本科毕业设计基带传输系统中扰码与解码电路的设计说明书.docx
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本科毕业设计基带传输系统中扰码与解码电路的设计说明书
毕业设计说明书
学生姓名：
张俊学号：
20077455
专业年级：
电子信息工程2班
题目：
基带传输系统中扰码与解码电路的设计
指导教师：
陈亚妮
2011年4月15日
中文摘要
本文设计的是数字通信系统中扰码与解码电路，由于通常假设信源序列是随机序列，而实际信源发出的序列不一定满足这个条件，特别是出现长0串时，给接受端提取定时信号带来一定困难。
解决这个问题可用M序列对信源序列进行“加扰”处理，以使信源序列随机化。
在接受端再把“加乱”了的序列，用同样的M序列“解扰”，恢复原有的信源序列。
在图像通信中，扰码可以很好地抑制静态图像的抖动，能使数字传输系统对各种数字信息具有透明性。
本次设计用信号发生器产生6Hz的方波作为整个系统的时钟，用三片级联的74LS19474产生长度为31的PRBS序列，作为扰码，和信息序列异或完成加扰过程。
解扰端完成相反的过程，恢复信息序列。
关键词M序列扰码解码
外文摘要
TitleInthebasebandtransmissionsystemtrouble
codeanddecodingcircuit'sdesign
Abstract
Whatthisarticledesignsisinthebasebandtransmissionsystemharassesthecodeandthedemodingcircuit,becausetheusualsuppositionsourcesequenceistherandomsequence,buttheactualsourcesendsoutwhenthesequencenotnecessarilysatisfiesthiscondition,thestring,foracceptstheendextractiontimingsignaltobringcertaindifficulty.SolvesthisMsequencetocarryon"tothesourcesequence;Canadaharasses"Processing,causesthesourcesequencerandomisation.Isacceptingendagain"Addschaotic"Sequence,withsameMsequence"Thesolutionharasses",restorestheoriginalsourcesequence.Inthevisualcommunication,harassesthecodetobepossibletosuppressthefrozenpicturewellthevibration,canenablethedigitaltransmissionsystemtohavethetransparencytoeachkindofnumericalinformation.
KeywordsBasebandtransmissionsystemTroublecodeDecoding
目录
1引言
2介绍
2.1本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：
2.2数字基带系统基本组成
2.3数字基带信号的常用码型
2.4M序列
3原理
3.1M序列的性能
3.2加扰解扰在通信系统中的应用
4设计方案
4.1扰码实现原理
4,2解码实现原理
4.3扰码解码实现电路
4.4扰解码电路实验步骤
5电路原理图仿真结果
结论
致谢
参考文献
1引言
课题研究背景
在当今飞速发展的信息时代，随着数字通信技术和计算机技术的飞速发展以及通信网与计算机网络的相互融合，信息科学技术已经成为21世纪国际社会和世界发展经济的新的强大推动力。
信息作为一种资源，只有通过广泛的传播与交流，才能产生利用价值，促进社会成员之间的合作，推动社会生产力的发展，创造出巨大的经济效益。
而信息的传播与交流，是依靠各种通信方式和技术来实现的。
现代数字通信一般都是以数字化为基础的，数字传输技术是现代数字通信的基础。
随着数字通信技术的发展，数字通信的业务种类原来越多，不仅有电话、数据，还有电视、多媒体等等。
数字通信的业务量也越来越大，对数字传输系统的要求也越来越高。
为了扩大传输容量、提高传输效率和确保数字传输系统的高可靠性，就需要研究数字基带传输、数字频带传输、数字复用、同步和数字信号的最佳接收等。
数字信号的传输通常可分为基带传输和频带传输。
由消息转换得到的原始电信号所占据的频带通常从直流和低频开始，因此成为基带信号。
在某些有线信道中，例如传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以直接传送，因此称为数字信号的基带传输。
数字基带系统的目标就是有效地传输数字基带信号，但并非所有码型的数字基带信号都适合在信道中传输，它会使信号产生畸变。
再有，当码流中包含长串的连“1”或连“0”符号时，不归零信号波形会出现连续的固定电平，因而无法获得定时同步信息。
通常，由于编码器输出的原始信码码流为单极性不归零数字基带信号，不适合信道传输，因此需要将其转换为适合信号传输的码型。
2介绍
2.1本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：
数字通信理论在设计通信系统时都是假设所传输的比特流中“0”与“1”出现的概率是相等的，各为一半，实际应用中的通信系统以及其中的数学通信技术的设计性能指标首先也是以这一假设为前提的。
减少连“0”或连“1”码以保证定时恢复质量是数字基带传输中的一个重要问题，但传送码流经过编码处理后，可能会在其中出现连续的“0”或连续的“1”。
这样一方面破坏了系统设计的前提，破坏了传输信道的“0”码和“1”码的平衡，使得系统有可能会达不到设计的性能指标，另一方面在接收端进行信道解码前必须首先利用时钟恢复电路提取出线路时钟，线路时钟的提取是利用传输码流“0”与“1”之间的波形跳变实现的，而连续的“0”或者连续的“1”给线路时钟的提取带来的困难。
为了保证在任何情况下进入传输信道的数据码流进行扰乱处理，将二进制数字信息做“随机化”处理，变为伪随机序列，也能限制连“0”码或连“1”码的长度，这种“随计划”处理通常称为“扰码”。
伪随机序列是由一个标准的伪随机序列发生器生成的，其中的“0”与“1”出现的概率接近50%。
由于二进制数值运算的特殊性质，用伪随机序列对输入的传送码流进行扰乱后，无论原始传送码流是如何分布，扰乱后的数据码流中“0”与“1”的出现概率都接近50%。
扰乱虽然改变了原始传送码流，但这种扰乱是有规律的，因而也是可以解除的，在接收端解除这种扰乱的过程称为解扰。
完成扰码和解码的电路相应称为扰码器和解码器。
随着通信技术的日益成熟，越来越多的人掌握了通信的基本原理，有些不法份子为了获得高额利润，不惜利用高科技来破坏正常通信，获取商业机密，从而获得巨大的经济效益，损害别人的利益，这就给通信带来了极大的不便，为了能够解决这些问题，本文着重讨论了基带传输系统中解码与扰码电路的设计，希望能给大家带来一定的启发。
2.2数字基带系统基本组成
基带系统各点波形示意图
2.3数字基带信号的常用码型
传输码型的选择，主要考虑以下几点：
（1）码型中低频、高频分量尽量少；
（2）码型中应包含定时信息，以便定时提取；
（3）码型变换设备要简单可靠；
（4）码型具有一定检错能力，若传输码型有一定的规律性，则就可根据这一规律性来检测传输质量，以便做到自动检测；
（5）编码方案对发送消息类型不应有任何限制，适合所有二进制信号，这种与信源的统计特性无关的特性称为对信源具有透明性；
（6）低误码增值；
（7）高的编码效率。
2.4M序列
伪随机码,也称伪噪声码,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序列。
早在20世纪40年代末,仙农等人就建立了"噪声通讯"理论,证明了具有白噪声统计特性的信号对充分利用信道的容量与信号的功率,抗多路径干扰和测定距离等问题具有明显的优点。
但当时只是限于理论上的探讨到了20世纪60年代中期,由于发展了一些易于产生,加工,复制,又具有白噪声统计特性的伪随机码,噪声通讯理论才获得了许多实际应用。
在深空通信场合,利用伪随机编码信号可以实现低信噪比接收,大大改善了通信的可靠性,且可实现码分多址通信.此外,利用伪随机编码信号可以实现高性能的保密通信。
伪随机码种类有许多,文中只讨论其中易于产生,应用广泛的,也是为全球定位系统所采用的一种伪随机码M序列。
M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为随机列。
M序列是目前广泛应用的一种伪随机序列,其在通信领域有着广泛的应用,如扩频通信,卫星通信的码分多址,数字数据中的加密,加扰,同步,误码率测量等领域。
M序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称,它是最常用的一种伪随机序列.由行级串接的移位寄存器和反馈逻辑线路可组成动态移位寄存器,带线性反馈逻辑的移位寄存器设定初始状态后,在时钟触发下,每次移位后各级寄存器状态会发生变化。
任何一级寄存器的输出,随着时钟节拍的推移都会产生一个序列,该序列称为移位寄存器序列。
3原理
所谓扰、解码,其实质是在数字信号传送到信道之前,对数字信号在比特级上进行随机化处理,从而可以减少抖动和码间干扰。
方便接收端的时钟提取。
最常用的方法是在待传信号叠加一个最长线性移位寄存器序列（M序列）,使得信号的统计特性适合于在相应的信道中传输。
而m序列可以由几级线性反馈移位寄存器来简单地得到。
图1表示了一个一般的n级线性反馈移位寄存器。
其中ci（i=1,2,3⋯n）是反馈系数。
只取0、1两个值,0表示不参与反馈,1表示参与反馈.把参与反馈的值模二加后,送到末级寄存器,作为它的输入。
输出序列an的前n个值为寄存器的初始状态（a0,a1,a2,⋯⋯an-1）,后面的值可以用下式表示:
ak=∑Ciak-i （k≥n）
（1）
用这种方法产生的序列an实际上是一个线性递推序列,它是由初始状态ak和反馈系数ci完全决定。
由于我们所使用的数字电路只包含0和1两个值,序列an是一个二元序列,所以
（1）式又可表示为
ak+C1ak-1+⋯+Cnak-n=0
（2）
设一n次多项式:
f
（2）=1+C12+⋯+Cn-12k-1+Cn2（3）
这个多项式f
（2）是由
（2）式完全决定的,因此多项式f
（2）又称为该移位寄存器的特征多项式。
代数学中已经证明对应于一个n级移位寄存器的特征多项式f
（2）,当f
（2）是本原多项式时,该移位寄存器的输出an为最长线性移位寄存器序列,即M序列.该M序列具有以下三个特性:
（1）M序列的周期为2n-1,在一个周期当中,1出现2n-1次,0出现2n-1-1次。
（2）首先定义二元周期序列an的自相关函数;定义一个映射:
（0）=1;
（1）=-1
定义an的自相关函数:
Ca（t）=!
（ai）（ai+1）其中T为an的周期;
则有：
（3）在ai-1一个周期中，长度为n的1游程出现一次，长度为n-1的0游程出现一次，长度为k（0正是这三个性质使得M序列在统计特性上具有随机序列的特征,而同时它又可以用简单的方法来产生,所以M序列在许多领域中得到了应用,用来代替真正的随机序列.就扰码技术来说,主要有三种比较典型的方法:
帧同步扰码、分布取样扰码和自同步扰码。
在光纤通信中,这三种扰码技术的应用范围也各有不同:
帧同步扰码比较适合于帧长较大的信号,如SDH,SONET；分布取样扰码适于帧长较小的信号,如基于信元的ATM信号；而自同步扰码则对各种成帧和不成帧的信号都能适用。
3.1M序列的性能
1、均衡性在m序列的一个周期中,“0”“1”的数目基本相等.“1”比“0”多一个。
2、游程分布
游程:
序列中取值相同的那些相继的元素合称为一个“游程”。
游程长度:
游程中元素的个数.m序列中,长度为1的游程占总游程数的一半;长度为2的游程占总游程的1/4,长度为k的游程占总游程数2。
长度为k的游程占总游程数的2-k。
且长度为K的游程中,连0与连K的游程数各占一半。
3、移位相加特性一个m序列Mp与其经任意延迟移位产生的另一不同序列Mr模2相加,得到的仍是Mp某次延迟移位序列Ms,即Mp⊕Ms=MS.
如果将M序列的所有移位码组构成一个编码,则该编码一定是线性循环码,由于线性循环码的特性可以得到上述的性质。
4、相关函数周期函数s（t）的自相关函数定义为:
，式中T0是s（t）的周期。
定义序列x=（x1,x2,……xn）的自相关函数为
M列的自相关函数:
由M序列的性质,移位相加后还是M序列,因此0的个数比1的个数少1个。
5、率谱密度
对上述自相关函数进行傅立叶变换,得到M序列的功率谱密度:
当T0→∞,m/T0→∞,可以看到M列的噪声功率谱密度为近似白噪声功率谱。
6、噪声特性
如果我们对一个正态的白噪声进行采样,若取样值为‘+’,则记为1,为‘-’记为0,则构成一个随机序列,该随机序列有如下性质：
（1）序列中0,1个数出现概率相等。
（2）序列中长度为1游程占1/2,长度为2的游程占1/4,…且长度为k的游程中,0游程与1游程个数相同。
（3）该序列的噪声功率谱为常数。
可见，M序列的性质与随机噪声相似,因此称为伪随机序列。
3.2加扰解扰在通信系统中的应用
在通信系统中,经过信源编码和系统复接后生成的传送码流,通常需要通过某种传输媒介才能到达接收机。
输媒介统称为传输信道.通常情况下,编码码流是不能或不适合直接通过传输信道进行传输的,必须经过某种处理,使之变成适合在规定信道中传输的形式,在通信原理上,这种处理称为信道编码（与信源编码相对应）,实现信道编码的系统称为传输系统。
在工程应用中,信道编码过程一般被分为两环节:
负责传输误码的检测和校正的环节称为信道编解码,负责信号变换和频带搬移的环节称为调制解调，一个实际的数字传输系统至少要包括上述两个环节中的一个环节。
未经调制的电脉冲信号所占据的频带宽度通常从直流和低频开始,因而称为数字基带信号,直接传送数字基带信号,称为数字信号的基带传输。
果把调制与解调过程看作是广义信道的一部分,则任何数字传输系统均可等效为基带传输系统。
同形式的数字基带信号具有不同的频谱结构,对于传输频带低端受限的信道来说,一般讲线路传输码型的频谱中应不含直流分量,传输线路中的交流耦合电路结构也希望所含的直流分量尽量小。
数字通信理论在设计通信系统时都是假设所传输的比特流中“0”与“1”出现的概率是相等的,各为50%,实际应用中的通信系统以及其中的数字通信技术的设计性能指标首先也是以这一假设为前提的。
减少连“0”码或连“1”码以保证定时恢复质量是数字基带传输中的一个重要问题,但传送码流经过编码处理后,可能会在其中出现连续的“0”或连续的“1”。
这样一方面破坏了系统设计的前提,破坏了传输信道的“0”码和“1”码的平衡,使得系统有可能会达不到设计的性能指标,另一方面在接收端进行信道解码前必须首先利用时钟恢复电路提取出线路时钟,线路时钟的提取是利用传输码流“0”与“1”之间的波形跳变实现的,而连续的“0”或连续的“1”给线路时钟的提取带来了困难。
为了保证在任何情况下进入传输信道的数据码流中“0”与“1”基本相等,传输系统会用一个伪随机序列对输入的传送码流进行扰乱处理,讲二进制数字信息做"随机化"处理,变为伪随机序列,也能限制连"0"码或连"1"码的长度,这种“随机化”理通常称为“扰码”。
从更广泛的意义上来说,扰码能使数字传输系统（不论是基带或带通传输）对各种数字信息具有透明性,这不但因为扰码能改善位定时恢复的质量,还因为扰码能使信号频谱弥散而保持稳恒,相当于将数字信号的功率谱拓展,使其分散开了,因此扰乱过程又被称为“能量分散”过程。
伪随机序列是由一个标准的伪随机序列发生器生成的,其中“0”与“1”出现的概率接近0%.由于二进制数值运算的特殊性质,用伪随机序列对输入的传送码流进行扰乱后,无论原始传送码流是何种分布,扰乱后的数据码流中“0”与“1”的出现概率都接近50%.扰乱虽然改变了原始传送码流,但这种扰乱是有规律的,因而也是可以解除的,在接收端解除这种扰乱的过程称为解扰.完成扰码和解扰的电路相应称为扰码器和解扰器。
当输入二进制信息码全部为全0码时扰码器实际上就是一个M列伪随机码发生器。
M序列是最常用的一种伪随机序列,它是最长线性反馈移位寄存器序列的简称。
每个M序列都有其特征多项式,如果M序列由n级移位寄存器构成,那么它的特征多项式必须是n次的本原多项式。
4设计方案
M序列本征多项式G（x）=x+x+1。
在实际光纤通信设备中,为避免M序列发生器处于“闭锁”状态,即当输入序列为全“0”码时,移位寄存器各级的起始状态也恰好是“0”,使输出序列也变成全“0”,或当输入序列为全“1”码时,移位寄存器各级的起始状态也恰好是“1”,使输出序列也变成全“1”。
因此,在扰码器中加入有各级移位寄存器状态监视电路。
当发生特殊状态时,能自动补入一个“1”或一个“0”码,改变这种状态。
当然,在解扰码器电路中也应通过电路扣除这个补入码。
应该指出,采用扰码技术会带来误码扩散。
即在信道传输中出现一个误码时,在还原后的序列中会出现多个误码,使信道误码率增加。
在误码率不高时,误码扩散数近似扰码器所对应的模二加算式的项数。
因此,为减少误码扩散,应尽量减少M序列产生器的反馈抽头数。
加扰器的作用是在发端将传送的数据序列按照某种规律变换为长周期的,且“0”“1”等概率,前后独立的随机序列。
解扰器就是按照发端的规则进行相应的逆变来恢复原始信息。
4.1扰码实现原理
在数字通信中,如果数据信息连“0”码或连“1”码过长将会影响接收端位定时恢复质量,造成抽样判决时刻发生变化,对系统误码率的产生影响。
也就是说,数字通信系统的性能变化与数据源的统计特性有关.采用有冗余的传输编码可消除数据源一部分信息模式对系统性能的影响,但这是要以增加传输符号速率为代价。
在实际中,常使用扰码器将数据源变换成近似于白噪声的数据序列（增加定时的同步信息）,消除信息模式对系统误码的影响。
在通信中扰码技术的采用保证了对信息的透明性:
即在发端扰码的加入,在接收端可以从加扰的码流中恢复出原始的数据流,而对输入信息的模式无特殊要求。
常用扰码器的实现可采用M序列进行。
扰码器是在发端使用移位寄存器产M序列,然后将信息序列与M序列作模二加其输出即为加扰的随机序列。
一般扰码器的结构图2-3所示
图2-3扰码器组成结构图
4,2解码实现原理
解扰器（也称去扰器）是在接收机端使用相同的扰码序列与收到的被扰信息模二加,将原信息得到恢复。
其结构如图2-4示：
图2-4解码器组成结构图
4.3扰码解码实现电路
输出的发送数据（2.048Mbps）；当K801设置在m位置时（下端）,输入信号来自本地的特殊测试码序列.该测试码序列用于对加扰器的性能测量,其测试码序列格式受m序列选择跳线开关K802的m_Sel0,m_Sel1控制,跳线器状态与输出的测试码序列件表3-1所示
表3-1跳线器K802与产生输出数据信号
自“5B6B译码模块”输出的发送数据（2.048Mbps）；当K803设置DT位置时（下端）,输入信号直接来自发端的"扰码模块"输出的发送数据（2.048Mbps）,此时电路模块构成自环工作方式。
输入时钟选择跳线开关K804用于选择解扰电路的工作时钟。
当解扰电路的输入数据来自“CM译码模块”和“5B6B译码模块”时,K804应设置在CLKR位置（左端）,该时钟与CMI和5B6B译码模块送来的数据同步；当构成自环测试时（K803设置在DT位置）,K804应设置在CLKT位置（右端）,该时钟来自发送端电路。
图3-1加扰模块组成原理
加扰模块内各测试点的安排如下:
TP801:
输入数据（2.048Mbps）
TP802:
输入时钟（2.048Mbps）
TP803:
加扰输出（2.048Mbps）
图3-2解绕模块组成原理
解扰模块内各测试点的安排如下:
TP804:
输入数据（2.048Mbps）
TP805:
输入时钟（2.048Mbps）
TP806:
加扰输出（2.048Mbps）
图3-3加扰模块解绕模块组成的原理图
4.4扰解码电路实验步骤
1、扰码序列测试
（1）首先将“加扰模块”中输入数据选择跳线开关K801设置在m位置（下端）,使输入信号来自本地的特殊测试码序列；将M序列选择跳线开关K802的m_Sel0,m_Sel1拔掉,产生全“1”码数据输出。
（2）用示波器同时测量输入数据和加扰数据测试点TP801,TP803的波形,测量时TP803点信号做示波器同步触发信号.调整合适的示波器时基（10μS/DIV）和触发电平,使在示波器上观测到稳定的周期波形.用时基乘10倍（或乘5）扩展挡展开波形,读取并画下测量波形.。
（3）将m_Sel0,m_Sel1设置在不同状态,观测并分析测试结果是否满足扰码关系.2、0状态现象观测。
（1）用示波器同时测量输入数据和加扰数据测试点TP801,TP803的波形,测量时TP803点信号做示波器同步触发信号.。
（2）输入数据选择跳线开关K801拔下,使输入数据为“0”。
关机后再开机,观测TP803点信号的变化.。
（3）自行设计一个消除"0"状态的电路.。
3、解扰数据测试
（1）将"解扰模块"中输入数据选择跳线开关K803设置在“自环”位置（下端）,输入信号直接来自发端的“加扰模块”输出的发送数据（2.048Mbps）；输入时钟选择K804对应设置在“自环”位置（右端）,该时钟来自发送端电路。
此时“加扰模块”和“解扰模块”构成自环工作方式。
（2）用示波器同时测量“加扰模块”输入数据和“解扰模块”解扰输出数据测试点TP801,TP806的波形,测量时TP801点信号做示波器同步触发信号。
（3）将m_Sel0,m_Sel1设置在不同状态,观测加扰和解扰电路是否正常工作。
5电路原理图仿真结果
仿真由MATLAB软件完成，本人虽然对该软件不是很精通，但在参考查阅下，还是完成了仿真实验，源程序代码如下：
clear;
clc;
%（产生一m序列,其特征多相式:
1+x^4+x^7）
Np=254;%（初始化m序列的长度）
a
（1）=1;
a
（2）=0;a（3）=0;
a（4）=0;
a（5）=0;
a（6）=0;
a（7）=0
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