用于有效的多速率伪随机(PN)序列生成的方法和电设备

摘要

本发明涉及用于生成多速率伪随机噪声(PN)序列的电设备，包括序列生成装置，用来根据步进控制信号(S

说明书

本发明涉及用于生成多速率PN(伪随机噪声)序列的电设备，包括：

·序列生成装置，用来根据步进控制信号(S_t)输出多个序列值。

本发明也涉及生成多速率PN序列的方法，包括以下步骤：

·根据步进控制信号(S_t)输出多个序列值。

伪随机噪声序列(PN序列)被使用于许多加密和通信应用中，用来提供随机出现的符号。典型地，加密应用是通过使用密码流提供发送信息的保密性的方法。在通信系统中，PN序列可被用作为扩频通信系统中的扩频序列，在其中它们确定跳频序列和/或直接扩频序列。

通常，扩频通信系统的接收机接收在单个载频上发送的数字信号/比特流，它是由包含诸如数字化话音的数字信号/比特流与被使用来编码或加密发送的PN序列组合而成。典型地，PN序列流的长度比起消息流的长度大得多，由此使得识别包含实际信息的密码复杂化。

在现有技术中，PN序列有时通过使用最大长度多项式被得出。用来形成PN序列的无论用硬件还是软件实施的结构，在这种情形下有时被称为m-序列生成器。众所周知，由于在序列的符号之间的线性关系，由m-序列生成器生成的序列的随机性质是非常有限的。这使得在给出足够多但是小数目的先前的符号后能够预测下一个符号。这在各种应用中是不希望的，所以，需要有效的技术，以便增强不可预测性。

m-序列生成器的时钟控制是可被使用来提高m-序列生成器的不可预测性的熟知的方法。最经常的时钟控制方法是在m-序列生成器中引入两种运行模式。在一个模式下，生成器输出先前生成的符号，以及在另一个模式下生成器输出来自m-序列的下一个符号。当前的模式可以有利地由另一个PN序列来确定。由时钟控制的m-序列生成器生成的输出比特形成PN序列，它们尤其是被使用来加密或扩展信息信号。

上述的时钟控制方法，有时也称为停止之后再行方法，特别被使用于其中容易实施这种停止之后再行方法的硬件实现场合。然而，最终得到的序列的随机性质，虽然不太能预测，但由于输出序列包含先前的符号的重复而受到损害。这可以通过使用步进一次或步进两次((1，2)-步进)方案而被避免，即，基本的m-序列生成器生成下一个符号(模式1)或生成在下一个符号后的符号(模式2)，而不用停止之后再行方法。当实施这样的时钟控制生成器时，需要基本的m-序列生成器以输出符号所需要的速率的两倍速率产生符号。这个问题的已知的解决方案依赖于基本m-序列生成器的更高的内部时钟速率的使用，或时钟控制的基本m-序列生成器的非常复杂的硬件实现的使用。

EP 0905611 A2公开了伪随机数生成方法和伪随机数生成器，其中一个选择器根据先前的伪随机数X_j-1从两个函数发生器输出的任一个输出中选择随机数X_j(单个比特)。两个函数发生器输出相应于被保持在寄存器中的状态数据的、由多个比特组成的数据。

另一个选择器根据先前的伪随机数X_j-1选择函数发生器的数据输出之一，以及把它作为状态数据存储在寄存器中。

上述的在EP 0905611 A2中的伪随机数生成器没有公开时钟控制多速率生成器，以及因为一次只输出一个符号，仍需要比所需要的输出速率高两倍的时钟速率，它受到上述的不可预测性的恶化。

US 5,878,075公开了一种用于生成伪随机序列(PN序列)的方法和设备，其中伪随机数比特序列被一个额外的比特增扩，以便遵从用于CDMA(码分多址)实施的暂行标准IS-95，其中需要2¹⁵个比特的序列。

本发明的一个目的是提供具有简化结构的、用于有效的多速率PN序列生成的电设备，它能够生成具有多个速率的一个或多个m-序列。

这个目的是通过上述类型的电设备达到的，所述设备还包括：

·选择装置，用来根据一个选择数值(M_t)选择所述多个序列数值之一，以及

·步进控制装置，用来提供步进控制信号(S_t)。

由此，提供了灵活的、有效的和加密成更安全的伪随机密码序列的生成，它避免使用多个系统时钟，而只使用少量的附加硬件，由此花费很小的附加功率消耗。

按照本发明的设备的一个实施例，选择数值(M_t)是根据时钟控制数值/信号(C_t)和先前生成的选择数值(M_t-1)被提供的。

按照另一个实施例，步进控制信号(S_t)是根据时钟控制数值/信号(C_t)和先前生成的选择数值(M_t-1)被提供的。

在优选的实施例中，多个序列数值是二，步进控制信号(S_t)按S_t＝(C_t+M_t-1)DIV 2被计算，以及选择数值(M_t)按M_t＝(C_t+M_t-1)MOD 2被计算。

由此，(1，2)-步进时钟控制m-序列生成器配备以非常少的附加硬件。

替换地，多个序列数值是四，选择数值(M_t)按M_t＝(C_t+M_t-1)MOD4被计算，以及步进控制信号(S_t)按S_t＝(C_t+S_t-1)DIV 4被计算。

由此，提供了有效的(1，2，3，4)-步进时钟控制m-序列生成器。

通常，按照本发明可以提供任意N-步进时钟控制m-序列生成器，其中N≥2。因此，选择数值(M_t)按M_t＝(C_t+M_t-1)MOD N被计算，以及步进控制信号(S_t)按S_t＝(C_t+S_t-1)DIV N被计算。

由此，提供了有效的N-步进时钟控制m-序列生成方法，它的不可预测性随N而增长。

在一个实施例中，序列生成装置是自转(windmill)多项式序列生成器。

在另一个实施例中，序列生成装置包括：

·多个延时单元，

·接收下一个块控制信号作为输入的步进控制装置，以及

·求和单元，

其中每个延时单元被连接到另一个延时单元，以及它们中的两个延时单元通过求和单元被附加地连接到它们。

由此，提供了自转多项式序列生成器的非常简单和有效的实施方案。

本发明的另一个目的是提供具有简化的复杂性的、用于有效的多速率PN序列生成的方法，它能够生成具有多个速率的一个或多个m-序列。

这个目的是通过上述类型的方法达到的，所述方法还包括以下步骤：

·提供一个选择数值(M_t)，

·提供步进控制信号(S_t)，以及

根据选择数值(M_t)，选择所述多个序列数值之一。

这样，提供了一种方法，它有效地提供具有增强的不可预测性的PN序列，而只花费很小的附加的计算量。

按照本发明的方法的一个实施例，选择数值(M_t)是根据时钟控制数值/信号(C_t)和先前生成的选择数值(M_t-1)被提供的。

按照另一个实施例，步进控制信号(S_t)是根据时钟控制数值/信号(C_t)和先前生成的选择数值(M_t-1)被提供的。

在优选的实施例中，多个序列数值是二，步进控制信号(S_t)按S_t＝(C_t+M_t-1)DIV 2被计算，以及选择数值(M_t)按M_t＝(C_t+M_t-1)MOD 2被计算。

由此，(1，2)-步进时钟控制m-序列生成器配备以非常少的附加计算量。

替换地，多个序列数值是四，选择数值(M_t)按M_t＝(C_t+M_t-1)MOD4被计算，以及步进控制信号(S_t)按S_t＝(C_t+S_t-1)DIV 4被计算。

由此，提供了有效的(1，2，3，4)-步进时钟控制m-序列生成方法，它是更不可预测的。

通常，按照本发明可以提供任意N-步进时钟控制m-序列生成器，其中N≥2。因此，选择数值(M_t)按M_t＝(C_t+M_t-1)MOD N被计算，以及步进控制信号(S_t)按S_t＝(C_t+S_t-1)DIV N被计算。

由此，提供了有效的N-步进时钟控制m-序列生成方法，它的不可预测性随N而增长。

在一个实施例中，多个序列数值是由自转(windmill)多项式序列生成器生成的。

本发明也涉及以上的方法和/或电设备在便携式设备中的使用。在优选实施例中，便携式设备是移动电话。

由此，可以得到数字化语音的有效的和更安全的加密。

另外，所需要的硬件的减小的复杂性节省功率，这在移动电话中是特别重要的。

现在参照附图更详细地描述本发明，其中：

图1显示现有技术的(1，2)-步进时钟控制的m-序列生成器的功能性方框图；

图2显示自转发生器的功能性方框图；

图3示意地显示自转发生器和时钟与选择系统(CS系统)的组合；

图4显示图3所示的CS系统的一个实现；

图5显示ADD，MOD 2，和DIV 2操作在硬件中的优选实现；

图6显示描述的二速率方法推广到四速率(1，2，3，4)-步进时钟控制的m-序列生成器；

图7显示时钟控制的m-序列生成器的一般化实施例；

图8显示按照本发明的方法的流程图；

图9显示本发明的优选实施例，它可以包含电设备和/或使用按照本发明的方法；

图10a和10b显示使用按照本发明的方法和/或设备的系统的两个示例性实现。

图1显示现有技术的(1，2)-步进时钟控制的m-序列生成器(101)的功能性方框图。这个示例性生成器(101)输出PN序列符号Z_t(102)。生成器(101)具有L＝5延时单元(103)，每个被连接到步进控制装置(104)，其接收时钟控制信号C_t(105)，其中t表示时刻0，1，2，...。这样，每个单元(103)被序列C＝C₀，C₁，C₂，C₃，...控制，其中每个符号代表数值1或2，即，C_t∈{1，2}。

正如将会看到的，在延时单元(103)中的每个数值在每个时刻向右移位，除了(从左到右)第一单元(103)的数值以外，它通过求和单元(106)更新第二和第五延时单元(103)的数值的和值(不带有进位数)。

如果m-序列生成器(101)每个时刻步进一次，则生成器(101)将产生简单的序列X＝X₀，X₁，X₂，X₃，....对于所显示的延时单元(103)的初始值(从左到右0，0，1，1，0)，输出序列将是X＝1，1，0，0，0，1，1，1，...。但如果步进被C的符号数值控制，将产生以下的输出序列Z＝Z₀，Z₁，Z₂，Z₃，...：

                   Z_t，＝X_σ(t)  t＝0，1，2，3，...其中                   σ(t)＝∑_iC_i  C_t∈{1，2}以及和值∑从i＝0加到i＝t-1。换句话说，下一个符号Z_j或者等于X_k(如果C_t＝1)或者等于再下一个符号X_k+1(如果C_t＝2)。作为例子，如果C₀＝2，C₁＝2，C₂＝2，C₃＝1，则Z₀＝X₀，Z₁＝X₂，Z₂＝X₄，Z₃＝X₆，Z₄＝X₇。

这样，PN序列Z_t(102)的不可预测性将被增强，但产生对于生成X_t的时钟速率是对于Z_t的想要的速率两倍的需要，因为对于Z的每个符号需要计算X的两个符号。所需要的更快速的时钟速率导致更多的电路和/或多个系统时钟。

图2显示自转生成器(201)的功能性方框图。这是图1所示的m-序列生成器的自转实现。图上显示L＝5个延时单元(103)，带有被连接到下一个块控制信号(202)的步进控制装置(104)。自转生成器(201)将以两个字节组(tuple)的块(Z_2t，Z_2t+1)(205，206)的形式输出对于t＝0，1，2，...的符号序列Z＝Z₀，Z₁，Z₂，Z₃，…。对于每个时刻，如果下一个块控制信号(202)是使能的，即，真/1，则产生两个字节组。如果下一个块控制信号(202)是禁止的，即，假/0，则生成器重复先前的块，即，不步进到下一个块。

延时单元(103)的数值每个时刻从左到右移位，除了(从左到右)第一单元的数值，它更新到通过相加单元(203)得到的、它本身与第五延时单元(103)的数值的和值(不带有进位)以外和除了第三单元，它更新到由通过相加单元(204)得到的、它本身与以前的/第二单元(103)的数值的和值(不带有进位)以外。

作为一个例子，如果下一个块控制信号(202)是使能的，则从左到右所显示的初始数值(0，1，0，1，0)对于t＝0...6，将产生以下的输出序列Z_2t(205)＝1，0，0，1，1，0，1以及Z_2t+1(206)＝1，0，1，1，1，0，1。

这样，由于对于每个时刻，即，以每个时钟周期，产生PN序列的两个数值(Z_2t，Z_2t+1)的一个字节组，避免了对于额外电路和/或更高速率的额外系统时钟的需要。

图3示意地显示自转生成器(201)和时钟与选择系统(301)的组合。时钟与选择系统(301)，在下面表示为CS系统，将对于一个实现结合图4更详细地进行说明。自转生成器(201)相应于图2所示的那个生成器。

自转生成器(201)生成尺寸v的块/字节组。在这个示例的实施例中，块具有尺寸v＝2，但其它尺寸的块也属于本发明的范围，正如后面结合图6和7描述的。

自转生成器(201)和CS系统(301)的这种组合将生成多速率时钟控制多径m-序列。

来自自转生成器(201)的输出符号，现在表示为X_2i(302)和X_2i+1(303)，被发送到CS系统(301)。自转生成器(201)接收相应于图2的下一个块信号(202)的步进控制信号S_t(304)。

CS系统(301)通过提供步进控制信号S_t(304)负责自转生成器(201)的定步长，并且负责选择两个输出符号X_2i(302)和X_2i+1(303)之一。选择的符号是最后输出的符号Z_t(305)。

CS系统(301)接收决定CS系统(301)的步长的时钟控制信号(306)，由于对于时钟控制信号C_t(306)的每个数值将产生一组符号X_2i(302)和X_2i+1(303)以及由此产生一个输出符号Z_t(305)。结合图4，将说明CS系统(301)的一个详细的实施例。

这样，对于每个时钟周期将产生PN序列的一个密码。得出的PN序列具有高度的不可预测性，因为在输出密码之间不存在线性关系，即，输出下一个符号或再下一个符号。输出是以与输入时钟速率(C_t)相同的速率得到的，而不需要多个时钟，并且只用非常少的附加的硬件。

图4显示图3所示的CS系统(301)的一个实现。CS系统(301)与自转生成器(201)相组合的这种实现将导致(1，2)-步进时钟控制m-序列生成器。

图上显示选择装置(401)，用来选择由自转生成器(201)提供的两个符号X_2i(302)和X_2i+1之一。选择是根据先前生成的选择数值M_t-1(406)(如后面描述的、在先前的时刻生成的)完成的。如果先前生成的选择数值M_t-1(406)是假/0，则选择来自自转生成器的一个符号，以及如果数值M_t-1(406)是真/1，则选择其它的符号。在所显示的例子中，对于M_t-1(406)是假，选择符号X_2i(302)以及对于M_t-1(406)是真，选择符号X_2i+1。选择的符号是最后的输出符号Z_t(305)。

先前生成的选择数值M_t-1(406)是从延时单元D(403)接收的，它保持对于一个时刻/时钟周期的、新生成的选择数值M_t(407)。

决定CS系统的步长的时钟控制信号数值C_t-1(306)由相加装置(402)加到先前生成的选择数值M_t-1(406)。C_t(306)与先前生成的选择数值M_t-1(406)的和值可以取数值1，2，3。

新的选择数值M_t(407)是从这个和值(408)通过MOD 2装置(404)得出的，即，M_t(407)＝(C_t(306)+M_t-1(406))MOD 2，以及新的选择数值M_t(407)被保持在延时单元D(403)，如上面所述。

和值(408)也被使用来得出步进控制信号S_t(304)，它是通过DIV2装置(405)得出的，即，S_t(304)＝(C_t(306)+M_t-1(406))DIV 2。步进控制信号S_t(304)被自转生成器(201)使用来得出两个符号X_2i(302)和X_2i+1，如上面所述。

这样，图3所示的设备通过少量使用硬件而被实现。

图5显示在硬件中的ADD，MOD2，和DIV 2操作的优选实现。ADD，MOD2，和DIV 2功能的组合可以有利地在硬件中由1比特半加器电路(504)来实现。

时钟控制信号C_t(305)由逻辑电路(501)，优选地按照以下的表被分成两个信号，C_t⁰(503)和C_t¹(502)：

    C_t    C_t⁰    C_t¹    0    1    0    1    0    1

这样，C_t¹(502)总是等于C_t(305)，以及C_t⁰(503)总是颠倒到C_t(305)。

C_t⁰(503)由1比特半加器电路(504)被加到先前生成的选择数值M_t-1(406)。结果包含两个信号(506，407)，它们分别代表相加的进位以及和值。和值相应于MOD 2功能，因为它是不带进位地执行的。和值是选择数值M_t(407)。

进位信号(506)相应于DIV 2功能，以及它在或门(505)中连同C_t¹(502)(等于C₁(305))一起被用作为输入。或门(505)的结果是被使用来控制自转生成器(201)的步进控制信号S_t(304)。

这种实现大大地减小对于提供(1，2)-步进时钟控制m-序列生成器所需要的硬件的复杂性。

图6显示描述的二速率方法推广到四速率(1，2，3，4)-步进时钟控制的m-序列生成器。图上显示自转生成器(601)和已从二速率被推广到四速率的CS系统(602)。

CS系统(602)接收时钟控制信号值C_t(603)现在∈{1，2，3，4}，以及自转生成器根据步进控制信号S_t(608)输出四个序列值/符号X₄₁(604)，X_4i+1(6 05)，X_4i+2(606)，X_4i+3(607)。

四个序列值(604-607)中只有一个被选择作为PN序列的最后输出的符号Z_t(609)。在CS系统(602)中四个符号(604-607)之一的选择仍旧根据先前生成的选择数值M_t-1被提供。

步进控制信号S_t(608)仍旧根据时钟控制信号数值C_t(603)和先前生成的选择数值M_t-1按照下式被提供：

              S_t＝(C_t(603)+M_t-1)DIV 4，

并且先前生成的选择数值M_t根据时钟控制信号数值C_t(603)和先前生成的选择数值M_t-1按照下式被提供：

              M_t＝(C_t(603)+M_t-1)MOD 4。

这样，以非常少的附加硬件提供具有甚至更大程度的不可预测性的PN序列。

甚至可以使用相同的技术和给出与上述的相同的优点来实现具有比四更大的速率的PN序列，正如结合图7描述的。

图7显示时钟控制的m-序列生成器的一般化实施例。图上显示自转生成器(701)和已被一般化到N速率的CS系统(702)，其中N至少为2。

CS系统(702)接收时钟控制信号值C_t(703)现在∈{1，...，N}，以及自转生成器根据步进控制信号S_t(707)输出N序列值/符号X_Ni(704)，X_Ni+i(705)，...，X_Ni+N-1(706)。

N个序列值(704-706)中只有一个被选择作为PN序列的最后输出的符号Z_t(709)。在CS系统(602)中N个符号(704-706)之一的选择仍旧根据先前生成的选择数值M_t-1被提供。

步进控制信号S_t(707)可以根据时钟控制信号数值C_t(703)和先前生成的选择数值M_t-1按照下式被提供：

              S_t＝(C_t(703)+M_t-1)DIV N，

并且先前生成的选择数值M_t根据时钟控制信号数值C_t(703)和先前生成的选择数值M_t-1按照下式被提供：

              M_t＝(C_t(703)+M_t-1)MOD N。

这样，以非常少的附加硬件提供具有任意大程度的不可预测性的PN序列。

不可预测性的程度可以按照对于给定的实施方案的特定的需要被选择。

图8显示按照本发明的方法的流程图。该方法生成多个PN序列值/符号，以及选择这些符号中的一个符号作为输出。

该方法在步骤(801)初始化。

在步骤(802)，提供选择数值M_t。选择数值M_t是根据时钟控制数值/信号C_t和先前生成的选择数值M_t-1被计算的。时钟信号C_t可以通过外部控制方法或硬件电路被提供。第一次计算选择数值时，先前生成的选择数值可以具有0或1的初始值。

优选地，对于多个等于2的序列值，选择数值M_t按M_t＝(C_t+M_t-1)MOD2被计算。

替换地，对于多个等于4的序列值，选择数值M_t按M_t＝(C_t+M_t-1)MOD4被计算。

不同于MOD和DIV的其它功能和不同于C_t和M_t-1的其它数值也可以被提供。

在步骤(803)，提供控制信号S_t。在步骤(804)，生成的控制数值S_t被使用来控制生成序列值。

控制信号C_t可以根据时钟控制信号C_t和先前生成的选择数值M_t-1被计算。

优选地，对于多个等于2的序列值，控制数值S_t按S_t＝(C_t+M_t-1)DIV2被计算。

替换地，对于多个等于4的序列值，控制数值S_t按S_t＝(C_t+M_t-1)DIV4被计算，但也可以提供其它功能和变元。

控制数值S_t和选择数值M_t根据相同的信号这样地被计算。

在步骤(804)，生成多个符号/序列数值。这些数值的生成可以通过任何种类的序列生成器(例如，m-序列生成器等)完成，但优选地，序列生成器是自转多项式序列生成器。替换地，生成可以通过相应于所提到的生成器的方法完全用软件完成。

生成序列值的数目可以按照如何使得方法是安全的原则，随在计算花费上伴随的增加而变化。优选地，生成数值的数目可以是2或4，但任何其它的数目也是可应用的。

对于两个生成数值，标准m-序列生成器的下一个符号和再下一个符号同时被生成。对于四个数值，接着的四个符号将被生成，等等。

优选地，生成序列数值是根据在步骤(802)生成的控制信号S_t被控制的。

在步骤(805)，多个生成的序列值之一被选择，以及作为输出PN序列中的下一个符号被输出。优选地，选择是根据选择数值M_t进行的。这种在多个非相关的序列值之间选择一个数值大大地增强输出序列的不可预测性。

在执行步骤(805)后，方法循环回到步骤(802)。对于每个时间步进/时刻执行一次循环。

这样，以非常少的计算工作得到更高度的不可预测性。

图9显示本发明的优选实施例，它可包含电设备和/或使用按照本发明的方法。图上显示移动电话(901)，其具有显示装置(904)、键盘(905)、天线(902)、话筒(906)和扬声器(903)。通过包括有按照本发明电设备和/或方法，提供了更安全和有效的语音信号的加密，而只需要非常少的附加硬件和/或附加计算工作。

图10a和10b显示使用按照本发明的方法和/或设备的系统的两个示例性实施方案。

图10a显示通信系统(1001)，包括第一发射/接收站(1003)和第二发射/接收站(1004)，在其中可以发送信息(1005)。由本发明的实施例的(1，2)-步进时钟控制m-序列生成器生成的PN序列可被用作为子部件，来加密在第一发射/接收站(1003)和第二发射/接收站(1004)之间的传输的信息(1005)

替换地，如以上结合图6和7描述的、四速率(1，2，3，4)-步进时钟控制m-序列生成器或其它速率生成器可以提供在该系统中，以便进一步改进不可预测性。

这样，如数据、数字化语音信号等的信息(1005)的安全传输可以通过使用较少的硬件达到，由此降低成本和功率消耗。

图10b显示形成蜂窝通信系统(1002)的发射/接收站(1003)和移动终端(901)。通过发射/接收站(1003)在移动终端(901)与网络基础结构(未示出)之间发送/接收的信息(1005)可以通过密码系统的使用被加密，该密码系统使用由多速率时钟控制m-序列生成器生成的PN序列。

替换地，如以上结合图6和7描述的、四速率(1，2，3，4)-步进时钟控制m-序列生成器或其它速率生成器可以提供在该系统中，以便进一步改进不可预测性。

这样，如数据、数字化语音信号等的信息(1005)的安全传输可以通过使用较少的硬件达到，由此降低成本和功率消耗。