m序列的verilog实现以及使能信号解决跨时终域问题

根据《通信原理》一书可知，m序列是最长线性反馈移位寄存器的简称，它产生的伪随机序列的周期与其反馈移存器级数有关;

m序列的属性有很多，比如：

1. 周期性，它的周期与它的反馈寄存器的级数有关，周期为2的级数N次方-1，比如级数为4，则周期为2^4-1，即15；
2. 均衡性，一个周期内'1'的个数比'0'多一个;

假设一个4级m序列的初始状态为(a3,a2,a1,a0) = (1,0,0,0)，特征多项式为23；

移位一次，a3与a0模2相加产生新的输入a4=1^0 = 1，则新的状态为(a3,a2,a1,a0) = (1,1,0,0)，输出为0；

依次移位15次后又回到初始状态(1,0,0,0)。所以4级反馈移存器的周期为15。

从书上拍下的图 图1

从书上拍下的m序列框架图 图2

从图2可以清晰的看出m序列的框架原理，只需要N位寄存器，并整体左移/右移，不断地做异或运算，产生新的值，；

以图1为例，使用特征多项式23，也就是'010 011'，原始状态为'1000'；参照图2的框照图，可以知道n = 4, c1 = c0 = c4 = 1, c2 = c3 = 0;

m序列的实现大致如下：

图3 m序列产生always块

可以看到，当en为高的时候，data_count会更新相应的值，同时data_out会产生新的输出值；

en信号在这里作为一个使能信号，它的作用是为了解决高速时钟下低速运行的问题；

以m序列的产生为例，假设需要产生符号速率1Mbps的伪随机序列，而FPGA的晶振为50MHz，而初学者为了在50MHz下按照1MHz的频率运行，通常会用两种方法：

1. 使用各种分频的方法将50MHz分频出1MHz；
2. 使用PLL等IP核将50MHz输入之后锁定输出1MHz；

而这两种方法都会产生两种时钟域（1MHz，50MHz），两个时钟域之间的数据通信通常又会牵扯到跨时钟域同步，亚稳态等问题；

那么有没有一种方法能够在50MHz下按照1MHz的频率运行？有，使用使能信号控制频率运行。

使能信号的作用就相当于一个定时器闹钟，定时会拉高一次，提醒电路该运行一次了，然后电路进入空闲状态等待下一次使能信号拉高；

这么做的好处有以下几点：

1. 减少了其他的时钟，FPGA设计需要遵循尽可能少的时钟域原则；异步时钟域之间的信号同步，亚稳态问题都可以避免；
2. 降低了设计难度，不需要使用IP核，不需要考虑跨时钟域的处理；
3. 便于FPGA实现，因为FPGA内部的寄存器本来就有使能en端，实现起来方便；

使能信号的产生原理也很简单，使用计数器不断地计数，同时使能信号保持低电平；当计数到固定值时，使能信号拉高，计数器归零；

设计内容如下：

图3

这里INTERVAL是一个常量，可以在实例化的时候修改这个常量值；

其实这个常量值可以设为输入端口，这样可以在运行的过程中在线修改使能信号的周期，更为方便；

最后的VCS仿真图如下：

图4 仿真图

得出来的数字与图1完全对应，仿真成功！

总结：

1. m序列实现原理较为简单，看图2的框图，通过这个框图实现verilog，进而实现相关的数字电路；
2. 为了避免跨时钟域问题，在高速时钟下想要低速运行时，可以使用使能信号降低电路的运行频率，避免跨时钟域问题，好处可以参见上面的内容；