M序列加扰解扰仿真实验系统

郑州轻工业学院郑州轻工业学院 本科毕业设计 论文 题 目 M 序列加扰解扰仿真实验系统 学生姓名 刘中兴 专业班级 通信工程 2006 级 1 班 学 号 200607040134 院 系 计算机与通信工程学院 指导教师 张 娜 完成时间 2005 年 6 月 10 日 郑州轻工业学院 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 题目题目 M 序列加扰解扰仿真实验系统 专业专业 通信工程 学号学号 200607040134 姓名姓名 刘中兴 主要内容 基本要求 主要内容 基本要求 本文设计的是数字通信系统中扰码与解码电路 由于通常假设信源序列是随机 序列 而实际信源发出的序列不一定满足这个条件 特别是出现长 0 串时 给接受 端提取定时信号带来一定困难 解决这个问题可用 M 序列对信源序列进行 加扰 处 理 以使信源序列随机化 在接受端再把 加乱 了的序列 用同样的 M 序列 解扰 恢复原有的信源序列 在图像通信中 扰码可以很好地抑制静态图像的抖动 能使 数字传输系统对各种数字信息具有透明性 最后完成对 M 序列加扰解扰的仿真实验 完成毕业设计 预期成果及表现形式 预期成果及表现形式 设计严谨 功能完备 界面流畅 使用方便 扩充性强 易于维护 性能良好 安全可靠 主要参考资料等 主要参考资料等 1 Kenneth R Castleman 数字图像处理技术 M 北京电子工业出版社 1998 2 张辉 曹丽娜 现代通信原理与技术 西安电子科技大学出版社 2008 3 樊昌信等 通信原理 国防工业出版社 1995 年 10 月 4 肖国镇等 伪随机序列及其应用 国防工业出版社 1985 5 倪维桢 数据通信原理 M 中国人民大学出版社 1999 6 周炯 庞沁华 通信原理 M 北京邮电本学出版社 2002 7 周金萍 MATLAB 6 5 图像处理与应用实例 科学出版社 2003 完完 成成 期期 限 限 20052005 年年 6 6 月月 1010 日日 指指导导教教师师签签章章 专业负责人签章 专业负责人签章 M 序列加扰解扰仿真实验系统 II 年年 月月 日日 M 序列加扰解扰仿真实验系统 I M M 序列加扰解扰仿真实验系统序列加扰解扰仿真实验系统 摘 要 M 序列又叫做伪随机序列 伪噪声 PN 码或伪随机码 可以预先确定并且可以 重复实现的序列称为确定序列 既不能预先确定又不能重复实现的序列称为随机序 列 M 序列是目前广泛应用的一种伪随机序列 其在通信领域有着广泛的应用 如 扩频通信 卫星通信的码分多址 数字数据中的加密 加扰 同步 误码率测量等 领域 本文设计的是数字通信系统中扰码与解码电路 由于通常假设信源序列是随机 序列 而实际信源发出的序列不一定满足这个条件 特别是出现长 0 串时 给接受 端提取定时信号带来一定困难 解决这个问题可用 M 序列对信源序列进行 加扰 处理 以使信源序列随机化 在接受端再把 加乱 了的序列 用同样的 M 序列 解扰 恢复原有的信源序列 在图像通信中 扰码可以很好地抑制静态图像的抖 动 能使数字传输系统对各种数字信息具有透明性 关键词 M 序列 加扰 解扰 M 序列加扰解扰仿真实验系统 II DOCUMENT MANAGE SYSTEM BASED ON THE IWEBOFFICE MIDDLEWARE ABSTRACT M sequence is also called pseudo random sequence pseudo noise PN code or pseudo random code And can be repeated to achieve a predetermined sequence as determined sequence It can not achieve a predetermined sequence and can not repeat as random M series is widely used as a pseudo random sequence which are widely used in communications applications such as spread spectrum communications satellite communications CDMA digital data encryption scrambling synchronization bit error rate measurement and so on This paper describes the design of digital communication system code and decodes circuit as is usually assumed source sequence is random sequence The actual source of the letter sequences do not necessarily meet the conditions in particular there is a long string of 0 to accept the signal timing extraction bring certain difficulties Can be used to solve this problem sequence of M source sequence scrambling to deal with so that source of random sequences In then end adding to the confusion of the series with the same M sequence encryption and restore the original source sequence Image communication code can be used to inhibit the static image jitter enable digital transmission system for all digital information is transparent Key Words M Series Scrambling Descrambling M 序列加扰解扰仿真实验系统 1 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 2 1 1 课题研究背景 2 1 2 课题研究目的及意义 3 2 原理介绍 4 2 1 M 序列 4 2 1 1 M 序列的产生 4 2 1 2 M 序列的性能 6 2 2 加扰解扰在通信系统中的应用 8 2 3 仿真软件介绍 9 2 3 1 MATLAB 产生的历史背景 9 2 3 2 MATLAB 软件的语言特点 11 3 设计方案 12 3 1 扰码实现原理 13 3 2 解码实现原理 14 3 3 扰码解码实现电路 14 3 4 扰解码电路实验步骤 17 4 电路原理图仿真结果 19 项目总结 22 结束语 23 致 谢 24 参考文献 25 M 序列加扰解扰仿真实验系统 2 1 绪论 1 1 课题研究背景 在当今飞速发展的信息时代 随着数字通信技术和计算机技术的快速发展以及 通信网与计算机网络的相互融合 信息科学技术已经成为 21 世纪国际社会和世界发 展经济的新的强大推动力 信息作为一种资源 只有通过广泛的传播与交流 才能 产生利用价值 促进社会成员之间的合作 推动社会生产力的发展 创造出巨大的 经济效益 而信息的传播与交流 是依靠各种通信方式和技术来实现的 数字通信理论在设计通信系统时都是假设所传输的比特流中 0 与 1 出现 的概率是相等的 各为 50 实际应用中的通信系统以及其中的数字通信技术的设 计性能指标首先也是以这一假设为前提的 减少连 0 码或连 1 码以保证定时 恢复质量是数字基带传输中的一个重要问题 但传送码流经过编码处理后 可能会 在其中出现连续的 0 或连续的 1 这样一方面破坏了系统设计的前提 破坏了 传输信道的 0 码和 1 码的平衡 使得系统有可能会达不到设计的性能指标 另一方面在接收端进行信道解码前必须首先利用时钟恢复电路提取出线路时钟 线 路时钟的提取是利用传输码流 0 与 1 之间的波形跳变实现的 而连续的 0 或连续的 1 给线路时钟的提取带来了困难 为了保证在任何情况下进入传输信道 的数据码流中 0 与 1 的概率都能基本相等 传输系统会用一个伪随机序列对 输入的传送码流进行扰乱处理 讲二进制数字信息做 随机化 处理 变为伪随机 序列 也能限制连 0 码或连 1 码的长度 这种 随机化 处理通常称为 扰 码 伪随机序列是由一个标准的伪随机序列发生器生成的 其中 0 与 1 出现的 概率接近 50 由于二进制数值运算的特殊性质 用伪随机序列对输入的传送码流 进行扰乱后 无论原始传送码流是何种分布 扰乱后的数据码流中 0 与 1 的 出现概率都接近 50 扰乱虽然改变了原始传送码流 但这种扰乱是有规律的 因 而也是可以解除的 在接收端解除这种扰乱的过程称为解扰 完成扰码和解扰的电 路相应称为扰码器和解扰器 随着通信技术的日益成熟 越来越多的人掌握了通信 的基本原理 有些不法份子为了获得高额利润 不惜利用高科技来破坏正常通信 获取商业机密 从而获得巨大的经济效益 损害别人的利益 这就给通信带来了极 M 序列加扰解扰仿真实验系统 3 大的不便 为了能够解决这些问题 本文着重讨论了 M 序列加扰解绕的仿真系统 希望能给大家带来一定启发 1 2 课题研究目的及意义 20世纪90年代以来 国内经济飞速发展 人与人之间的关系也日益密切 我们 从传统的书信年代来到了以电和磁为主的信息时代 中国也日益强大 特别是在通 信行业 我们大步走进了信息时代 正在从2G时代向3G时代跨进 而数字基带信号 也越来越应用到现实生活中 其特性包括波形 码形和频谱 而我们研究的重点就 是如何设计基带传输总特性 以消除码间干扰和如何有效地减少信道加性噪声的影 响 以提高系统抗噪声性能 来自数据终端的原始数据信号 如计算机输出的二进 制序列 电传机输出的代码 或者是来自模拟信号经数字化出来后的PCM码组 M序 列等等都是数字信号 这些信号往往包含丰富的低频分量 甚至是直流分量 因此 称之为数字基带信号 在某些具有低通特性的有线信道中 特别是传输距离不太远 的情况下 数字基带信号可以直接传输 我们称之为数字基带传输 而大多数信道 如各种无线信道和光信道 则是带通型的 数字基带信号必须经过载波调制 把频 谱搬移到高载处才能在信道中传输 我们把这种传输成为数字频带传输 目前 虽然在实际应用场合 数字基带传输不如频带传输那样广泛 但对于基 带传输系统的研究仍是十分有意义的 一是因为在利用对称电缆构成的近程数据通 信系统广泛采用了这种传输方式 二是因为数字基带传输中包含频带传输的许多基 本问题 也就是说 基带传输系统的许多问题也是频带传输系统必须考虑的问题 三是因为任何一个采用线性调制的频带传输系统可等效为基带传输系统来研究 M 序列加扰解扰仿真实验系统 4 2 原理介绍 2 1 M 序列 伪随机码 也称伪噪声码 是一种可以预先确定并可以重复地产生和复制 又 具有随机统计特性的二进制码序列 早在20 世纪40年代末 仙农等人就建立了 噪 声通讯 理论 证明了具有白噪声统计特性的信号对充分利用信道的容量与信号的 功率 抗多路径干扰和测定距离等问题具有明显的优点 但当时只是限于理论上的 探讨 到了20世纪60年代中期 由于发展了一些易于产生 加工 复制 又具有白 噪声统计特性的伪随机码 噪声通讯理论才获得了许多实际应用 在深空通信场合 利用伪随机编码信号可以实现低信噪比接收 大大改善了通信的可靠性 且可实现 码分多址通信 此外 利用伪随机编码信号可以实现高性能的保密通信 伪随机码种类有许多 文中只讨论其中易于产生 应用广泛的 也是为全球定 位系统所采用的一种伪随机码M 序列 M 序列又叫做伪随机序列 伪噪声 PN 码或伪随机码 可以预先确定并且可以 重复实现的序列称为确定序列 既不能预先确定又不能重复实现的序列称为随机序 列 M 序列是目前广泛应用的一种伪随机序列 其在通信领域有着广泛的应用 如 扩频通信 卫星通信的码分多址 数字数据中的加密 加扰 同步 误码率测量等 领域 M序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称 它是最常用的一种伪随机序列 由行级串接的移位寄存器和反馈逻辑线路可组成动态移位寄存器 带线性反馈逻辑 的移位寄存器设定初始状态后 在时钟触发下 每次移位后各级寄存器状态会发生 变化 其中任何一级寄存器的输出 随着时钟节拍的推移都会产生一个序列 该序 列称为移位寄存器序列 2 1 1 M 序列的产生 扰码的目的是使短周期输入序列变为长周期的信道序列 从原则上看 就可以 用将一个长周期序列叠加在输入序列上的方法来实现 并且叠加序列的周期越长越 好 从理论上说 一个真正的随机 二进制 序列的 周期 是无限长的 但是 采用这种序列时在接收端将无法产生相同的序列与之同步 所以 人们就不得不企 图用简单电路来产生尽量长的序列 同时随机噪声在通信技术中 首先是作为有损 通信质量的因素受到人们重视的 信道中存在的随机噪声会使模拟信号产生失真 M 序列加扰解扰仿真实验系统 5 或使数字信号解调后出现误码 同时 它还是限制信道容量的一个重要因素 因此 最早人们是企图设计消除或减小通信系统的随机噪声 但是 有时人们也希望获得 随机噪声 例如 在实验室中对通信设备或系统进行测试时 有时要故意加入一定 的随机噪声 这时则需要产生它 20 世纪 40 年代末 随着通信理论的发展 仙农 Shannon 就曾指出 在某种 情况下 为了实现最有效的通信 应采用具有白噪声的统计特性的信号 另外 为 了实现高可靠的保密通信 也希望利用随机噪声 然而 利用随机噪声的最大困难 是它难以产生和处理 直到 60 年代 伪随机噪声的出现才使上述困难的到解决 伪随机噪声具有类是与随机噪声的一些统计特性 同时又便于重复产生和处理 由于它具有随机噪声的优点 又避免了它的缺点 因此获得了日益广泛的实际应用 目前广泛应用的伪随机噪声都是由数字电路产生的周期序列 即滤波等处理后 得 到的 今后我们将这种周期序列称为伪随机序列 通常产生伪随机序列的电路为一反馈移存器 他又可分为线性反馈移存器和非 线性反馈遗存器两类 由线性反馈遗存器产生出的周期最长的二进制数字序列 称 为最大长度线性反馈遗存器序列 通常简称为 m 序列 由于它的理论比较成熟 实 现比较简便 实际应用也比较广泛 故这里将重点讨论它 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 图 1 就是一个这样的电路 图中示出了 n 级移位寄存器 其 中有若干级经模 2 加法器反馈到第 1 级 不难看出 在任何一个时刻去观察移位寄 存器的状态 必然是个状态之一 其中每一状态代表一个 n 位的二进制数字 但 n 2 是 必须把全 0 排斥在外 因为如果一个进入全 0 不论反馈线多少或在哪些级 这种状态就不会再改变 所以 寄存器的状态可以是非全 0 的状态之一 这个12 n 电路的输出序列是从寄存器移出的 尽管移位寄存器的状态每一移位节拍改变一次 但无疑地是循环的 如果反馈线所分布的级次是恰当的 那么 移位寄存器的状态 必然各态历经后才会循环 这里所谓 各态历经 就是所有个状态都经过了 12 n 由此可见 应用 n 级移位寄存器所产生的序列的周期最长是 同时由于这种序12 n 列虽然是周期的 但当 n 足够大时周期可以很长 在一个周期内 0 和 1 的排列有很 多不同方式 对每一位来说是 0 还是 1 看来好像是随机的 所以又称为伪随机码 M 序列加扰解扰仿真实验系统 6 又因为它的某一些性质和随机噪声很相似 所以又称为伪噪声码 PN 码 1 n a 2 n a 1 a 0 a 输出 图 2 1 最长线性移位寄存序列的产生 要用 n 级移位寄存器来产生 m 序列 关键在于选择哪几级移位寄存器作为反馈 这里扼要陈述选择的方法 但不予证明 将移位寄存器用一个 n 阶的多项式表 xf 示 这个多项式的 0 次幂系数或常数为 1 其 k 次幂系数为 1 时代表第 k 级移位寄 存器有反馈线 否则无反馈线 注意这里的系数只能取 0 或 1 x 本生的取值并无实 际意义 也不需要去计算 x 的值 称为特征多项式 例如特征多项式 xf 对应于图 2 所示的电路 理论分析证明 当特征多项式是本 4 1 xxxf xf 原多项式时 与它对应的移位寄存器电路就能产生 M 序列 如果加 减法采用模 2 运算 那么 的倒量就代表所产生的 M 序列 这个序列各位的取值按 1 xf xg 自低至高的幂次的系数 所谓 本原多项式 即必须满足以下条件 xg xf 1 为既约的 即不能被 1 或它本身以外的其他多项式除尽 xf 2 当时 则 f x 能除尽 12 n q q x 1 3 当时 f x 不能除尽 12 n q q x 1 M 序列加扰解扰仿真实验系统 7 4 x 2 x 3 xx 输出 移位 图 2 2 M 序列的产生 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 2 1 中列出了一部分 本原多项式本原多项式 n代数式八进制数 字表示法 n代数式八进制数 字表示法 2 1 2 xx 714 1 61014 xxxx 42103 3 1 3 xx 1315 1 15 xx 100003 4 1 4 xx 2316 1 31216 xxxx 210013 5 1 25 xx 4517 1 317 xx 400011 6 1 6 xx 10318 1 718 xx 1000201 7 1 37 xx 21119 1 2519 xxxx 2000047 8 1 2348 xxxx 43520 1 320 xx 4000011 9 1 49 xx 102121 1 221 xx 10000005 10 1 310 xx 201122 1 22 xx 20000003 11 1 211 xx 400523 1 523 xx 40000041 12 1 4612 xxxx 1012324 1 2724 xxxx 100000207 13 1 3413 xxxx 2003325 1 325 xx 200000011 M 序列加扰解扰仿真实验系统 8 2 1 2 M 序列的性能 1 均衡性 在 M 序列的一个周期中 0 1 的数目基本相等 1 比 0 多一个 2 游程分布 游程 序列中取值相同的那些相继的元素合称为一个 游程 游程长度 游程中元素的个数 M 序列中 长度为 1 的游程占总游程数的一半 长度为 2 的游程占总游程的 1 4 长度为 k 的游程占总游程数的 k 2 且长度为 k 的游程中 连 0 与连 1 的游程数各占一半 3 移位相加特性 一个 M 序列 p M 与其经任意延迟移位产生的另一不同序列r M 模 2 相加 得到的 仍是 p M 的某次延迟移位序列 s M 即 srp MMM 如果将 M 序列的所有移位码组构成一个编码 则该编码一定是线性循环码 由 于线性循环码的特性可以得到上述的性质 4 自相关函数 周期函数 ts 的自相关函数定义为 2 2 0 0 0 1 T T dttsts T R 式中 0 T 是 ts 的周期 定义序列 21n xxxx 的自相关函数为 n i jii n i i jii i i n i xx n dtxx n dtjtsts n jR 11 1 0 1 0 1 0 11 1 0 0 0 0 n DA n xxxx jiji 的数目的数目 1 0 M 序列的自相关函数 由 M 序列的性质 移位相加后还是 M 序列 因此 0 的个数比 1 的个数少 1 个 M 序列加扰解扰仿真实验系统 9 所以 当 ij 时 n jR 1 n jR 1 1 1 2 1 0 nj j 连续的表示 p ipTiTiT T p R 1 2 1 0 0 1 1 000 0 5 功率谱密度 对上述自相关函数进行傅立叶变换 得到 M 序列的功率谱密度 0 2 0 2 0 0 2 1 2 2 sin 1 n n s pT n pT pT p p P 当 00 TmT 可以看到 M 序列的噪声功率谱密度为近似白噪声功率谱 6 伪噪声特性 如果我们对一个正态的白噪声进行采样 若取样值为 则记为 1 为 记为 0 则构成一个随机序列 该随机序列有如下性质 1 序列中 0 1 个数出现概率相等 2 序列中长度为 1 的游程占 1 2 长度为 2 的游程占 1 4 且长度为 k 的 游程中 0 游程与 1 游程个数相同 3 该序列的噪声功率谱为常数 可见 M 序列的性质与随机噪声相似 因此称为伪随机序列 2 2 加扰解扰在通信系统中的应用 在通信系统中 经过信源编码和系统复接后生成的传送码流 通常需要通过某 种传输媒介才能到达接收机 传输媒介统称为传输信道 通常情况下 编码码流是 不能或不适合直接通过传输信道进行传输的 必须经过某种处理 使之变成适合在 规定信道中传输的形式 在通信原理上 这种处理称为信道编码 与信源编码相对 应 实现信道编码的系统称为传输系统 在工程应用中 信道编码过程一般被分 为两环节 负责传输误码的检测和校正的环节称为信道编解码 负责信号变换和频 M 序列加扰解扰仿真实验系统 10 带搬移的环节称为调制解调 一个实际的数字传输系统至少要包括上述两个环节中 的一个环节 未经调制的电脉冲信号所占据的频带宽度通常从直流和低频开始 因而称为数 字基带信号 直接传送数字基带信号 称为数字信号的基带传输 如果把调制与解 调过程看作是广义信道的一部分 则任何数字传输系统均可等效为基带传输系统 不同形式的数字基带信号具有不同的频谱结构 对于传输频带低端受限的信道来说 一般讲线路传输码型的频谱中应不含直流分量 传输线路中的交流耦合电路结构也 希望所含的直流分量尽量小 数字通信理论在设计通信系统时都是假设所传输的比特流中 0 与 1 出现 的概率是相等的 各为 50 实际应用中的通信系统以及其中的数字通信技术的设 计性能指标首先也是以这一假设为前提的 减少连 0 码或连 1 码以保证定时 恢复质量是数字基带传输中的一个重要问题 但传送码流经过编码处理后 可能会 在其中出现连续的 0 或连续的 1 这样一方面破坏了系统设计的前提 破坏 了传输信道的 0 码和 1 码的平衡 使得系统有可能会达不到设计的性能指标 另一方面在接收端进行信道解码前必须首先利用时钟恢复电路提取出线路时钟 线 路时钟的提取是利用传输码流 0 与 1 之间的波形跳变实现的 而连续的 0 或连续的 1 给线路时钟的提取带来了困难 为了保证在任何情况下进入传输信道 的数据码流中 0 与 1 的概率都能基本相等 传输系统会用一个伪随机序列对 输入的传送码流进行扰乱处理 讲二进制数字信息做 随机化 处理 变为伪随机 序列 也能限制连 0 码或连 1 码的长度 这种 随机化 处理通常称为 扰 码 从更广泛的意义上来说 扰码能使数字传输系统 不论是基带或带通传输 对 各种数字信息具有透明性 这不但因为扰码能改善位定时恢复的质量 还因为扰码 能使信号频谱弥散而保持稳恒 相当于将数字信号的功率谱拓展 使其分散开了 因此扰乱过程又被称为 能量分散 过程 伪随机序列是由一个标准的伪随机序列发生器生成的 其中 0 与 1 出现 的概率接近 50 由于二进制数值运算的特殊性质 用伪随机序列对输入的传送码 流进行扰乱后 无论原始传送码流是何种分布 扰乱后的数据码流中 0 与 1 的出现概率都接近 50 扰乱虽然改变了原始传送码流 但这种扰乱是有规律的 M 序列加扰解扰仿真实验系统 11 因而也是可以解除的 在接收端解除这种扰乱的过程称为解扰 完成扰码和解扰的 电路相应称为扰码器和解扰器 当输入二进制信息码全部为全 0 码时扰码器实际上就是一个 m 序列伪随机码发 生器 M 序列是最常用的一种伪随机序列 它是最长线性反馈移位寄存器序列的简 称 每个 M 序列都有其特征多项式 如果 M 序列由 n 级移位寄存器构成 那么它的 特征多项式必须是 n 次的本原多项式 2 3 仿真软件介绍 2 3 1 MATLAB 产生的历史背景 在 20 世纪 70 年代中期 Cleve Moler 博士和其同事在美国国家科学基金的资 助下开发了调用 EISPACK 和 LINPACK 的 FORTRAN 子程序库 EISPACK 是特征值求解 的 FORTRAN 程序库 LINPACK 是解线性方程的程序库 在当时 这两个程序库代表 矩阵运算的最高水平 到 20 世纪 70 年代后期 身为美国 New Mexico 大学计算机系系主任的 Clev e Moler 在给学生讲授线性代数课程时 想教学生使用 EISPACK 和 LINPACK 程序库 但他发现学生用 FORTRAN 编写接口程序很费时间 于是他开始自己动手 利用业余 时间为学生编写 EISPACK 和 LINPACK 的接口程序 Cleve Moler 给这个接口程序取 名为 MATLAB 该名为矩阵 matrix 和实验室 laboratory 两个英文单词的前三 个字母的组合 在以后的数年里 MATLAB 在多所大学里作为教学辅助软件使用 并 作为面向大众的免费软件广为流传 1983年春天 Cleve Moler到Stanford大学讲学 MATLAB深深地吸引了工程师 John Little John Little敏锐地觉察到MATLAB在工程领域的广阔前景 同年 他 和 Cleve Moler Sieve Bangert一起 用C语言开发了第二代专业版 这一代的 MATLAB语言同时具备了数值计算和数据图示化的功能 1984年 Cleve Moler和 John Lithe成立了MathWorks公司 正式把MATLAB推向 市场 并继续进行MATLAB的研究和开发 在当今30多个数学类科技应用软件中 就软件数学处理的原始内核而言 可分 为两大类 一类是数值计算型软件 如 MATLAB Xmath Gauss等 这类软件长于数 值计算 对处理大批数据效率高 另一类是数学分析型软件 如 Mathematica Maple等 这类软件以符号计算见长 能给出解析解和任意精度解 M 序列加扰解扰仿真实验系统 12 其缺点是处理大量数据时效率较低 MathWorks公司顺应多功能需求之潮流 在其卓 越数值计算和图示能力的基础上 又率先在专业水平上开拓了其符号计算 文字处 理 可视化建模和实时控制能力 开发了适合多学科 多部门要求的新一代科技应 用软件MATLAB 经过多年的国际竞争 MATLAB 已经占据了数值型软件市场的主导地 位 在 MATLAB 进入市场前 国际上的许多应用软件包都是直接以 FORTRAN 和 C 语言 等编程语言开发的 这种软件的缺点是使用面窄 接口简陋 程序结构不开放以及 没有标准的基库 很难适应各学科的最新发展 因而很难推广 MATLAB 的出现 为 各国科学家开发学科软件提供了新的基础 在 MATLAB 问世不久的 20 世纪 80 年代中 期 原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在 MATLAB 上重建 时至今日 经过 Math Works 公司的不断完善 MATLAB 已经发展成为适合多学 科 多种工作平台的功能强劲的大型软件 在国外 MATLAB 已经经受了多年考验 在欧美等高校 MATLAB 已经成为线性代数 自动控制理论 数理统计 数字信号处 理 时间序列分析 动态系统仿真等高级课程的基本教学工具 成为攻读学位的大 学生 硕士生 博士生必须掌握的基本技能 在设计研究单位和工业部门 MATLAB 被广泛用于科学研究和解决各种具体问题 2 3 2 MATLAB 软件的语言特点 一种语言之所以能如此迅速地普及 显示出如此旺盛的生命力 是由于它有着 不同于其他语言的特点 正如同FORTRAN和C等高级语言使人们摆脱了需要直接对计 算机硬件资源进行操作一样 被称作为第四代计算机语言的MATLAB 利用其丰富的 函数资源 使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来 MATLAB的最突出的特点就是 简洁 MATLAB用更直观的 符合人们思维习惯的代码 代替了C和FORTRAN语言的冗 长代码 MATLAB给用户带来的是最直观 最简洁的程序开发环境 以下简单介绍一 下MATLAB的主要特点 语言简洁紧凑 使用方便灵活 库函数极其丰富 MATLAB程序书写形式自由 利用其丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务 压缩了一切不必要的编程工作 由于库函数都由本领域的专家编写 用户不必担心函数的可靠性 可以说 用 MATLAB进行科技开发是站在专家的肩膀上 具有 FORTRAN 和 C 等高级计算机语言知识的读者可能已经注意到 如果用 M 序列加扰解扰仿真实验系统 13 FORTRAN 或 C 语言去编写程序 尤其当涉及矩阵运算和画图时 编程会很麻烦 例 如 如果用户想求解一个线性代数方程 就得编写一个程序块读入数据 然后再使 用一种求解线性方程的算法 例如追赶法 编写一个程序块来求解方程 最后再输 出计算结果 在求解过程中 最麻烦的要算第二部分 解线性方程的麻烦在于要对 矩阵的元素作循环 选择稳定的算法以及代码的调试都不容易 即使有部分源代码 用户也会感到麻烦 且不能保证运算的稳定性 解线性方程的程序用 FORTRAN 和 C 这样的高级语言编写至少需要好几十行 再如用双步 QR 方法求解矩阵特征值 如果 用 FORTRAN 编写 至少需要四百多行 调试这种几百行的计算程序可以说很困难 以下为用 MATLAB 编写以上两个小程序的具体过程 运算符丰富 由于MATLAB是用C语言编写的 MATLAB提供了和C语言几乎一样 多的运算符 灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短 具体运算符见附表 MATLAB既具有结构化的控制语句 如for循环 while循环 break语句和if语 句 又有面向对象编程的特性 语法限制不严格 程序设计自由度大 例如 在MATLAB里 用户无需对矩阵 预定义就可使用 程序的可移植性很好 基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系 统上运行 MATLAB的图形功能强大 在FORTRAN和C语言里 绘图都很不容易 但在 MATLAB里 数据的可视化非常简单 MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力 MATLAB的缺点是 它和其他高级程序相比 程序的执行速度较慢 由于 MATLAB的程序不用编译等预处理 也不生成可执行文件 程序为解释执行 所以速 度较慢 功能强劲的工具箱是MATLAB的另一重大特色 MATLAB包含两个部分 核心部 分和各种可选的工具箱 核心部分中有数百个核心内部函数 其工具箱又可分为两 类 功能性工具箱和学科性工具箱 功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能 图示建模仿真功能 文字处理功能以及与硬件实时交互功能 功能性工具箱能用于 多种学科 而学科性工具箱是专业性比较强的 如control toolbox signal processing toolbox communication toolbox等 这些工具箱都是由该领域内的学 术水平很高的专家编写的 所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序 而直接 M 序列加扰解扰仿真实验系统 14 进行高 精 尖的研究 下表列出了MATLAB的核心部分及其工具箱等产品系列的主 要应用领域 3 设计方案 M 序列本征多项式G x x7 x4 1 在实际光纤通信设备中 为避免 M 序列发生 器处于 闭锁 状态 即当输入序列为全 0 码时 移位寄存器各级的起始状态也 恰好是 0 使输出序列也变成全 0 或当输入序列为全 1 码时 移位寄存 器各级的起始状态也恰好是 1 使输出序列也变成全 1 因此 在扰码器中 加入有各级移位寄存器状态监视电路 当发生特殊状态时 能自动补入一个 1 或 一个 0 码 改变这种状态 当然 在解扰码器电路中也应通过电路扣除这个补入 码 应该指出 采用扰码技术会带来误码扩散 即在信道传输中出现一个误码时 在还原后的序列中会出现多个误码 使信道误码率增加 在误码率不高时 误码扩 散数近似扰码器所对应的模二加算式的项数 因此 为减少误码扩散 应尽量减少 m 序列产生器的反馈抽头数 加扰器的作用是在发端将传送的数据序列按照某种规律变换为长周期的 且 0 1 等概率 前后独立的随机序列 解扰器就是按照发端的规则进行相应的 逆变来恢复原始信息 图3 1 加扰器 M 序列加扰解扰仿真实验系统 15 图3 2 解扰器 3 1 扰码实现原理 在数字通信中 如果数据信息连 0 码或连 1 码过长将会影响接收端 位定时恢复质量 造成抽样判决时刻发生变化 对系统误码率的产生影响 也就是 说 数字通信系统的性能变化与数据源的统计特性有关 采用有冗余的传输编码可 消除数据源一部分信息模式对系统性能的影响 但这是要以增加传输符号速率为代 价 在实际中 常使用扰码器将数据源变换成近似于白噪声的数据序列 增加定时 的同步信息 消除信息模式对系统误码的影响 在通信中扰码技术的采用保证了对信息的透明性 即在发端扰码的加入 在接 收端可以从加扰的码流中恢复出原始的数据流 而对输入信息的模式无特殊要求 常用扰码器的实现可采用 M 序列进行 扰码器是在发端使用移位寄存器产生M序列 然后将信息序列与M序列作模二加 其输出即为加扰的随机序列 一般扰码器的结构图2 3所示 图2 3 扰码器组成结构图 M 序列加扰解扰仿真实验系统 16 3 2 解码实现原理 解扰器 也称去扰器 是在接收机端使用相同的扰码序列与收到的被扰信息模 二加 将原信息得到恢 其结构如图 2 4 示 图2 4 解码器组成原理 3 3 扰码解码实现电路 输出的发送数据 2 048Mbps 当 K801 设置在 m 位置时 下端 输入 信号来自本地的特殊测试码序列 该测试码序列用于对加扰器的性能测量 其测试 码序列格式受 m 序列选择跳线开关 K802 的 m Sel0 m Sel1 控制 跳线器状态与输 出的测试码序列件表 3 1 所示 表 3 1 跳线器 K802 与产生输出数据信号 选项K802 设置状态 Hm SEL0 Hm SEL1 输出序列全 1 码0 1 码00 11 码 1110010 自 5B6B 译码模块 输出的发送数据 2 048Mbps 当 K803 设置在 DT 位置 时 下端 输入信号直接来自发端的 扰码模块 输出的发送数据 2 048Mbps 此时电路模块构成自环工作方式 输入时钟选择跳线开关 K804 用于选择解扰电路 M 序列加扰解扰仿真实验系统 17 的工作时钟 当解扰电路的输入数据来自 CMI 译码模块 和 5B6B 译码模块 时 K804 应设置在 CLKR 位置 左端 该时钟与 CMI 和 5B6B 译码模块送来的数据同步 当构成自环测试时 K803 设置在 DT 位置 K804 应设置在 CLKT 位置 右端 该 时钟来自发送端电路 图 3 1 加扰模块组成原理 加扰模块内各测试点的安排如下 TP801 输入数据 2 048Mbps TP802 输入时钟 2 048Mbps TP803 加扰输出 2 048Mbps 图 3 2 解绕模块组成原理 M 序列加扰解扰仿真实验系统 18 解扰模块内各测试点的安排如下 TP804 输入数据 2 048Mbps TP805 输入时钟 2 048Mbps TP806 加扰输出 2 048Mbps 图 3 3 加扰模块解绕模块组成的原理图 3 4 扰解码电路实验步骤 1 扰码序列测试 1 首先将 加扰模块 中输入数据选择跳线开关 K801 设置在 m 位置 下端 使输入信号来自本地的特殊测试码序列 将 m 序列选择跳线开关 K802 的 m Sel0 m Sel1 拔掉 产生全 1 码数据输出 2 用示波器同时测量输入数据和加扰数据测试点 TP801 TP803 的波形 测量 时 TP803 点信号做示波器同步触发信号 调整合适的示波器时基 10 S DIV 和 M 序列加扰解扰仿真实验系统 19 触发电平 使在示波器上观测到稳定的周期波形 用时基乘 10 倍 或乘 5 扩展 挡展开波形 读取并画下测量波形 3 将 m Sel0 m Sel1 设置在不同状态 观测并分析测试结果是否满足扰码 关系 2 0 状态现象观测 1 用示波器同时测量输入数据和加扰数据测试点 TP801 TP803 的波形 测量 时 TP803 点信号做示波器同步触发信号 2 输入数据选择跳线开关 K801 拔下 使输入数据为 0 关机后再开机 观测 TP803 点信号的变化 3 自行设计一个消除 0 状态的电路 3 解扰数据测试 1 将 解扰模块 中输入数据选择跳线开关 K803 设置在 自环 位置 下 端 输入信号直接来自发端的 加扰模块 输出的发送数据 2 048Mbps 输入 时钟选择 K804 对应设置在 自环 位置 右端 该时钟来自发送端电路 此时 加扰模块 和 解扰模块 构成自环工作方式 2 用示波器同时测量 加扰模块 输入数据和 解扰模块 解扰输出数据测 试点 TP801 TP806 的波形 测量时 TP801 点信号做示波器同步触发信号 3 将 m Sel0 m Sel1 设置在不同状态 观测加扰和解扰电路是否正常工作 M 序列加扰解扰仿真实验系统 20 4 电路原理图仿真结果 之前在本科学习过程中曾经用到过 MATLAB 软件 但是不是很精通 这次的实验 仿真又给了我一次学习该软件的机会 经过自己的查阅资料和康文军同学的帮助 我终于完成了仿真实验 源程序代码如下 M 序列加扰解扰源代码 clear clc 产生一 m 序列 其特征多相式 1 x 4 x 7 Np 254 初始化 m 序列的长度 a 1 1 a 2 0 a 3 0 a 4 0 a 5 0 a 6 0 a 7 0 for i 8 Np 根据 m 序列特征式计算 m 序列的其余项 a i xor a i 4 a i 7 end 产生一加扰序列 c k 满足 c k a k c k 4 c k 7 Nq Np 初始化加扰序列的长度 c 1 1 c 2 0 c 3 0 c 4 0 M 序列加扰解扰仿真实验系统 21 c 5 1 c 6 0 c 7 0 for n 8 Nq 计算加扰序列的其余项 c n xor c n 4 c n 7 c n xor c n a n end