m序列发生器的设计与实现.doc

通信工程专业综合课程设计第1章 绪论1.1 课题背景在信息化社会，通信系统担负着信息传输、交换和处理的重要任务。通信技术的发展代表了一个国家科学技术的发展现状，也成为国家经济发展的一个重要推动力。扩展频谱通信是通信的一个重要分支和发展方向，它是扩展频谱技术和通信技术相结合的产物。由于扩展频谱即使具有抗干扰能力强、截获率低、多址能力强、抗多径、保密性好及测距能力强等一系列的优点，使得扩展频谱通信越来越受到人们的重视。随着大规模或超大规模集成电路技术、微电子技术、为处理技术的迅猛发展以及一些新型器件的广泛应用，扩展频谱通信的发展迈上了一个新的台阶，它不仅在军事通信中占有重要地位，而且正迅速地渗透到民用通信中。可以毫不夸张地讲，在现代通信系统，特别是无线通信系统，没有扩展频谱技术，这些系统想生存都是比较困难的。在扩展频谱系统中，伪随机序列起着重要的作用。在直扩系统中，用伪随机序列将传输信息扩展，在接收时又用它将信息压缩，并使干扰信息功率扩展，提高了系统的抗干扰能力；在跳频系统中，用伪随机序列控制频率合成器产生的频率随机地跳变，躲避干扰；在跳时系统中，用伪随机序列控制脉冲发送的时间和持续时间。由此可见，伪随机序列性能的好坏，直接关系到整个系统性能的好坏，是一个至关重要的问题。m序列是最长线性移位寄存器序列，是伪随机序列中最重要的序列中的一种，这种序列易于产生，有优良的自相关特性。在直扩系统中m序列用于扩展要传递的信号，在跳频系统中m序列用来控制跳频系统的频率合成器，组成随机跳频图案。电子设计技术由于计算机技术的发展而产生了巨大变化。本设计是利用电子设计方法，用电路图表示设计思想，用实验电路板搭载实验电路，进行模拟、仿真，用电子测试仪器进行功能、性能测试。20世纪80年代，计算机辅助设计（CAD）技术开始发展，许多CAD工具软件开始流行。在信息学科领域也和其他学科一样，计算机辅助设计技术步入了发展轨道。由于电子科学是计算机科学的基础，计算机学科的发展离不开电子学科的支持，但是计算机科学又反作用于电子科学，加速了电子学科的发展。这样构成了一个闭环正反馈系统，使得电子设计技术很快由计算机辅助设计阶段进入了电子设计自动化（EDA）阶段。这是一个质的飞越，因为在EDA工程中，用硬件描述语言表达设计思想，用计算机进行模拟、仿真，可测试设计把测试器件设计到芯片系统内部，实现了内建自测试功能。利用EDA集成设计环境，可以使电子设计流程全自动实现。我们把利用EDA工程进行电子设计的方法称为现代电子设计。1.2 课程设计目的 根据本次课程设计要求，设计一个七级m序列发生器。要求自制时钟脉冲信号，并能清楚地观察到m序列稳定的波形。本设计打算采用EDA进行图形仿真，通过后，采用硬件电路来实现， 设计流程如图1-1所示。利用示波器进行测试 搭建硬件电路建立波形文件，进行波形仿真启 动编 译建立工作库文件夹输入项目原理图存盘，并将项目设为工程文件选 择器 件 图1-1 设计流程图 13本章小结本章从课题背景开始使我们对课设有了感性的认识，对课题产生了浓厚的兴趣，也对扩展频谱通信及多址技术的发展有了了解。掌握一般的设计流程和设计思路。从专业角度审视了课程设计的题目，做到对题目有所思考。第2章 设计原理2.1 产生m序列的条件： （1） r级移位寄存器产生的码，周期N=2r -1,其特征多项式必然是不可约的，即不能再因式分解而产生最长序列。因此，反馈抽头不能随便决定，否则将会产生短码。 （2）所有的次数r1的不可约多项式f(x)必然能除尽1+x,因为a(x)=(1+ x)/f(x).如r=3,N=7 1+x=(1+x)(1+x+x)(1+x+x) 令 f(x)=1+x+x f(x)= 1+x+x则f(x) 和f(x)均为不可约多项式，都可以产生N=7的序列，产生的序列分别为1110100和1011100。这样也为我们找到m序列的特征多项式提供了方便。（3）如果2-1是一个素数，则所有r次不可约多项式产生的线性移位寄存器序列，一定是m序列，产生这个m序列的不可约多项式称为本原多项式。（4）除了第r阶以外，如果还有偶数个抽头的反馈结构，则产生的序列就不是最长线性移位寄存器序列。2.2 m序列的反馈系数一个线性反馈移位寄存器能否产生m序列，决定于它的电路反馈系数c,也就是它的递归关系式。不同的是反馈系数，产生不同移位寄存器序列。表3-1列出了不同级数的最长线性移位寄存器序列的反馈系数。级数r长度N反馈系数3 4567891011127153163127225511102320474095132345，67，75103，147，155203，211，217，235，277，313，325，345，367435，453，537，543，545，551，703，7471021，1055，1131，1157，1167，11752011，2033，2157，2443，2745，34714005，4445，5023，5263，6211，736310123，11417，12515，13505，14127，15053表中的m序列的反馈系数只列出了一部分。通过这些反馈系数，还可以求出对应的镜像序列反馈抽头和特征多项式。如r=3的序列为1110100，镜像序列为0010111。本实验由于r=7，所以可以选择反馈系数有203，211，217，235，277，313，325，345，367，为了方便设计，所以选择反馈系数为211，211的序列为010001001，镜像序列为100100010。2.3 m序列发生器的结构 M序列发生器的结构一般有两种形式，简单型（SSRG）和模件抽头型（MSRG）1）SSRGSSRG的结构如图3-2所示。这种结构的反馈逻辑由特征多项式确定，这种结构的缺点在于反馈支路中的器件时延是叠加的，即等于反馈支路中所有模2加法器时延的和。因此限制了伪随机序列的工作速度。提高SSRG工作速率的办法之一是选用抽头数目少的m序列，这样，还可简化序列产生器的结构。2）MSRG提高伪随机序列工作速率的另一办法，就是采用MSRG型结构，图3-3给出了这种序列产生器的结构。这种结构的特点是：在它的每一级触发器和它相邻一级触发器之间接入一个模2加法器，反馈路径上无任何时延部件。这种类型的序列发生器已被模件化。这种结构的反馈总延时，只是一个模2加法器的延时时间，故能提高发生器的工作速度。SSRG型序列产生器的最高工作频率为 f=式中：T为一级移位寄存器的传输时延；为反馈网络中模2加时延的总和。 MSRG型序列产生器的最高工作频率为 f=式中：T为一级模2加法器的传输时延。2.4 m序列的性质1）均衡性 在m序列的一个周期内，“1”和“0”的数目基本相等。准确地说，“1”的个数比“0”的个数多一个。2）游程分布 把一个序列中取值相同的那些相继元素合称一个游程。在一个游程中，元素的个数称为游程长度。如N=15的m序列1000111010110010共有8个游程，其中长度为4的游程有一个，即“1111”；长度为3的游程有一个，即“000”；长度为2的游程有两个，即“11”与“00”；长度为1的游程有四个，即两个“1”与两个“0”。一般来说，在m序列中，游程数位2个，其中长度为1的游程占游程总数的；长度为2的游程占游程总数的1/4；长度为3的占1/8；即长度为k的游程占游程总数的2，其中1=k=(r-2).而且在长度为k的游程中（1=k=r-2）连“1”和连“0”的游程各占一半，r-1个连“0”和r个连“1”的游程各占一个。3）移位相加性 一个序列a与其经m次延迟移位产生的另一个不同序列a模2加，得到的仍然是a的某次延迟移位序列a,即 a+a=a4） 周期性m序列的周期为N=2-1,r为反馈移位寄存器的级数5）伪随机性 如果对一正态分布白噪声取样，若取样值为正，记为“+”。若取样值为“-”，则将每次取样所得极性排成序列，可以写成 + + - + - - + - - - + - - + + - - 2.5 选择特征多项式 由于211的序列为010001001,所以特征多项式 f(x)=1+x+x2.6本章小结 本章是m序列发生器的原理部分，通过本章，可确定m序列的反馈系数以及特征多项式，能够了解m序列更多的性质。为下章m序列的设计奠定了一定的基础，是整个设计不可缺少的一部分。第3章 方案设计3.1 软件方案选择 根据任务要求，可知在软件部分有以下几种方案可供选择： (1)采用文本输入法，用一个源程序控制整个电路，然后利用顶层文件将它们综合起来，最终使其具有m序列发生器的功能。(2)采用原理图方法设计，m序列发生器的提供信号方面由时钟脉冲序列clk代替，中心设计部分由7个D触发器和异或门等设计实现。初始值由两种形式提供，第一种是提供一个全0信号，这种情况需加一个非门来实现；第二种是提供一个全1的信号，这就需要再给电路加一与非门才能实现其功能。3.2 方案论证由以上两种方案分析，方案(1)全部采用文本输入法，在顶层设计中比较杂，一旦出现错误，将不易更改，程序调试耗时会比较长。方案(2)采用了原理图方法，比较简单，易实现，连接硬件电路，较易完成。综合以上原因，从实现难易，误差大小以及最终结果等各方面考虑，选择方案（2）来完成该实验。根据方案（2）中m序列发生器的实现原理，本次设计方案 可分为两种方案来实现，第一种：原理图如下 图3-1 m序列发生器设计图形将此图形输入，对其进行保存，并命名为m序列发生器，将其存在f盘中。选择目标器件 图3-2目标器件的选择目标器件选择完毕后对其进行前仿真前仿真如下 图3-3 m序列前仿真图仿真无误，说明设计连线正确，有可能实现m序列发生器的设计然后对其进行波形仿真：波形仿真图如下： 图3-4 m序列发生器波形仿真图7级的m序列发生器周期应为127us，1.0us内由10个脉冲，在12.7处，输出波形刚好与起始波形重复；再用特征多项式对其正确性进行验证，结果完全符合，说明仿真通过，有可能实现m序列发生器的设计。方案二： 设计图形如下： 图3-5 m序列发生器设计图对其进行前仿真，波形如下： 图3-6 m序列前仿真图 前仿真无误，说明连线正确，有可能实现m序列发生器的设计。然后对其进行波形仿真：波形仿真如下： 图3-7 m序列发生器波形仿真图波形仿真结果也是完全正确，说明次方案也可实现，3.3硬件方案选择：对比两种方案，虽都可实现，但第一种方案，在硬件实现的过程中为了要首先提供一个全0的信号给每个D触发器，需加一按键开关，这样比起第二种方案直接将输入加到高电平上要复杂得多，所以方案二更易实现。因此我们选择方案二来实现硬件方面的实现3.4 本章小结本章是整个m序列发生器的核心部分，确定了实现方案，并完成了软件部分的设计与 仿真.完成之后，可知软件部分已经达到任务要求。找出各个部分的实现芯片，查出管 脚排列，就可以进行下一步的硬件电路连接及测试了。 第4章 硬件实现4.1 芯片引脚及功能 查芯片管脚图及功能表，为搭建电路做准备 74HC74寄存器引脚图及功能表如下：:1）引脚图：图4-12）功能表： 表4-1 74ls20引脚图及功能表如下：1）引脚图： 123456789101112131474LS201A1B1C1D1YGND2Y2A2B2C2DVCCNCNC 图4-22）真值表：ABCDY10XXX1X0XX1XX0X1XXX001111表4-274ls00引脚图及功能表如下：1）引脚图：123456789101112131474LS001A1B2A2B2YGND3Y3A3B4A4BVCC1Y4Y 图4-32）功能表：ABY101011000111 表4-31）74ls08引脚图及功能表如下：图4-42）74LS08真值表：ABY001101010001表4-4NE555引脚图及功能表如下：1）引脚图：图4-52）555定时器的真值表如下：输入输出阀值电压(6脚)触发电压(2脚)复位端(4脚)输出(3脚)放电端(7脚)1/3Vcc1/3Vcc1/3Vcc X X2/3Vcc2/3Vcc X1.4V1.4V1.4V0.3V高电平低电平保持原电平低电平悬空状态低电平保持低电平 表4-5 4.2制作1s脉冲信号 按照图4-6所示，搭建电路图4-61)特点：7端和6、2端上下为R和C，中间有R和RP并联。RA=R1+RARB=R2+RB 2）公式：T1=0.693RA*C T2=0.693RB*C F=1.443/（RA+RB）*C4.3 连线、测试最后结果按照图3-5所示电路，连线，搭建电路图，连好线后加上自制的1S脉冲，接上示波器发现无显示或显示图形不是所要图形，对其进行检测，从1S脉冲开始，发现连线有误，改正后，1S脉冲正常，可显示波形仍有很大失真，检测线路数次，将连线尽量靠近所用芯片，多次试验，终于得到了正确的较理想的波形。如下图所示：4.4 本章小结通过制作硬件电路，从示波器上显示的结果可以看出本次所设计m序列发生器符合任务书所提出的要求，能很清晰地看到7级m序列稳定的波形，同时有很好的可扩展性，为以后更深入地学习和研究提供了方便。第五章 结论美好的时光总是短暂的。实习期间我们组设计m序列发生器电路，讨论了多种方案并作了修改和整理，已是一个比较不错的设计，可以满足基本要求，仿真结果也是完全正确的，但当我们接好硬件电路时，波形却和我们所希望的完全相反，我们失望极了，经过检查，线路也是完全正确，我们很纳闷，便找来老师给我们解决，经过老师的指点，我们重新设计了电路图，连好线后，终于出现了波形，可是还是有点毛刺，经过多翻调试修改，终于出现了我们想要的波形图。这次课程设计历时二个星期，通过这两个星期的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。刚开始的时候，大家就分配好了各自的任务，大家有的绘制原理图，进行仿真实验，有的积极查询相关资料，并且经常聚在一起讨论各个方案的可行性。在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。通过这次课程设计，我想说：为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐，和团队人员这十几天的一起工作的日子，让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的实习，我感觉我和同学们之间的距离更加近了。但当我们仿真实验成功的时候，当我们连好线，接上示波器，看到波形与我们仿真波形相同时，以前种种艰辛这时就变成了最甜美的回忆！ 对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！致 谢时间过的很快，短短两周的课设在这篇致谢后结束。两周的时间我从开始对题目的茫然不知所措到最后提前完成，我想感谢的人很多，首先，我要感谢薛老师，在这次课设中，我感受到了老师对学生的那种悔人不卷的精神，每天的固定时间，老师都来给我们指导，使我们少走弯路，顺利完成实习任务，请允许我向你致意崇