伪随机码

课程设计任务书 学生姓名：    周成浩      专业班级：    电信1404  指导教师：    苏杨        工作单位：  信息工程学院 题    目：伪随机序列的产生及应用设计 初始条件：     具备通信课程的理论知识；具备模拟与数字电路基本电路的设计能力；掌握通信电路的设计知识，掌握通信电路的基本调试方法；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。 要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、设计伪随机码电路：产生八位伪随机序列（如M序列、Gold序列等）； 2、了解D/A的工作原理及使用方法，将伪随机序列输入D/A中（如DAC0808），观察其模拟信号的特性； 3、分析信号源的特点，使用EWB软件进行仿真； 4、安装和调试整个电路，并测试出结果； 5、进行系统仿真，调试并完成符合要求的课程设计书。 时间安排：       一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试 指导教师签名：                        年  月      系主任（或责任教师）签名：            年  月  日 摘要 伪随机序列具有良好的随机性和接近于白噪声的相关函数，使其易于从信号或干扰中分离出来。伪随机序列的可确定性和可重复性，使其易于实现相关接收或匹配接收，因此有良好的抗干扰性能。伪随机序列的这些特性使得它在伪码测距、导航、遥控遥测、扩频通信、多址通信、分离多径、数据加扰、信号同步、误码测试、线性系统、各种噪声源等方面得到了广泛的应用。此次课设根据m序列、M序列的产生原理，利用1片74LS164或2片74LSl94级联加少量分立元件，采用手动置数和自启动2种方法设计了3种长度为255位的m序列发生器和256位M序列发生器。 关键词：伪随机码；m序列；M序列；移位寄存器；D/A转换 目  录 1.设计项目要求与说明    2 2.设计相关知识介绍    3 2.1 伪随机序列的定义    3 2.2 设计方法对比    3 2.3 m序列原理及其产生    5 2.4 芯片介绍    8 3.仿真电路设计与调试    12 3.1 电路设计    12 3.2 仿真调试    13 4.实物安装与调试    16 4.1 电路的焊接    16 4.2 电路的调试    16 5. 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 与体会    17 参考文献    18 附录一  实物图    19 附录二  元件清单    20 1．设计项目要求与说明 本次课设主要是以增进对伪随机序列的认识，加深对通信原理理论方面的理解，使学生了解如何产生伪随机序列以及D/A的工作原理及使用方法，并将伪随机序列输入D/A转换器，观察其模拟信号特性为目的。 任务书中要求设计伪随机码电路：产生八位伪随机序列（如m序列、M序列、Gold序列等）；了解D/A的工作原理及使用方法，将伪随机序列输入D/A中（如DAC0808），观察其模拟信号的特性；分析信号源的特点，使用EWB软件进行仿真；安装和调试整个电路，并测试出结果；进行系统仿真，调试并完成符合要求的课程设计书。 2．设计相关知识介绍 2.1 伪随机序列的定义 伪随机噪声在通信系统中有着十分重要的作用。香农编码定理指出，在某些条件下为了实现最有效的通信。应采用具有高斯统计特性的白噪声信号。另外，为了实现可靠的保密通信，也希望利用白噪声。 然而，利用白噪声最大的困难在于白噪声无法重复产生，而只能用类似于白噪声特性的伪随机序列来逼近白噪声特性。伪随机噪声具有类似于随机噪声的统计特性，同时又便于重复的产生与处理。由于它具有随机噪声的优点，同时又避免了随机噪声的缺点，因此获得日益广泛的应用，如扩频通信、测距、导航、多址、保密编码和抗干扰系统、数字通信中的同步等。 伪随机噪声一般由数字电路产生的周期序列，称为伪随机序列。伪随机序列有时又被称为伪随机信号和伪随机码。如果一个序列，一方面它是可以预先确定的，并且是可以重复地生产和复制的；一方面它又具有某种随机序列的随机特性（即统计特性），我们便称这种序列为伪随机序列。 一般的，伪随机序列指的是m序列、M序列和GOLD序列。 2.2 设计方法对比 方案一：m序列 最长线性移位寄存器通过移位产生的序列码，即为m序列码，一定级数的移位寄存器产生m序列的数目为                     （公式1） 其中：r，p分别为m序列的级数和周期；(p)为欧拉函数；N为m序列的数目。例如，如果移位寄存器的级数为3或4，那么为m序列码的周期就是7或15。 本次课程设计采用的移位寄存器为8级，则周期为255。它是一个按一定规律周期变化的伪随机序列，具有随机噪声类似的特性，m序列码自相关很好，不同的m序列码{}和{}互相关性几乎为0。 优点：m序列由于具有很好的为噪声性质，并且产生方法比较简单，受到广泛应用。 缺点：m序列的周期受到限制，只能为。当r较大时，相邻周期相距较大，有时不能从m序列得到所需周期的伪随机序列。 方案二：M序列 M序列码是在m序列的基础上升级的，在状态上，M序列比m序列多1个，即为全零状态。是一种具有随机特性和预先可确定性，以及可重复实现等优点的伪随机码。由于在一个周期内“1”和“0”出现概率大致相等，因此，具有类似白噪声的统计特性，可以代替白噪声，另外，由于是很长伪随机序列，也广泛应用在CDMA通信。 一定级数的移位寄存器产生M序列的数目为                   （公式2） 式(2)中：r，P分别为m序列的级数和周期；N为m序列的数目。对比式(1)和(2)，可知：相同的寄存器的级数条件下，M序列的周期是m序列周期的2倍，而且，M序列地址码数量比m序列的地址码数量大许多倍。因此，为码分多址选择可用地址码创造了优良的条件，增强了多址能力。 优点：M序列是非线性序列，可用的跳频图案很多，跳频图案的密钥量也大，并有较好的自相关和互相关特性，所以它是较理想的跳频指令码。 缺点：硬件产生时设备较复杂。 方案三：GOLD序列 GOLD序列是在m序列基础上提出并分析的一种特性较好的伪随机序列，它是由两个码长相等、码时钟速率相同的m序列优选对通过模2相加而构成的。 如果两个m序列，他们的互相关函数的绝对值有界，且满足以下条件，       （公式3） 满足式(3)，我们称这一对m序列为优选对。每改变两个m序列相对位移就可得到一个新的Gold序列，当相对位移位时，就可得到一族个Gold序列。再加上两个m序列，共有个Gold序列码。 优点：Gold序列具有良好的自、互相关特性，且地址数远远大于m序列地址数。 缺点：当设计8级伪随机码时，无法找到优选对。 综上所述，M序列和GOLD序列都是基于m序列产生的，此处为了提高个人能力，我选择了m序列和M序列的生成电路设计，由于后者是前者基础上产生的，所以M序列的设计比较而言更为复杂。 2.3 m序列原理及其产生 m序列是最长线性反馈的移位寄存器序列的简称。它是由带线性反馈的移存器产生的周期最长的序列。在8级线性反馈移存器中，设其初值状态（）=（1，0，0，0，0，0，0，0），则在移位一次时，由、、、 模2相加产生新的输入==1，新的状态变为（）=（1，1，0，0，0，0，0，0）。这样移位255次后又回到初始状态（1，0，0，0，0，0，0，0）。不难看出，若初始状态为全“0”,即（0，0，0，0，0，0，0，0），则移位后得到的仍为全“0”状态。这就意味着在这种反馈移存器中应该避免出现全“0”状态，否则移存器的状态将不会改变。因为8级移存器共有2的8次方256种可能的状态，除全“0”状态外，只剩255种状态可用。这就是说由任何8级反馈移存器产生的序列的周期最长为255，8级线性反馈移存器产生m序列如图2.1所示。 图2.1  8级反馈移存器产生m序列原理图 m序列的产生我们常常希望用尽可能少的技术产生尽可能长的序列。一般来说，一个n级线性反馈移存器可能产生的最长周期等于，我们讲这种最长的序列称为最长线性反馈移存寄存器序列，简称m序列。 下图（图2.2）为一般的线性反馈移存原理方框图，图中各级移存器的状态用表示，或1，整数。反馈线的连接状态用表示，表示此线接通（参加反馈）；表示此线断开。不难推想，反馈线的连接状态不同，就可能改变此移存器输出序列的周期。 则称f（x）为本原多项式。 这样，由定理4就可以简单写出一个线性反馈移存器能产生m序列的充要条件为：反馈移存器的特征多项式为本原多项式。 由上述可见，只要找到了本原多项式，就能由它构成m序列产生器。但是寻找本原多项式并不是很简单的，经过前人大量的计算已将常用本原多项式列成表备查，如在表1中列出了一部分。 表1 本原多项式 n 本原多项式 n 本原多项式 代数式 8进制   表示 代数式   8进制   表示 2 7 11 4005 3 13 12 10123 4 23 13 20033 5 45 14 42103 6 103 15 100003 7 211 16 210013 8 435 17 400011 9 1021 18 1000201 10 2011 19 2000047 2.4 芯片介绍 2.4.1 移位寄存器74LS194 移位寄存器是一个具有移位功能的寄存器，是指寄存器中所存的代码能够在移位脉冲的作用下依次左移或者右移。既能够左移又能够右移的称为双向移位寄存器，只需改变左移、右移的控制信号便可以实现双向移位要求。根据移位寄存器存取信号信息和读出信息的不同分为：串入串出、串入并出、并入串出、并入并出四种形式。 图2.3  74LS194引脚排列图 74LS194为双向通用移位寄存器，其引脚排列如图2.3所示。其中，、、、为并行输入端；、、、为并行输出端；为右移串行输入端；为左移串行输入端；、为操作模式控制端；为直接异步清零端；为时钟脉冲输入端。 74LS194有5种不同操作模式：并行送数寄存；右移(方向由→)；左移(方向由→)；保持及清零。、和端的控制作用如表2所示。 表2  74LS194功能表                                                                              输入 输出                       功能说明                                                            0                        1                  1                                1          1                          1                        1            ×                  ↑                    ↑                  ↑        ↑                    ↑                  ↑          ×  ×                  1 1                    1 1                    2 0            2 0                        1  1                      0  0            ×  ×                          ×  0                  ×  1                  0  ×        1  ×                  ×  ×                  ×  ×          0                    0                1                                                A                            0                                                                            B                                      0                                                                                  C                          0                                                        0        1                      D                        异步清0                              右移                              右移                            左移                          左移                                并行输入                                      保持          移位寄存器应用很广，可构成移位寄存器型计数器；顺序脉冲发生器；串行累加器；可用作数据转换，即把串行数据转换为并行数据，或并行数据转换为串行数据等。 利用74LS194循环寄存的功能，再通过特定的反馈电路，将一个反馈信号送到串行输入端，则可实现特定的序列信号。序列信号的长度和数值与移位寄存器的位数及反馈信号的逻辑功能值有关。 2.4.2 移位寄存器74LS164 74LS164芯片是一个8位串入并出移位寄存器，其8个输出脚分别对应着QA~QH。VCC接正5伏电源，GND接地，CLR接高电平，CLK接脉冲信号（频率自选）。其管脚如图2.4所示： 图2.4 74LS164引脚排列图 其功能表如表3所示： 表3  74LS164功能表 2.4.3 D/A转换器DAC0808 DAC0808是倒T型电阻网络的权电流8位D/A转换器，它的内部由倒T型电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四部分组成。芯片的引脚排列如图2.5所示。其中D0~D7是数字信号输入端，IO是求和电流输出端，V（+） 、V（-）是基准电压输入端，COMP是外接补偿电容端，VCC、VEE是正、负电源输入端，GND是接地端。 图2.5  DAC0808引脚排列图 DAC0808输出的是电流，要转换成电压，还必须外接一个运算放大器和反馈电阻，外接运放后的输出电压为 由上式可见，输出电压VO与输入的数字量成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。 DAC0808有8位数据输入端，每位都是二进制取值，于是输入共有256个不同的组合状态，对应的输出也为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内的任意值，而只能是其中的256个可能值。 3．仿真电路设计与调试 本次课程设计运用了三个方案，第一个方案采用一片74LS164构成八位移位寄存器，第二个和第三个方案采用两片74LS194构成八位移位寄存器。其中第一、第二方案用于产生m序列，第三种方案用于产生M序列。 要想产生周期为255的最长序列，要求m序列发生器的特征多项式必须是8次本原多项式，通过查表得到其本原多项式为，即第8，4，3，2级参与反馈经异或后送入下一级。 3.1 电路设计 3.1.1 方案一：m序列（74LS164） 74LS164为8位串入并出移位寄存器。再通过外部接上门电路，从而构成一个8级反馈移存器，将74LS164的8位输出送入D/A转换器，具体电路如图3.1所示。 图3.1 m序列（74LS164）电路 3.1.2 方案二：m序列（74LS194） 当电路处于全0状态时，采用此方法设计的m序列发生器不具有自启动特性。为了使电路启动，可以断开开关S2，将74LSl94的工作方式控制端S0置高电平，这时S1和S0均为高电平，即S1S0=11，74LSl94处于置数状态，把输入端的初始状态10000000置到输出端。然后再闭合开关S2，使74LSl94的工作方式控制端S0处于低电平状态。这时工作方式控制端S1与S0，分别为低电平和高电平，即S1S0=01，74LSl94处于右移状态，在时钟作用下通过不断移位产生m序列。 当初始状态为全零状态时，移位寄存器输出全0序列。为了避免这种情况，需设置全0排除电路,具体电路如图3.2所示。 图3.2 m序列（74LS194）电路 3.1.3 方案三：M序列（74LS194） 在设计电路时，如果按m序列的电路，很难把00000000这个状态加到其它255个状态的循环中，基于这种情况，设计M序列电路如图3.3所示。 图3.3 M序列（74LS194）电路 3.2 仿真调试 m序列和M序列产生电路设计完成进行仿真。 3.2.1 m序列（74LS164）电路仿真调试 选取QH端和DAC0808的输出端所接放大器输出进行仿真，仿真如图3.4所示。 图3.4 m序列（74LS164）电路仿真波形 3.2.2 m序列（74LS194）电路仿真调试 首先让开关S2断开对74LS194进行置数10000000，然后闭合开关使74LS194工作，我们选取D7端和DAC0808的输出端所接放大器输出进行仿真，仿真如图3.5所示。 图3.5 m序列（74LS194）电路仿真波形 此序列即为通过反馈移存器产生的8位伪随机序列。其初始状态为10000000当m序列发生器启动时，它能生成长度为255的m序列。 3.2.3 M序列（74LS194）电路仿真调试 选取D7端和DAC0808的输出端进行仿真，仿真如图3.6所示。 图3.6 M序列（74LS194）电路仿真波形 此序列其初始状态为00000000当M序列发生器启动时，它能生成长度为256的M序列。 4.实物安装与调试 综合比较这三种方案，我们课设小组讨论焊接方案一，因为此方案仅需要一枚74LS164，无论从焊接还是工作量上考虑，都是比较合适的。 4.1 电路的焊接 根据设计好的仿真图，进行实物焊接，具体步骤如下：（1）先用万用表检测元件参数是否符合要求。（2）按照原理图，元件装配。（3）装配完成后焊接该硬件，焊接时，以45度靠紧焊接面进行预热；然后将焊锡丝同时伸向被焊的组件脚及焊盘，一起接触被焊处；当焊锡丝熔化，向焊接处推入焊锡丝，使焊锡润湿焊盘与组件脚，当焊点上的焊锡成圆锥形时即抽离焊锡丝。在焊锡完全熔化后，移去烙铁头。如果焊点有连焊，应将焊锡线与烙铁头一起接触在连焊的焊点之间，待焊锡丝与助焊剂一起熔化后，移去焊锡丝，再将烙铁头侧放着向下移走，吸去多余的焊锡；焊点的标准是：焊点呈锥形，焊锡要适量，表面有光泽，光滑，清洁等.（4）焊接的实物图在附录一中展示。 4.2电路的调试 将焊接好的电路进行调试。接通电路电源，将QH点输出接到示波器，观察QH点的输出波形，若为一随机数字序列，则说明伪随机序列产生部分电路是正确的，若不是则有问题，需要继续调试，直到出现正确结果。再将的D/A转换器的输出接到示波器，观察模拟信号，若为一随机噪声，并且信号周期为255，则说明D/A转换部分电路也是正确的。若不是上诉情况则说明电路存在问题，需要找出问题所在，仔细检查电路是否设计正确、是否存在虚焊、是否焊接错误等，找出错误继续调试，直到调试成功为止，最终测得波形如下图4.1所示。 图4.1 实际测量波形图 5. 总结与体会 之前伪随机序列这一章老师在课堂上并没有详细讲解，所以在做课程设计之前，我们认真借阅了有关伪随机码的书籍。了解到m序列是最长线性反馈移存器序列的简称，它是由带线性反馈的移存器产生的周期最长的一种序列。因为任务书中要求产生8位伪随机序列，故需要设计一个8级反馈移存器，我们直接购买的是一片74LS164，从而构成一个8级反馈移存器。在电路仿真方面，我们采用EWB与Multisim软件仿真，虽然以前也用过这两个软件，但是这次使我在软件的使用上更加的娴熟。 经过这几天的通信原理课程设计，我觉得学习像通信原理这样的专业课知识，不仅要掌握书本上的基本内容，还要灵活思考，善于变换，这样才能找到最优设计，达到事半功倍的效果。课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 参考文献 [1] 周新民.工程实践与训练教程.武汉:武汉理工大学出版社，2009. [2] 李群芳.单片机微型计算机与接口技术（第4版）.北京:电子工业出版社，2012. [3] 肖国镇. 伪随机序列及其应用. 北京:清华大学出版社，2009.6. [4] 陈永真.全国大学生电子设计竞技试题精讲选.北京:电子工业出版社，2007. 附录一  实物图 接线图 焊接图 附录二 元件清单 序列号 名称 型号 数量 1 移位寄存器 74LS164 1 2 运算放大器 LF351 1 3 数模转换 DAC0808 1 4 电阻 5.1KΩ 1 5 电阻 10KΩ 4 6 开关 1 7 按钮开关 1 8 两输入异或门 74LS86 1 9 两输入与非门 74LS00 1 10 电源接口 1 本科生课程设计成绩评定表 姓    名 周成浩 性    别 男 专业、班级 电信1404 课程设计题目： 课程设计答辩或质疑记录： 成绩评定依据： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字：                年    月    日