毕业设计149课程设计伪随机序列的产生及应用设计.docx
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毕业设计149课程设计伪随机序列的产生及应用设计
1引言
如果一个序列，一方面它是可以预先确定的，并且是可以重复地生产和复制的；一方面它又具有某种随机序列的随机特性（即统计特性），我们便称这种序列为伪随机序列。
因此可以说，伪随机序列是具有某种随机特性的确定的序列。
它们是由移位寄存器产生确定序列，然而他们却具有某种随机序列的随机特性。
因为同样具有随机特性，无法从一个已经产生的序列的特性中判断是真随机序列还是伪随机序列，只能根据序列的产生办法来判断。
伪随机序列系列具有良好的随机性和接近于白噪声的相关函数，并且有预先的可确定性和可重复性。
这些特性使得伪随机序列得到了广泛的应用。
1.1课程设计目的
本课程设计主要是使学生增进对伪随机序列的认识，加深对通信原理理论方面的理解，使学生了解如何产生伪随机序列以及D/A的工作原理及使用方法，并将伪随机序列输入D/A转换器，观察其模拟信号特性。
1.2课程设计要求
设计程序时，应以理论作为指导，构思设计方案；设计完成后应进行调试，仿真和分析；处理结果和分析结论应该一致，而且应符合理论；独立完成课程设计并按要求编写课程设计报告书。
1.3课程设计内容
设计伪随机码电路：
产生八位伪随机序列（本次产生的是m序列）；了解D/A的工作原理及使用方法，将伪随机序列输入D/A中（如DAC0808），观察其模拟信号的特性；分析信号源的特点，使用EWB软件进行仿真；进行系统仿真，调试并完成符合要求的课程设计书。
2EWB软件介绍
2.1软件简介
EWB软件是交互图像技术有限公司在九十年代初推出的EDA软件，相对其它EDA软件而言，它只有16M，功能也比较单一，就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真，但它的仿真功能十分强大，可以几乎100％地仿真出真实电路的结果，而且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具，它的器件库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片，器件库中没有的元器件，还可以由外部模块导入，它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，许多电路你无需动用烙铁就可得知它的结果，而且若想更换元器件或改变元器件参数，只需点点鼠标即可。
EWB的兼容性也较好，其文件格式可以导出成能被ORCAD或PROTEL读取的格式。
EWB是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为ElectronicsWorkbench。
EWB以SPICE3F5为软件核心，增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能。
SPICE自1972年使用以来，已经成为模拟集成电路设计的标准软件。
EWB建立在SPICE基础上，它具有以下突出的特点：
（1）采用直观的图形界面创建电路：
在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；
（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。
（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。
（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。
（5）EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。
2.2EWB软件的操作界面
1．EWB的主窗口
图2.1EWB软件主窗口
2．元件库栏
图2.2原件库栏
3．信号源库
图2.3信号源库
4.基本器件库
图2.4基本器件库
5．指示器件库
图2.5指示器件库
2.3EWB软件基本操作方法介绍
EWB软件具体操作方法很细，下面就常用仪器举例说明：
（1）数字多用表
数字多用表的量程可以自动调整。
下图是其图标和面板。
图2.6数字多用表
（2）示波器
示波器为双踪模拟式，其图标和面板如下图所示。
图2.7示波器
（3）信号发生器
信号发生器可以产生正弦、三角波和方波信号，其图标和面板如
下图所示。
可调节方波和三角波的占空比。
图2.8信号发生器
（4）波特图仪
波特图仪有IN和OUT两对端口，分别接电路的输入端和输出端。
每对端口从左到右分别为+V端和-V端，其中IN端口的+V端和-V端分别接电路输入端的正端和负端，OUT端口的+V端和-V端分别接电路输出端的正端和负端。
此外在使用波特图仪时，必须在电路的输入端接入AC（交流）信号源，但对其信号频率的设定并无特殊要求，频率测量的范围由波特图仪的参数设置决定。
图2.9波特图仪
3设计原理
通常产生伪随机序列的电路为一反馈移存器。
它又可分为线性反馈移存器和非线性反馈移存器两类。
由线性反馈移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存器序列，通常称为m序列，即此次课设中产生的伪随机序列。
其基本结构如下图所示。
（以4级移存器为例）
图3.1m序列的产生
若其初始状态为（a3,a2,a1,a0）=（1,0,0,0）,则在移位一次时，由a3和a0模2相加产生新的输入a4=1
0=1，新的状态变为（a4，a3,a2,a1）=（1，1，0，0），这样移位15次后回到初始状态（1，0，0，0）。
不难看出，若初始状态为全“0”
状态，则移位后得到的仍为全“0”状态。
这就意味着在这种反馈移存器中应避免出现全“0”状态，不然移存器的状态不会改变。
因为4级移存器共有16种可能不同的状态。
除全“0”状态外，只剩15种状态可用，即由任何4级反馈移存器产生的序列的周期最长为15。
同理由8级反馈移存器产生的序列周期最长为255。
本次课设任务中要求产生8位伪随机序列，即要求用一个8级反馈移存器产生m序列。
明确了设计目标之后，我们要确定电路，则首先要确定其特征多项式。
在由樊昌信等编著的《通信原理》课本中，表10-1给出了常用本原多项式的列表。
在下一页的表3.1中给出了此表。
由表可以查到，对于一个8级反馈移存器，要产生m序列，其本原多项式为
，则在设计电路的时候需要将Q2与Q3异或结果再与Q4异或然后再与Q8异或再送入移位寄存器的输入。
表3.1常用本原多项式
n
本原多项式
n
本原多项式
代数式
8进制
表示
代数式
8进制
表示
2
7
11
4005
3
13
12
10123
4
23
13
20033
5
45
14
42103
6
103
15
100003
7
211
16
210013
8
435
17
400011
9
1021
18
1000201
10
2011
19
2000047
4EWB仿真
由设计原理可以得到整体电路图如下图所示：
图4.1整体电路设计图
在EWB仿真软件中画出整体电路图，其中，74LS164为8位串入并出移位寄存器。
再通过外部接上门电路，从而构成一个8级反馈移存器。
将74LS164的8位输出送入D/A转换器，观察波形。
5仿真结果
运行程序，进行仿真，检测到Q8的输出波形如下图所示：
图5.1Q8点输出波形
此序列即为通过反馈移存器产生的8位伪随机序列。
下图即为伪随机序列输入D/A转换后的信号：
图5.2模拟信号
6重要原件介绍
6.174LS164芯片介绍
74LS164芯片是一个8位串入并出移位寄存器，其8个输出脚分别对应着QA~QH。
VCC接正5伏电源，GND接地，CLR接高电平，CLK接脉冲信号（频率自选）。
其管脚图如下图所示：
图6.174LS164管脚图
其真值表如下表所示：
表6.174LS164真值表
其内部原理图如图6.2所示：
图6.274LS164内部原理图
6.2DAC0832芯片介绍
一个8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。
输入可有256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。
图6.3是DAC0832的逻辑框图。
图6.3DAC0832逻辑框图
其管脚图如图6.4所示：
图6.4DAC0832管脚图
D0~D7：
数字信号输入端。
ILE：
输入寄存器允许，高电平有效。
CS：
片选信号，低电平有效。
WR1：
写信号1，低电平有效。
XFER：
传送控制信号，低电平有效。
WR2：
写信号2，低电平有效。
IOUT1、IOUT2：
DAC电流输出端。
Rfb：
是集成在片内的外接运放的反馈电阻。
Vref：
基准电压（-10~10V）。
Vcc：
是源电压（+5~+15V）。
AGND：
模拟地NGND：
数字地，可与AGND接在一起使用。
DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。
7原件清单
在进行实物焊接的时候所用到的原件列成表格，如下表所示。
表7.1元件清单
元件
个数
DAC0832
1个
74LS164
1个
74LS32
1个
74LS11
1个
74LS10
1个
运算放大器
2个
电阻
若干
芯片管座
若干
8电路的安装焊接与调试
一、电路的安装焊接
频率计数器的所选原器件在表2.1中已经介绍，我们根据所给的器件在电路板上进行焊接。
在此我们进行手工焊接。
手工焊接的基本操作方法：
焊前准备：
准备好电烙铁以及镊子、剪刀、斜口钳、尖嘴钳、焊料、焊剂等工具，将电烙铁及焊件搪锡，左手握焊料，右手握电烙铁，保持随时可焊状态。
用烙铁加热备焊件。
送入焊料，熔化适量焊料。
移开焊料。
当焊料流动覆盖焊接点，迅速移开电烙铁。
掌握好焊接的温度和时间。
在焊接时，要有足够的热量和温度。
如温度过低，焊锡流动性差，很容易凝固，形成虚焊；如温度过高，将使焊锡流淌，焊点不易存锡，焊剂分解速度加快，使金属表面加速氧化，并导致印制电路板上的焊盘脱落。
尤其在使用天然松香作助焊剂时，锡焊温度过高，很易氧化脱皮而产生炭化，造成虚焊。
按照手工焊接的基本操作方法进行焊接，将各个原器件按照要求都焊接在面包板上，完成器件的安装与焊接。
二、电路的调试
将焊接好的电路进行调试。
接通电路电源，将Q8点输出接到示波器，观察Q8点的输出波形，若为一随机数字序列，则说明伪随机序列产生部分电路是正确的，若不是则有问题，需要继续调试，直到出现正确结果。
再将的D/A转换器的输出接到示波器，观察模拟信号，若为一随机噪声，并且信号周期为256，则说明D/A转换部分电路也是正确的。
若不是上诉情况则说明电路存在问题，需要找出问题所在，仔细检查电路是否设计正确、是否存在虚焊、是否焊接错误等，找出错误继续调试，直到调试成功为止。
9心得体会
这学期开设了通信原理这门课，我想任何一个电信专业的同学都知道这门课对于我们专业的学生有多么的重要。
但是对于这样一门重要的课程，我们仅仅在课堂上学习一下理论知识是不够的，正所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践，探索是不够的。
在课程学完之后，学期末放假之前进行一次通信原理课程设计是很及时，很有必要的，这样不仅能加深对通信原理这门课的理解而且还及时的做到了学以致用。
所以我觉得这次的课程设计正好是一次绝好的机会，让我独立的去运用课堂上所学到的理论知识去设计一个产生伪随机序列的系统。
当然实践是有趣的但同时也是辛苦的。
在设计过程中遇到了很多困难，但是不论多大的困难，我都没有退缩，最终还是通过自己的努力以及在同学们和老师的帮助下，一个一个的克服了。
之前伪随机序列这一章老师在课堂上并没有讲解，所以在做课程设计之前，我们认真而仔细的看了一遍通信原理的课本。
了解到，m序列是最长线性反馈移存器序列的简称，它是由带线性反馈的移存器产生的周期最长的一种序列。
因为任务书中要求产生8位伪随机序列，故需要设计一个8级反馈移存器，我们直接购买的74LS164（8位串行输入并行输出）再在其外部接上门电路，从而构成一个8级反馈移存器。
其实在购买原件的时候，有好多原件并没有买到，于是我们就进一步思考，并在卖家的建议下，将原先没有买到的器件换成相应的有类似功能与引脚的芯片，在元器件选择与更换的过程中又进一步加深了我们对电路的理解。
并且熟悉了相关芯片的型号与功能，这对以后其他的电路设计也是一个帮助。
在电路仿真方面，我们采用EWB软件仿真，虽然以前也用过这个软件，但是这次使我在软件的使用上更加的娴熟。
通过此次课程设计，我收获颇多，在搜集资料，利用仿真软件对设计的电路进行仿真，文档编写，以及意志品质上都有所提高。
我想以后还会有很多类似的锻炼的机会，我一定也会像这次一样好好把握，争取每次都有所提高。
致谢
在此次课程设计中遇到了很多的困难，但是我们小组成员相互讨论，相互帮助，相互鼓励。
这种融洽的团队氛围让每一个成员都有一种动力，不管遇到何种困难，都不会退缩。
我在这里要真诚的感谢我们每一个小组成员，感谢他们的帮助与鼓励。
同时，我还要感谢给予指导的老师以及提供过帮助的班上其他的同学，有时候他们一个小小的点拨会给我很大的启发，所以没有他们的帮助我也难以完成此次课程设计的任务。
参考文献
1李群芳，张士军，黄建.单片微型计算机与接口技术.北京：
电子工业出版社，2005
2樊昌信，张甫翊，徐炳祥，吴成柯.通信原理.北京：
国防工业出版社，2007
3康华光.电子技术基础数字部分.北京：
高等教育出版社，2005
4祁存荣.电子技术基础数字部分实验指导书.武汉：
武汉理工大学出版社，2008
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