自主创新实践报告-伪随机信号.doc

自主创新实践报告题 目 伪随机信号 系 别 专 业 电气自动化 班 级 学生姓名 起止日期 学 号 指导教师 摘要摘要：由于伪随机码在cdma（code division multiple access）技术中得到了广泛的应用，为更好的利用cdma技术，需了解伪随机码信号。本课题设计一个伪随机码信号发生器电路，用一片4级双向移位寄存器74ls194设计一个随机信号发生电路，所用到的主要元器件有74ls194、xsc1和可编程逻辑器件及一些门电路等，掌握电子电路设计的方法和步骤，掌握multisim生成或protel99的绘制pcb板的方法，并利用mulisim软件来观察电路波形及pcb综合实验板来检测电路的功能是否达到设计要求。关键词 伪随机码 74ls194 移位寄存器 触发脉冲 目录摘要1第1章绪论311 随机信号31.1.1 随机信号的概念31.1.2随机信号的分类41.2 伪随机信号51.2.1伪随机序列的概念51.2.2 伪随机序列的发展简述51.3几种伪随机序列的比较61.3.1 m序列61.3.2 m序列61.4 部分软件介绍71.4.1 multisim 971.4.2 protel99se8第二章 主要元器件说明92.1 寄存器74ls19492.1.1 74ls194引脚图92.1.274ls194功能表10第3章 电子电路图及仿真过程123.1 电子电路图及分析12总结15参考文献：16致谢词17第1章 绪论伪随机信号处理最早是从空间工程和军事等应用中发展起来的，至今已有40多年的历史。在这些应用中，重点主要集中在寻求某种信号格式以及信号处理技术，以保证信息的完整性，尤其在受到干扰攻击时更是如此。随着数字移动通信系统的发展、对定位系统需求的持续增长以及集成电路集成化的日益提高，伪随机信号处理作为一种可行的技术在民用和商用系统中得到越来越多的应用。特别是在20世纪80年代后期，蜂窝移动通信系统出现后，伪随机信号处理更是日益受到人们的关注。这些处理技术的诸多特征中，对蜂窝系统而言，最主要的就是消除或削弱多径传播、抗干扰、与其他用户甚至是与其他通信系统共享宽带的能力。最近，随着卫星导航系统以及第三代移动通信系统陆续成功的投入商业运行，说明伪随机信号的方法论也延伸到其他领域，诸如声学、生物医学、传感器系统以及其他一些专业系统中，所以说，对伪随机信号处理有一个深入的了解，将为其在通信技术、信息技术以及计算机技术等方面发展更多的新的应用提供一个很好的基础。11 随机信号1.1.1 随机信号的概念 随机信号（或在数学上称为随机过程，下面提到的随机信号和随机过程两个术语是等价的）统计学研究的对象是随机变量。随机变量的特点是：在每次实验的结果中，以一定的概率取某个事先未知，但为确定的数值。在通信和电子信息技术中，常常涉及在试验过程中随着时间而改变的随机变量。通常把随某个参量而变化的随机变量称为随机函数，而把时间t作为参变量的随机函数称为随机过程或随机信号。实际研究的过程中，随机变量有可能是一维的，也有可能是多维的。与确定性信号不同，随机信号在它产生之前在幅度上具有某些不确定性。随机信号常常与随机过程有关，而且通常具有某些规律性。在足够长得时间内持续观察这个随机过程就可以发现这些规律，或通过分析这个随机过程足够多的有代表性的样本也可以发现这些规律。由于不能用一个确定的数学表达式来描述随机信号，所以它所继承的随机过程的规律通常用概率、概率分布、概率密度以及统计平均这些概念来描述。1.1.2随机信号的分类随机信号的类型很多，分类方法也有多种，这里给出以下三种。（1）按照时间和状态（一般称随机信号x（ti）在t=ti的可能取值为它的状态）是连续的还是离散的来分类。可分成以下四类：连续型随机信号：x（t）对于任意的tt，x（t）都是连续型随见变量，也就是时间和状态都是连续的情况。接收机输出噪声电压就属于这类随机过程。自然界许多真实存在的随机过程属于连续随机过程。离散型随机信号：x（t）对任意的tt，x（t）都是离散型随机变量，也就是时间连续，状态连续的情况。例如由硬限幅电路输出的随机过程，由于它在任一时刻，只可能取正或负的两个固定离散值，所以是离散型。连续随机序列，随机过程x（t）在任一离散时刻的状态是连续型随机变量，也就是时间离散，状态连续的情况。离散型随机序列：相应于时间和状态都是离散的情况。为了适应数字信号处理的需要，对连续型随机序列再进行量化（a/d变换），即得这种离散随机序列。（2）按照样本函数的形式不同，可分为确定随机过程和不确定的随机过程两类。不确定随机过程：如果任一样本函数的未来值，不能过去观测值准确地预测，则这个过程称为不确定随机过程。确定的随机过程：如果任意样本函数的未来值，可以由过去观测值准确预测则这个过程称为确定的随机过程。（3）按照随机过程的统计特性，分布函数（或概率密度函数）的不同进行分类。这是一种更加本质的分类方法，按照这种分类法，比较重要的有平稳随机过程、高斯过程、白噪声、独立增量过程、独立随机过程和马尔可夫过程等。1.2 伪随机信号1.2.1伪随机序列的概念伪随机序列就是结构可以预先确定，可重复产生和复制，具有某种随机特性的序列码。伪随机序列应当具有类似随机序列的性质。在工程上常用二元0，1序列来产生伪噪声码，它具有以下几个特点：（1）在随机序列的每一个周期内，0和1出现的次数近似相等。（2）每一个周期内，长度为n的游程（相同码元的码元串）出现的次数比长度为n+1的游程次数多一倍。（3）随即序列的自相关类似于白噪声自相关函数的性质1.2.2 伪随机序列的发展简述伪随机序列的理论与应用研究大体上可以分成三个阶段：(1)纯粹理论研究阶段(1948年以前)；(2)m-序列研究的黄金阶段(1948-1969)；(3)非线性生成器的研究阶段(1969-)。1948年以前，学者们研究伪随机序列的理论仅仅是因为其优美的数学结构。最早的研究可以追溯到1894年，作为一个组合问题来研究所谓的de bruijn序列；上世纪30年代，环上的线性递归序列则成为人们的研究重点。1948年shannon信息论诞生后，这种情况得到了改变。伪随机序列已经被广泛的应用在通信以及密码学等重要的技术领域。shannon证明了“一次一密”是无条件安全的，无条件保密的密码体制要求进行保密通信的密钥量至少与明文量一样大。因此在此后的一段时间内，学者们一直致力于研究具有足够长周期的伪随机序列。如何产生这样的序列是20世纪50年代早期的研究热点。线性反馈移位寄存器序列(lfsr)是这个时期研究最多的，因为一个n级lfsr可以产生周期为2n一1的最大长度序列，而且具有满足golomb随机性假设的随机特性，通常称之为m-序列。这段时期的研究奠定了lfsr序列的基本理论。但是，在1969年massey发表了“移位寄存器综合与bch译码”一文，引发了序列研究方向的根本性变革，从此伪随机序列的研究进入了构造非线性序列生成器的阶段。berlekamp-massey算法指出：如果序列的线性复杂度为n，则只需要2n个连续比特就可以恢复出全部的序列。从这个结论可以看出m-序列是一种“极差”的序列，它的线性复杂度太小，因而不能够直接用来做流密码系统的密钥流序列。从这里还可以看到仅仅靠golomb的三个随机性假设来评测序列是不够的， 还需要其它的一些指标。直到今天，密码学界的学者们一直在努力寻找构造好的伪随机序列的方法【3-7】。1.3几种伪随机序列的比较1.3.1 m序列n级线性移位寄存器能产生的最大可能周期是p=2n-1,这样的序列称为最大长度序列，或称为m序列；它可由n级移位寄存器与若干模二加法器组成的线性反馈逻辑网络和时钟脉冲发生器连接而成。m序列的性质：均衡特性（平衡性）、游程特性（游程分布的随机性）、移位相加特性（线性叠加性）、自相关特性、伪噪声特性1.3.2 m序列m序列是一种非线性的伪随机序列，它是最长序列，也是有由非线性移位寄存器产生的码长为2n的周期序列。因为m序列已达到n级移位寄存器所能达到的最长周期，所以又称为全长序列。m序列的构造可以在m序列的基础上实现。由于m序列包含了2n-1个非零状态，仅缺一个0状态，因此，只要在m序列适当的位置插入一个0状态，即可完成码长为2n-1的m序列向码长为2n的 m序列的转换。对于任意的自然数n，一定有n级m序列以及产生此m序列的n级移位寄存器存在。n级m序列的总长为 (1-1)表1列出了不同n值时所得到的m序列和m序列的数目。可以看出，当n4时，m序列比m序列的数目多得多，这对某些需要地址序列很多的应用场合提供了灵活的选择。表1：m序列和m序列数目的比较级数345678910m序列236618164860m序列2242112262572120224725021.4 部分软件介绍1.4.1 multisim 9multisim是美国国家仪器（ni）有限公司推出的以windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。新特点：（1）可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器； （2）所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上; (3)所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。multisim 9组成：1 构建仿真电路 2 仿真电路环境 3 multi mcu - 单片机仿真 4 fpga、pld，cpld等仿真 5 fpga、pld，cpld等仿真 6 通信系统分析与设计的模块 7 pcb设计模块：直观、层板32层、快速自动布线、强制向量和密度直方图 8 （自动布线模块） 仿真的内容：1 器件建模及仿真； 2 电路的构建及仿真； 3 系统的组成及仿真； 4 仪表仪器原理及制造仿真。 器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件： 模拟器件（二极管，三极管，功率管等）； 数字器件（74系列，coms系列，pld，cpld等）； fpga器件。 电路的构建及仿真：单元电路、功能电路、单片机硬件电路的构建及相应软件调试的仿真。 系统的组成及仿真：commsim 是一个理想的通信系统的教学软件。它很适用于如信号与系统、通信、网络等课程，难度适合从一般介绍到高级。使学生学的更快并且掌握的更多。 commsim含有200多个通用通信和数学模块，包含工业中的大部分编码器，调制器，滤波器，信号源，信道等，commsim 中的模块和通常通信技术中的很一致，这可以确保你的学生学会当今所有最重要的通信技术。 要观察仿真的结果，你可以有多种选择：时域，频域，xy图，对数坐标，比特误码率，眼图和功率谱。 仪表仪器的原理及制造仿真：可以任意制造出属于自己的虚拟仪器、仪表，并在计算机仿真环境和实际环境中进行使用。 pcb的设计及制作：产品级版图的设计及制作。1.4.2 protel99seprotel99se是应用于windows9x/2000/nt操作系统下的eda设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3d模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层。protel99se的系统组成1、电路工程设计部分(1)电路原理设计部分（advanced schematic 99）：电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称sch编辑器）、电路图零件库编辑器（简称schlib编辑器）和各种文本编辑器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。 （2）印刷电路板设计系统（advanced pcb 99）：印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器（简称pcb编辑器）、零件封装编辑器（简称pcblib编辑器）和电路板组件管理器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。 （3）自动布线系统（advanced route 99）：本系统包含一个基于形状（shape-based）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现pcb设计的自动化。 2、电路仿真与pld部分（1）电路模拟仿真系统（advanced sim 99）：电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。 （2）可编程逻辑设计系统（advanced pld 99）：可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器（waveform）。本系统的主要功能是；对逻辑电路进行分析、综合；观察信号的波形。利用pld系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。 （3）高级信号完整性分析系统（advanced integrity 99）：信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析pcb设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。第二章 主要元器件说明2.1 寄存器74ls1942.1.1 74ls194引脚图 74ls194芯片简介：74194是中规模集成4位双向移位寄存器，具有左移、右移、并行输入数据、保持及异步清零5种功能。74ls194各引出功能如下：clr：异步清零端，低电平有效。s1、s0：工作方式选择控制端,clr为“1”的前提下，选择移位寄存器的工作方式。clk：同步时钟输入端，上升沿引起移位寄存器状态的图2-1 换。sr、sl：分别是右移和左移串行输入。a、b、c、d是并行输入端，qa和qc分别是右移和左移时的串行输出端，qa、qb、qc和qd为并行输出端。2.1.2 74ls194功能表 表-2 74ls194功能表 2.2扭环移位计数器 将移位寄存器的输出反馈到输入端就可构成计数器，可构成环形计数器、扭环形计数器和变形扭环形计数器。 扭环形计数器是将移位寄存器一个方向的串行输出反相后与串行输入相连，构成闭合环，即电路结构上反馈函数为：f=qn 实现扭环形计数器时，不必预置初态。扭环形移位计数器的状态设初态为0000，电路状态按循环码的规律变化，即相邻状态之间仅有一位代码不同，不会产生竞争、冒险现象，译码电路也比较简单。移位寄存器也是一种数字信号的延迟线，只是其延迟时间决定于cp的拍数，若把移位寄存器输出的信号作逻辑运算，并把运算的结果回输到输入端组成闭合环路，这种环路可按cp的节拍产生周期性信号，犹如模拟电路中延迟反馈振荡器一样。 图2-2-1 扭环移位寄存器一例一种最简单的电路，就是把末级q端输出的信号，经非运算回输输入端，叫做扭环移位寄存器。如图2-3是用三级d寄存器组成的扭环移位寄存器，在该图中，由回输至d1构成闭合环路，电路方程可写为：表-3 扭环移位寄存器的状态转移表 图2-2-2所示的扭环移位寄存器是以6拍为周期的电路，若以表中所示列的6种状态分别表示05六个数字，则该电路就是一种六进制同步计数器。 第3章 电子电路图及仿真过程 3.1 电子电路图及分析 在multisim软件中绘制电子电路图，在这个软件中可以方便的进行调试。在绘制电子电路图时要注意电子元器件的选用，此处用到的器件有： 移位寄存器74ls194d 异或门 74ls86d 电阻 r1 开关 j1 示波器 xsc1 时钟脉冲电源图3-1-1 原理电路图在protel99se绘制pcb板图，在protel99se中，异或门是74ls136，在绘图时需要注意。 图3-1-2 pcb板图 3.2 仿真过程分析电路的仿真调试首先，必须要保证电路图的绝对正确。确保正确之后，再进行下一步调试。详细步骤：1、 启动multisim软件，打开之前绘制好的电路原理图如图3-1-12、 点击运行按钮，双击图中的示波器弹出下图的界面，此时图中有两条波形，第一条为输入的脉冲信号，第二条为输出波形，因为此时电路中的开关没有闭合，所以以输出波形为一条直线。图3-2-13、闭合电路中的开关，观察示波器的状态，可以得到图3-2-2所示的波形 图3-2-2 调试出的波形图4、 此时，图3-2-2中的波形个数太少，不利于观察，为了更清楚的观察，可以调整示波器中的相应参数。根据需要选择波形的大小和数量，此处设置的波形如图3-2所示。结果分析根据波形图我们可以得出一串随机数码：图3-2-3：100000011000011110011001111111（初始码为1）图3-2-4：110000111100110011111111000000（初始码为0）这是30个脉冲信号得到的1个序列，后面每30个脉冲一个循环，一直循环下去。输出的波形，得到的一串数码是双向移位寄存器从右向左进行移位的结果，说明达到了移位的效果，通过移位产生随机数码。图3-2-3 初始码为1产生的波形图3-2-4 初始码为0产生的波形总结 岁月荏苒，大三的课程随着五周的自主创新设计而画上了句号，我曾经以为时间是一个不快不慢的东西,但现在我感到时间过的是多么的飞快,三年了,感觉就在一眨眼之间结束了我的大学生涯。自主创新就是把理论知识运用到实践中去，就是结合实践而制作的理论知识指导书，这也是我们走向社会的一个转折，生命的另一个启程，自主创新历经五周,我学会了很多，也成长了不少，现在将我的过程以及所学到的总结如下：一、 学习到了从未接触过的东西。本次的自主创新对我来说是个挑战，当选完题之后我觉得自己像个无头苍蝇，不知该做什么。随机信号对我来说是个陌生的名词，真的是无从下手。幸好得到老师的耐心指导，我理解了随机信号的概念、产生原理及其性质。自己之后也找了很多相关的资料，掌握了更多有趣的知识。二、 软件的使用。在自主创新的过程中，我着重使用了multisim和protel99se这两个软件，在使用的过程中发现了许多问题，主要是因为软件没有熟练的掌握。对于这两款软件，是做电子仿真调试的必备软件。为了更好应用它们，我专门学习了这两款软件，现在已经可以熟练的进行仿真调试和pcb板图的绘制。 三、 通过本次自主创新，我觉得自己成长了许多，谨慎了许多。因为有很多细节的地方，我必须细心，不然会出差错。自主创新要求我们尽量自主完成，独立进行，有时会容易急躁，越是急躁越是影响项目的进展，所以在此期间我不停的告诫自己，一定要淡定，要时刻保持清醒，努力把课题做到最好。 人们常说出水才见两脚泥，当我们没有自己独立去做一些课题时，都觉得自己很优秀，什么都会，发现不了问题。但是真正做的时候会突然发现自己懂的