偽隨機序列發(fā)生器方案設(shè)計書

1、第 1章基于偽隨機序列的傳輸處理綜合設(shè)計1.1 偽隨機序列偽隨機序列包括 m 序列、 Gold 序列、 M 序列和組合序列等，其中最常用到的是 m 序列 5,6 。本文根據(jù) m 序列完成了傳輸處理系統(tǒng)的綜合設(shè)計。序列的生成m 序列是線性反饋移位寄存器的最大長度序列。它的生成可用移位寄存器序列發(fā)生器的特征多項式來確定，其特征多項式F ( x) 可以定義為：nF ( x)Ci xiC0C1 xC2 x2.Cn xn （21）i0其中 x 的冪次表示元素相應(yīng)的位置。根據(jù)代數(shù)理論的嚴格證明，當特征多項式F ( x) 滿足以下3 個條件時就一定能夠產(chǎn)生m 序列：（1）F ( x) 是不可約的，即不能再分

2、解因式；（2）F ( x) 可整除xp1，這里p2n1；（3）F ( x) 不能整除xq1 ，這里qp ；目前廣泛應(yīng)用的m 序列都是由移位寄存器構(gòu)成的。如圖2 1所示， m序列發(fā)生器由 n 個二元存儲器和模 2 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成。二元存儲器通常是一種雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它的兩種狀態(tài)記為 0 和 l ，其狀態(tài)取決于時鐘控制下輸入的信息 (0 或1)，例如第 i 級移位寄存器的狀態(tài)取決于時鐘脈沖后的第i 一 1 級移位寄存器的狀態(tài)。圖中Ci 表示為反饋線的兩種可能連接狀態(tài)：Ci 1 表示連接線連通，即第 ni 級輸出加入到反饋中； Ci 0 表示連接線斷開，即第 ni 級輸出未參加到反饋中。圖 21由于移位

3、寄存器的初始狀態(tài)是隨機的，它可能是1，也可能是 0。如果各級移位寄存器的初始狀態(tài)都為0 時，則模2 加法器的輸出將始終為0，這樣就不能產(chǎn)生任何序列。為了防止這種情況發(fā)生，在圖21 中往往還需要增加必要的檢測電路。序列的特性分析m 序列由 n 級移位寄存器產(chǎn)生的 m 序列，其周期為 2n 1。 m 序列具有如下的一些特性：1)隨機性：在 m 序列的一個周期中， 0 和 1出現(xiàn)概率大致相同， 0 碼只比 1 碼多一個，且 1 的個數(shù)為 2n 1 1 ，0 的個數(shù)為 2n1 。2)移位可加性：某個周期為 p 的 m 序列與其經(jīng)任意延遲移位后的序列模 2 相加后，其結(jié)果仍是周期為 p 的 m 序列，只

4、是原序列某次延遲移位后的序列。3) 預(yù)先可確定性：m 序列是由移位寄存器的初始狀態(tài)和反饋網(wǎng)絡(luò)唯一確定的。4) 游程特性：序列中取值相同的相繼元素稱為一個游程。游程長度指的是游程中元素的個數(shù)。在 m 序列中，一共有 2n 1 個游程。其中長度為1 的游程占總游程數(shù)的一半；長度為2 的游程占總游程的1/4；長度為k 的游程占總游程數(shù)的2 k ，且在長度為 k 的游程中，連的 1 游程和一個長度為0 與連 1 的游程數(shù)各占一半。另外，還有一個長度為(n 一 1)的 0 游程。n由以上特性可知， m 序列是一個周期性確定序列，又具有類似于隨機二元序列的特性，因此得到了廣泛的應(yīng)用。序列的自相關(guān)函數(shù)周期為

5、 p 的 m 序列的自相關(guān)函數(shù)定義為：R( j )ADA D （22）ADp其中， A 是碼字中對應(yīng)碼元相同的數(shù)目(同為 1 或同為 0 的數(shù)目 )， D 是碼字中對應(yīng)碼元不同的數(shù)目。由于一個周期中0 比 1 的個數(shù)少 1，因此 j 為非零整數(shù)時 A D 1， j 為零時 A Dp，這樣 m 序列的自相關(guān)函數(shù)可以化簡為：1, j0R( j )1 , j（23）1, 2, , ( p 1)p圖 22如圖 22 所示， m 序列的相關(guān)函數(shù)R( j ) 只在兩序列相位差在正、負一個碼元范圍內(nèi)時出現(xiàn)峰值，表現(xiàn)出尖銳的自相關(guān)特性。因此，在工程上很容易通過檢測本地的m 序列與接收的m 序列的相關(guān)輸出是否出

6、現(xiàn)峰值來判別做相關(guān)的兩序列的相對位置是否在正、負一個碼元內(nèi)。當周期p 很大時， m 序列的自相關(guān)函數(shù)與白噪聲類似。相關(guān)檢測就是利用這一特性，在信號相關(guān)函數(shù)值的基礎(chǔ)上來識別信號，檢測或同步自相關(guān)函數(shù)值為 1 的碼序列。1.2 m 序列發(fā)生器的軟件設(shè)計本文設(shè)計的 m 序列碼長為40。根據(jù)nlog 2 m，可以推得 。假設(shè)初始n6狀態(tài)為 111111，查表可得 F ( x) 為（ 6，1），即本原多項式為 F ( x)1 xx6 。1.2.1 起跳狀態(tài)設(shè)計由于本原多項式為F ( x)1 x x6 ，可以推得反饋系數(shù)C01、 C11 、C6 1。f C1Q1C2Q2CiQiCnQn （24）Q1Q6圖

7、 23如圖 23 所示為 m 序列為 63 時發(fā)生器邏輯圖。在時鐘的驅(qū)動下， m 序列的真值表如下所示：表 2-1CPQ6Q5Q4Q3Q2Q10111111111111021111013111010411010151010106010101710101180101109101100100110011111001112100110130011011401101115110111161011101701110118111011191101102011010021011010221011012310100124010010251001002600100127010011281001112900111

8、030011100311110003211000133100010340001013500101136010111371011113801111039111100401110014110100042100101430010104401010045110010460100014710001148000110490011005001100051110000521000015300001054000100550010005601000057100000580000015900001160000111610011116201111163111111由于本文設(shè)計的m 序列碼長為 40，不滿足 m2616

9、3 的條件，需要將碼長截短。因此要在2n1個有效狀態(tài)中跳過2n1m 個狀態(tài)，而且又要符合移存規(guī)律。本文設(shè)計方法如下：首先求出2n1的序列作為序列，再將2n1序列向左移 2n1 m 位，得到序列，將兩序列各位對應(yīng)進行模2 加，得序列。在序列中尋找 100 0（n1 個連 0）的地方，其對應(yīng)位置序列的n 位碼就是起跳狀態(tài)。Q6 的輸出的序列：左移 23 位的序列：兩序列的模 2 加序列：其中， 001100為起跳態(tài)。序列邏輯表達式設(shè)計可以在 63 長度的序列中，從起跳狀態(tài)開始，消去 23 位碼元，剩下的碼元即組成 40 長度的序列信號：。因此， M=40 的序列信號發(fā)生器的反饋函數(shù) f 為：fQ1

10、Q6Q6Q5Q4Q3Q2Q1（25）但是在最長線性序列信號發(fā)生器中，全0 狀態(tài)是最長線性序列狀態(tài)轉(zhuǎn)移中的偏離狀態(tài)。當各級觸發(fā)器均處于0 狀態(tài)時，由于反饋網(wǎng)絡(luò)是異或網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致最后的輸出為0，即最長線性序列信號發(fā)生器在全0 狀態(tài)不具有自啟動特性。為了使其具有自啟動特性，必須修改激勵函數(shù)。修改的激勵方程為：fQ1Q6Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q6Q5Q4 Q3Q2Q1 （26）化簡可得：fQ1Q6Q1 Q6Q6 Q5Q4 Q3 Q2Q1Q6 Q5Q4 Q3Q2Q1 （27）程序結(jié)果驗證#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include <

11、;string.h>int n (int t)int out。if (t=1)z=0。else out =1。return out。void main()int i ,x ,Q6 ,Q5, Q4 ,Q3 ,Q2 ,Q1 ,Q。x=110111。printf("%dn",x) 。for (i=1 。 i+)if(i!=1&&x=110111)break。elseQ6=x/100000。Q5=x%100000/10000。Q4=x%10000/1000。Q3=x%1000/100。Q2=x%100/10。Q1=x%10。Q=(n(Q1)*Q6+Q1*n(Q

12、6)+n(Q6)*n(Q5)*Q4*Q3*n(Q2)*n(Q1)+ n(Q6)*n(Q5)*n(Q4)*n(Q3)*n(Q2)*n(Q1)%2 。x=Q5*100000+Q4*10000+Q3*1000+Q2*100+Q1*10+Q 。char str7。itoa(x,str,10)。for(int j=strlen(str) 。j<6。j+)char tmp=strj-1。for(int p=0 。p<j。p+)strj-p=tmp 。tmp=strj-p-2 。str0='0'。printf("%sn",str) 。圖 24如圖 24 所示，

13、本文正確地實現(xiàn)了序列碼長為40 的 m 序列設(shè)計。1.3 m 序列發(fā)生器的硬件設(shè)計本文采用可編程邏輯器件GAL16V8完成了m 序列發(fā)生器硬件部分的設(shè)計。器件簡介可編程邏輯器件PLD （ Programmable Logic Device）是一種專用集成電路，具有結(jié)構(gòu)靈活，集成度高、處理速度快、可靠性好的特點。PLD 的器件類型很多，通用陣列邏輯 GAL （ Generic Array Logic ）器件是其中的一種高性能的 PLD 產(chǎn)品。 GAL 器件采用靈活的可編程 I/O 結(jié)構(gòu)，在幾十納秒內(nèi)可完成芯片的編程或擦除，可反復(fù)改寫數(shù)據(jù) 100 次，數(shù)據(jù)可保持 20 年3,4 。GAL 美國 L

14、attice 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 E2CMOS 可編程器件的專用商標。產(chǎn)品分類GAL 產(chǎn)品分為普通型、通用型、異步型、FPLA 型和在線可編程型5 個系列：(1)普通型GAL器件：包括輸入緩沖器，輸出三態(tài)緩沖器，輸出反饋/輸入緩沖器，輸出邏輯宏單元和時鐘及輸出使能信號緩沖器。(2)通用型GAL器件：通用型GAL器件采用的工藝和基本結(jié)構(gòu)與普通型GAL器件相同，通用型器件在普通型器件基礎(chǔ)上，簡化了輸出邏輯宏單元的結(jié)構(gòu)，增加了陣列的規(guī)模，還向用戶提供了兩個專用乘積項（異步復(fù)位AR乘積項和同步置位SP 乘積項），因此在設(shè)計組合邏輯和時序邏輯時，使用通用型GAL器件帶來了更強的靈活性。(3)異步型 GAL

15、 器件：不論是普通型還是通用型GAL 器件，都只有一個時鐘輸入腳，所有輸出寄存器都在同一時鐘下工作。這類器件難以實現(xiàn)在不同時鐘下工作的異步時序邏輯，異步型 GAL 器件就是針對這一問題特別研制出來的。(4)FPLA 型器件：這類器件在芯片內(nèi)部集成了兩個可編程的門陣列與門陣列和或門陣列。由于有兩個可編程的門陣列，在設(shè)計狀態(tài)機時就非常靈活了。(5)在線可編程 GAL 器件：這類器件具有在線可編程和診斷能力，其內(nèi)部集成了一個功能模塊，這一模塊只需要應(yīng)用系統(tǒng)中 5V 電源電壓，就能夠提供編程，診斷所必須的電壓和控制信號，因此，它可以不用專門的編程器即可完成在線編程，使用更加靈活方便。硬件設(shè)計工作本文使

16、用的設(shè)計硬件為普通型GAL 器件 GAL16V8 。如圖 25 所示，它包括輸入緩沖器、輸出三態(tài)緩沖器、與門陣列、輸出反饋/輸入緩沖器、輸出邏輯宏單元 OLMC 等。與門陣列由8×8 個與門構(gòu)成，共形成64 個乘積項。每個與門有 32 個輸入端。 GAL16V8 用雙列直插封裝，共 20 個引腳，其中引腳 29固定作輸入引腳，引腳 1 在時序邏輯時作時鐘輸入，引腳 11 作使能控制，引腳1219作輸出引腳，其中15 和16 腳為專用輸出引腳，而引腳1，11，12，13，14， 17， 18，19 也可以配置為輸入引腳。因此輸入最多可達16 個，輸出最多可達 8 個，這就是命名中的16

17、 和 8 的含意。引腳10 接地，引腳 20 接電源VCC 3 。圖 25 GAL16V8 的邏輯電路圖在圖 2-5 中，輸入緩沖器和輸出緩沖器都采用互補輸出結(jié)構(gòu)，其中其表示方法和真值表如圖 2-6 所示。圖 2-6在圖 25 中，可編程的部分是與門陣列，共有8 組與門，每組中含8 個與門，每個與門有16 個輸入線，如果全部畫出，顯得很繁瑣，因此與門采用簡化表示法，如圖2-6 所示，為了與傳統(tǒng)的表示法對比，圖中以3 個輸入（ A ，B，C）的“與”門為例，分別畫出兩種圖形。PLD 簡化畫法似乎有三個相同的輸入，但這種畫法實際上代表了傳統(tǒng)畫法的三個不同輸入。多輸入與門的輸出D，稱為“乘積項”。在

18、圖 2-7 中的與門陣列中三種連接法：固定連接、編程連接和被擦除（斷開），也在圖 2-7 中表示。圖 27作為一種通用結(jié)構(gòu)的 PLD 器件， GAL 的設(shè)計依然仍遵循典型的 PLD 程序設(shè)計流程，如圖 28 所示。從編寫設(shè)計說明書開始到反復(fù)設(shè)計、調(diào)整邏輯關(guān)系直到達到設(shè)計要求，最后形成標準 JEDEC 文件裝入編程器，完成對器件的編程工作。另外，如果采用手工方法對 GAL 進行編程，不僅需要對器件的可編程單元非常清楚，而且必須保證據(jù)文件絕對正確，會使得設(shè)計過程非常繁瑣且極易出錯。因此，在設(shè)計過程中通常會借助軟件工具幫助設(shè)計，而軟件工具又有匯編型和高級語言型兩種。本文采用的是匯編型軟件工具，如圖

19、29 所示的 FM 軟件（ Fast Map）。圖 28圖 29實驗結(jié)果1. 本文采用可編程邏輯器件 GAL16V8 在 FM 環(huán)境下對 m 序列發(fā)生器進行設(shè)計，編寫設(shè)計說明書如下：GAL16V8 。DEVICE NAMEF(x)=1+x+x6_40。40 LENGTH M SEQUENCEsunguochen.6 2010。DESIGNERM_40。SIGNATURECLK NC NC NC NC NC NC NC NC GND 。PIN NAMEOE S Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 NC VCCQ6:=Q5Q5:=Q4Q4:=Q3Q3:=Q2Q2:=Q1。LOGIC EQUATIO

20、NSQ1:=/Q1*Q6+Q1*/Q6+/Q6*/Q5*Q4*Q3*/Q2*/Q1+/Q6*/Q5*/Q4*/Q3*/Q2*/Q1S.OE=VCCS=Q6DESCRIPTIONThis program is m_sequences which is 40_length.2.文檔文件 M_40.LST：GAL16V8F(x)=1+x+x6_40sunguochen.6 2010M_40CLK NC NC NC NC NC NC NC NC GNDOE S Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 NC VCCQ6:=Q5Q5:=Q4Q4:=Q3Q3:=Q2Q2:=Q1Q1:=/Q1*Q6+Q1*/Q6

21、+/Q6*/Q5*Q4*Q3*/Q2*/Q1+/Q6*/Q5*/Q4*/Q3*/Q2*/Q1S.OE=VCCS=Q6DESCRIPTIONThis program is m_sequences which is 40_length.GAL16V8F(x)=1+x+x6_40sunguochen.6 2010M_40_|_/|CLK| 0120 |VCC|NC| 0219 |NC|NC| 0318 |Q1|NC| 0417 |Q2|NC| 0516 |Q3|NC| 0615 |Q4|NC| 0714 |Q5|NC| 0813 |Q6|NC| 0912 |S|GND| 1011 |OE|_|3.熔

22、絲圖文件 M_40.PLT：GAL16V8F(x)=1+x+x6_40sunguochen.6 2010M_40Array Input pin1 1 1111112938475665748392Polarity Fuse XAC1 Fuse -Output Pin 19 Row 0 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 19 Row 1 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 19 Row 2 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 19 Row 3

23、 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 19 Row 4 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 19 Row 5 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 19 Row 6 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 19 Row 7 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Polarity Fuse -AC1 Fuse XOutput Pin 18 Row 0-X-X-Outpu

24、t Pin 18 Row 1-X-X-Output Pin 18 Row 2-X-X-X-X-X-X-Output Pin 18 Row 3-X-X-X-X-X-X-Output Pin 18 Row 4 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 18 Row 5 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 18 Row 6 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 18 Row 7 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXPolari

25、ty Fuse -AC1 Fuse XOutput Pin 17 Row 0-X-Output Pin 17 Row 1 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 17 Row 2 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 17 Row 3 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 17 Row 4 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 17 Row 5 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

26、XXXXX Output Pin 17 Row 6 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 17 Row 7 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Polarity Fuse -AC1 Fuse XOutput Pin 16 Row 0-X-Output Pin 16 Row 1 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 16 Row 2 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 16 Row 3 XXXXXXXXXXXXXXX

27、XXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 16 Row 4 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 16 Row 5 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 16 Row 6 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 16 Row 7 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXGAL16V8F(x)=1+x+x6_40sunguochen.6 2010M_40Array Input pin11111111293847

28、5665748392Polarity Fuse -AC1 Fuse XOutput Pin 15 Row 0-X-Output Pin 15 Row 1 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 15 Row 2 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 15 Row 3 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 15 Row 4 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 15 Row 5 XXXXXXXXXXX

29、XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXOutput Pin 15 Row 6 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 15 Row 7 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Polarity Fuse -AC1 Fuse XOutput Pin 14 Row 0-X-Output Pin 14 Row 1XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXOutput Pin 14 Row 2XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXOutput Pin 14 Row 3 XXXX

30、XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 14 Row 4 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 14 Row 5 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 14 Row 6 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 14 Row 7 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXPolarity Fuse -AC1 Fuse XOutput Pin 13 Row 0-X-Output Pin 13

31、 Row 1 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXOutput Pin 13 Row 2 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXOutput Pin 13 Row 3 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXOutput Pin 13 Row 4XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXOutput Pin 13 Row 5 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 13 Row 6 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Output Pin 13 Row 7 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX Polarity Fuse -AC1 Fuse