基于74LS194的m序列發(fā)生器設(shè)計(jì)

吳海濤，梁迎春，陳英俊

(肇慶學(xué)院電子信息與機(jī)電工程學(xué)院，廣東肇慶526061）

基于74LS194的m序列發(fā)生器設(shè)計(jì)

吳海濤，梁迎春，陳英俊

(肇慶學(xué)院電子信息與機(jī)電工程學(xué)院，廣東肇慶526061）

在m序列產(chǎn)生原理的基礎(chǔ)上，利用2片74LS194級聯(lián)及少量門電路，采用手動(dòng)置數(shù)和自啟動(dòng)2種方法設(shè)計(jì)了2種m序列發(fā)生器電路，然后分析比較了2種電路的產(chǎn)生原理.最后分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了m序列的均衡性、游程分布特性及移位相加性.電路性能穩(wěn)定可靠，已作為數(shù)字信號源成功應(yīng)用于通信原理實(shí)驗(yàn)中.

偽隨機(jī)序列；m序列；移位寄存器；74LS194；本原多項(xiàng)式；反饋邏輯

偽隨機(jī)序列是一種可以預(yù)先確定并可以重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制，且具有隨機(jī)統(tǒng)計(jì)特性的二進(jìn)制碼序列[1].m序列是最常見的一種偽隨機(jī)序列，它是最大長度線性反饋移位寄存器序列的簡稱.之所以稱其為偽隨機(jī)序列，是因?yàn)樗憩F(xiàn)出白噪聲采樣序列的統(tǒng)計(jì)特性，在不知其生成方法的偵聽者看來像真的隨機(jī)序列一樣.m序列具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性、規(guī)律性和相關(guān)性.

在現(xiàn)代工程實(shí)踐中，偽隨機(jī)信號在信息安全、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信、導(dǎo)航、雷達(dá)和保密通信、通信系統(tǒng)性能的測量等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用.例如：在連續(xù)波雷達(dá)中可用作測距信號，在遙控系統(tǒng)中可用作遙控信號，在多址通信中可用作地址信號，在數(shù)字通信中可用作群同步信號，還可用作噪聲源以及在保密通信中起加密作用等[2].基于偽隨機(jī)序列具有的科學(xué)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值，其分析、構(gòu)造和生成一直是國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，因此研究設(shè)計(jì)m序列在現(xiàn)代社會(huì)中依然具有重要意義.

本文中，筆者根據(jù)m序列的產(chǎn)生原理，利用2片74LS194級聯(lián)加少量分立元件，采用手動(dòng)置數(shù)和自啟動(dòng)2種方法設(shè)計(jì)了2種長度為255位的m序列發(fā)生器.

1 m序列的產(chǎn)生原理

m序列發(fā)生器是一種反饋移位型結(jié)構(gòu)的電路，它由n級移位寄存器加異或反饋網(wǎng)絡(luò)組成，其生成序列長度p＝2n－1，且只有1個(gè)冗余狀態(tài)即全0狀態(tài)，所以稱為最長線性反饋移位寄存器序列.

由于帶有反饋，因此在移位脈沖作用下，移位寄存器各級的狀態(tài)將不斷變化，通常移位寄存器的最后一級做輸出，輸出序列為｛ak｝＝a0a1…an－1…..

圖1 線性反饋移位寄存器框圖

輸出序列是一個(gè)周期序列，其特性由移位寄存器的級數(shù)、初始狀態(tài)、反饋邏輯以及時(shí)鐘速率(決定著輸出碼元的寬度)所決定.

當(dāng)移位寄存器的級數(shù)與時(shí)鐘一定時(shí)，輸出序列就由移位寄存器的初始狀態(tài)和反饋邏輯所完全確定.當(dāng)初始狀態(tài)為全零狀態(tài)時(shí)，移位寄存器輸出全0序列.為了避免這種情況，需設(shè)置全0排除電路[3－4].

2 m序列發(fā)生器的電路設(shè)計(jì)

2.1 芯片介紹

本設(shè)計(jì)采用2片4級移位寄存器芯片74LS194及少量分立元件構(gòu)成，74LS194的引腳及內(nèi)部邏輯圖如圖2所示.

74LS194是一種典型的中規(guī)模集成移位寄存器，由4個(gè)RS觸發(fā)器和一些門電路構(gòu)成.它是4級雙向移位寄存器，是一種功能很強(qiáng)的通用寄存器，其具體邏輯功能由管腳9和管腳10的S0與S1來確定.它具有并行輸入、并行輸出、左移、右移及保持等5個(gè)功能.其中D0，D1，D2和D3為并行數(shù)據(jù)輸入端；Q0，Q1，Q2和Q3為4個(gè)觸發(fā)器輸出端；SR為右移串行輸入端；SL為左移串行輸入端；S0與S1為操作模式控制端；Cr為直接無條件清零端；CP為時(shí)鐘脈沖輸入端.

當(dāng)S0S1＝00時(shí)，為狀態(tài)保持；S0S1＝01為數(shù)據(jù)右移；S0S1＝10為數(shù)據(jù)左移；S0S1＝11為并行送數(shù).74LS194功能表如表1所示.

2.2 電路設(shè)計(jì)與分析

要想產(chǎn)生周期為255的最長序列，要求m序列發(fā)生器的特征多項(xiàng)式必須是8次本原多項(xiàng)式，通過查表得到其本原多項(xiàng)式為x8＋x4＋x3＋x2＋1，即第8，4，3，2級參與反饋經(jīng)異或后送入第1級[3－4].所設(shè)計(jì)的8級m序列發(fā)生器原理方框圖如圖3所示.

圖3 8級m序列發(fā)生器原理方框圖

依據(jù)上述原理，設(shè)計(jì)了2種產(chǎn)生電路，分別如圖4和圖5所示.

方案1：通過手動(dòng)置數(shù)右移產(chǎn)生m序列.

方案2：利用全0狀態(tài)重新置數(shù)從而實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng).

圖4 手動(dòng)置數(shù)m序列發(fā)生器電路圖

圖5 自啟動(dòng)m序列發(fā)生器電路圖

方案1的電路設(shè)計(jì)如圖4所示.當(dāng)電路處于全0狀態(tài)時(shí)，采用此方法設(shè)計(jì)的m序列發(fā)生器不具有自啟動(dòng)特性.為了使電路啟動(dòng),可以斷開開關(guān)S1，將74LS194的工作方式控制端S1置高電平，這時(shí)S1和S0均為高電平，即S1S0＝11，74LS194處于置數(shù)狀態(tài)，把輸入端的初始狀態(tài)10000000置到輸出端.然后再閉合開關(guān)S1，使74LS194的工作方式控制端S1處于低電平狀態(tài).這時(shí)工作方式控制端S1與S0分別為低電平和高電平，即S1S0＝01，74LS194處于右移狀態(tài)，在時(shí)鐘作用下通過不斷移位產(chǎn)生m序列.

當(dāng)初始狀態(tài)為全零狀態(tài)時(shí)，移位寄存器輸出全0序列.為了避免這種情況，需設(shè)置全0排除電路.方案2的電路設(shè)計(jì)如圖5所示.利用全0狀態(tài)重新置數(shù)從而實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng).當(dāng)電路處于全0狀態(tài)時(shí)，通過或門和非門電路的作用，S1置高電平，這時(shí)候S1和S0均為高電平，即S1S0＝11，74LS194處于置數(shù)狀態(tài)，自動(dòng)把輸入端的初始狀態(tài)01000000置到輸出端.通過或門和非門電路的作用，使S1處于低電平狀態(tài)，即S1S0＝01，74LS194處于右移狀態(tài)，在時(shí)鐘作用下通過不斷移位產(chǎn)生m序列.

比較2種方案，通過設(shè)置工作方式控制端使之右移都能產(chǎn)生長度為255的m序列.方案1的電路設(shè)計(jì)簡單，只需手動(dòng)置數(shù)就能產(chǎn)生m序列；方案2的電路設(shè)計(jì)較方案1復(fù)雜，但它能在全0狀態(tài)下自啟動(dòng)，電路性能穩(wěn)定.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與性質(zhì)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

這里只分析方案2的電路，由圖5可知，其初始狀態(tài)為a7＝a5＝a4＝a3＝a2＝a1＝a0＝0,a6＝1.當(dāng)m序列發(fā)生器利用全0狀態(tài)重新置數(shù)實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)時(shí)，它能生成長度為255的m序列.如下所示：01010000010011101“100100100110000001110100100011100”01000000010110001111010000.

由于示波器顯示的波形長度有限，不能一次性顯示255位m序列波形[5].圖6為255位m序列的部分波形圖.第1路波形為8kHz時(shí)鐘，第2路波形是產(chǎn)生的m序列部分波形,對應(yīng)于序列中的引號內(nèi)部分.

圖6 m序列部分波形圖

3.2 性質(zhì)分析[3－6]

3.2.1 m序列的均衡性

m序列每一周期中1的個(gè)數(shù)比0的個(gè)數(shù)多1個(gè).由于p＝2n－1為奇數(shù)，因而在每一周期中1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，即(p＋1)/2＝2n－1；而0的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，即(p－1)/2＝2n－1－1.當(dāng)p足夠大時(shí)，在一個(gè)周期中1與0出現(xiàn)的次數(shù)基本相等.本設(shè)計(jì)中的8級m序列中p＝255，1的個(gè)數(shù)為128，0的個(gè)數(shù)為127，即0與1出現(xiàn)的概率幾乎相等.

3.2.2 m序列的游程分布

將一個(gè)序列中取值(1或0)相同連在一起的元素合稱為一個(gè)游程.在一個(gè)游程中元素的個(gè)數(shù)稱為游程長度.統(tǒng)計(jì)分析產(chǎn)生序列特性.

對于游程長度0＜k≤6，全部游程如下：長度為1的0游程和1游程分別出現(xiàn)32次；長度為2的0游程和1游程分別出現(xiàn)16次；長度為3的0游程和1游程分別出現(xiàn)8次；長度為4的0游程和1游程分別出現(xiàn)4次；長度為5的0游程和1游程分別出現(xiàn)2次；長度為6的0游程和1游程分別出現(xiàn)1次；長度為7的0游程出現(xiàn)1次；長度為8的1游程出現(xiàn)1次，如表2所示.

m序列的一個(gè)周期中，游程總數(shù)為128.其中長度為1的游程個(gè)數(shù)占游程總數(shù)的1/2；長度為2的游程個(gè)數(shù)占游程總數(shù)的1/4；長度為3的游程個(gè)數(shù)占游程總數(shù)的1/8；……一般地，長度為k的游程個(gè)數(shù)占游程總數(shù)的2－k＝2k，其中1≤k≤(n－2)，而且，在長度為k的游程中，連1游程與連0游程各占一半，長為(n－1)的游程是連0游程，長為n的游程是連1游程.

3.2.3 移位相加特性(線性疊加性)

m序列和其位移序列模2和后所得序列仍是該m序列的某個(gè)位移序列.設(shè)mr是周期為p的m序列mp經(jīng)過r次延遲移位后的序列，那么有mp⊕mr＝ms，其中ms為mp某次延遲移位后的序列.

本設(shè)計(jì)產(chǎn)生的序列為mp，

mp延遲1位后得到序列mr，

mp與mr模2和后所得序列ms，

由運(yùn)算結(jié)果可以看到，ms為mp延遲25位后的序列.

4 結(jié)語

文中給出的2種m序列產(chǎn)生電路經(jīng)實(shí)際硬件測試，輸出信號波形符合m序列的均衡性、游程分布特性、移位相加性等性質(zhì).結(jié)果表明：采用74LS194加上少量外圍芯片，可以方便、準(zhǔn)確地產(chǎn)生m序列.文中給出的設(shè)計(jì)方法調(diào)試方便，電路性能穩(wěn)定可靠，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，已作為數(shù)字信號源成功應(yīng)用于通信原理實(shí)驗(yàn)箱.

[1]孫淑琴,林君,張秉仁,等.偽隨機(jī)序列發(fā)生器的研究與實(shí)現(xiàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版,2004,22(3)：185-188.

[2]吳先用,鄒學(xué)玉.一種m序列偽碼發(fā)生器的產(chǎn)生方法[J].測控技術(shù),2003,22(9)：56-59.

[3]樊昌信.通信原理[M].6版.北京：國防工業(yè)出版社,2009：379-388.

[4]曹志剛,錢亞生.現(xiàn)代通信原理[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004：234-238.

[5]張海峰,段穎妮,呂虹.全狀態(tài)偽隨機(jī)序列發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)[J].電子器件,2006,29(1)：176-182.

[6]張雪鋒,范九倫.基于線性反饋移位寄存器和混沌系統(tǒng)的偽隨機(jī)序列生成方法[J].物理學(xué)報(bào)，2010，59(4)：2 289-2 297.

Design of m Sequence Generator Based on 74LS194

WU Haitao,LIANGYingchun,CHEN Yingjun
（College of Electronic InformationandMechatronic Engineering,Zhaoqing University,Zhaoqing,Guangdong 526061,China）

Based on the principle of m sequence generation,two pieces of 74LS194 cascaded circuit and a few gate circuit are used to design two m sequence generators by the methods of manual reset and self-running. Then,the generation principles of these two circuits are analyzed and compared.Lastly,experimental results are analyzed and the characteristics of balance,run-length distribution and shift addition are verified.The circuits run stable,andhave beenusedsuccessfully incommunicationtheory experiments as digital signal source.

pseudorandom sequence;m sequence;shift register;74LS194;primitive polynomial;feedback logic

TN911.1

A

1009－8445（2010）05－0011－05

（責(zé)任編輯：陳靜）

2010－05－20

肇慶學(xué)院精品課程建設(shè)基金資助項(xiàng)目（200916）

吳海濤（1975－），男，山東青州人，肇慶學(xué)院電子信息與機(jī)電工程學(xué)院副教授.