簡易m序列調制解調器前端設計

覃馨+李書艷+寧寧+陳培美+孫曉書+崔舒揚

摘要：m序列是擴頻通信方式的基礎理論，應用較為廣泛，m序列是對最長線性反饋移位寄存器序列的簡稱，可由帶線性反饋的移位寄存器通過串行移位方式生成。文中通過對m序列生成的基本理論進行了詳細介紹，并基于此設計了簡易m序列調制解調器架構，和硬件描述語言代碼，完成了仿真，測試。

關鍵詞：m序列；偽隨機碼；Verilog HDL；仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）07-0205-02

一、引言

m序列的使用是通信系統中CDMA（Code Division Multiple Access——碼分多址）模式的基礎，也是擴頻通信方式的基礎理論。應用較為廣泛，可用于《通信原理》基礎理論研究，也可以用于實際通信過程的擾碼單元使用，因此，對于該序列調制解調器的設計具有實際的意義。

m序列是對最長線性反饋移位寄存器序列（maximal length linear feedback shift register sequence）的簡稱，它是一種由帶線性反饋的移位寄存器所產生的序列，并且具有最長周期。帶線性反饋的移位寄存器設定各級寄存器的初始狀態后，在時鐘觸發下，每次移位后各級寄存器狀態都會發生變化。觀察其中一級寄存器（通常為末級）的輸出，隨著移位時鐘節拍的推移會產生一個序列，稱為移位寄存器序列。可以發現序列是一個周期序列，其周期不但與移位寄存器的級數有關，而且與線性反饋邏輯有關。在相同級數情況下，采用不同的線性反饋邏輯所得到的周期長度不同。此外，周期還與移位寄存器的初始狀態有關。

二、系統整體設計方案

一般情況下，用于產生m序列的n級線性反饋移位寄存器的結構圖如圖1所示。

0010110011111000110111010100001（由右至左依次按順序生成），發送端需要調制的信號，與這31位數進行異或運算。為仿真驗證波形顯示便利，在發送信號的時候采用調制方法，即將1相應的調制為1，0調制為-1；則可以得到傳輸中的m序列。

三、系統HDL設計方案

系統使用Verilog HDL語言完成設計。代碼由add_noise.v、coder.v、correct.v、Corrected_Decoder.v、decoder.v和top.v六個Verilog HDL代碼。代碼架構設計圖如圖3所示。分別為傳輸加噪、發送端編碼調制、發送端校驗編碼、校驗解碼、解碼單元和頂層單元。

m序列調制與解調部分學習和實驗主要進行了基于ModelSim仿真的代碼編寫和調試，屬于不可綜合仿真，參考代碼中加入了兼具了testbench的測試功能。通信過程中，一般系統不會在啟動后立即發送有效載荷數據，為了保證通信的穩定，首先要發送雙方約定好的一系列信令和同步用數據信息，通過同步用數據信息來完成發送、接收雙方的時鐘、信令和控制數據的同步，同步后才能有效接收數據，這個過程類似于網絡通信中的TCP協議通信過程，是通信網絡中保證收發雙方可靠、穩定通信的流程。

四、設計仿真測試

上述設計代碼直接在ModelSim中就可以直接綜合和進行仿真。加載了Verilog HDL代碼的ModelSim項目窗口如圖4所示。發送端發送的數據由outdata變量存儲，其發送的數據經由編碼和加噪模塊完成數據的m調制后，發送至接收端，接收端由解校驗和解碼單元處理后，形成解調數據。

仿真運行50微秒后部分仿真波形如圖5所示。從圖5中很容易看出負向波谷（表示波形向下，但是取值仍未正）位置對應的解調碼值為0，正向波峰對應位置解調碼值為1。與該窗口outdata（已發送數據）顯示數據一致。

五、結束語

本簡易m序列調制解調器設計完成了基本的設計目標，能夠正常發送和解調已發送的數據，能夠準確進行仿真和驗證，后續可以繼續進行優化和加長序列調制長度，并增加通信系統中常見的各種糾錯編碼方案，以使系統更加完善。

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Abstract：M sequence is the basic theory of spread spectrum communication，which has been widely applied，m sequence is short for the longest of linear feedback shift register sequence，which can be generated by a serial shift register with a linear feedback shift register . In this paper，we introduced the basic theory of how to produce m - sequence in detail. Based on this，A simple m - sequence modem architecture was designed，together with the design using hardware described language code，and finished the simulated and tested.

Key words：m sequence；PN code；Verilog HDL；Simulate