基于ttl门电路扩频码发生器仿真设计与电路实现学士学位论文(编辑修改稿)

基于ttl门电路扩频码发生器仿真设计与电路实现学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

个部分， 能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。 Multisim、 Ultiboard、 Ultiroute 及 Commsim 4 个部分相互独立，可以分别使用。 Multisim、 Ultiboard、 Ultiroute 及 Commsim 4 部分有增强专业版（ Power Professional）、专业版（ Professional）、个人版（ Personal）、教育版（ Education）、学生版（ Student）和演示版（ Demo）等多个版本，各版本的功能和价格有着明显的差异。 美国国家仪器公司 (NI 公司 )推出一款最新版 本的计算机仿真软件NI Multisim10。 Multisim 作为一个完整的设计工具系统，为我们提供了数量庞大的元件数据库，并且提供原理输入接口、全部的数模 SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)仿真功能、 VHDL 设计接口与仿真功能、 FPGA/CPLD 综合、RF 射频设计能力和后处理功能，数据传输。 为了满足使用者们的设计需求，它提供单一的，容易使用的图形输入接口。 Multisim 提供全部先进的设计功能，满足使用者从参数到产品设计的要求。 由于程序把原理图输入、仿真和可编程逻辑紧密的结合在一起，所以设计工作时使用者们可以放心的使用并且不用在担心由于应用程序在不同供应商之间进行数据的传递时出现的问题。 NI Multisim10 用软件的方法虚拟电子与电工元器件以及电子与电工仪器和仪表，通过软件将元器件和仪器集合为一体。 软件不仅可以进行电路设计还可以对电路功能进行测试，极其方便使用者进行仿真。 NI Multisim10 的元器件库 中 拥有近千种电子电路器件可以进行仿真使用。 使用者还可建立自己的元件库对元件种类进行扩展，又可以用生产厂家配置的说明手册 查到各个元件的参数和使用说明， 因此在工程设计中使用时非常方便。 一般实验室的通用仪器如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源等以及实验室少有或者没有的仪器，如波特图仪、数字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、安捷伦沈阳理工大学学士学位论文 6 多用表、泰克示波器等构成了 NI Multisim10 的虚拟测试仪器仪表，所以 NI Multisim10的虚拟测试仪器仪表种 类齐全。 NI Multisim10 具有较为详细的的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析等各种电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。 它还可以设计、测试和演示各 种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。 该软件还具有强大的 Help 功能，其 Help 系统不仅包括软件本身的操作指南，更重要的是包括含有元器件功能说明。 Help 中这种元器件功能说明有利于使用 NI Multisim10 进行CAI教学。 利用 NI Multisim10 可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可 方便地对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。 NI Multisim10 易学易用，便于电子信息、通信工程、自动化、电气控制类专业学生自学、便于开展综合性的设计和实验，有利于培养综合分析能力、开发和创新的能力 [2]。 沈阳理工大学学士学位论文 7 2 m序列伪随机码 伪随机码 伪随机码定义 伪随机码 (pseudo random code)简称 PN 码， 是人为产生的一种码序列，具有可以复制的特性，还具 有类似白噪声的性质。 若存在一个序列，它本身是可以预知的，而且人们可以对它进行复制和无限的产生 如果一个序列， 有拥有随机序列所具有的统计特性，我们就把这种序列叫做伪随机序列。 香农编码定理指出：当 信息速率 Rd小于信道容量 C，就可以找到一种编码的方法 ，使得在码字相当长的条件下，能够几乎无差错的从高斯白噪声干扰的信号中恢复出原发送信号。 这里有两个条件，一是 Rd≤ C，二是编码足够长。 香农在证明编码定理时，提出了用具由白噪声统计特征的信号来编码。 白噪声是一种随机过程，它 的瞬时值服从高斯分布。 高斯白噪声功率谱在很宽的频带内都是均匀分布的，它具有非常好的相关特性。 白噪声是具有 白噪声是一种服从正态分布，具有均匀的功率谱的随机过程。 它的随机性意说明：白噪声具有无周期，无法复制与预测的特点。 无周期就没有办法储存，不重复就没有办法进行验证，所以不能再实际工程中运用。 为了能达到实际工程运用的要求，需要引入具有相似于高斯白噪声统计特性的人工信号序列，这就是伪随机序列产生的产生根源。 利用高斯白噪声所具有的统计特性的伪随机码信号来代替纯随机码的现象，在工程实践中是非常普遍的。 伪随机序列是 一种确定的序列，但是却是“随机”产生，在产生的过程中保持着“ 1”和“ 0”的随机性。 它只有“ 0”和“ 1”两种电平编码结构它 ，“ 0”和“ 1”电平分别占编码的一半，拥有超强的 抗干扰能力，并且具有很好的自相关特性，序列均衡性能够得以实现。 所以，不论在直扩系统中的扩展信号的传递，还是在调频系统中，伪随机序列的应用都十分广泛。 伪随机码性质 在扩频系统的实际运用中，一般采取伪随机码要具有如下性质： 容易产生； 沈阳理工大学学士学位论文 8 具有随机性； 应具有尽可能长的周期，使第三方难以从扩频码的一小段去重建整个码序列； 扩频序列应具有双值自相关函数和良好的互相关特性，以有利于接收时的截获和跟踪，以及多用户应用； 理想的随机序列在工程上无法应用，所以实际上所用的均为伪随机序列，伪随机序列要具有理想随机序列的性质，但在工程上要便于实现。 随机序列所具有的性质，概括起来讲主要有以下三点： 随机序列中的“ 0”的个数和“ 1”的个数接近相等； 把随机序列中连续出现的“ 0”和“ 1”的子串称为游程。 连续的“ 0”和“ 1”的个数称为游程长度。 随机序列中长度为“ 1”的游程约占总游程总数的 1/2，长度为 2的游程约占总游程数的，长度为 3 的游程 占游程总数的。 在同长度的游程中，“ 0”游程和“ 1”游程数大致相等。 随机序列的自相关函数具有类似白噪声自相关的性质。 反馈移位寄存器可以产生伪随机序列，有线性反馈寄存器和非线性反馈移位寄存器两种。 最为常见的 m 序列是 由线性反馈移位寄存器产生出的周期 最长的二进制数字序列称为最大长度线性反馈移位寄存器， m 序列的理论基础已经成熟，在工程中应用非常广泛。 具有 n阶 线性反馈移位寄存器（ LFSR） 最长能过产生 2n1 为序列码 在二进制多级移位寄存器中，若线性反馈移位寄存器（ LFSR）有 n 阶（即有 n 级寄存器），则所能产生 的最大长度的码序列为 2n1 位。 如果数字信号直接取自 非翻转信号的输出，那么最长的 连续 0 的个数 为 n1 个。 在一个长度为 n的序列中应该包含所有 0 和 1 所有可能出现的组合，而且只有将触发器初值设定好并使时钟电路产生移位时钟才能使移位寄存器产生确定的值。 m序列定义 m 序列是 由 最长线性移位寄存器 产生的， 是一 种很重要的伪随机序列，它是最早应用于扩频通信， 伪随机序列 的研究中 m 序列的研究最为成熟。 此外， m 序列也是研究和构造其他序列的基础。 m序列伪随机码的性质 沈阳理工大学学士学位论文 9 平衡性 在 m 序列中“ 1”的个数比“ 0”的个数多 1 个，且“ 1”的个数为 2n1个，这是由于 n 级移位寄存器共有 2n个状态，除去 一个全零状态 ，还有 2n −1 个非零状态。 而“ 0”和“ 1”的出现机会相等。 移位可加性 一个 m序列同该序列的任意移位（循环移位）序列相加（模 2 加），是该序列的另一移位序列，即属于 m序列。 例如， 周期为 p 的 m序列 mp和它的任意延迟位移后的序列 mr模二相加后所得序列仍是该 m 序列的某个位移序列 ms，即： mp⨁mr=ms其中： ms为 mp某次延迟位移后的序列。 例如： mp=000111101011001，„将 mp延迟两位后得 mr：mr=010001111010110，„将 mp 与 mr模二相加得： mp⨁mr =ms =010110010001111，„显然， mp⨁mr=ms为 mp延迟 11 位后的序列 [4]。 游程特性 （游程分布的随机性） 周期为 N=2n −1 的 m 序列中，总共有 2n1个游程，其中长度等于 k， 1≤ k≤ n2 的游程占游程总数的 12k。 “ 0”和“ 1”的游程数目各占一半。 长度为 n1 的游程只有一个全为“ 0”游程，长度为 n 的游程也只有一个，全为“ 1”游程。 例如： m 序列*an+=000111101011001 在 4 级 m序列一个周期的 15 个元素中，共有 8 个游程。 自相关特性 m序列具有非常重要的自相关特性。 m序列自相关函数定义 为： R(j)= 1N ∑ aiai+jN1i=0 （ ) 由 m 序列的性质可知，一个序列 Ai和其移位序列 Ai+j模 2 加后，仍为一 m 序列，记为 Aj，而 m序列中，“ 1”的个数比“ 0”的个数多 1 个，因此有： R(j)={1 j=0 mod N 1N j≠ 0 mod N () 由于 m序列是周期函数，因此自相关函数亦为周期函数，它是以周期 N 重复的。 弱周期 m 序列的每个码元宽度为 Tc，其幅度值取 {177。 1}，则一个周期内（ T=NTc）的自相关函数时域表达式为： R(τ)= 1NTc∫ c(t)c(t+τ)Tt2Tc2dt={[1 N+1N |τ|Tc ] |τ|≤Tc 1N |τ|＞ Tc () 沈阳理工大学学士学位论文 10 其时域波形如图 所示。 图 二元 m 序列自相关函数波形 m序列的产生 方法 m 序列线性移位寄存器是由移位寄存器加上反馈后所产生的。 如图 所示。 图 中 a0， a1，„， an1为移位寄存器的状态， c0， c1，„， 为对应级移位寄存器的反馈系数。 当 ci=0 时，表示该反馈线断开，而 ci=1 时，表示反馈存在，在线性移位寄存器序列产生器中， c0 = =1。 对于一个序列 {an}，其序列多项式为： G(x)=a0+a1x+a2x2+⋯+anxn = ∑ aini=0 xi （ ） 图 n 位线性反馈移位集群起结构 其中， an取 0， 1 两个值，符号 x 次幂表示序列元素的位置，式 又称为序列生成多项式。 {an}和 G（ x）一一对应。 对于由反馈移位寄存器产生的序列，取决于反馈系数，对于此反馈移位寄存器，其反馈逻辑为： F(x)=c0 +c1x+c2x2+ ⋯+xn = ∑ cini=0 xi （ ） 可以证明： G(x)= 1F(x) （ ） 式 （ ） 称为序列的特征多项式。 反馈逻辑 ci一旦确定，产生的序列就确定了。 由 n 级移位寄存器产生的序列，其最大的周期为 2n1。 因此，我们定义：假设在二元域上的 n 级线性反馈移位寄存器所产生的非零序列周期为 N=2n1 我们称这个序列为 n 级最大周期线性移位寄存器序列，简称沈阳理工大学学士学位论文 11 m序列。 下面以长度（周期）为 7 的 m序列为例说明 m序列的产生过程。 如图 所示，长度等于 7 的 m序列（简称 7 位 m序列）产生电路的逻辑框图。 图 m 序列产生逻辑框图 在 CP 时钟脉冲的作用下移存器的状态不断变化，每输出一位，经图 所示流程产生新的一位。 表 移位寄存器变化状态。 表。