基于74h175的gold偽隨機序列發(fā)生器設計【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p><b>　　( 屆)</b></p><p>　　論文題目 基于74H175的Gold偽隨機序列發(fā)生器設計</p><p>　　(英文) Design of Gold pseudo-random </p><p>　　sequence generator

2、based on 74HC175</p><p>　　所在學院 電子信息學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子信息工程 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱

3、 </p><p>　　完成日期 年 月 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　Gold序列是R·Gold提出的一種基于m序列的碼序列，這種序列有較優(yōu)良的自相關和互相關特性，構造簡單，產生的序列數多，因而獲得了廣泛的應用。首先利用Matlab仿真工具分別對m序

4、列和Gold序列這兩種常用的偽隨機序列的生成過程、隨機特性以及相關特性進行了研究，并分析它們的優(yōu)點以及存在的問題，然后利用Matlab仿真軟件對生成Gold序列的優(yōu)選對和Gold序列的平衡性進行仿真研究，得到了31位m序列的所有優(yōu)選對和優(yōu)選對對應的平衡Gold。最后設計硬件電路產生Gold碼，碼元速率2400b/s，信號幅度在100mv-5v范圍內可調。</p><p>　　關鍵詞：偽隨機序列；Gold序列；74

5、LS175</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Gold sequence is put forward by the R·Gold based on m sequence of codes sequence, this series has the good autocorrelation and each other

6、 off characteristics, simple structure, and the resulting sequence number, thereby get a wide range of applications. First use of Matlab simulation tools to m sequence and respectively Gold sequence the two commonly used

7、 pseudo random sequence, the generation of random characteristics and related properties, and analyzes their advantages and existing problems, </p><p>　　Key Words: Pseudo-random sequence; Gold sequences;74LS

8、175目 錄</p><p><b>　　1引言1</b></p><p>　　2Gold序列產生原理2</p><p>　　2.1 偽隨機序列相關概念2</p><p>　　2.2 m序列生成方法3</p><p>　　2.2.1m序列產生原理3</p><p

9、>　　2.2.2 m序列性質6</p><p>　　2.3 Gold序列生成方法8</p><p>　　2.3.1 m序列優(yōu)選對8</p><p>　　2.3.2 Gold序列的產生結構11</p><p>　　2.3.3 Gold碼性質12</p><p>　　2.3.4 平衡Gold碼12<

10、/p><p><b>　　3硬件設計14</b></p><p>　　3.1 時鐘電路模塊14</p><p>　　3.1.1 時鐘電路14</p><p>　　3.1.2 分頻電路15</p><p>　　3.2 m序列發(fā)生器模塊18</p><p>　　3.2.

11、1反饋移位寄存器構造18</p><p>　　3.2.2 m序列發(fā)生器20</p><p>　　3.3 Gold序列發(fā)生器模塊21</p><p>　　3.4 幅度調節(jié)電路模塊23</p><p>　　4制作和調試24</p><p><b>　　5　結論27</b></p&

12、gt;<p><b>　　致謝28</b></p><p><b>　　參考文獻29</b></p><p>　　附錄1 系統(tǒng)實物圖30</p><p>　　附錄2 畢業(yè)設計作品說明書31</p><p><b>　　引言</b></p>

13、<p>　　偽隨機序列作為擴頻通信系統(tǒng)的一部分是十分關鍵的，它關系到擴頻系統(tǒng)的性能。四十年代末，信息論的奠基人香農(C.E.Shannon)提出的編碼定理指出：只要信息速率Rb小于信道容量C，則總可以找到某種編碼方法，在碼周期相當長的條件下，能夠幾乎無差錯的從收到高斯噪聲干擾的信號中復制出原發(fā)信息。這里有兩個條件，一是，二是編碼的碼周期足夠長。同時香農在證明編碼定理的時候，提出用具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號來編碼。白噪聲是一種隨

14、機過程，它的瞬時值服從正態(tài)分布，功率譜在很寬頻帶內都是均勻的。但是至今無法實現對白噪聲放大、調制、檢測、同步及控制等，而只能用具有類似于限帶白噪聲統(tǒng)計特性的偽隨機序列信號來逼近它，并作為擴頻系統(tǒng)的擴頻碼[1]。</p><p>　　六十年代末，一些易于產生、加工和復制且具有白噪聲性質的“偽噪聲編碼技術”日趨成熟，因此高效抗干擾編碼通信變得蓬勃發(fā)展起來。同時用各種不同波形的正交碼來實現波形分割的碼分多址通信也相繼出

15、現，實現了無線用戶的隨意呼叫通信。這種技術在地面多址通信和衛(wèi)星通信中都可采用。由于碼分多址通信有抗干擾性能強和一定程度的保密性等一系列優(yōu)點，所以首先引起國防軍事通信部國防軍事通信部門的注意，并出現了一些軍用戰(zhàn)略衛(wèi)星通信的碼分系統(tǒng)和超短波戰(zhàn)術通信的碼分系統(tǒng)。民用通信方面，也相繼出現一些具體的方案[2]。</p><p>　　現代科學中常用的偽隨機序列有m序列、Gold序列、M序列、Walsh序列以及R-S序列等。m

16、序列是一種重要的偽隨機序列。m 序列有尖銳的自相關特性，有較小的互相關值，碼元基本平衡。由于其容易產生、規(guī)律性強，而且具有許多優(yōu)良的性能，因此是最早得到廣泛應用的。但是m序列數目不多，復雜度不大。Gold 序列是在m 序列的基礎上產生的。它的自相關旁瓣和互相關值與m 序列優(yōu)選對的互相關值一樣，但序列的數目大大增加，復雜度也有所改善[3]，因此Gold得到了廣泛應用。</p><p>　　Gold序列產生原理<

17、;/p><p>　　m序列雖然性能優(yōu)良，但同樣長度的m序列個數不多，且序列之間的互相關值并不都好。R·Gold提出了一種基于m序列的碼序列，稱為Gold 碼序列。</p><p>　　m序列優(yōu)選對的兩個n次本原多項式乘積構成的新序列為Gold序列，或m序列優(yōu)選對的兩個本原多項式所產生序列的移位模2和新序列也叫做Gold序列。隨著級數n的增加，Gold碼序列的數量遠超過同級數的m序列的

18、數量，且Gold碼序列具有良好的自相關特性和互相關特性，得到了廣泛的應用[3]。 </p><p>　　2.1 偽隨機序列相關概念</p><p>　　偽隨機序列是具有某種隨機特性的確定的序列。它們是由移位寄存器產生的確定序列，然而他們卻具有某種隨機序列的隨機特性。因為同樣具有隨機特性，無法從一個已經產生的序列的特性中判斷是真隨機序列還是偽隨機序列，只能根據序列的產生辦法來判斷。偽隨機序列

19、系列具有良好的隨機性和接近于白噪聲的相關函數，并具有預先可確定性和可重復性。這些特性使得偽隨機序列得到了廣泛的應用，特別在CDMA系統(tǒng)中作為擴頻碼已成為CDMA技術中的關鍵問題[4]。</p><p>　　偽隨機序列(偽隨機碼)的一般定義是：如果一個序列，一方面它的結構(或形式)是可以預先確定的，并且是可以重復地產生和復制的；另一方面它又有某種隨機序列的隨機特性(即統(tǒng)計特性)，我們稱這種序列為偽隨機序列(偽隨機碼

20、)。偽隨機序列雖然只有兩個電平，但卻具有類似白噪聲的相關特性，只是幅度概率分布不再服從高斯分布。它應具有如下特性：</p><p>　　(l)每一周期內0和1出現的次數近似相等。</p><p>　　(2)每一周期內，長度為n比特的游程出現的次數比長度為n+1比特游程次數多一倍(游程是指相同碼元的碼元串)。</p><p>　　(3)對于狹義偽隨機序列，將給定隨機序

21、列位移任何一個非零數目個元素，所得的序列將和原序列有一半的元素相同，一半的元素不同。</p><p>　　白噪聲是一種隨機過程，瞬時值服從正態(tài)分布，自相關函數和功率譜密度有極好的相關性，偽隨機序列是針對白噪聲演化而來的，只有“0”和“1”兩種電平，因此偽隨機編碼概率分布不具備正態(tài)分布形式。但當序列足夠長時，由中心極限定理可知，它趨近于正態(tài)分布，由此，偽隨機序列定義如下：</p><p>　

22、　(1)凡自相關函數具有（2-1）式的序列稱為狹義偽隨機序列。</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　(2)凡自相關函數具有（2-2）形式的序列，成為第一類廣義偽隨機序列。</p><p>　　(2-2) (3)凡互相關系數具有（2-3）形式的序列，稱為第二類廣義偽隨機

23、序列。</p><p>　　或 (2-3) </p><p>　　(4)凡相關函數滿足(2-1)式、(2-2) 式和(2-3) 式三者之一的序列，統(tǒng)稱為偽隨機序列。由上面四種定義可以看出，狹義偽隨機序列是第一類廣義偽隨機序列的一種特例[5-6]。</p><p>　　2.

24、2 m序列生成方法</p><p>　　2.2.1m序列產生原理</p><p>　　通常產生偽隨機序列的電路為一反饋移存器，反饋移存器可分為線性反饋移存器和非線性反饋移存器兩類。由線性反饋移存器產生的周期最長的二進制數字序列，稱為最大長度線性反饋移存器序列，通常簡稱為m序列。</p><p>　　m序列是最長線性移位寄存器序列的簡稱。它是由多級移位寄存器或其他延遲

25、元件通過線性反饋產生的最長的碼序列。由于m序列容易產生、規(guī)律性強、有許多優(yōu)良的性能，在擴頻通信中最早獲得廣泛的應用[7-8]。</p><p>　　如圖2-1所示，m序列可由二進制線性反饋移位寄存器產生。它主要由n個串聯的寄存器、移位脈沖產生器和模2加法器組成。圖中第i級移存器的狀態(tài)用ai表示，ai=0 或ai=1，i為整數。反饋線的連接狀態(tài)用ci表示，ci=1表示此線接通（參加反饋），ci=0表示此線斷開。&l

26、t;/p><p>　　由于反饋的存在，移存器的輸入端受輸出信號的控制。不難看出，若初始狀態(tài)為全“0”，則移位后得到的仍為全“0”，因此應避免出現全“0”狀態(tài)，又因為n級移存器共有2n種可能的不同狀態(tài)，除全“0”狀態(tài)外，剩下2n-1種狀態(tài)可用。每移位一次，就出現一種狀態(tài)，在移位若干次后，一定能重復出現之前某一狀態(tài)，其后的過程便周而復始了。反饋線位置不同將出現不同周期的不同序列，我們希望找到線性反饋的位置，能使移存器產生

27、的序列最長，即達到周期P=2n-1。按圖中線路連接關系，可以寫為： </p><p>　　（模2） （2-4） </p><p><b>　　該式稱為遞推方程。</b></p><p>　　圖2-1 線性反饋移位寄存器</p><p>　　上面曾經指出，ci的取值決定了移位寄存器的反饋連接

28、和序列的結構?，F在將它用下列方程表示：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　這一方程稱為特征多項式。式中xi僅指明其系數ci的值（1或0），x本身的取值并無實際意義，也不需要去計算x的值。例如，若特征方程為f(x)=1+x+x4則它僅表示x0,x1和x4的系數c0=c1=c4=1,其余為零。經嚴格證明：若反饋移位寄存器的特征多項式為本原

29、多項式，則移位寄存器能產生m序列[9]。所謂“本原多項式”，即必須滿足以下條件：</p><p>　?。?） 為既約的，即不能被1或它本身以外的其他多項式除盡；</p><p>　?。?） 當時，則f(x)能除盡；</p><p>　?。?） 當時，f(x)不能除盡。</p><p>　　圖2-1就是一個這樣的結構圖。圖中示出了n級移位

30、寄存器，其中有若干級經模2加法器反饋到第1級。不難看出，在任何一個時刻去觀察移位寄存器的狀態(tài)，必然是2n個狀態(tài)之一，其中每一狀態(tài)代表一個n位的二進制數字；但是，必須把全0排斥在外，因為如果一個進入全0，不論反饋線多少或在哪些級，這種狀態(tài)就不會再改變。所以，寄存器的狀態(tài)可以是非全0的2n-1狀態(tài)之一。這個電路的輸出序列是從寄存器移出的，盡管移位寄存器的狀態(tài)每一移位節(jié)拍改變一次，但無疑是循環(huán)的。如果反饋線所分布的級次是恰當的，那么，移位寄存

31、器的狀態(tài)必然各態(tài)歷經后才會循環(huán)。這里所謂“各態(tài)歷經”就是所有2n-1個狀態(tài)都經過了。由此可見，應用n級移位寄存器所產生的序列的周期最長是2n-1。同時由于這種序列雖然是周期的，但當n足夠大時周期可以很長，在一個周期內0和1的排列有很多不同方式，對每一位來說是0還是1，看來好像是隨機的，所以又稱為偽隨機碼；又因為它的某一些性質和隨機噪聲很相似，所以又稱為偽噪聲碼（PN碼）[10]。</p><p>　　要用n級移位

32、寄存器來產生m序列，關鍵在于選擇哪幾級移位寄存器作為反饋。將移位寄存器用一個n階的多項式表示，這個多項式的0次冪系數或常數為1，其k次冪系數為1時代表第k級移位寄存器有反饋線；否則無反饋線。注意這里的系數只能取0或1，x本生的取值并無實際意義，也不需要去計算x的值。稱為特征多項式。例如特征多項式對應于圖2-2所示。理論分析證明：當特征多項式是本原多項式時，與它對應的移位寄存器電路就能產生m序列。</p><p>

33、　　圖2-2 5級移存器產生m序列</p><p>　　由上述可見，只要找到了本原多項式，就能由它構成m序列產生器。但是尋找本原多項式并不是很簡單的。經過前人大量的計算已將常用本原多項式列成表備查，如在表2-1中列出了一部分本原多項式[3,11]。</p><p>　　表2-1 常用本原多項式</p><p>　　2.2.2 m序列性質</p>&l

34、t;p>　　m序列是一種性能優(yōu)良的偽隨機，具有如下性質：</p><p><b>　?。?） 均衡性</b></p><p>　　在m序列的一個周期中，“1”和“0”的數目基本相等。準確地說，“1”的個數比“0”的個數多一個。</p><p><b>　　（2） 游程分布</b></p><p

35、>　　我們把一個序列中取值相同的那些相繼的（連在一起的）元素合稱為一個“游程”。在一個游程中元素的個數稱為游程長度。</p><p>　　一般來說，在m序列中，長度為1的游程占游程總數的1/2；長度為2的游程占游程總數的1/4；長度為3的占1/8……嚴格地講，長度為k的游程數目占游程總數的2，其中。而且在長度為k的游程中,連“1”的游程和連“0”的游程各占一半。</p><p>　　

36、（3） 移位相加特性</p><p>　　m序列和它的位移序列模二相加后所得序列仍是該m序列的某個位移序列。 設Mr是周期為p的m序列，Mp為r次延遲移位后的序列， 那么MrMp=Ms</p><p>　　其中Ms為Mp某次延遲移位后的序列。 例如，Mr =0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1，Mr延遲兩位后得Mp, Mp=0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1

37、 0 1 1 0，再模二相加得Ms=0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 ，可見，Ms= MrMp為Mp延遲 8 位后的序列。 </p><p>　?。?） 自相關特性</p><p>　　m序列具有非常重要的自相關特性。在m序列中，常常用+1代表 0，用-1代表 1。 此時定義：設長為 p的m序列， 記作 。經過j次移位后，m序列為，其中 (以 p 為周期)，以上

38、兩序列的對應項相乘然后相加， 利用所得的總和 來衡量一個m序列與它的j次移位序列之間的相關程度，并把它叫做m序列()自相關函數。記作 </p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　當采用二進制數字 0 和 1 代表碼元的可能取值時 </p><p><b>　?。?-7）</b><

39、/p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　由移位相加特性可知，仍是m序列中的元素， 所以上式分子就等于m序列中一個周期中 0 的數目與 1 的數目之差。 另外由m序列的均衡性可知， 在一個周期中 0 比 1 的個數少一個， 故得A-D=-1(j為非零整數時)或p(j為零時)。 因此得 </p><p><b>　　

40、（2-9）</b></p><p>　　m序列的自相關函數只有兩種取值(1和-1/p)。R(j)是一個周期函數，即 ，式中k=1,2,…, p，p=(2n-1)為周期。而且R(j)是偶函數，即 [12]。</p><p>　　圖2-3 m序列的自相關函數</p><p>　　2.3 Gold序列生成方法</p><p>　　m序

41、列優(yōu)選對的兩個n次本原多項式乘積構成的新序列為Gold序列，或m序列優(yōu)選對的兩個本原多項式所產生序列的移位模2和新序列也叫做Gold序列。</p><p>　　2.3.1m序列優(yōu)選對</p><p>　　定義m序列優(yōu)選對：設a是對應于n級本原多項式所產生的m序列，b是對應于n級本原多項式所產生的m序列，當它們互相關函數值滿足：</p><p><b>　　

42、（2-10）</b></p><p>　　則m序列a和b構成一對優(yōu)選對。</p><p>　　尋找階數為n的m序列優(yōu)選對有很多方法，最方便的方法莫過于借助Matlab仿真工具實現了。Matlab的工具箱提供了計算本原多項式的primpoly子函數。輸入階數n的值，調用primpoly(n,’all’)函數，就得到GF(25)域上的所有本原多項式。根據本原多項式，編寫程序，產生不

43、同的m序列。讓所有的m序列兩兩模2相加，計算相加后所得序列的互相關值，如果互相關值滿足(2-10)式，則相應的兩個m序列就是優(yōu)選對；如果互相關值不滿足(2-10)式，則不是m序列的優(yōu)選對。借助Matlab軟件可以方便地找出任意長度m序列的優(yōu)選對，查找m序列優(yōu)選對的流程圖如圖2-4所示[5,13]。</p><p>　　圖2-4 查找m序列優(yōu)選對的流程圖</p><p>　　調用primpo

44、ly（5,’all’）函數，得到如表2-2所示的所有的本原多項式。經計算機搜索，得到n=5的所有的優(yōu)選對如表2-3所示，優(yōu)選對模2相加生成序列的互相關值如圖2-5所示，從圖中可以可出三值的互相關特性，互相關三個值為-1、7和9，滿足2-10式。因此文中所述查找m序列優(yōu)選對的方法是正確可行的。</p><p>　　表2-2 n=5本原多項式</p><p>　　表2-3 n=5 m序列優(yōu)選

45、對關系表</p><p>　　圖2-5 gold序列的互相值</p><p>　　2.3.2 Gold序列的產生結構</p><p>　　可以證明，若為一組m序列優(yōu)選對中的兩個不同的本原多項式，令產生的序列為，產生的序列為，所產生的序列為，則有=。上式表明兩本原多項式乘積所產生的序列等于兩個本原多項式分別產生的模2和序列[3]。</p><p&g

46、t;　　故產生Gold碼序列的結構形式有兩種，一種是串聯成級數為2n級的線性移位寄存器；另一種是兩個n級移位寄存器并聯而成。設f(x)和g(x)分別為和，則在GF(2n)域上有。圖2-6和圖2-7分別為n=5級的串聯型和并聯型結構圖，這兩種結構是完全等效的。</p><p>　　圖2-6移位寄存器級數n=5 級聯型Gold碼發(fā)生器結構圖</p><p>　　圖2-7 移位寄存器級數n=5

47、的并聯型Gold碼發(fā)生器結構圖</p><p>　　2.3.3 Gold碼性質</p><p>　　1） 長度為2n-1的一個優(yōu)選對可以構成2n-1個Gold碼，這2n-1個Gold碼加上2個m序列本身共有2n+1個碼，它們之中任何兩個碼的互相關函數也是三值函數，即滿足2-10式。n = 4和4的倍數的m序列沒有優(yōu)選對，因此也不存在對應的Gold碼。</p><p&g

48、t;　　2） 優(yōu)選對的數目與m序列的長度有關。</p><p>　　3） Gold碼的周期性自相關函數也是三值函數；同一優(yōu)選對產生的Gold碼的周期性互相關函數為三值函數；同長度的不同優(yōu)選對產生的Gold碼的周期性互相關函數不是三值函數[5-6]。</p><p>　　2.3.4 平衡Gold碼</p><p>　　傳輸的最佳信號形式應該是具有白噪聲統(tǒng)計特性的信

49、號形式。擴頻函數(偽碼)逼近白噪聲的統(tǒng)計特性，因而擴頻通信具有抗多徑干擾的能力。香農也指出：在高斯噪聲的干擾下，有限平均功率的信道上，實現有效和可靠通信的最佳信號是具有白噪聲統(tǒng)汁特性的信號。而白噪聲統(tǒng)計特性中的一個重要特性就是平衡特性[7]。</p><p>　　Gold序列具有序列多、相關值低等特點，但其平衡性不一致。R．Gold的研究認為，Gold序列的平衡性有三種，即Gold序列有三種0，1分布情況：一種是

50、l碼元數目比0碼元數目僅多一個，這就是平衡Gold序列；另一種是l碼元過多；再一種是l碼元過少，這兩種都是非平衡序列。當n為奇數時，在周期p=的個Gold序列中，有50%*（）或75%*（）個序列是平衡的，即序列中l(wèi)碼元數為個，比0碼元數多一個。對n為奇數的Gold序列集合，有50％的序列是平衡的。當n為偶數(但不為4的倍數)時，在個Gold序列中，有個序列是平衡的，為Gold序列數的75％[11]。</p><p&

51、gt;　　在擴頻通信中，序列的平衡性對通信質量影響很大。在擴頻系統(tǒng)中偽隨機序列是用正電平和負電平來表示的，平衡序列中正負電平大致相當，使得發(fā)送信號的直流分量小，而且具有更好的頻譜特性。這不僅在工程中更容易實現，而且可以有效抑制載頻、降低發(fā)射功率、不易被偵破等。反之，如果序列不平衡，將破壞擴頻通信系統(tǒng)的保密、抗干擾和抗偵破能力[2]。</p><p>　　目前，關于平衡Gold碼的產生條件沒有特別有效可行的方法，基

52、本上都是采用計算機搜索的方法查找平衡Gold碼。利用Matlab軟件，搜索優(yōu)選對和得到的平衡Gold碼為：</p><p>　　Gold1=[ 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0]；</p><p>　　Gold2=[ 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1

53、1 0 0 1 0 0 0 1 1 1];</p><p>　　Gold3=[ 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1];</p><p>　　Gold4=[ 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0];</p>

54、<p>　　Gold5=[ 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1];</p><p>　　Gold6=[ 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1];</p><p>　　Gold7=[ 1 1 0 0 1 0

55、1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 ];</p><p>　　Gold8=[ 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 ];</p><p>　　Gold9=[ 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1

56、1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 ];</p><p>　　Gold10=[ 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1];</p><p>　　Gold11=[ 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0];</p&g

57、t;<p>　　Gold12=[ 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0];</p><p>　　Gold13=[ 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0];</p><p>　　Gold14=[ 1 0 1

58、0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0];</p><p>　　Gold15=[ 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1];</p><p><b>　　硬件設計</b></p><p>　

59、　Gold碼序列發(fā)生器主要由時鐘電路模塊、Gold碼生成模塊和幅度調節(jié)模塊三部分組成。</p><p>　　3.1 時鐘電路模塊</p><p>　　本系統(tǒng)的時鐘電路模塊主要是由時鐘電路和分頻電路組成。</p><p>　　3.1.1 時鐘電路</p><p>　　時鐘電路主要是有晶體振蕩器、放大器等組成。</p><p&

60、gt;　　晶體振蕩器（英文Crystal Oscillators）簡稱為晶振，其作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。晶體振蕩器也分為無源晶振和有源晶振兩種類型：無源晶振需要借助于時鐘電路才能產生振蕩信號，自身無法振蕩起來；有源晶振是一個完整的諧振振蕩器。</p><p>　　石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結晶體）的壓電效應制成的一種諧振器件，它的基本構成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片，在它的兩

61、個對應面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。</p><p>　　圖3-1時鐘信號發(fā)生器電路原理</p><p>　　由于晶振的頻率大小有很多，如12MHz晶振，11.0592MHz晶振，7.3728MHz晶振，4MHz晶振等等。實驗室現有的芯片資源，本次設計選擇了使用11.0592MHz的晶振來產生時鐘

62、信號。這次設計的含晶振的電路如圖3-1所示。R1和R2是反饋電阻，本次設計中選取了R1=R2=1KΩ，74LS04起震蕩作用，C1起頻率的微調作用，它的大小與晶體振蕩器的頻率是沒有關系的，因而，C1的大小隨便取，本次設計采用了C1為150pF的電容。</p><p>　　3.1.2 分頻電路</p><p>　　分頻就是用同一個時鐘信號通過一定的電路結構轉變成不同頻率的時鐘信號。本設計是通

63、過晶振產生時鐘電路，而晶振產生的信號的頻率是11.0592MHz，不能夠直接使用，因此這就需要進行分頻，來產生需要的時鐘信號其頻率為2.4kHz。而為了產生頻率為2.4kHz的信號，必須對晶振產生的信號進行11.0592MHz/2.4kHz=4608倍分頻。為了產生4608分頻，本次設計先用74LS161芯片進行分頻，因為一個74LS161最多能完成16倍分頻，根據并行數據輸入端，可以完成16倍分頻內的任意整數次分頻，用這個特性，本次設

64、計先用74LS161芯片對信號進行9倍分頻，完成9倍分頻后，再利用74LS161芯片對信號進行4倍分頻，最后再用74HC4024芯片進行128倍分頻。</p><p>　　74LS161是常用的四位二進制可預置的同步加法計數器，它的引腳如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 74LS161的引腳圖</p><p>　　CEP和CET是計數控制端，CLK是上升

65、沿有效的時鐘脈沖輸入端，P0～P3是并行數據輸入端，Q0～Q3是計數輸出端，TC是進位輸出端，TC=TE?Q4?Q3?Q2?Q1， MR是異步清零端，為置數端，GND為接地端，vcc接電源。 74LS161的功能如表3-1所示：</p><p>　　表3-1 74LS161功能表</p><p>　　表中，H表示高電平，L表示低電平，↑表示低到高電平跳變，X表示任意。當PE=MR=CEP=

66、CET=1時，計數器處于計數狀態(tài)。隨著CLK脈沖上升沿的到來，計數器對CLK脈沖進行二進制加法計數，每來一個CLK脈沖，計數器加1。當計數值達到15時，進位輸出TC為1。74LS161的時序如圖3-3所示：</p><p>　　圖3-3 74LS161的工作時序</p><p>　　從3-3的時序圖中可以看出，只要74LS161工作于計數模式，從Q1腳輸出的就是CLK的4倍分頻信號。圖3-

67、4為4分頻電路圖。</p><p>　　圖3-4 4分頻電路圖</p><p>　　74LS161實現9分頻，就要將計數和預置功能結合起來。設計數器處于計數狀態(tài)，只要P0，P1，P2處于高電平，P3處于低電平，即計數器從7開始計數，而不是從0開始計數，計數到15后溢出，TC端輸出高電平信號，經74LS04反相后變?yōu)榈碗娖叫盘?，加載至PE端。PE端為低電平信號，74LS161就工作于預置模

68、式，開始裝載P0，P1，P2，P3的高低電平，輸出1110；一個時鐘信號后，TC端恢復為低電平信號，PE端恢復為高電平，74LS161就又從7開始計數，計數至15后再溢出，如此反復。然后從Q3端輸出9分頻后的信號。圖3-5為9分頻的電路圖。</p><p>　　圖3-5 9分頻電路圖</p><p>　　9分頻電路輸出的信號通過74HC4024來產生需要的時鐘信號，其大小為2.4KHz頻

69、率的信號。74HC4024的引腳圖如圖3-6所示：</p><p>　　圖3-6 74HC4024的引腳圖</p><p>　　74HC4024有一個清零輸入端RST、一個時鐘輸入CLK和七個輸出端Q1～Q7，該器件由7個主從觸發(fā)器組成，每一個觸發(fā)器的輸出供給下一級觸發(fā)器，其輸出信號的頻率為前一級的一半。當RST為高電平時，器件復位，Q1～Q7為低電平，器件的計數在CLK下降沿時進行，由于

70、內部的延遲，Q1端進行的是2分頻，Q2端進行的是4分頻，Q3端進行的是8分頻，Q4端進行的是16分頻,Q5端進行的是32分頻，Q6端進行的是64分頻，Q7端進行的是128分頻。因此只要把之前的信號進行128倍分頻就能產生所需要的2.4KHz信號了。其電路連接圖如圖3-7所。</p><p>　　圖3-7 128分頻電路圖</p><p>　　圖3-5、3-6和3-7三部分分頻電路可是實現4

71、*9*128=4608倍分頻，11.0592MHz的時鐘信號經過4608倍分頻后就產生了本次設計所需的2400Hz的時鐘信號。</p><p>　　3.2 m序列發(fā)生器模塊</p><p>　　3.2.1反饋移位寄存器構造</p><p>　　產生m序列的移位寄存器的網絡結構不是隨意的，m序列的周期P也不能取任何值，當移位寄存器的級數為n時，必須滿足 錯誤!未找到引

72、用源。，其結構中的第一級與n級之間必須有反饋連接，即反饋系數 錯誤!未找到引用源。時，才能產生m序列。而如果要設計31位m序列發(fā)生器需要用5級的m序列發(fā)生器，這樣才能設計出 錯誤!未找到引用源。的m序列，取x5+x2+1為本原多項式，5級移位寄存器連接原理圖如圖2-2所示。</p><p>　　設初始狀態(tài)（a4, a3, a2, a1, a0）=(0,0,0,0,1)，則在移位一次時，由a3和a0模2相加產生新的

73、輸入值作為a4的更新值，即，新的狀態(tài)變?yōu)椋╝4, a3, a2, a1, a0）=(1,0,0,0,0)。這樣移位31次后又回到了初始狀態(tài)（a4, a3, a2, a1, a0）=(0,0,0,0,1)，寄存器狀態(tài)更新過程及31位m序列值如表3-2所示。</p><p>　　表3-2 31位m序列的產生</p><p><b>　　續(xù)表3-2</b></p&

74、gt;<p>　　不難看出。若初始狀態(tài)為全“0”，即（a4, a3, a2, a1, a0）=(0,0,0,0,0)時，則移位后得到的仍為全“0”狀態(tài)，這就意味著在這種反饋移位寄存器中應避免出現全“0”狀態(tài)。</p><p>　　3.2.2 m序列發(fā)生器</p><p>　　m序列發(fā)生器所需的移位寄存器可以采用D觸發(fā)器來實現。74HC175是四上升沿D觸發(fā)器。采用兩片74H

75、C175就可以實現5級移位寄存器，其引腳圖如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8 74HC175的引腳圖</p><p>　　為清除端（低電平有效），CLK為時鐘輸入端（上升沿有效），1D～4D為數據輸入端，1Q～4Q為輸出端，1～4為互補輸出端。74LS175的功能表如表3-3所示：</p><p>　　表3-3 74LS175的功能表</p&

76、gt;<p>　　表中，H表示高電平，L表示低電平，↑表示低到高電平跳變，X表示任意。</p><p>　　將U7的1D作為a4寄存器，2D作為a3寄存器，3D作為a2寄存器，4D作為a1寄存器，U8的1D作為a0寄存器。根據2-2原理圖，a4寄存器連接至a3寄存器的輸入，因此將1Q連接至2D，同理將2Q連接至3D，將3Q連接至4D，將4Q連接至U8的1D；a2寄存器和a0寄存器的輸出模2相加后接至

77、a4寄存器的輸入，即U7的1D引腳。為使電路具有自啟動特性，即消除全“0”狀態(tài)，反饋方程中加全0校正項，因此。具有自啟動功能的31位m序列發(fā)生器電路如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-9 m序列發(fā)生器</p><p>　　74HC30是一個八輸入端與非門電路。當寄存器狀態(tài)為全0時，74HC175的互補輸出端為邏輯1，74HC30的2，4，5，6，11，12端口全是邏輯1，其8腳輸

78、出為邏輯0；經74LS04非門輸出后為邏輯1。當全0狀態(tài)時，U6A的輸出為邏輯0，U6B的輸入為邏輯0和邏輯1，所以4070異或門輸出為邏輯1，反饋至a4寄存器的輸入端，消除了全0狀態(tài)。而當寄存器狀態(tài)為非全0狀態(tài)時，，所以=，符合m序列產生原理，全0消除電路不影響m序列的生成。</p><p>　　3.3 Gold序列發(fā)生器模塊</p><p>　　Gold序列由兩個m序列發(fā)生器分別產生的

79、兩個m序列的模2和得到，則Gold序列發(fā)生器原理框圖如圖3-10所示：</p><p>　　圖3-10 并聯型Gold碼發(fā)生器結構圖</p><p>　　由2.3節(jié)Matlab仿真結果可知，本原多項式和是31位長的m序列的優(yōu)選對，由這兩個本原多項式生成的m序列模2加可以得到Gold序列，不妨設m序列A的多項式為f(x)，m序列B的多項式為g(x)，根據3.2.2節(jié)m序列發(fā)生器設計方法，設計

80、m序列發(fā)生器電路。根據模2相加原理可知，異或門可以實現模2運算，因此將m序列A和m序列B加至4070異或門的輸入，其輸出就是所求的Gold序列。Gold序列發(fā)生器電路原理圖如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-11并聯型Gold碼發(fā)生器電路圖</p><p>　　3.4 幅度調節(jié)電路模塊</p><p>　　圖3-12幅度調節(jié)電路</p>&l

81、t;p>　　任務書要求輸出信號的幅度在100mv-5v之間可調，已知4070輸出的信號為5V，設計電位器組成的分壓電路就可實現信號幅度的調節(jié)。分壓電路如圖3-12所示，輸出信號為：</p><p>　　其中R=R1+R2，調節(jié)電位器電阻，當電位器電阻為0時，輸出信號為5v；當電位器電阻最大時，輸出信號最小為100mv，此時有，選擇100kΩ的電位器，用萬用表測量其實際最大值為90kΩ，所以R=1.8367k

82、Ω。沒有現成的1.8367kΩ的電阻，選用10 kΩ與2 kΩ的電阻并聯代替1.8367 kΩ的電阻。</p><p><b>　　制作和調試</b></p><p>　　硬件制作主要分時鐘電路、Gold序列發(fā)生器電路、幅度調節(jié)電路三個部分進行，首先制作時鐘電路，需要準備一個11.0592M的晶振，兩個1KΩ電阻，一個150pF電容，一片74ls04、兩片74ls16

83、1，一片4070。然后根據電路原理圖制作電路板，如圖4-1所示。</p><p><b>　　圖4-1時鐘電路板</b></p><p>　　Gold序列發(fā)生器制作需要三片74HC175，兩片74ls30，兩片4070和一片74HC04；幅度調節(jié)電路需要一個100kΩ變位器電阻，一個2KΩ電阻，一個10KΩ電阻。根據電路原理圖制作電路板實物圖，如圖4-2所示。<

84、/p><p>　　圖4-2 Gold序列發(fā)生器和幅度調節(jié)電路板</p><p>　　硬件制作完成以后需要對各個模塊進行調試和測試。本文使用示波器分別對時鐘脈沖、m序列、Gold序列以及幅度調節(jié)后的Gold序列輸出信號進行測試。</p><p>　　連接好電源，首先測量時鐘信號，示波器的信號通道CH1接時鐘電路模塊的輸出端，調節(jié)示波器，測得頻率為2.4KHz，電壓為5V的

85、時鐘信號，如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 時鐘脈沖信號</p><p>　　示波器的信號通道CH1、CH2分別接時鐘信號和m序列發(fā)生器A模塊，調節(jié)示波器，測得如圖4-4所示的信號。示波器的信號通道CH1、CH2、CH3分別接m序列發(fā)生器A模塊、m序列發(fā)生器B模塊和Glod序列的輸出端，測得m序列A、m序列B、Gold序列信號如圖4-5所示。根據圖4-4和圖4-5，m序列A

86、為1111100110 100100001010111011000，與表3-2理論計算結果一致。</p><p>　　圖4-4 m序列發(fā)生器A和m序列發(fā)生器B輸出信號</p><p>　　圖4-5 m序列發(fā)生器A、B和Gold序列發(fā)生器輸出信號</p><p>　　示波器的信號通道CH1接Gold序列信號調節(jié)之前的輸出端；CH2接Gold序列信號調節(jié)之后的輸出端

87、，調節(jié)電位器電阻到最小，調節(jié)示波器，顯示CH1為5V，CH2為100mV，如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6輸出為100mv信號</p><p><b>　　5　結論</b></p><p>　　按照任務書的要求，首先對偽隨機序列中的m序列和Gold序列進行了研究，從理論上了解了m序列及Gold序列是如何產生的以及他們之間的一些相關

88、特性，并結合仿真工具Matlab軟件，研究仿真了這兩種偽隨機序列的產生、m序列的自相關特性及Gold序列的自相關和互相關特性。</p><p>　　由m序列和Gold序列的互相關函數可以看出，Gold序列的互相關函數與m序列類似，且其最大值是相等的。但是，具有與m序列相同相關特性的Gold序列數目比m序列的數目要多得多。</p><p>　　在序列數量方面，隨著n的增加，Gold序列以2的

89、次冪增長。但是，m序列數目的增加很慢。</p><p>　　在平衡性方面，m序列均是平衡的。在周期 的N+2個Gold序列中，當n為奇數時，有50%的序列是平衡的；當n是偶數且不是4的倍數時，有75%的序列是平衡的。</p><p>　　仿真工作完成后，進行了相關的硬件電路的設計、制作與調試。在硬件制作方面，由于沒有經驗，走了不少彎路，最后再老師與同學的幫助下，終于完成了任務。測試結果表明

90、，硬件電路可以產生31位的Gold序列。</p><p>　　平衡Gold碼的產生條件也沒有特別有效可行的方法，基本上都是采用計算機搜索的方法查找平衡Gold碼。計算機搜索到平衡Gold碼后，根據其本原多項式優(yōu)選對及移位寄存器的初始值，設計電路實現。本設計由于采用74LS175作為產生m序列的移位寄存器，74LS175沒有預置功能，因此無法預置寄存器的初始狀態(tài)，無法保證每次生成的Gold序列都是平衡的，這一點有待

91、改進。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　時間如梭，轉眼畢業(yè)在即?；叵朐诖髮W求學的四年，心中充滿無限感激和留戀之情。感謝母校為我們提供的良好學習環(huán)境，使我們能夠在此專心學習，陶冶情操。這次畢業(yè)論文設計我得到了很多老師和同學的幫助，其中我的論文指導老師張老師對我的關心和支持尤為重要。每次遇到難題，我最先做的就是向張老師尋求幫助，而張老師每次不

92、管忙或閑，總會抽空來找我面談，然后一起商量解決的辦法。張老師平日里工作繁多，但我做畢業(yè)設計的每個階段，從選題到查閱資料，論文提綱的確定，中期論文的修改，后期論文格式調整等各個環(huán)節(jié)中都給予了我悉心的指導。這幾個月以來，張老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想給我以無微不至的關懷，在此謹向張老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。同時，本篇畢業(yè)論文的寫作也得到了很多同學的熱情幫助。感謝在整個畢業(yè)設計期間和我密切合作的同學，和曾經在各個方面給予

93、過我?guī)椭幕锇閭?，在此，我再一次真誠地向幫助過我的老師和同學表示感謝</p><p>　　另外，我必須感謝我的父母。焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報。作為他們的孩子，我秉承了他們樸實、堅韌的性格，也因此我有足夠的信心和能力戰(zhàn)勝前進路上的艱難險阻；也因為他們的日夜辛勞，我才有機會如愿完成自己的大學學業(yè)，進而取得進一步發(fā)展的機會。</p><p>　　最后，我必須感謝我的朋友，正是因為他

94、們在電腦技術上的無私指引，我才能得以順利完成該論文。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 陳啟興.通信原理[M].北京:機械工業(yè)出版,2011,5.</p><p>　　[2] (瑞典)澤普尼克., 偽隨機信號處理 [M].北京:電子工業(yè)大學出版社,2007, 03.</p><p>

95、;　　[3] 肖國鎮(zhèn)，粱傳甲，王玉民.偽隨機序列及其應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010,11.</p><p>　　[4] 李正朝, 王偉, 李新國.移位寄存器序列應用教程[M].河南:河南大學出版社,2009,6.</p><p>　　[5] 崔怡. MATLAB 實例詳解[M].北京:航空工業(yè)出版社,2000,1.</p><p>　　[6] Willi

96、am Stallings, 王海, 張娟等譯．Data and Computer Communications[M]. 第7版. 北京:電子工業(yè)出版社,2004, 12.</p><p>　　[7] 隋曉紅, 鐘曉玲.[M]. 北京:北京大學出版社, 2007, 8.</p><p>　　[8] 曾興雯, 吳蕾等.M序列自相關函數最大旁瓣的概率分布[J].西安電子科技大學學報，2002,2

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98、49 – 152.</p><p>　　[11] PN Sequence Generator[EB/OL] .[2004-5-15].www.mathworks.com.</p><p>　　[13] 方秀花, 江修富.計算機搜索平衡Gold序列方法研究[J].技術指揮學院院報, 2001,4,36(4):61-64.</p><p>　　附錄1 系統(tǒng)實物圖<

99、;/p><p>　　附錄2 畢業(yè)設計作品說明書</p><p><b>　　一、作品名稱</b></p><p>　　基于74HC175的Gold序列發(fā)生器</p><p><b>　　二、作品功能</b></p><p>　　1、產生Gold序列</p><

100、;p>　　2、調節(jié)輸出Gold序列信號電壓</p><p><b>　　三、運行環(huán)境</b></p><p><b>　　硬件環(huán)境</b></p><p><b>　　+5v電源電壓</b></p><p><b>　　四、操作步驟</b></

101、p><p><b>　　1、正確連接電路</b></p><p><b>　　2、接通電源</b></p><p>　　3、調節(jié)電位器，調節(jié)輸出信號幅度</p><p><b>　　五、注意事項</b></p><p>　　1、正確使用測量儀器的接地端。凡是