、芯片處理能力和計算技術的不斷進步,原有的數據加密標準(DES)算法及其變形的安全強度已經難以適應新的安全需要,其實現速度、代碼大小和跨平臺性均難以繼續滿足新的應用需求.在未來的20年內,高級加密標準(AES)將替代DES成為新的數據加密標準.高級加密標準算法是采用對稱密鑰密碼實現的分組密碼,支持128比特分組長度及128比特、192比特與256比特可變密鑰長度.無論在反饋模式還是在非反饋模式中使用AES算法,其軟件和硬件對計算環境的適應性強,性能穩定,密鑰建立時間優良,密鑰靈活性強.存儲需求量低,即使在空間有限的環境使用也具備良好的性能.在分析高級加密標準算法原理的基礎上,描述了圈變換及密鑰擴展的詳細編制原理,用硬件描述語言(VHDL)描述了該算法的整體結構和算法流程.詳細論述了分組密碼的兩種運算模式(反饋模式和非反饋模式)下算法多種體系結構的實現原理,重點論述了基本體系結構、循環展開結構、內部流水線結構、外部流水線結構、混合流水線結構及資源共享結構等.最后在XILINX公司XC2S300E芯片的基礎上,采用自頂向下設計思想,論述了高級加密標準算法的FPGA設計方法,提出了具體模塊劃分方法并對各個模塊的實現進行了詳細論述.圈變換采用內部流水線結構,多個圈變換采用資源共享結構,密鑰調度與加密運算并行執行.占用芯片面積及引腳資源較少,在芯片選型方面具有很好的適應性.
上傳時間： 2013-06-20
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隨著安全通信數據速率的提高,關鍵數據加密算法的軟件實施成為重要的系統瓶頸.基于FPGA的高度優化的可編程的硬件安全性解決方案提供了并行處理能力,并且可以達到所要求的加密處理性能(每秒的SSL或RSA運算次數)基準.網絡的迅速發展,對安全性的需要變得越來越重要.然而,盡管網絡技術進步很快,安全性問題仍然相對落后.由于FPGA所提供的設計優勢,特別是新的高速版本,網絡系統設計人員可以在這些網絡設備中經濟地實現安全性支持.FPGA是實現設計靈活性和功能升級的關鍵,對于容錯、IPSec協議和系統接口問題而言這兩點非常重要.而且,FPGA還為網絡系統設計人員提供了適應不同安全處理功能以及隨著安全技術的發展方便地增加對新技術支持的能力.標準加密/解決以及認證算法,如RC-4、DES、三次DES、MD-5以及安全哈希算法-1(SHA-1)被廣泛用于全球網絡安全系統中.本文介紹了基于PCI總線的加密卡的研制,硬件板卡的結構,著重論述了加密卡上加密模塊的實現,即用FPGA實現3DES及IDEA、MD5算法的過程,加密卡的工作原理,加密卡中多種密碼算法的配置原理,最后對3DES算法及IDEA、MD5算法的實現進行仿真,并繪制了板卡的原理圖,對PCI接口原理進行了闡述.在論文中,首先闡述了數據加密原理.介紹了數據加密的算法和數據加密的技術發展趨勢,并重點說明了3DES的算法.由于加密卡的生存空間在于其高速的加密性能與便捷的使用方式,所以,我們的加密卡采用的是基于PCI插槽的結構,遵從的是PCI2.2規范,理解并掌握PCI總線的規范是了解整個系統的重要一環,本文講述了PCI總線的特點和性能,以及總線的信號.由于遵從高速性的要求,我們在硬件選型的時候,選用的是TI公司高速DSP T M S 3 2 0 C 5 4 x:T I公司新推出的T M S 3 2 0 C 6 x系列D S P功能強,速度也非常快,但目前價格仍然太高,不適合一般加解密使用.而TMS3 2 0 C 5 4 x系列具有性能適中,價格低廉,產品成熟等特點,是較好的選擇.FPGA選用的XILINX公司的XC2V3000,在隨后的文章中,我們將會對這些器件特性做相應說明.并由此得出電路原理圖的繪制.文章的重點之一在于3DES算法及IDEA、MD5算法的FPGA實現,以Xilinx公司VIRTEXII結構的VXC2V3000為例,闡述用FPGA高速實現3DES算法及IDEA、MD5算法的設計要點及關鍵部分的設計.
上傳時間： 2013-04-24
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卷積碼是無線通信系統中廣泛使用的一種信道編碼方式。Viterbi譯碼算法是一種卷積碼的最大似然譯碼算法，它具有譯碼效率高、速度快等特點，被認為是卷積碼的最佳譯碼算法。本文的主要內容是在FPGA上實現約束長度為9，碼率為1/2，采用軟判決方式的Viterbi譯碼器。 本文首先介紹了卷積碼的基本概念，闡述了Viterbi算法的原理，重點討論了決定Viterbi算法復雜度和譯碼性能的關鍵因素，在此基礎上設計了采用“串-并”結合運算方式的Viterbi譯碼器，并在Altera EP1C20 FPGA芯片上測試通過。本文的主要工作如下： 1.對輸入數據采用了二比特四電平量化的軟判決方式，對歐氏距離的計算方法進行了簡化，以便于用硬件電路方式實現。 2.對ACS運算單元采用了“串-并”結合的運算方式，和全并行的設計相比，在滿足譯碼速度的同時，節約了芯片資源。本文中提出了一種路徑度量值存儲器的組織方式，簡化了控制模塊的邏輯電路，優化了系統的時序。 3.在幸存路徑的選擇輸出上采用了回溯譯碼方法，與傳統的寄存器交換法相比，減少了寄存器的使用，大大降低了功耗和設計的復雜度。 4.本文中設計了一個仿真平臺，采用Modelsim仿真器對設計進行了功能仿真，結果完全正確。同時提出了一種在被測設計內部插入監視器的調試方法，巧妙地利用了Matlab算法仿真程序的輸出結果，提高了追蹤錯誤的效率。 5.該設計在Altera EP1C20 FPGA芯片上通過測試，最大運行時鐘頻率110MHz，最大譯碼輸出速率10.3Mbps。 本文對譯碼器的綜合結果和Altera設計的Viterbi譯碼器IP核進行了性能比較，比較結果證明本文中設計的Viterbi譯碼器具有很高的工程實用價值。
上傳時間： 2013-07-23
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目前,以互聯網業務為代表的網絡應用,正快速地向包括數據、語音、圖像的綜合寬帶多媒體方向發展,構建寬帶化、大容量、全業務、智能化的現代通信網絡已成為大勢所趨.寬帶無線接入(BWA)憑借其組網快速靈活、運營維護方便及成本較低等競爭優勢,迅速成為市場熱點,各種微波、無線通信領域的先進手段和方法不斷引入,各種寬帶無線接入技術迅速涌現.由于BWA要用于非視距傳輸,所以必須考慮無線信道的多經效應.而OFDM技術憑借著魯棒的對抗頻率選擇性衰落能力和極高頻譜效率引起了學術界和工業界的高度重視.其基本思想是把調制在單載波上的高速串行數據流,分成多路低速的數據流,調制到多個正交載波上并行傳輸,這樣在傳輸時,雖然整個信道是頻率選擇性衰落,但是各個子信道卻是平坦衰落,有效對抗了多經效應,同時由于各個子載波是正交的,極大提高了頻譜效率.可以預料的是,隨著通信系統將向基于IPv6核心網的全IP包的傳輸方向發展,越來越多的通信系統將具有"突發模式"的特征.本文關注的正是突發OFDM系統接收機設計和實現.由于IEEE 802.11a無線局域網是OFDM技術第一次真正的應用于突發系統,實現了面向IP的無線寬帶傳輸,所以基于IEEE 802.11a的突發OFDM系統有著重要的借鑒和研究價值,本文也正是圍繞著這個中心而展開.本文的各章節安排如下:在第一章中主要介紹OFDM的技術原理和在寬帶無線接入中的應用,同時引出本文所關注的突發OFDM接收機設計.在第二章中先介紹了相干接收和信道估計的概念,重點分析了本文所采用的WLAN信道模型和信道估計算法,然后在得到同步誤差表達式的基礎上,先用星座圖直觀的表現OFDM系統中各種同步誤差的影響,再從信噪比損失的角度對符種同步誤差進行分析.第三章是本文的重點之一,在本章中對基于IEEE 802.11a的各種同步算法包括幀檢測和符號定時、載波同步和采樣時鐘同步進行仿真和比較,并針對適合FPGA實現的同步算法進行了重點的分析.第四章也是本文的重點之一,提出了整個OFDM系統平臺的硬件結構和基于IEEE 802.11a的接收機FPGA設計方案,然后從整體上介紹了接收機的實現結構,并給出了接收機各個模塊的具體設計,最后對整個系統調試過程和測試結果進行了分析.
上傳時間： 2013-04-24
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隨著圖像處理和模式識別技術的進步，基于生物特征的識別技術成為蓬勃發展的高技術之一，根據IBG(InternationalBiometricGroup)組織對生物特征市場的統計和預測，該領域的收入的年增長率30-50％，到2008年，全球總收入將達到46.39億美元。而基于指紋特征的識別技術由于其獨特的可靠性，穩定性，方便快捷的特點，恰好符合了市場的需求。目前指紋識別技術是生物識別領域中應用最廣泛的識別技術，也是研究與應用的一個熱點。 SOPC片上可編程系統和嵌入式系統是當前電子設計領域中最熱門的概念。NiosⅡ是Altera公司開發的一種采用流水線技術、單指令流的RISC嵌入式處理器軟核，可以將它嵌入FPGA內部，與用戶自定義邏輯結合構成一個基于FPGA的片上系統。與嵌入式硬核相比較，嵌入式軟核具有更大的靈活性。而FPGA的高速性、恰恰滿足了指紋識別系統對速度的要求。 本文對指紋識別技術中各個環節的算法進行了較為深入的研究，結合NiosⅡ嵌入式處理器的特點，對算法進行了合理的選擇與優化，形成了一套完整的指紋識別算法，并提出了一種基于FPGA的指紋識別系統硬件設計方案。 論文的內容主要包括以下幾個方面： 1、對指紋圖像預處理、后處理和匹配算法進行了改進，提高了算法的性能；設計了一種適用于快速匹配的指紋特征數據結構；提出了一套基于特征點匹配的指紋識別算法。實驗結果表明該算法速度快、誤識率較低、可靠性較高，可以滿足實用的要求。 2、本著增加系統集成度、減小系統體積、提高便攜性、降低功耗和成本，同時提升系統的性能的原則，使用Altera公司提供的外圍設備IP核配合NiosⅡ處理器軟核搭建了一個單片嵌入式系統，然后以內嵌NiosⅡ軟核的FPGA和FPS200指紋采集器為核心芯片，外配片外RAM和Flash存儲器以及小鍵盤和LCD顯示屏等器件，設計了一個便攜式指紋識別系統，提出了一套基于FPGA的硬件設計方案。 3、利用NiosⅡ開發板對硬件設計方案進行了初步的驗證，實現了指紋采集芯片FPS200與FPGA的接口，并進行了算法的移植。 實驗結果表明本文所提出的系統設計方案是可行的。基于FPGA的自動指紋識別系統在速度、功耗、體積、擴展性方面有著獨特的優勢，具有廣闊的發展空間。最后提出了對這一設計繼續改進的思路和下一步研究的內容。
上傳時間： 2013-07-28
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正交頻分復用(OFDM)技術是一種多載波數字調制技術，它具有頻譜利用率高、抗多徑能力強等特點，在寬帶無線多媒體通信領域中受到了廣泛的關注。 OFDM系統可分為連續工作模式和突發工作模式。在IEEE802.11a、HiperLANType2等無線局域網標準中采用了OFDM的突發工作模式，該模式下的接收機首先對符合某種特定格式的幀做出檢測。本文介紹了一種基于最小錯誤概率準則的幀檢測算法，提出了該算法的FPGA實現方案。 同步技術是OFDM最關鍵的技術之一，它包括載波頻率同步和符號同步。載波頻率同步是為了糾正接收端相對于發送端的載波頻率偏移，以保證子載波間的正交性；符號同步確定OFDM符號有用數據信息的開始時刻，也就是確定FFT窗的開始時刻。本文首先介紹了一種基于自相關的載波頻率同步算法，給出了它的FPGA實現方案，重點講述了其中用到的Cordic算法及其實現；然后介紹了分別基于互相關和自相關的兩種符號同步算法，給出了各自的FPGA實現方案，從實現的角度比較了兩種算法的優缺點，并且在FPGA設計中體現了面積復用和流水線操作的設計思想。 文章最后介紹了系統調試的情況，總結出一種ChipScopePro與Matlab相結合的調試方法，該方法在FPGA調試方面具有一定的通用性。
上傳時間： 2013-07-16
上傳用戶：Killerboo
本文從AES的算法原理和基于ARM核嵌入式系統的開發著手，研究了AES算法的設計原則、數學知識、整體結構、算法描述以及AES存住的優點利局限性。 針對ARM核的體系結構及特點，對AES算法進行了優化設計，提出了從AES算法本身和其結構兩個方面進行優化的方法，在算法本身優化方面是把加密模塊中的字節替換運算、列混合運算和解密模塊中的逆列混合運算中原來的復雜的運算分別轉換為簡單的循環移位、乘和異或運算。在算法結構優化方面是在輸入輸山接口上采用了4個32位的寄存器對128bits數據進行了并行輸入并行輸出的優化設計；在密鑰擴展上的優化設計是采用內部擴展，即在進行每一輪的運算過程的同時算出下一輪的密鑰，并把下一輪的密鑰暫存在SRAM里，使得密鑰擴展與加/解密運算并行執行；加密和解密優化設計是將輪函數查表操作中的四個操作表查詢工作合并成一個操作表查詢工作，同時為了使加密代碼在解密代碼中可重用，節省硬件資源，在解密過程中采用了與加密相一致的過程順序。 根據上述的優化設計，基于ARM核嵌入式系統的ADS開發環境，提出了AES實現的軟硬件方案、AES加密模塊和解密模塊的實現方案以及測試方案，總結了基于ARM下的高效編程技巧及混合接口規則，在集成開發環境下對算法進行了實現，分別得出了初始密鑰為128bits、192bits和256bits下的加密與解密的結果，并得劍了正確驗證。在性能測試的過程中應用編譯器的優化選項和其它優化技巧優化了算法，使算法具有較高的加密速度。
上傳時間： 2013-04-24
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語音編碼技術始終是語音研究的熱點。語音編碼作為多媒體通信中信息傳輸的一個重要環節，越來越受到廣泛的重視。G729是由美國、法國、日本和加拿大的幾家著名國際電信實體聯合開發的，國際電信聯盟(ITU-T)于1995年11月正式通過了G729。96年ITU-T又制定了G729的簡化方案G729A，主要降低了計算的復雜度以便于實時實現。因其具有良好的合成語音質量、適中的復雜度、較低的時延等優點，G729A標準已被廣泛應用在VOIP網關、IP電話中。 論文利用Altera公司的新一代可編程邏輯器件在數字信號處理領域的優勢，對G729A語音編碼中的線性預測(LP)濾波器系數提取的FPGA(現場可編程門陣列，Field Programmable Gate Array)實現進行了深入研究。論文首先對語音信號處理及其發展進行介紹，深入討論了G729A語音編解碼技術。第二，對Altera公司的Stratix系列可編程器件的內部結構進行了研究，分析了在QuartusII開發平臺上進行FPGA設計的流程。第三，基于FPGA，對G729A編碼系統的LP分析部分做了具體設計，其中包括自相關函數和杜賓(Durbin)遞推兩個主要功能模塊，并對其工作過程進行了詳細的分析。第四，針對系統所使用的除法運算都是商小于1的特點，設計并實現了一個系統專用的除法器模塊。最后，在Altera FPGA目標芯片EP1S30F780C7上，對LP分析系統進行了驗證，證明了方案的可行性。
上傳時間： 2013-04-24
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GPS技術在導航、定位及精確打擊等方面產生了重要影響，已經廣泛地應用在各種武器平臺上。但是，在干擾環境下也顯現出許多問題。由于其到達地球表面的信號極其微弱(-160dBW)，在現在復雜的電磁環境中容易受到干擾，尤其是C/A碼信號更易受到干擾，并且隨著導航戰的發展對GPS的抗干擾已成為爭取導航資源的有效措施。因此，研究干擾環境下的GPS接收機設計具有重要意義。 本文首先簡要介紹了GPS信號的結構及構成，通過對GPS信號特征以及接收機抗干擾能力的分析，結合干擾對接收機的作用方式及效果，確定GPS最易受的干擾類型為阻塞式干擾，然后針對這種干擾類型提出了一種有效的抗干擾技術-----自適應調零天線技術。接下來，著重研究了GPS接收機在此抗干擾技術前提下的若干抗干擾方法，并對其進行了詳細的分析和討論。 研究過程中，通過對最佳化準則和空域自適應濾波的理解，首先對不同天線陣列結構進行了性能仿真和比較分析，然后在對稱圓形天線陣列的基礎上對空域自適應算法進行了仿真分析，針對其自由度有限的問題接著對空時濾波方法做了詳細討論，在7元對稱圓形陣列的基礎上仿真說明了二者各自的優缺點。考慮到實際的干擾環境和本課題研究的初期階段，因此選用了適合本課題干擾環境的空域濾波方法，并對其自適應算法進行了適當的改進，使得其抗干擾性能獲得了一定程度的改善。 最后，詳細說明了該接收機抗干擾模塊的FPGA實現原理。詳細給出了頂層及各子模塊的設計流程與RTL視圖，實驗結果驗證了該算法的有效性。
上傳時間： 2013-06-03
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