伪随机m序列发生器的产生设计
通信原理精品课-第七章m序列(伪随机序列)
04
m序列在扩频通信中的应用
扩频通信的基本原理和特点
扩频通信的基本原理
扩频通信是一种利用信息信号对一个很宽频带的载波进行调制，以扩展信号频谱 的技术。通过扩频，信号的频谱被扩展，从而提高了信号的抗干扰能力和隐蔽性 。
扩频通信的特点
扩频通信具有抗干扰能力强、抗多径干扰能力强、抗截获能力强、可实现码分多 址等优点。同时，扩频通信也存在一些缺点，如信号的隐蔽性和保密性可能受到 影响，信号的带宽较宽，对信道的要求较高。
在无线通信中，由于信号传播路径的不同，接收端可能接收到多个不同路径的信号，形成多径干 扰。
抗多径干扰
m序列具有良好的自相关和互相关特性，可以用于抗多径干扰。通过在发射端加入m序列，可以 在接收端利用相关器检测出原始信号，抑制多径干扰的影响。
扩频通信
m序列可以用于扩频通信中，将信息信号扩展到更宽的频带中，提高信号的抗干扰能力和隐蔽性 。
离散性
m序列是一种周期性信号，其 功率谱具有离散性，即只在某 些特定的频率分量上有能量分 布。
带宽有限
m序列的功率谱具有有限的带 宽，其带宽与序列的长度和多 项式的系数有关。
旁瓣抑制
m序列的功率谱具有较好的旁 瓣抑制特性，即除了主瓣外的 其他频率分量的能量较小。
m序列在多径干扰抑制中的应用
多径干扰
抗截获能力
m序列扩频通信系统具有较强 的抗截获能力。由于信号的频 谱被扩展，敌方难以检测和识 别信号，从而提高了通信的保 密性。
码分多址能力
m序列扩频通信系统具有较强 的码分多址能力。不同的用户 可以使用不同的扩频码进行通 信，从而实现多用户共享同一 通信信道。
05
m序列的未来发展与研究方向
m序列与其他通信技术的融合应用
伪随机序列的产生及应用设计-通信原理课程设计
课程设计任务书学生姓名：专业班级：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 (I)1理论基础知识 (1)1.1伪随机序列 (1)1.1.1伪随机序列定义及应用 (1)1.1.2 m序列产生器 (2)1.2芯片介绍 (4)1.2.1移位寄存器74LS194. (4)1.2.2移位寄存器74LS164 (5)1.2.3 D/A转换器DAC0808 (6)2 EWB软件介绍 (8)3设计方案 (9)4 EWB仿真 (11)5电路的安装焊接与调试 (13)6课程设计心得体会 (14)参考文献 (15)附录1 (16)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。
基于FPGA的m序列发生器的设计
的周期最长的一种基本序 列。本文首先分析ｍ序列 的基本原 理 、结构 、性质 ，然 后实现了１ 位ｍ序列 的仿真 以 ５ 及硬件 实现 ，最终用示波器 观察 波形。实验表 明 ，使 用该方法实现 的ｍ 序列发生器 ， 结构简单， 快， 用范 速度 适
围广。
关键词 ：ｍ序列 ；伪随机码 ；Ｆ ＧＡ Ｐ
号 ， 还可用作噪声源及在保密通 信中起加密作用等 。伪噪声
发生器在 测距 、通信 等领域的应用 日益受 到人 们重视 。有
灵活性 ， 且由于 Ｆ Ｇ 并 Ｐ Ａ便于实现大规模的数字系统 ， 中 其
中 图 分 类 号 ： Ｎ９ ５ ． Ｔ ２ ＋９ 文献标识码 ： Ａ
Ｄ ｅ ｉ ｆ ｄｉ ｔ ｌｔ ａ ｍ ｉｔ ｒ ｂａ ｅ ｓｇｎ ｏ ｇｉａ ｒ ｎｓ ｔ ｅ ｓ ｄ ｏｎ ＦＰＧ Ａ
Ｇ ｏＬ ｉ ｈ ｎＺ ｉ ａ ｇ ａ ｅ，Ｃ ｅ ｈｑ ｎ ，Ｗ ｕＬｈ ｉ Ｐ ￣ｉ ｇ ｉ ｉｕ ， ｕＮａ ａ ｎ （ ｎ ｔｕｅ ｆ ｉ ａ Ｃａ ｔｒ ｇ＆Ｐ ｏ ｅ ｉｇＴ ｃ ｎ ｌｇ ， ａ ｉｅ ｉ ｆ ｈｎ ， ａ ｕ ｎ０ ０ ５ ， ｈｎ ） Ｉｓｔｔ ｇ ｌ ｐ ｉ ｉ ｏＳｎ ｕ ｎ ｒ ｃ ｓｎ ｅｈ ｏｏ ｙＮｏ ｈＵｎｖ ｒ ｔ ｏ ｉａ ｉ ａ ，３ ０ Ｃ ｉａ ｓ ｓｙ Ｃ Ｔ ｙ １
２ ＂ 年 ８月 ｏ 第 ８期
电 子
测
试
ＥＬＥＣＴＲ０Ｎ Ｉ Ｃ Ｔ ＥＳ Ｔ
Ａｕｇ． ２０１１ Ｎ ｏ． 口
基于Ｆ Ｇ Ｐ Ａ的ｍ序列 发生器 的设 计★
高磊 ，陈志强 ，吴黎 慧 ，蒲南江 （ 中北大 学信息探测 与处理技术研究所 ，山西 太原 ０ ０ ５ ） ３ ０ １ 摘要 ：随机码越来越受 到人 们的重视 ，被广泛应用于导弹 、卫 星、飞船轨道 测量和 跟踪 、雷达 、导航 、移动通 信 、保密通 信和通 信系统性能的测量 以及 数字信息处理系统 中。１序 列是 伪随机码 中，带线性反馈移位寄存器 Ｔ Ｉ
M序列发生器
M 序列发生器M 序列（即De Bruijn 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随机序列；不能预先确定但可以重复产生的序列称伪随机序列。
m 序列发生器是一种反馈移位型结构的电路，它由n 级移位寄存器加异或反馈网络组成，其生成序列长度p ＝2n －1，且只有1 个冗余状态即全0 状态，所以称为最长线性反馈移位寄存器序列。
由于带有反馈，因此在移位脉冲作用下，移位寄存器各级的状态将不断变化，通常移位寄存器的最后一级做输出，输出序列为[a k ]＝a 0a 1…a n －1…。
其组成框图如图3.1所示。
输出序列是一个周期序列，其特性由移位寄存器的级数、初始状态、反馈逻辑以及时钟速率(决定着输出码元的宽度)所决定。
当移位寄存器的级数与时钟确定时，输出序列就由移位寄存器的初始状态和反馈逻辑所完全确定。
当初始状态为全零状态时，移位寄存器输出全0 序列。
为了避免这种情况，需设置全0 排除电路。
数字基带信号V 1的本原多项式为84321)(x x x x x f ++++=，作为8级m 序列其最长时间周期为28-1=255，即第2，3，4，8级参与反馈经异或后送入第1 级。
所设计的8级m 序列如图3.3所示。
图3.1 m 序列组成框图a n-11a n-22a 1n-1a 0n C 1C 2C n-1C n =1C 0=1输出｛a k ｝依据上图原理，设计了一种通过手动置数产生M 序列的电路，其电路设计如图3.4所示，该图由Protel SE99绘制，再根据该图搭建硬件电路，图中的单刀开关可以用拨码开关代替。
电路分析：全0状态时，采用此方法设计的m 序列发生器不具有自启动特性。
为了使电路启动，可以断开开关S 1，将74LS194 的工作方式控制端S 1置高电平，这时S 1和S 0均为高电平，即S 1S 0＝11，74LS194 处于置数状态，把输入端的初始状态10000000 置到输出端。
伪随机码产生器实验
实验八伪随机码产生器实验一、实验实训目的1．了解扩频通信的原理2．掌握伪随机序列——m序列产生器的结构二、实验原理与说明信号的频带宽度与其脉冲宽度近似成反比。
很窄的脉冲序列的带宽很宽，因此如果用很窄的脉冲序列对所传信息进行调制，则可产生很宽频带的信号。
CDMA 蜂窝网移动通信系统就是采用这种方式获得扩频信号的。
所用的这种很窄的脉冲码序列称为扩频码序列。
用很窄的脉冲序列对所传信息进行调制的一种方式就是直接序列扩频。
直接序列扩频系统采用的很窄的脉冲序列——伪随机码在发端对要发送的信息码进行频谱展宽——扩频，在收端用相同的伪随机码序列进行解扩，然后将展宽的扩频信号还原成原始信息。
作为扩频码的伪随机码具有类似白噪声的特性，可以用一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，称之为伪随机码或PN码。
用于扩频码的伪随机码常用的m序列。
m序列容易产生、规律性强等优良特性，目前的CDMA系统就是采用这种PN 序列---m序列来进行扩频通信的。
m序列是最长线性移位寄存器的简称，m序列具有与伪随机噪声类似的尖锐自相关特性，但它不是真正随机的，而是按照一定规律周期性变化，它的周期P=2n-1。
n称之为m序列的阶数，也是构成m序列产程器所用移位寄存器的级数。
可以用硬件电路来实现一个m序列。
以最简单的n=3的三级移位寄存器构成的m序列发生器如图1所示。
移位寄存器是D触发器（如74163），在时钟脉冲CP上升沿到来时，输出Q等于输入D。
中间第二、三级移位寄存器的输出Q2和Q3经模2加（异或）电路后反馈到第一级移位寄存器的输入D1端，构成反馈电路。
当初始状态Q1Q2Q3为111时，在时钟脉冲的控制下，各输出端的输出数据如表1所示，得到输出周期为P=23-1=7的码序列1110010。
在输出一个周期的序列后，Q1Q2Q3又回到111状态。
在时钟的控制下，输出序列做周期性的重复。
1110010就是一个周期是7的m序列。
产生周期为P=2n-1的m序列的方法类似。
m序列发生器的设计与实现
２ ０ 年 ６月 ０７
Ｊ ｎ ２０ ｕ ．０ ７
ｍ序列发生器的设计与实现
王会华 ， 李宝平
（ 南京邮电大学 无线通信与电磁兼容实验 室， 江苏 ， ， １ ０ ３） 南京 ２ ０ ０
摘 要： 随机码越 来越受到人们 的重视 ， 广泛应 用于导弹、 伪 被 卫星、 飞船轨道 测量和跟踪 、 雷达、 导航 、 移
计 想法 。
关键词 ： 随机码 ； 序列 ； 伪 ｍ 移位寄存器 ； ； 仿真 移动通信
中图分类号 ： Ｎ １ ． Ｔ ９ ７ １ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：６ ２ ４ ４ （０ ７ ２ ０ ５ — ４ １７ — ６ Ｘ２ ０ ） —０ ８０ ０
Ｄｅ ｉｎ ａ ｄ Ｒｅ ｌ ｅｏ ｌＳ ｑ ｅ ｃ ｎ ｒ ｔ ｒ ｓｇ ｎ ａｉ ｆｎ ｅ ｕ ｎ ｅ Ｇｅ ｅ ａ ｏ ｚ
ＷＡＮ Ｈ ｉｌ ， Ｂ ｎ Ｇ ｕ－ｍａ ∞ ｇ
（ ｂ ｒｔｒ ｏ ｒｌ ｓＣ ｍｍ ｎ ａｉ ｎ ＭＣ Ｎ ｎｎ ｎ ｅｓｙｏ ｏｔ ａ ｄ Ｌ ｏａｏｙ ｆ ｅ ｓ ｏ ｕ ｉ ｔ ｎａ ｄＥ ａ ｊｇＵ ｉ ｒｔ ｆ ｓ ｎ ａ Ｗｉ ｅ ｃ ｏ ｉ ｖ ｉ Ｐ ｓ ＴＩ ｏ ｅ ｃ ｍｍｕ ｉ ｆ ｎ ａ ｊｇ ２０ ０ ） ｅ ｎ ａｉ ｓＮ ｎｎ ， １０ ３ ｃ ｏ ｉ
０引 言
伪 随机码【 又称伪 随机序 列 ， １ 】 ， 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
ｓ ｑ ｅ ｃ ． ａ ｅ ａ ｒ ｕ ｅ ｈ ｒ ｗａｅ ｄ ｓ ｉ ｕ ｔ １ 一 ｅ ｅ ｓ ｑ ｅ ｃ ． ｕ ｈ ｒ ｏ ｅ ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｅ ｕ ｎ ｅ Ｌ ｔｒ ｗｅ ｃ ｒｙ ｏ ｔ ｈ ａ ｄ ｒ ｅ ｉ ｃｒ ｉ ３ ｌｖ ｌ ｔ ｎ ｇ ｃ ｓ ｍ ｅ ｕ ｎｅ Ｆ ｒ ｅ ｔ ｍ ｒ ｓ ａ ｅ ｈ
一种新型基于FPGA的伪随机序列发生器设计
参考文献
级数 （ ｎ ） 可调 的是本设计的核心之一 ，实 现移位寄存器的多级 移位可调 。伪 随机序列 发 生器 可 由 ｍ序列 的特 征 向量 ，根据控 制级数 的输入信号 （ ｎ ） ，产生 ３ ～ １ ６级 的任意一级 的随 机序列 ，产生 的最长 的序 列长度 为 ，基本上 可 以满足一般应用需求。级数控制 输入信号是
学学报 ， ２ ０ １ ２ ．
Ｇｏ ｌ ｄ序列 、Ｍ 序 列等 ，本 文设计 的伪 随机序 列 发生器是 采用 ｍ序 列设计 的。反馈 函数 可
所 输入 的 ３ Ｎ １ ６级 任意 一个 十进制数 。如 图 ２ 所示 ， 级数控 制输入信号到译码器 中进 行译码 ， 将译码的结果传到多路选择器 。通 过多路选择 器进行选择 ，得到不同的移位控制信息，输出 的移位控制信息控制移 位寄存器组 。 核心 ，实现线性反馈线性移 位寄存器 的反馈 系
系数 可 调 的特 性 。
个电路 ，使 用统一 的输入输 出管脚 ，统一 的
输 入时钟信 号 。输入信 号有 ：４位 的级 数 （ ｎ ） 合 。该设 计的电路可以产生 的最长的序列长度 控制输入 、使能控制、输入 时钟、反馈系数控 为 ，可 以满 足大部 分场合 下的要求 。整体 电 制（ ｃ ） ；输 出信号有 ：伪 随机 序列输 出。 电路 路硬件结构简单、 占用的器件 资源少 、具有很 结构如图 １所示。
电力 电子 ・ Ｐ ｏ ｗｅ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ
一
种新型基于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ的伪随机序列发生器设计
文／ 赵怡 余 稀
特
用 Ｑ ｕ 路
馈
机
反
第八章伪随机序列
二、 游程分布(游程分布的随机性)
游程:一个序列中取值(1 或 0)相同连在一起的元素的统称 游程长度:
分布特性：
１.m序列的一个周期(p=2n-1)中，游程总数为2n-1。
2.当１ <游程长度k ≤n-1,游程数目占总数2-k 当１ ≤k ≤n-2,连“１”和连”０“游程各占一
半
例如 m序列:000111101011001, p=15
cn－1 n
a0
cn＝1 输出 ak
线性反馈移位寄存器
它是由n级移位寄存器、时钟发生器（图中未画出）
及一些异或电路连接而成。图中ai(i＝1,2,…..n-1)
为某一级移存器状态，Ci表示反馈线连接状态: Ci＝１，表示反馈线通，参与反馈； Ci＝０，表示断开，不参与反馈。 C0 =Cn=１。
１.
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
15位
0
1
1
0
ak 0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
0
需要自己推导一下
0
0
0
1
1
0
0
0
… … … …
说明：
1.为了m序列发生器组成尽量简单， 就使用项数少的那些本原多项式。
2.本原多项式的递多项式也是本原 多项式，表中每一项多项式可组成 两种发生器。
M序列发生器设计实验指导书
M序列发生器设计实验一、实验原理：M序列码也称伪随机序列码，其主要特点是：（1）每个周期中，“1”码出现2n-1次，“0”码出现2n-1次，即0、1出现概率几乎相等。
（2）序列中连1的数目是n，连0的数目是n-1。
（3）分布无规律，具有与白噪声相似的伪随机特性。
由于具有这些特点，m序列码在通信、雷达、系统可靠性测试等方面获得了广泛地应用。
m序列码发生器是一种反馈移位型结构的电路，它由n位移位寄存器加异或反馈网络组成，其序列长度M＝2n-1，只有一个多余状态即全0状态，所以称为最大线性序列码发生器。
由于其结构已定型，且反馈函数和连接形式都有一定的规律，因此利用查表的方式就设计出m 序列码。
列出部分m序列码的反馈函数F和移存器位数n的对应关系。
如果给定一个序列信号长度M，则根据M＝2n-1求出n，由n查表便可以得到相应的反馈函数F。
二、基于DSP Builder 的设计M 序列发生器可由线性反馈寄存器（Linear Feedback Shift Registers,LFSR ）来产生，如图1所示。
图1 线性反馈移位寄存器的构成其特征多项式可表示为:∑==ni i i x C x F 1)(在图1中涉及的乘法和加法都是指模二运算的乘法和加法，即逻辑与和逻辑或。
要产生最长的线性反馈移位寄存器序列的n 级移位寄存器，其特征多项式必须是n 次本原多项式。
例如n=5，可以生成M 序列的5级LFSR 的特征多项式，即：125++x x ，此式可生成的M 序列的周期为：125-。
下面以M 序列发生器模型125++x x 为例，利用DSP Builder 构建一个伪随机序列发生器。
图2显示了上式的DSP Builder 模型表述，这里采用相连的延时单元级作为移位寄存器，用异或（XOR ）完成模二加运算，输出为Output 。
图2 M 序列发生器模型但应注意，图2所示的电路一般无法正常工作。
这是由于在DSP Builder 默认的延时单元在开始工作时，存储内容为0，而对于M 序列来说，起始序列为全0，那么根据多项式，输出序列也将为0.全0序列不是正常的M 序列。
m序列产生原理
m序列产生原理m序列是一种特殊的伪随机数序列，具有良好的随机性质，被广泛应用于通信、加密、雷达、测距等领域。
m序列的产生原理主要基于反馈移位寄存器和模2加法器，下面我们来详细介绍一下m序列的产生原理。
首先，m序列的产生基于一个反馈移位寄存器（LFSR），它由若干个触发器和异或门组成。
反馈移位寄存器的初始状态称为种子，种子的选择对m序列的随机性质有很大影响。
在产生m序列的过程中，寄存器的状态不断变化，每次变化都会输出一个比特，这些输出的比特组成了m序列。
其次，m序列的产生还依赖于模2加法器。
反馈移位寄存器输出的比特经过模2加法器进行模2加运算，得到m序列的输出比特。
模2加法器实际上就是异或门，它将反馈移位寄存器输出的比特与特定位置上的比特进行异或运算，得到m序列的下一个比特。
最后，m序列的周期性与反馈移位寄存器的长度有关。
对于一个n级的反馈移位寄存器，其产生的m序列的周期为2^n-1，即m序列会在2^n-1个时钟周期内重复。
这也意味着m序列的长度是有限的，随着时钟周期的增加，m序列会重复出现之前的序列。
总结一下，m序列的产生原理主要包括反馈移位寄存器和模2加法器。
反馈移位寄存器通过不断变换状态产生随机比特，而模2加法器则将这些比特进行模2加运算，最终输出m序列。
m序列的周期性与反馈移位寄存器的长度有关，周期为2^n-1。
通过合理选择反馈移位寄存器的种子和长度，可以得到具有良好随机性质的m序列。
以上就是m序列的产生原理，希望能对您有所帮助。
如果您对m序列还有其他疑问，欢迎与我们进一步交流讨论。
基于FPGA的伪随机序列发生器设计
位 反馈 移 位寄存 器 的逻辑 功能 如 图１ 示 。 所
图 中，蕊 表示 寄存 器所 处 的状 态 ，通 常用Ｏ 和
１ 来代 表 两 个 可 能 的状 态 。并 且 把０ １ 成 是有 和 看
是 当伪 随机 序列 周期 足 够长 时 ，它 便具 有 随 机序 列 的 良好 统 计特 性 。在 已有 的序 列 中 。ｍ序 列 的
利 用 反 馈 移 位 寄存 器 产 生０ １ 列 时 ，其 １ 、 序 ３
收 稿 日期 ：０ ９ １ — ９ ２ ０ — ０ １
从 状 态 （ ａ＋． ｋ ）到下 一 个 状 态 （ １ ２． ｎ ａ ｋ－ ｋ １－ ａ ＋ ． ） ＋＿ ＋
＂ ｅｄ．ｌ ２ １ ． 电 子 元 器 件 主 用 ｃ ａ ｚ ０ ０２ ｃ ４ ９
Ｏ 引 言
伪 随机 序列 现 已广 泛应 用 于密 码 学 、扩 频通
输 出
讯 、导航 、集 成 电路 的可测 性设 计 、现 代 战争 中 的 电子 对抗 技术 等许 多重要 领 域 。伪 随机 序列 的
伪 随机 性表 现在 预 先 的可确 定性 、可重 复 产 生与 处 理 。伪 随机 序列 虽然 不是 真 正 的随机 序 列 ，但
列 和基 于ｍ序 列 的非 线性 ｍ子序 列 的Ｆ Ｇ 实 现 方 ＰＡ
法 。 由于Ｆ Ｇ Ｐ Ａ的 内部 逻 辑 功 能 是 通 过 向 内部 静
数 ，当 。 ，…，－Ｉ
态存 储器 单 元加 载配 置数 据来 实 现 的 ，其配 置 文 件 决定 了逻 辑 单 元 的逻 辑 功 能 以及 模 块 间 或 与 Ｉ ， Ｏ间 的 连 接 ，故 可 最 终 决 定 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ实 现 的 功 能 。
基于FPGA的m序列发生器
基于FPGA的ｍ序列发生器摘要ｍ序列广泛应用于密码学、通信、雷达、导航等多个领域，本文提出了一种基于FPGA的伪随机序列产生方法，应用移位寄存器理论从序列的本原多项式出发，获得产生该序列的移位寄存器反馈逻辑式，结合FPGA芯片结构特点，在序列算法实现中采用元件例化语句。
算法运用VHDL语言编程，以A1tera的QuartusⅡ软件为开发平台，给出了序列的仿真波形。
序列的统计特性分析表明：该方法产生的序列符合ｍ序列的伪随机特性，验证了算法的正确性。
关键词：ｍ序列；移位寄存器理论；VHDL语言1 m序列m序列是伪随机序列的一种 ,结构简单 ,实现方便。
在现代工程实践中 , m 序列在通讯、导航、雷达、通信系统性能的测量等领域中有着广泛的应用。
例如 , 在连续波雷达中可用作测距信号 , 在遥控系统中可用作遥控信号 , 在多址通信中可用作地址信号 , 在数字通信中可用作群同步信号 ,还可用作噪声源及在保密通信中起加密作用等。
伪噪声发生器在测距、通信等领域的应用日益受到人们重视。
目前，m序列产生实现方法主要有3种：(1)门电路实现该方法设计简单，但随移位寄存器级数的增长，电路装调困难，且占用的印制板面积较大。
(2)DSP编程实现该方法专业性过强，不适合一般用户。
(3)VHDL与CPLD实现由于CPLD的高集成度，而且VHDL语言编程较为方便，故可以大大减少电路的装调的困难。
文章提出VHDL语言实现，，l序列电路是周期、初相位可编程变化的，其应用较为灵活，通过微处理器对其进行适当的初始化，即可产生用户所需周期、初相位的m序列输出。
用软件方式构成的特点是采用灵活的数据查询方式可以获得任意级数 n 的本原多项式系数 ,从而实现 m 序列的产生 , 但速度受到单片机工作速度的限制。
而 FPGA 具有硬件电路实现的优点 , 又具有设计上的灵活性 , 并且由于FPGA 便于实现大规模的数字系统。
1.1 理论基础m 序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称，它是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种序列。
基于Matlab的m序列发生器的设计1
引言伪随机噪声具有类似于随机噪声的某些统计特性，同时又能够重复产生。
由于它具有随机噪声的优点，又避免了随机噪声的缺点，因此获得了日益广泛的实际实用。
这种周期性数字序列称为随机序列，有时又称为随机信号和伪随机码。
m序列是伪随机序列中最重要的序列中的一种，它不但具有易于产生的特点，还具有良好的自相关特性，在扩频通信中得到了广泛的应用。
1. m序列设计方案选择1.1 方案一编程实现m 序列：MA TLAB编程非常简单，无需进行变量声明，可以很方便的实现m序列。
1.2方案二图1.1 Simulink 实现m 序列Simulink 实现m 序列(如图1.1所示) 。
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
通过比较方案一和方案二，发现方案一的优点具有通用性，其中mserises.m相当于一个通项，根据具体的本原多项式调用它即可，而方案二利用MATLAB的simulink直接搭建模块，在移位寄存器较少时利用此方法极为简单，可是当移位寄存器的数量增多时，要搭建那么多的模块就显得很繁琐，缺乏通用性。
2.Simulink工具介绍2.1 Simulink简介Simulink是MATLAB软件最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可以构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用与控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
m序列伪随机码产生及应用仿真matlab
序列伪随机码产生及应用仿真matlab一、概述随机序列是一种具有随机性质的数字序列，可用于信息传输、通信系统、密码学、雷达等领域。
伪随机序列是一种经过数学算法产生的序列，其具有类似与随机序列的统计特性，但实际上是确定性的。
在通信系统中，伪随机序列广泛应用于码分多址技术、扩频通信、混沌通信等领域。
本文将介绍伪随机码的产生原理，并使用matlab进行仿真实现，以加深对该技术的理解。
二、伪随机码的产生原理伪随机码的产生主要包括线性反馈移位寄存器（LFSR）、加法（XOR）运算和乘法（AND）运算等步骤。
下面以LFSR为例，介绍伪随机码的产生原理。
1. LFSR原理LFSR是一种利用移位寄存器和反馈逻辑电路构成的伪随机码产生器。
在LFSR中，存在一个移位寄存器和一个反馈逻辑电路。
移位寄存器中存储了若干比特的信息，经过时钟信号的控制完成信息的移位操作。
而反馈逻辑电路则根据寄存器中的信息产生反馈信号，从而实现伪随机序列的产生。
2. 伪随机码的产生过程（1）初始化LFSR。
将移位寄存器中的初始状态设置为一个非零的值。
（2）循环移位寄存器。
根据时钟信号的控制，移位寄存器中的信息进行移位操作。
（3）根据反馈逻辑电路的输出，生成伪随机序列。
通过反馈逻辑电路生成的反馈信号，即为伪随机序列的一部分。
三、matlab仿真实现matlab是一种功能强大的科学计算软件，具有丰富的绘图和仿真功能。
下面将使用matlab进行伪随机码的产生和仿真实现。
1. 产生伪随机码在matlab中，可以使用shiftregister函数实现LFSR的移位寄存器功能。
结合matlab的位运算功能，可以方便地实现伪随机码的产生。
以下是一个简单的matlab代码示例：```matlab定义LFSR的初始状态state = [1 0 1 0 1];定义LFSR的反馈多项式polynomial = [5 2];产生伪随机码for i = 1:10获取LFSR的输出output = state(end);计算新的状态new_state = mod(sum(state(polynomial)), 2);更新状态state = [new_state, state(1:end-1)];显示输出disp(output);end```上述代码中，通过定义LFSR的初始状态和反馈多项式，使用循环产生了10个伪随机码的输出。
m序列发生器的设计与实现
第1章绪论1.1 课题背景在信息化社会，通信系统担负着信息传输、交换和处理的重要任务。
通信技术的发展代表了一个国家科学技术的发展现状，也成为国家经济发展的一个重要推动力。
扩展频谱通信是通信的一个重要分支和发展方向，它是扩展频谱技术和通信技术相结合的产物。
由于扩展频谱即使具有抗干扰能力强、截获率低、多址能力强、抗多径、保密性好及测距能力强等一系列的优点，使得扩展频谱通信越来越受到人们的重视。
随着大规模或超大规模集成电路技术、微电子技术、为处理技术的迅猛发展以及一些新型器件的广泛应用，扩展频谱通信的发展迈上了一个新的台阶，它不仅在军事通信中占有重要地位，而且正迅速地渗透到民用通信中。
可以毫不夸张地讲，在现代通信系统，特别是无线通信系统，没有扩展频谱技术，这些系统想生存都是比较困难的。
在扩展频谱系统中，伪随机序列起着重要的作用。
在直扩系统中，用伪随机序列将传输信息扩展，在接收时又用它将信息压缩，并使干扰信息功率扩展，提高了系统的抗干扰能力；在跳频系统中，用伪随机序列控制频率合成器产生的频率随机地跳变，躲避干扰；在跳时系统中，用伪随机序列控制脉冲发送的时间和持续时间。
由此可见，伪随机序列性能的好坏，直接关系到整个系统性能的好坏，是一个至关重要的问题。
m序列是最长线性移位寄存器序列，是伪随机序列中最重要的序列中的一种，这种序列易于产生，有优良的自相关特性。
在直扩系统中m序列用于扩展要传递的信号，在跳频系统中m序列用来控制跳频系统的频率合成器，组成随机跳频图案。
电子设计技术由于计算机技术的发展而产生了巨大变化。
本设计是利用电子设计方法，用电路图表示设计思想，用实验电路板搭载实验电路，进行模拟、仿真，用电子测试仪器进行功能、性能测试。
20世纪80年代，计算机辅助设计（CAD）技术开始发展，许多CAD工具软件开始流行。
在信息学科领域也和其他学科一样，计算机辅助设计技术步入了发展轨道。
由于电子科学是计算机科学的基础，计算机学科的发展离不开电子学科的支持，但是计算机科学又反作用于电子科学，加速了电子学科的发展。
基于FPGA的高速伪随机序列发生器设计
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中 图分 类 号 ：ＴＮ９ １ ９ ＴＮ ４ ３ １ 文 献 标 识 码 ：Ａ 国家 标 准 学 科 分 类 代 码 ：５ １ ０ ． １ ０ ５ ０
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伪随机序列《通信原理》
伪随机序列1．基本概念伪随机序列是具有类似于随机噪声的某些统计特性，同时又具有周期性的数字序列，又称伪随机信号和伪随机码。
2.m序列（1）m序列的产生①m序列的定义m序列是指由带线性反馈的移存器产生的周期最长的序列，即最长线性反馈移位寄存器序列的简称。
②m序列的产生原理图12-1 线性反馈移位寄存器原理方框图一个n级线性反馈移存器可能产生的最长周期等于（2n－1）。
③m序列的实现a．基本关系式第一，递推方程第二，特征方程第三，母函数b．基本定理定理一式中，h(x)为次数低于f(x)的次数的多项式。
定理二：一个n级线性反馈移存器之相继状态具有周期性，周期为p≤2n－1。
定理三：若序列A＝{a k}具有最长周期（P＝2n－1），则其特征多项式f(x)应为既约多项式。
定理四：一个n级移存器的特征多项式f(x)若为既约的，则由其产生的序列A＝{a k}的周期等于使f(x)能整除的（x p＋1）中最小正整数p。
c．本原多项式第一，定义本原多项式是指满足既约条件；可整除（x m＋1），m＝2n－1；且除不尽（x q＋1），q＜m 的多项式。
第二，应用当线性反馈移存器的特征多项式为本原多项式，反馈移存器才能够产生m序列，即可以由本原多项式构成m序列发生器，本原多项式列表见表12-1。
表12-1 本原多项式表（2）m序列的性质①均衡性在m序列的一个周期中，“1”的个数比“0”的个数多一个，“1”和“0”的数目基本相等。
②游程分布性a．游程的定义游程是指一个序列中取值相同的那些相继的（连在一起的）元素的合称，其中游程元素的个数称为游程长度。
b．游程的分布规律第一，长度为k的游程数目占游程总数的2－k，其中；第二，在长度为k的游程中（其中），连“1”的游程和连“0”的游程各占一半。
③移位相加特性一个m序列M p与其经过任意次延迟移位产生的另一个不同序列M r模2相加，得到的仍是M p的某次延迟移位序列M s，即④自相关函数a．定义式b．数学表示式式中，m为序列的周期。
m序列的原理及应用总结
m序列的原理及应用总结1. 概述m序列（maximum-length sequence），也称为伪随机噪声序列或m序列码，是一种特殊的二进制序列。
m序列具有良好的随机性和周期性，具有广泛的应用领域，例如通信系统中的扩频技术、密码学中的序列密码以及信号处理中的相关分析等。
本文将介绍m序列的原理和应用。
2. m序列的生成原理m序列是通过线性移位寄存器（LSR）和反馈逻辑实现的。
下面是m序列的生成原理：1.首先，选择一个m阶多项式，表示为G(x)=g0+g1x+g2x2+…+gm-1xm-1，其中gi ∈ {0, 1}，且m大于1。
2.初始化一个m位寄存器，将其所有位都设置为1。
3.对于每个时钟周期，将寄存器的最低位输出作为m序列的输出，并根据反馈逻辑更新寄存器的状态。
4.反馈逻辑根据G(x)的系数进行计算，具体计算方式为将寄存器的值与G(x)的系数进行与运算，然后将结果进行异或操作，并将计算结果作为寄存器的新状态。
5.重复步骤3和步骤4，直到生成所需的m序列。
3. m序列的特性m序列具有以下几个特性：•最大长度：m序列的周期长度为2m-1，即n=2m-1。
•等自相关性：m序列与其自身进行互相关时，对于任意的偏移量k （0≤k≤n-1），互相关系数均为0。
•平衡性：m序列的周期内0和1的个数相等，即0和1出现的次数相差不超过1。
•异构性：m序列的任意m位子序列都是一个伪随机序列。
4. m序列的应用m序列具有良好的性质，因此在许多领域都有重要的应用。
以下是m序列的几个主要应用：4.1 扩频技术扩频技术是将原始数据序列通过与m序列进行逐位异或得到扩频序列的技术。
扩频序列具有较大的频带宽度，在通信系统中广泛应用于抗干扰、低功率传输以及多用户接入等方面。
m序列被广泛应用于扩频码的产生。
4.2 序列密码系统m序列在密码学中有重要的应用，可以用于产生密钥序列。
由于m序列具有较长的周期和良好的随机性质，能够提供较高的安全性。
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信息科学与技术学院通信原理课程设计课题名称：伪随机M序列发生器设计学生姓名：许奎英2008082491学院：信息科学与技术学院专业年级：电子信息工程2008级指导教师：邓红涛完成日期：二○一一年七月十二日目录前言 (3)摘要 (4)理论基础知识 (5)伪随机序列 (6)伪随机序列定义及应用. (7)m序列产生器 (7)芯片介绍 (8)移位寄存器74LS164 (9)D/A转换器IDAC (9)EWB软件介绍 (10)设计方案 (10)EWB仿真 (11)电路的调试 (13)参考文献 (13)实验心得 (14)附录 (15)前言题目：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）；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。
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n 2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12-n 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12-n 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12-n 。
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）。
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)(x f 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)(x f 为特征多项式。
所谓“本原多项式”，即)(x f 必须满足以下条件： （1）)(x f 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12-=n q 时，则f(x)能除尽q x +1； （3）当12-<n q 时，f(x)不能除尽q x +1。
理论分析证明：当特征多项式)(x f 是本原多项式时，与它对应的移位寄存器电路就能例如特征多项式41)(x x x f ++=，对应于图2所示的电路。
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12348++++x x x x，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1.2.2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QA~QH 。
移位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V REF四部分组成。
芯片的引脚排列如图1-5所示。
其中D0~D7是数字信号输入端，I O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，V CC、V EE是正、负电源输入端，GND是接地端。
16 15 14 13 12 11 10 9DAC08081 2 3 4 5 6 7 8EE O 7 6 5 4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R F ，外接运放后的输出电压为∑=⨯⨯-=78)2(2i iREFF O Di V R R V由上式可见，输出电压V O 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。