m序列产生及其特性实验

实验九 m 序列产生及其特性实验

一、 实验目的和要求

通过本实验掌握m 序列的特性、产生方法及应用。

二、实验内容和原理

1）、实验内容

1、观察m 序列，识别其特征。

2、观察m 序列的自相关特性。

2）、基本原理

m 序列是有n 级线性移位寄存器产生的周期为21n -的码序列，是最长线性移位寄存器序列的简称。

1、产生原理

图9-1示出的是由n 级移位寄存器构成的码序列发生器。寄存器的状态决定于时钟控制下输入的信息（“0”或“1”），例如第I 级移位寄存器状态决定于前一时钟脉冲后的第i －1级移位寄存器的状态。图中C 0，C 1，…，C n 均为反馈线，其中C 0＝C n ＝1，表示反馈连接。因为m 序列是由循环序列发生器产生的，因此C 0和C n 肯定为1，即参与反馈。而反馈系数C 1，C 2，…，C n －1若为1，参与反馈；若为0，则表示断开反馈线，即开路，无反馈连线。

一个线性反馈移动寄存器能否产生m 序列，决定于它的反馈系数(0,1,2,,)i c i n =L ，下表中列出了部分m 序列的反馈系数i c ，按照下表中的系数来构造移位寄存器，就能产生相应的m 序列。

表9-1 部分m 序列的反馈系数表

根据表9-1中的八进制的反馈系数，可以确定m 序列发生器的结构。以7级m 序列反馈系数8(211)i C =为例，首先将八进制的系数转化为二进制的系数即2(010001001)i C =，由此我们可以得

到各级反馈系数分别为：01C =、10C =、30C =、41C =、50C =、60C =、71C =，由此就很容易地构造出相应的m 序列发生器。根据反馈系数，其他级数的m 序列的构造原理与上述方法相同。

需要说明的是，表9-1中列出的是部分m 序列的反馈系数，将表中的反馈系数进行比特反转，即进行镜像，即可得到相应的m 序列。例如，取482(23)(10011)C ==，进行比特反转之后为28(10011)(31)=，所以4级的m 序列共有2个。其他级数m 序列的反馈系数也具有相同的特性。理

论分析指出，n 级移位寄存器可以产生的m 序列个数由下式决定： (21)/n s N n φ=- 其中，()x φ为欧拉函数，其值小于等于x ，并与x 互质的正整数的个数（包括1在内）。例如对于4级移位寄存器，则小于42115-=并与15互质的数为1、2、4、7、8、11、13、14，共8个，所以(15)8,8/42s N φ===，所以4级移位寄存器最多能产生的m 序列数为2。总之，移位寄存器的反馈系数决定是否产生m 序列，起始状态决定序列的起始点，不同的反馈系数产生不同的码序列。 2、m 序列的自相关函数

m 序列的自相关函数为()R A D τ=- （9-1）式中，A 为对应位码元相同的数目；D 为对应位码

元不同的数目。自相关系数为()A D A D

P A D

ρτ--==

+ (9-2） 对于m 序列，其码长为P=2n －1，在这里P 也等于码序列中的码元数，即“0”和“1”个数的总和。其中“0”的个数因为去掉移位寄存器的全“0”状态，所以A 值为

121n A -=-

（9-3） “1”的个数（即不同位）D 为

12n D -=

（9-4）

根据移位相加特性，m 序列｛a n ｝与移位｛a n －τ｝进行模2加后，仍然是一个m 序列，所以“0”和“1”的码元个数仍差1，由式（9-2）～（9-4）可得m 序列的自相关系数为

11(21)21() 0n n p p

ρττ----==-≠时 （9-5）

当τ＝0时，因为｛a n ｝与｛a n －0｝的码序列完全相同，经模2加后，全部为“0”，即D=0，而A=P 。由式（9-2）可知 0

(0) 1 0p p

ρτ-==时＝

（9-6）

因此，m 序列的自相关系数为

1 0()1 0,1,2,p τρτττ=⎧⎪=⎨-≠=⎪⎩

…,p-1 （9-7）

下面通过实例来分析自相关特性

图9-3所示为4级m 序列的码序列发生器。假设初始状态为0001，在时钟脉冲的作用下，逐次移位。D 3⊕D 4作为D 1输入，则n ＝4码序列产生过程如表9-2所示。

模2加

信号输出

时钟

表9-2 4级m 序列产生状态表

1列为2m ：10，相应的波形如图9-4所示，同时为了进行自相关系数的计算，分别列出了1m 序列是自身相乘的波形和12m m ⨯的波形。

比较1m 和2m 两个序列，相同码元的数目A=7，不同码元的数目D=8，则自相关系数

781(3)7815x A D A D ρ--=

==-++，同理可得(0)1x ρ=。可以验证：当0τ≠时，1

()15

x ρτ=- 。 (a )移位之前的m 序列m

1

c 2

(c )m 1×m 2

A

+10-1

A 0-1

A 0-1

A

0-1

图9-4 4级m 序列的自相关函数

3、m 序列的互相关函数

两个码序列的互相关函数是两个不同码序列一致程度（相似性）的度量，它也是位移量的函数。当使用码序列来区分地址时，必须选择码序列互相关函数值很小的码，以避免用户之间互相干扰。

研究表明，两个长度周期相同，由不同反馈系数产生的m 序列，其互相关函数（或互相关系数）与自相关函数相比，没有尖锐的二值特性，是多值的。作为地址码而言，希望选择的互相关函数越小越好，这样便于区分不同用户，或者说，抗干扰能力强。

在二进制情况下，假设码序列周期为P 的两个m 序列，其互相关函数R xy (τ)为 ()xy R A D τ=-

（9-9）

式中，A 为两序列对应位相同的个数，即两序列模2加后“0”的个数；D 为两序列对应位不同的个数，即两序列模2加后“1”的个数。

为了理解上述指出的互相关函数问题，在此以5n =时由不同的反馈系数产生的两个m 序列为例计算它们的互相关系数，以进一步讲述m 序列的互相关特性。将反馈系数为8(45)和8(75)时产生的两个5级m 序列分别记做：1m ：01010和2m ：0100，序列1m 和2m 的互相关函数如表9-3所示。

表9-3序列1m 和2m 的互相关函数表

根据表9-3中的互相关函数值可以画出序列1m 和2m 的互相关函数曲线,如图9-5所示。

可以看出，不同于m 序列自相关函数的二值特性，m 序列的互相关函数是一个多值函数。在码多址系统中，m 序列用作地址码时，互相关函数值越小越好。研究表明，m 序列的互相关函数具有多值特性，其中一些互相关函数特性较好，而另一些则较差。在实际应用中，应取互相关特性较好的m 序列作为地址码，由此便引出m 序列优选对的概念。

4、m 序列的性质：前面详细讨论了m 序列的产生原理，自相关以及互相关特性这部分将对m 序列的性质做一个总结，有关特性以反馈系数为8(45)的5级m 序列01010为例进行验证。m 序列具有以下性质：

1） 均衡性：由m 序列的一个周期中，0和1的数目基本相等。1的数目比0的数目多一个。该性

质可由m 序列01010看出：总共有16个1和15个0。

2） 游程分布：m 序列中取值相同的那些相继的元素合称为一个“游程”。游程中元素的个数称为

游程长度。n 级的m 序列中，总共有12n -个游程，其中长度为1的游程占总游程数的1/2，长度为2的游程占总游程数的1/4，长度为k 的游程占总游程数的2k -。且长度为k 的游程中，连0与连1的游程数各占一半。如序列01010中，游程总数为51216-=，此序列各种长度的游程分布如下：

长度为1的游程数目为8，其中4个1游程和4个0游程； 长度为2的游程数目为4，2个11游程，2个00游程； 长度为3的游程数目为2，1个111游程，1个000游程；