基于SystemView的4位m序列发生器数学模型的分析及电路设计.pdf

电 气自 动 化 2 0 1 5 年 第3 7 卷第1 期 j 十算机技术及其应肛 Co mpu t e r T e c h n o lo gy A pp l i c a t i o n s 基 于 S y s t e mV i e w的 4位 m 序列发生器 数学模型 的分 析及 电路设计 陈 军 定西师范高等专科学校 物理与电子工程学系 甘肃 定西7 4 3 0 0 0 摘要 通过对 m序列的数学模型研究分析 运用 S y s t e m V i e w软件进行了4级移位寄存器模型的仿真 并对4位i n序列生成器电路进 行了设计研究 探讨了实现 m序列的生成过程 仿真表明所设计的电路合理 其结果与理论分析一致 关键词 m序列发生器 数学模型 电路设计 伪随机码 信号 移位寄存器 波形 D oI 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 5 0 1 0 1 3 中图分类号 T N 9 1 4 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 5 0 1 0 0 4 0 0 2 An a l y s i s a n d Ci r cu i t De s i g n f o r t h e Ma t h e ma t i ca l Mo d e l o f t h e F o u r p o s i t i o n m s e q u e n ce Ge n e r a t o r B a s e d o n S y s t e mVi e w CHE N J u n D e p a r t m e n t o f P h y s i cs a n d E le ct r o n ic E n g in e e r in g D in g x i T e a ch e r s C o l le g e D in g x i G a n s u 7 4 3 0 0 0 C h i n a Ab s t r a ct T h r o u g h t h e a n a ly s is o n t h e m s e q u e n ce ma t h e ma t ica l mo d e l t h is p a p e r u s e s S y s t e mVie w s o f t w a r e t o s imu la t e a f o u r le v e l s h ift r e g is t e r mo d e l de s ig n s a 4 p o s it io n m s e q u e nce g e n e r a t o r cir cu it a n d e x p lo r e s t he p r o ce s s f o r m s e q u en ce g e n e r a t io n Th e s imu la t io n s h o w s t h a t t h e d e s ig n e d cir cu it is r a t io n a l a n d t h e s imu la t io n r e s u lt is co n s is t e n t t o t h e o r e t ica l a n a ly s is Ke y wor d s m s e q ue n ce g e n e r a t o r ma t h e ma t ica l mo d e ls cir cu it d e s ig n p s e ud o r a n d o m co de s ig na l s h if t ing r e g is t e r wa v e f o r m 0 引 言 在现代 程实践中 伪随机码 P N 在导弹 卫星 飞船轨道 测量和跟踪 雷达 导航 移动通信 保密通信和通信系统性能的 测量以及数字信息处理系统中得到广泛应用 J 如 在连续 波雷达中可用作测距信号 在遥控系统中可用作遥控信号 在多 址通信中可用作地址信号 在数字通信中可用作群同步信号 还 可用作保密通信中的加密作用等 伪随机序列具有预先的可确 定性和可重复性 且表现出自噪声采样序列的统计特性 利用其 性质加密数字信号使加密后的信号在携带原始信息的同时具有 伪噪声的特点 它对不知其生成方法的探测者而言 如同真的随 机序列一样不可预测 以达到在信号传输的过程中隐藏性 目的 在信号接收端 再次利用伪随机序列加以解密 提取原始信号 最长线性移位寄存器序列 简称 m序列 作为一种基本的 P N 序列 是带线性反馈移位寄存器的周期最长的一种基本序列 它 具有较强的系统性 规律性和相关性 本文首先详细地分析了 m序列的数学模型结构 然后运用 S y s t e mV i e w软件对 4位 m序列生成器电路进行了设计研究 最 后分析仿 真 测试结果 1 m序列发生器的数学逻辑模型 m序列足 由 一个线 性反 馈 的 n级 移位 寄存 器生 成 的 其实质是反馈函数中仅包含模 2加运算的线性运算 在具有线 性反馈的移位寄存器生成的序列中 最后一级线性反馈移位寄存 定稿 日期 2 0 1 4 0 7 0 5 基金项目 国家 自然科 学基金 6 0 9 7 1 2 9 4 资助 4 0 E l e ct d ca I A u t o ma t i o n 器输出的序列满足的逻辑函数 D C lD 1 C 2 D 2 C iD c D 1 即为 序列 其中参量 C 被称为反馈系数 其取值决定了移 位寄存器的反馈的连接线状态 它也决定 了乍成 m序列的结构 状态 D 表示第 i级寄存器的状态 它们的值均取0或 1 当反馈 系数 C 为 1 时 表示参与反馈 反之 则表示断开反馈线 即尤反 馈连线 1 式的特征多项式为 厂 c0 C l c2 C n m序列个数计算公式 N 2 一 1 n 3 n级移位寄存器共有 2 种状态 除去全 0状态外有 2 一1种 状态 因此它能产生的最大长度的码序列为2 一1 位 这样 成 的 m序列是一个以 P 2 一 1为周期的循环序列 以4级移位寄存器产生 m序列为例进行分析如下 由公式 3 可计算 4级移位寄存器可 以产 生 2个 Il l 序 列 其一的反馈系数 C 2 3 1 0 0 1 1 2 其中 c c C C 和 c4 均为反馈线 可见 C o C 4 1 表示反馈连接 太 J 为 m 序列是由循环序列发生器产生的 因此 和 c4 一定为 1 即参 反馈 反馈系数 C 为 1 参与反馈 C C 为0 则反馈线断开 即表 示无反馈连线 可以得到4级移位寄存器构成的循环序列发生器 模型如图 1所示 其中反馈系数为反馈信号的抽头系数 寄存器的状态决定于时钟脉冲控制下输入的信息 0 或 1 第 4级移位寄存器决定于前一时钟脉冲后的第 3级移位 寄存器状态 参加反馈的各级输出经多次模 2和后把最后结果 输入第一 一 级 对应的特征多项式 2 应为 j 十 算机技术及其应用 皇 竺 竺 兰竺 C o mp u t e r T e c h n o l o g y Ap p ic a t io n s 时钟脉 冲 出信 号 O I l t j 图 1 4级循环序列发生器模型 1 4 如 图 1 所示 的 4级 I I 1 序列发 生器 假 设初始 状态 为 D D D D 0 0 0 1 在时钟脉冲的作用下 逐次移位 D D 作为 D 输入 则 n 4的码序列产生状态过程如表 1所示 表 1 n 4的 m 序 列发生器状态值 D1 D2 D3 D 4 Dl D 4 O U T 由表 1可 知 移 位 寄 存 器 产 生 的 4 级 m 序 列 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 将 其 循 环 左 移4 比 特 后 的 码 序 列 为 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 2 基于 S y s t e mV i e w的 4级移位寄存器仿真模 型设计 2 1 基于 S y s t e mVi e w的 m序 列发生器仿真模型功能 框图设计 根据 4级循环序列发生器模型的基本原理 将各部分功能模 块化 然 后找 出各部分之 间的关 系 确定系统框 图 如 图 2所示 为 m序列发生器系统的框图 时钟脉冲 卜 I 伪随机序列 豁卜 I 输出信号 O u t 图 2 m 序列发生器 系统框图 2 2 基 于 S y s t e mV ie w的 4级移位寄存器模 型的仿真 电路设计 运用 S y s t e m V i e w仿真平台的信号源库 通信库 信号观察窗 库等模块功能 对 m序列生成器系统进行 电路仿真设计 因为该模型中 通信图符库 中的 P N序列产生器图符要求输入一 定频率的时钟信号 并设定相应的移位寄存器长度 反馈系数及 起始种子等参数可得到所需的 P N序列 所以依据循环序列生成 器工作的基本规律 按照 生成器 系统框 图的功能 找 出各部 分 功能 模块 之 间的关 系 搭建 4级 m 序列生成器模型的系统 峄 一 电路如图3所示 如表 2 图3 4级序列生成器系统电路 所示 设置 m序列生成器系统仿真电路模型中各图符块的参数 表 2 各功能模块参数表 3 仿真及分 析 S y s t e m V ie w提供了一个真实而灵活的窗口用以观察 分析系 统波形 首先 设置 时间窗 口参数 S t a r t T i m e s e e 0 T i m e S p a ci n g s e e 3 0 0 e一 6 N o o f S a mp le s 5 1 2 N o o f S y s t e m L o o p s 1 其次 运行仿真系统 则在系统分析窗 口中观察到钟脉冲 C 和 4级 m 序列波形 的仿真结果分 别如 图 4 5所示 0 0群 0 0 0 0 00 0 t s 图4时钟脉 冲波形 0 0 游 0 t 000 5 0 t s 图 5 4级 m 序列波形 从图4 5的对比观察可直观地得到 1 5个时钟周期的脉冲 经4级序列生成器产生一个 1 5位的 m序列 即 n取 4 则P 2 一 1 1 5个时钟周期为周期 的循环序列 即 T p 0 1 5 S 1 5 T 反馈 移 位 寄 存 器 组 成 的环 形 计 数 器 产 生 的 m 序 列 为 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 由图5可观察到 1 5位 m序列的结果与理论分 析相符合 下转第 8 5页 E l e ct r ica I Au t o ma t io n 41 口 5 口 0 0 A A 趟 l 0 0 O 1 1 1 1 O 1 0 1 1 O O 1 0 O O l 1 O 1 O 1 1 1 O 0 l 0 O 0 l 1 0 1 l 0 1 l 0 O 1 O O 一 O 2 3 4 5 6 7 8 9 m H 电力系统及其 自动化 P o we r S y s t e m Au t o ma t i o n 试验数据见表 3 表 2 发 电机带空线路 零启 升压试验结果 电气 自动化 2 o 1 5年第 3 7卷 第 1 期 表 3 9 0 发电机额定 电压 空充线路试 验结果 通过对比分析 可以发现空充线路试验时各暂态过电压与仿 真数据基本相符 其中主变高压侧为 1 8 1倍 线路末端 1 8 9倍 发电机机端为 1 4 0倍 均满足国标和设备参数要求 j 5 5 结束语 由于黑启动时系统缺乏阻尼 为进一步提高 U P S电源参与 黑启动的成功率 减少空充线路 自励磁 操作过电压及低频振荡 的几率 建议将电力系统安全稳定控制器 p o w e r s y s t e m s t a b i li z e r P S S 有功功率 自动控制值进行调整 根 据经验可尝试将 4 0 调整 到 3 上接第 4 1页 4结束语 本研究通过对 m序列的数学模型分析研究 借助于 S y s t e m V ie w仿真软件 设计实现了4级 1 5位 m序列的电路 实验结果 表 明 设计 电路合 理 仿 真结果 与理论 分析 相一 致 依据 被研 究 的真实模型 利用电子仿真软件构建被对象系统的仿真模型 进 行电路设计 仿真 调试 完成通常在相应硬件实验室才可以完成 的实验 比较真实地描述系统的运行 演变及其发展过程 该方 法为以后的其他相关研究提供了理论和实验基础 本文所做的 工作对深入分析和促进 P N序列的工程应用具有重要的意义 参考 文献 1 于超鹏 郝亮飞 谢金华 线性调频和 巴克码组合调制雷达信号 J 探 测与控制学报 2 0 0 9 3 1 5 2 O一 2 4 2 杨帆 杨烨 李国平 等 基于 A T 8 9 S 5 2的温度测控系统设计 J 电 气 自动化 2 0 0 9 3 1 3 5 3 5 4 3 李 向军 李静 巴克码序列在 目标探测 技术 中的应用 J 西安 工程 科技 学院学报 2 0 0 4 1 8 4 4 1 7 4 1 9 4 吴 明捷 杜天苍 伪随机码及计算机 的产生 J 辽宁工 程技术 大学 学 报 自然科 学版 2 0 0 2 2 1 2 2 0 3 2 0 6 5 徐庆 徐继麟 周先敏 等 线性调频二相编码雷达信号分析 J 系 统 工程与电子技术 2 0 0 0 2 2 1 2 7 8 考虑到成本和生产实际 并不要求所有的机组均具备成为 电网 U P S的能力 对于同一电厂的众多机组来说 如果有一台或者 两台机组成为电网 U P S 那么通过本厂内部的厂用电互联或者启 备变返送电即可启动其他机组 从而短时间内整个电厂可作为大 U P S 向所连接的不同输电线路送电 为保证电网的安全 优质 经济运行和电厂的安全稳定 建议 每年对电网U P S电源进行一次 F C B试验 参考文献 1 辛 阔 吴小辰 和识之 电网大停 电回顾及其警 示与对策 探讨 J 南 方 电网技术 2 0 1 3 7 7 3 2 3 8 2 宁继宏 1 0 0 0 M W火电机组 F C B功能与系统配置探讨 J 西电 力 2 0 0 9 3 2 4 6 3 6 7 3 中华人 民共 和 国国家质 量监督 检验 检疫 总局 G B T 1 8 4 8 1 2 0 0 1 电能 质 堆 暂 时 过 电压 和 瞬态 过 电压 S 北 京 中 国 电 力 出 版 社 2 0 0 2 4 危雪 周 云海 黑启动 中的 自励磁 判据及仿 真 J 三峡 大学学报 自 然科学版 2 0 0 5 2 7 3 2 0 1 2 0 4 2 1 7 5 余长军 熊巍 曾毅 电网黑启动试验及励磁控制 J 水电站机电技 术 2 0 1 1 3 4 1 4 l 一 4 3 6 徐庆中 丁玎 詹昕 电力系统低频振荡的协调控制 J 广东电力 2 0 1 3 2 6 9 7 2 7 6 7 刘栋 孙英 云 基 于社会效益最大化 的黑启动 电源规划 J 电力 系统 及 自动化 2 0 0 9 3 3 1 2 1 7 2 1 作者简介 肖华宾 1 9 7 0一 男 江西南昌人 高级工程师 高级技师 电气二次一级主管 长期从事大型发电厂继电保护及安全 自 动装置的调 试及技术管理工作 张杨迪 1 9 9 0一 男 安徽濉溪人 助理 工程 师 从 事大型火电机组继电保护调试和维护工作 研 究方向发变组及厂用 电 保 护 6 王会华 李宝平 m序列发生器 的设 计与实现 J 北京 电子科技 学 院学报 2 0 0