伪随机码发生器设计Word格式.docx
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图2AT89S51单片机管脚分布图
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能：
P3.0RXD（串行输入口）；
P3.1TXD（串行输出口）；
P3.2/INT0（外部中断0）；
P3.3/INT1（外部中断1）；
P3.4T0（T0定时器的外部计数输入）；
P3.5T1（T1定时器的外部计数输入）；
P3.6/WR（外部数据存储器的写选通）；
P3.7/RD（外部数据存储器的读选通）；
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号；
I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。
读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。
只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。
89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。
除了P1口外P0、P2、P3口都还有
其他的功能。
RST：
复位输入端，高电平有效。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
地址锁存允许/编程脉冲信号端。
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号，低电平有效。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
外部程序存储器访问允许。
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；
当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。
XTAL2：
片内振荡器反相放大器的输出端。
LCD12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；
其显示分辨率为128×
64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×
4行16×
16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
其基本特性为:
低电源电压（VDD:
+3.0--+5.5V）；
显示分辨率:
128×
64点；
内置汉字字库，提供8192个16×
16点阵汉字（简繁体可选；
内置128个16×
8点阵字符；
2MHZ时钟频率；
显示方式：
STN、半透、正显；
驱动方式：
1/32DUTY，1/5BIAS；
视角方向：
6点；
背光方式：
侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5—1/10；
通讯方式：
串行、并口可选；
内置DC-DC转换电路，无需外加负压；
无需片选信号，简化软件设计；
工作温度:
0℃-+55℃,存储温度:
-20℃-+60℃。
其管脚分布如表1所示：
表1LCD12864管脚分布表
LCD12864与51单片机连接如图3所示：
本发生器系统采用独立式键盘，独立式按键是直接用I/O口线构成单个按键电路，每个按键单独占用一根I/O线。
如图4所示是一个通过P0口连接3个按键。
图4独立式按键接口图
如图所示，按键一段连接阻值为10k的上拉电阻与+5v电源相连，另一端接地。
独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，适合接口空余较多时的情况。
2.3发生器软件设计
发生器系统软件采用C语言编写，C语法限制不太严格，程序设计自由度大虽然C语言也是强类型语言，但它的语法比较灵活，允许程序编写者有较大的自由度。
相对而言具有以下优点：
（1）简洁紧凑、灵活方便
C语言一共只有32个关键字,9种控制语句，程序书写自由，主要用小写字母表示。
它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。
C语言可以象汇编语言一样对位、字节和地址进行操作,而这三者是计算机最基本的工作单元。
（2）运算符丰富
C的运算符包含的范围很广泛，共有种34个运算符。
C语言把括号、赋值、强制类型转换等都作为运算符处理。
从而使C的运算类型极其丰富表达式类型多样化，灵活使用各种运算符可以实现在其它高级语言中难以实现的运算。
（3）数据结构丰富
C的数据类型有：
整型、实型、字符型、数组类型、指针类型、结构体类型、共用体类型等。
能用来实现各种复杂的数据类型的运算。
并引入了指针概念,使程序效率更高。
另外C语言具有强大的图形功
能,支持多种显示器和驱动器。
且计算功能、逻辑判断功能强大。
（4）C是结构式语言
结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化,即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。
这种结构化方式可使程序层次清晰,便于使用、维护以及调试。
C语言是以函数形式提供给用户的,这些函数可方便的调用,并具有多种循环、条件语句控制程序流向,从而使程序完全结构化。
软件主程序流程图如图5所示，中断子程序流程图如图6所示。
图5主程序流程图图6中断子程序流程图
如图5所示，程序经初始化后，系统开始工作。
系统初始默认为m值为7的伪随机码序列。
当按键被按下，有产生一个高电平的信号时，程序执行中断子程序。
在中断子程序中，由于三个按键接不同的口，系统即按不同的参数运行。
3m序列伪随机码理论设计
3.1伪随机码基本特性
伪随机码又称为随机序列，它是具有类似于随机序列基本特性的
确定序列。
通常广泛应用于二进制序列。
二进制独立随即序列在概率论中称为伯努利（Bernoulli）序列，它由两个（符号）0,1或1，-1组成，序列中不同位置的元素取值相互独立，0或1的出现概率相等，简称此种序列为随机序列。
随机序列具有以下三个基本特性：
（1）在序列中“0”和“1”出现的相对概率各位1/2。
（2）序列中连0或连1称为游程，连0或连1的个数称为游程的长度。
序列中长度为1的游程数占游程总数的1/2；
长度为2的游程数占游程总数的1/4；
长度为3的有成熟占游程总数的1/8；
长度为n的游程数占游程总数的n
2/1。
次性质称为随机序列的游程特性。
（3）如果将给定的随机序列位移任何个元素，则所得到的序列和原序列对应的元素有一半相同,一半不同。
如果确定序列近似满足以上三个特性，则称此确定序列为伪随机序列。
3.2m序列伪随机码性质
最长线性反馈移存器序列是最常见和最常用的一种伪随机序列，简称m序列，它是由具有线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的序列。
m序列每一周期中1的个数比0的个数多1个。
由于12-=np为奇数，因而在每一周期中1的个数为122/1（-=+np为偶
数，而0的个数为121（1-=--np为奇数。
如，当15=p，1的个数为8,0的个数为7。
当p足够大时，在一个周期中1与0出现的次数基本相等。
把一个序列中取值（1或0）相同连在一起的元素合称为一个游程。
在一个游程中元素的个数称为游程长度。
例如m序列：
在次m序列一个周期的15个元素中，共有8个游程。
m序列的一个周期（12-=np中，游程总数为1
2-n。
其中长度为1
的游程个数占游程总数的1/2；
长度为2的游程个数占游程总数的1/4；
长度为3的游程个数占游程总数的1/8；
……一般地，长度为n的游程个数占游程总数的k
在长度为n游程中，连1游程与连0游程各占一半，长为（1-n）的游程是连0游程，长为n的游程是连1游程。
周期为p的m序列pm和它的任意延迟位移后的序列rm模二相加后所得序列仍是该m序列的某个位移序列sm，即：
s
rpmmm=⊕
其中：
sm为pm某次延迟位移后的序列。
例如：
11001
0001111010=pm，…
m序列具有非常重要的自相关特性。
在m序列中，常常用+1代表0，用-1代表1。
此时定义：
设长为p的m序列，记作：
,,321aaa…12（-=n
ppa
m序列,,,321aaa…12（-=nppa经过j次位移后m序列为：
,321+++jjjaaa…pja+
其中ipiaa=+（以p为周期），以上两序列的对应项相乘然后相加，利用所得的总和：
3
12111+++⋅+⋅+⋅jjjaaaaaa…∑=++=⋅+p
ii
jipjpaaaa1
衡量一个m序列与它的j次移位序列之间的相关程度，并把它叫做m序列（,,,321aaa…pa）的自相关函数。
记作：
∑=+=p
jiaajR1（
（1）
令：
4为m序列与它坳次移位序列在一个周期中对应元素相同的数目；
D为m序列与它的j次移位序列在一个周期中对应元素不同的数目。
当采用二进制数字0和1代表码元的可能取值时，公式
（1）可表示为
pD
ADADAjR-=+-=
（
（2）
或可以改写为：
[][]
paaaaDADAjRjiijii的数目
的数目10（=⊕-=⊕=+-=
++（3）
由移位相加特性可知，jiiaa+⊕仍是m序列中的元素；
所以上式分
子就等于m序列中一个周期中0的数目与1的数目之差。
另外由m序列的均衡性可知，在一个周期中0比1的个数少一个。
故得：
（
（1
为零时为非零整数jjpDA⎩⎨
⎧-=-
其自相关函数图如图7所示：
图7m序列自相关函数图
如果我们对一个正态分布白噪声取样，若取样值为正，记为+1，取样值为负，记为-1，将每次取样所得极性排成序列，可以写成：
…+，-1，+1，+1，+1，-1，-1,+1，-1，…这是一个随机序列，它具有如下基本性质：
（1序列中+1和-1出现的概率相等；
（2序列中长度为1的游程约占1/2，长度为2的游程约占1/4，长度为3的游程约占1/8，．一般地，长度为k的游程约占k
2/1，而且+1，-1游程的数目各占一半；
（3由于白噪声的功率谱为常数，因此其自相关函数为一冲击函数（τδ。
由此可见，m序列的性质与随机噪声相似，因此称为伪随机序列。
3.3m序列的产生
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8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。
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8所示流程产生新的一位。
表2为移存器状态变化表。
表2状态变化表
假设移存器的初始状态为0,0,1210===aaa。
由表2可见，在第7个时钟脉冲时移存器的状态又回到初始状态，这说明此序列的长度等于7。
如果移存器的初始状态为全0，即0,0,0210===aaa。
则此状态在时钟脉冲作用下不会改变。
即全0初始状态下产生的序列为全0序列。
非全0状态下，移存器状态变化的顺序由图9及图10表示：
1=
CP
图8m序列产生电路逻辑框图
图9非全0状态下的状态转移图图10全0状态下的状态转移图其中图3圆圈中的数字与210,,aaa相对应。
上述7位码m序列产生器由三级移位寄存器组成，每一级移位寄存器有两个可能状态（0,1），
三级移位寄存器的所有可能状态为823
=种：
000，001，010，011，
100，101，110，111。
其中全0状态不能进入m序列产生器的移存器，否则将出现全0序列。
由此可见，三级移存器组成的线性反馈电路所
产生的序列周期不会超过7123
=-种。
一般情况下，由n级移存器组成的线性反馈电路所产生的序列周期不会超过12-n
如图11所示为
由n级具有线性反馈逻辑移存器所组成的码序列发生器的框图：
图11线性反馈移位寄存器序列发生器
图11中反馈输出na与移存器状态321---nnnaaa…0a的关系可用式（4）表示：
1
5247
na=332211---⊕⊕nnnacacac…0acn⊕（4）
其中系数1,0（∈kc，,3,2,1=k…，n。
0=kc时，图5中相应的反馈连接断开；
1=kc时，相应的反馈连接接通。
由此可见，系数321ccc…nc的取值决定了反馈逻辑。
反馈逻辑可由特征多项式（xf表示：
++++=332210（xcxcxccxf…nnxc+（5）
其中1,0（∈kc，,3,2,1=k…，n；
n为寄存器级数。
因为码序列发生器中反馈逻辑总是接入的，所以式（5）中10=c。
41（xxxf++=，表示有4=n，有4级寄存器，且：
1,0,0,14321====cccc。
不同特征多项式对应不同的反馈逻辑，即对应不同的序列。
由n
级移存器组成的线性反馈电路所产生的序列周期不会超过12-n，其中
周期等于12-n的序列即是m序列（最长线性反馈移存器序列）。
构成m序列产生器必须找到相应的本原多项式。
经过前人的大量计算，已将常用的本原多项式列成表，如表3所示
表3m序列计数表
线性反馈逻辑用本原多项式表示称为代数表示法，此外，还可以用八进制数和二进制数表示。
表3列出了这三种表示法。
同长度不同反馈系数的m序列的数日等于同幂次的本原多项式的数目。
可以证明：
n幂次本原多项式的数目为：
nNns12（-Φ=（6）
（xΦ为欧拉函数，它等于：
小于x的并与x互质的数的个数（包括l在内）。
例如，15=x，则小于15并与l5互质的数为：
1，2，4，7，8，11，13，14，共8个，则815（=Φ；
24/8==sN。
3.4m序列伪随机码在军事中的应用
扩频通信，即扩展频谱通信（SpreadSpectrumCommunication，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。
具有巨大的发展前景。
扩展频谱通信（SpreadSpectrumCommunication）的原理发表的很早，它是将待传送的信息数据被伪随机编码也就是扩频序列调制，实现频谱扩展以后再在信道中传输，接收端则采用与发送端完全相同的编码进行解调和相关处理，从而恢复出原始的信息数据。
从这里我们可以看出，扩展频谱通信（以下简称扩频通信）作为一种新的通信方式与一般的常见的窄带通信方式是不同的，它们刚好相反，它是在发送端经过扩展频谱以后，在信道中进行宽带传输，然后在接收端进行相关处理以及解扩后恢复成窄带后解调数据。
恢复出原始信息数据。
因此，扩频通信具有伪随机编码调制和相关处理两个特点。
也正是这两个特点，使得扩频通信方式有许多优点:
如抗干扰、抗噪音、抗多径衰落、具有保密性、功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率、可多址复用和任意选址、可以用于高精度测量等。
正是由于扩频通信方式具有上述的优点，所以扩频通信虽然是一
种新型的通信方式，但是引起了人们的广泛注意，得到了迅速的发展和广泛的应用。
从扩频通信的应用发展来看，真正开始研究它的应用的是在上个世纪50年代中期美国开始的。
刚开始一直用于军事通信领域，因为在军事通信中，一般通信方式在强干扰存在的情况下，很难准确的检测出发送来的信号，由于扩频通信具有很好的保密信和抗干扰性，所以首先开始了在军事通信领域的应用。
成为扩频通信研究发展的开端，从此，军事通信机关对军事通信、空间探测、卫星侦察等方面广泛应用扩频通信技术。
利用m序列加密的码分多址（CDMA通信码分多址具有如下几个优点：
（1抗干扰能力强
在地址码相关特性较理想和频谱扩展程度较高的条件下，码分多址具有很强的抑制干扰能力，直接表现在扩频解调器的输出信噪比相对于输入信噪比要高得多。
（2较好的保密通信能力
由于采用了扩频调制，在信道中传输所需的载波与噪声的功率比很低（约为-20dB），信号完全隐蔽在噪声、干扰之中，不易被发现；
用独特的地址码进行扩频调制相当于一次加密，增加了破译的难度。
（3实现多址连接较灵活方便
所以码分多址方式也以很快的增长速度在地面的移动通信系统
和无线接入网中应用，即将投入商用的第三代移动通信就是采用了码分多址方式。
利用m序列加密的码分多址通信码的流程图如图12所示：
图12m序列加密码分多址通信码流程图
由图所示，信号源产生信号1X经m序列发生器信号Y调制，得到一个加密信号E。
该信号经发送，通过信道被用户接受。
用户所得加密信号E按照相同的m序列发生器信号Y解调，将信号源信号1X还原，使之能被用户使用。
4使用Proteus软件对伪随机码发生器仿真
4.1Proteus软件介绍
Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。
Proteus软件的主要功能。
（1）原理布图；
（2）PCB自动或人工布线；
（3）SPICE电路仿真，用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。
除此以外还可仿真处理器及其外围电路，可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。
还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。
配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。
在Proteus绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：
*.HEX，可以在Proteus的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。
这在相当程度上替代了传统的单片机实验的功能，例：
元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。
4.2电路图绘制
在Protues中，根据系统仿真所需功能，绘制电路图如图13所示。
图13系统电路图单片机所用晶振为1MHz，P0口接三个独立式按键，P2口接LCD12864。
4.3仿真结果仿真结果如图14所示，每按下一个键，显示出的数字就做出改变。
在液晶屏的上部有欢迎使用四个字，第二排显示伪随机码，第二位做出循环改变。
4结论本文所论述的伪随机码发生器系统较为简单，仅仅针对m值为3、4和5做了三种不同情况的显示。
通过显示结果可以发现，当m值为5时，重复周期就达到了31。
在实际扩频通讯中，m值越高，则加密性能越好。
但是，一但敌军通过计算，比较还是能够比较容易的找到显示规律，从而窃取情报。
因此就需要对发生器做进一步的研究，比如将m值不同的两个序列混合编码输出。
总之，这需要在本文提出的设计思想上做更进一步的反复论证与试验。
致谢本次毕业设计在指导老师韩彦征的精心指导下完成的，毕业设计的全过程导师提供了有用的思路大量的心血和汗水。
毕业设计是检验
和锻
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