《通信原理》课程设计伪随机序列的产生及应用设计

武汉理工大学通信原理课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电信0801 指导教师： 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、进行系统仿真，调试并完成符合要求的课程设计说明书。时间安排： 二十二周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录摘要I1理论基础知识11.1伪随机序列11.1.1伪随机序列定义及应用.11.1.2 m序列产生器21.2芯片介绍41.2.1移位寄存器74LS194.41.2.2移位寄存器74LS16451.2.3 D/A转换器DAC080862 EWB软件介绍83设计方案94 EWB仿真115电路的安装焊接与调试136课程设计心得体会14参考文献15附录116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，特别是作为扩频码在CDMA系统中的应用已成为其中的关键问题。此次课设根据m序列的产生原理，利用74LS164加少量门电路方法设计了8位m序列发生器。关键词： 伪随机序列 m序列 移位寄存器 D/A转换 EWB仿真 1理论基础知识1.1伪随机序列1.1.1伪随机序列定义及应用如果一个序列，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。因此可以说，伪随机序列是具有某种随机特性的确定的序列。它们是由移位寄存器产生确定序列，然而他们却具有某种随机序列的随机特性。因为同样具有随机特性，无法从一个已经产生的序列的特性中判断是真随机序列还是伪随机序列，只能根据序列的产生办法来判断。伪随机序列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，特别是作为扩频码在CDMA系统中的应用已成为其中的关键问题。伪随机序列的特点：（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）在每个周期内，长度为n的游程出现的次数比长度为n+1的游程次数多1（3）随机序列的自相关类似于白噪声自相关函数的性质伪随机序列的应用及其意义：（1）在通信加密中的应用 m序列自相关性较好，容易产生和复制，而且具有伪随机性，利用m序列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，以达到在信号传输的过程中隐藏信息的目的；在信号接收端，再次利用m序列加以解密，恢复出原始信号。（2）在雷达信号设计中的应用 近年兴起的扩展频谱雷达所采用的信号是已调制的具有类似噪声性质的伪随机序列，它具有很高的距离分辨力和速度分辨力。这种雷达的接收机采用相关解调的方式工作，能够在低信噪比的条件下工作，同时具有很强的抗干扰能力。该型雷达实质上是一种连续波雷达，具有低截获概率性，是一种体制新、性能高、适应现代高技术战争需要的雷达。采用伪随机序列作为发射信号的雷达系统具有许多突出的优点。首先，它是一种连续波雷达，可以较好地利用发射机的功率。其次，它在一定的信噪比时，能够达到很好的测量精度，保证测量的单值性，比单脉冲雷达具有更高的距离分辨力和速度分辨力。最后，它具有较强的抗干扰能力，敌方要干扰这种宽带雷达信号，将比干扰普通的雷达信号困难得多。（3）在通信系统中的应用 伪随机序列是一种貌似随机，实际上是有规律的周期性二进制序列，具有类似噪声序列的性质，在CDMA中，地址码都是从伪随机序列中选取的，在CDMA中使用一种最易实现的伪随机序列：m序列，利用m序列不同相位来区分不同用户；为了数据安全，在CDMA的寻呼信道和正向业务信道中使用了数据掩码（即数据扰乱）技术，其方法是用长度为2的42次方减1的m序列用于对业务信道进行扰码（注意不是扩频），它在分组交织器输出的调制字符上进行，通过交织器输出字符与长码PN码片的二进制模工相加而完成。1.1.2 m序列产生器通常产生伪随机序列的电路为一反馈移存器。它又可分为线性反馈移存器和非线性反馈移存器两类。由线性反馈移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移存器序列，通常称为m序列，即此次课设中产生的伪随机序列。图1-1就是一个m序列产生电路。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。由此可见，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；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）。输出图1-1 m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。将移位寄存器用一个n阶的多项式表示，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本身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。所谓“本原多项式”，即必须满足以下条件：（1）为既约的，即不能被1或它本身以外的其他多项式除尽；（2）当时，则f(x)能除尽；（3）当时，f(x)不能除尽。理论分析证明：当特征多项式是本原多项式时，与它对应的移位寄存器电路就能产生m序列，由此可见，只要找到了本原多项式，就能由它构成m序列产生器。表1-1给出了常用本原多项式的列表。表 1-1 常用本原多项式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2711400531312101234231320033545144210361031510000372111621001384351740001191021181000201102011192000047例如特征多项式，对应于图2所示的电路。输出移位 图1-2 m序列的产生本次课设任务中要求产生8位伪随机序列，即要求用一个8级反馈移存器产生m序列。由表1-1可以查到，对于一个8级反馈移存器，要产生m序列，其本原多项式为，则在设计电路的时候需要将Q2与Q3异或结果再与Q4异或然后再与Q8异或再送入移位寄存器的输入。1.2芯片介绍1.2.1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1-3 74LS194引脚排列图74LS194为双向通用移位寄存器，其引脚排列如图1-3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1-1所示。表1-1 74LS194功能表 输入 输出 功能说明 0 1 1 1 1 1 1 × × × 0 1 0 1 1 0 1 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。1.2.2移位寄存器74LS16474LS164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QAQH。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1-4所示：图1-4 74LS164引脚排列图其功能表如表1-2所示：表1-2 74LS164功能表1.2.3 D/A转换器DAC0808DAC0808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1-5所示。其中D0D7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1-5 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RF，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28=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。2 EWB软件介绍EWB软件是交互图像技术有限公司在九十年代初推出的EDA软件，相对其它EDA软件而言，它只有16M，功能也比较单一，就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真，但它的仿真功能十分强大，可以几乎100地仿真出真实电路的结果，而且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具，它的器件库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片，器件库中没有的元器件，还可以由外部模块导入，它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，许多电路你无需动用烙铁就可得知它的结果，而且若想更换元器件或改变元器件参数，只需点点鼠标即可。EWB的兼容性也较好，其文件格式可以导出成能被ORCAD或PROTEL读取的格式。EWB是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为Electronics Workbench。EWB以SPICE3F5为软件核心，增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能。SPICE自1972年使用以来，已经成为模拟集成电路设计的标准软件。EWB建立在SPICE基础上，它具有以下突出的特点：（1）采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；（2）仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。（5）EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器的测量方法。3设计方案本次课程设计运用了两个方案，一个方案采用两片74LS194构成八位移位寄存器，另外一个方案采用一片74LS164构成八位移位寄存器。方案一： 采用两片74LS194构成八位移位寄存器，其电路原理图如图3-1所示。图3-1 方案一伪随机码电路原理图方案二： 采用一片74LS164构成八位移位寄存器，其原理电路图如图3-2所示。图3-2 方案二伪随机码电路原理图4 EWB仿真由于两种方案的仿真过程和结果是一样的，这里将只对方案二的仿真进行说明。在EWB仿真软件中画出图2-2的整体电路图，其中，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，观察QH的波形和D/A转换器的输出波形。QH的波形如图4-1所示。此序列即为通过反馈移存器产生的8位伪随机序列。图4-1 QH的仿真波形D/A转换器的输出波形如图4-2所示，此波形就是伪随机序列的模拟值。图4-2 D/A转换器输出波形5电路的安装焊接与调试（1）电路的安装焊接手工焊接的基本操作方法：焊前准备：准备好电烙铁以及镊子、剪刀、斜口钳、尖嘴钳、焊料、焊剂等工具，将电烙铁及焊件搪锡，左手握焊料，右手握电烙铁，保持随时可焊状态。用烙铁加热备焊件。送入焊料，熔化适量焊料。移开焊料。当焊料流动覆盖焊接点，迅速移开电烙铁。掌握好焊接的温度和时间。在焊接时，要有足够的热量和温度。如温度过低，焊锡流动性差，很容易凝固，形成虚焊；如温度过高，将使焊锡流淌，焊点不易存锡，焊剂分解速度加快，使金属表面加速氧化，并导致印制电路板上的焊盘脱落。尤其在使用天然松香作助焊剂时，锡焊温度过高，很易氧化脱皮而产生炭化，造成虚焊。按照手工焊接的基本操作方法进行焊接，将各个原器件按照要求都焊接在面包板上，完成器件的安装与焊接。（2）电路的调试将焊接好的电路进行调试。接通电路电源，将Q8点输出接到示波器，观察Q8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256，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。6课程设计心得体会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。在整整一个星期课设的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。之前伪随机序列这一章老师在课堂上并没有讲解，所以在做课程设计之前，我们认真而仔细的看了一遍通信原理的课本。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，我们直接购买的是两片74LS194，从而构成一个8级反馈移存器。其实在购买原件的时候，有好多原件并没有买到，于是我们就进一步思考，并在卖家的建议下，将原先没有买到的器件换成相应的有类似功能与引脚的芯片，在元器件选择与更换的过程中又进一步加深了我们对电路的理解。并且熟悉了相关芯片的型号与功能，这对以后其他的电路设计也是一个帮助。在电路仿真方面，我们采用EWB软件仿真，虽然以前也用过这个软件，但是这次使我在软件的使用上更加的娴熟。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。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。在设计中遇到了很多问题，但最后经过自己的努力完成了这次课设。这让我明白了只要有恒心，有耐心，就可以达到自己的目标，完成任务！参考文献1 伍时和主编. 数字电子技术基础. 清华大学出版社，2009.42 樊昌信、徐炳祥等主编. 通信原理. 国防工业出版社，2007.53 祁存荣主编. 电子技术基础数字部分实验指导书. 武汉理工大学出版社，2009.74 李良荣主编. EWB9电子设计技术. 机械工业出版社，2007.85 钟文耀、段玉生等主编. EWB电路设计入门与应用. 清华大学出版社，2001.16 张金等主编. 电子设计与制作100例. 电子工业出版社，2009.10 附录1：元器件清单序列号名称型号数量1移位寄存器74LS19622运算放大器LF3511 3数模转换DAC080814电阻5.125电阻22K1 6电阻100K17电阻20042 8电容10uF19电容0.01uF110单刀双掷开关320