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1、通信系统电路设计练习：M序列编码/解码器的设计作业的背景及训练目的为了给通信专业的同学们提供一个设计实践的机会，在最短的时间段掌握数字设计的动手能力，提高Verilog语言的使用能力，所以专门设计了这样一个难度适中的数字通信系统设计练习。本练习是根据工程实际问题提出的，但为了便于同学理解，对设计需求指标做了许多简化。希望同学们在设计例和老师的指导下，一步一步地达到设计目标。期望同学们能在两至三周，参考设计例，独立完成自己的设计任务，在这一过程中学习用Verilog编写RTL代码和仿真验证用测试代码技术，以及用综合器进行综合的技术、并熟练掌握较复杂数字系统的多层次的仿真验证的方法，以逐步提高同学
2、在设计工作中的自信心。11 M序列介绍：M序列是PN（pseudo noise）伪随机噪声中最广为人知的一种，主要用在扩频率通信中，先简要介绍一下扩频通信工程的原理，然后分析M序列的数学特性从而回答即为什么要选择M序列，然后再谈谈M序列在扩频应用中的局限性。有了一定的理论基础后，我们就可以开始讨论怎样用具体的硬件实现应用M序列的扩频通信的发射端和接收端电路。1.2扩频通信的短暂的历史有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员Hedy Lamarr 和钢琴家George Antheil提出的。基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路，他们申请了美国专利#2.292.387。不幸的是，当时该技术
3、并没有引起美国军方的重视，直到20世纪八十年代才引起关注，将它用于敌对环境中的无线通信系统。扩频通信技术解决了短距离数据收发信机、如：卫星定位系统(GPS)、3G移动通信系统、WLAN (IEEE802.11a, IEEE802.11b, IEE802.11g)和蓝牙技术等应用的关键问题。扩频技术也为提高无线电频谱的利用率(无线电频谱是有限的因此也是一种昂贵的资源)提供帮助。1.3扩频技术理论证明在Shannon和Hartley信道容量定理中可以明显看出频谱扩展的作用：C = B Log2 (1+ S/N)式中：C是信道容量、单位为比特每秒(bps)，它是在理论上可接受的误码率(BER)下所允
4、许的最大数据速率；B是要求的信道带宽，单位是Hz；S/N是信噪比。C表示通信信道所允许的信息量，也表示了所希望得到的性能，带宽(B)则是付出的代价，因为频率是一种有限的资源，S/N表示周围的环境或者物理特性(障碍物、干扰发射台、冲突等)。 用于恶劣环境(噪声和干扰导致极低的信噪比)时，从上式可以看出：为了提高信息的传输速率C，可以从两种途径实现，既加大带宽W或提高信噪比S/N。换句话说，当信号的传输速率C一定时，信号带宽W和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就
5、是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。1.4扩频技术的优点1、抗干扰性强，误码率低如上所述，扩频通信系统由于在发送端扩展信号频谱，在接收端解扩还原信息，产生了扩频增益，从而大提高了抗干扰容限。根据扩频增益不同，甚至在负的信噪比条件下，也可以将信号从噪声的淹没中提取出来，在目前商用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作于负信噪比条件下的通信方式。2 、易于同频使用，提高了无线频谱利用率无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波都已得到开发利用，仍然满足不了社会的需求。为此，世界各地都设计了频谱管理机构， 用户只能使用申请获得的频率，依靠频道划分来防止信道之间发生干扰。由
6、于扩频通信采用了相关接收这一高技术，信号发送功率极低（1W，一般为1100mW），且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率，也可以与现今各种窄带通信共享同一频率资源；.3、 抗多径干扰在无线通信中，抗多径干扰问题一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性；在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。 4、 扩频通信是数字通信，特别适合数字话音和数据同时传输，扩频通信自身具有加密功能，性强，便于开展各种通信业务。扩频通信容易采用码分多址、语音压缩等多项新技术，更加适用于计算
7、机网络以及数字化的话音、图像信息传输；.5、 扩频通信绝大部分是数字电路，设备高度集成，安装简便，易于维护，也十分小巧可靠，便于安装，便于扩展，平均无故障率时间也很长；6、 另外，扩频设备一般采用积木式结构，组网方式灵活，方便统一规划，分期实施，利于扩容，有效地保护前期投资。1.5频谱的扩展的实现和直接序列扩频频谱的扩展是用数字化方式实现的。在一个二进制码位的时段用一组新的多位长的码型予以置换，新码型的码速率远远高出原码的码速率，由傅立叶分析可知新码型的带宽远远高出原码的带宽，从而将信号的带宽进行了扩展。这些新的码型也叫伪随机（PN）码，码位越长系统性能越高。通常，商用扩频系统PN码码长应不低
8、于12位，一般取32位，军用系统可达千位。目前常见的码型有以下三种：1） M序列，即最长线性伪随机系列；2）GOLD序列；3）WALSH函数正交码。2M序列的产生调制和解调原理M序列是对最长线性反馈移位寄存器序列的简称，它是一种由带线性反馈的移位寄存器所产生的序列，并且具有最长周期。带线性反馈的移位寄存器设定各级寄存器的初始状态后，在时钟触发下，每次移位后各级寄存器状态都会发生变化。观察其中一级寄存器（通常为末级）的输出，随着移位时钟节拍的推移会产生一个序列，称为移位寄存器序列。可以发现序列是一个周期序列，其周期不但与移位寄存器的级数有关，而且与线性反馈逻辑有关。在相同级数情况下，采用不同的线
9、性反馈逻辑所得到的周期长度不同。此外，周期还与移位寄存器的初始状态有关。一般情况下，用于产生M序列的n级线性反馈移位寄存器的结构图如下：表示模2相加图中的作为输出信号所得到的就是我们需要的M序列了，可以看出一个完整的n级M序列是由一个相应的线性反馈逻辑表达式来得到的：将左边的移到等号右边可以写成为：为了便于计算我们通常将上式与一个多项式项（即本原多项式）对应起来以简便得到M序列：基于不同级的线性反馈逻辑表达式，我们可以得到不同长度的M序列的本原多项式如下（表1）：n代数式3456从表1中我们可以查到5级M序列所对应的本原多项式为，从而得到其线性反馈逻辑表达式为a4=a1 a0，更进一步得到下面
10、的M序列产生的结构图：可以看出我们在这里只需要设定好a4 到a0初始值（不能为00000），就能够得到一组5级31位的M序列了。在此我们将其初始值设为10000(a4a3a2a1a0)，通过上面结构图的推算可以得到其31位M序列编码为： 001（由右至左依次按顺序生成），发送端需要调制的信号，与这31位数进行异或运算。我们实际在发送信号的时候采用相位调制（PSK）方法，即将1相应的调制为1，0调制为-1；则可以得到传输中的M序列。以需要发送的信号是1为例，具体调制解调步骤如下（假设没有噪声情况下）：1、1分别与31位M序列进行异或运算，得到1102、将第一步得到的M序列中的1相应的调制为01（
11、1），0调制为11（-1）后输出01，01，11，01，11，11，01，01，11，11，11，11，11，01，01，01，11，11，01，11，11，11，01，11，01，11，01，01，01，01，11，而输出的顺序依次为11，01，01，0111，01，01。同理可知0经过调制得到的序列会与1经过调制得到的序列相反。3、接收端知道发送端的M序列为 001（a30 a29a2a1a0），将收到的第一个数的符号位与a0相比较如果是相同则在基值（为了方便讨论基值可取0）上加上一个正数（为接收端接收到的数的绝对值）不同的话则减去一个正数，同理第二个数的符号位与a1比较若相同则在上一个累
12、加值上相加一个正数，不同的话则减去一个正数，依此类推，当第31个数与a30比较完后，若发送端的发送数据1的话此时的累加值为31，若发送端的发送数据0的话此时的累加值为-31，通过判断在第31个数时的累加值，我们可以知道发送是1还是0，当第31个数与a30比较过后，第32个数与a0比较，就这样依此规律，每隔31个数就判断输出是1还是0。但实际的通信信道中有各种各样的噪声，通常有加性噪声信道，线性滤波器信道，以及线性时变滤波器信道，上述的三个信道数学模型，足以概括实际应用中遇到的大多数物理信到特性。在本文中主要考虑的是加性噪声信道。并且通过实验程 序证明，上文中所提到的M序列有抗干扰性强，误码率低
13、这一特性。通信系统最简单的数学模型就是加性噪声信道，在此模型中，发送信号s(t)受到加性随机噪声过程 n(t)的损伤。送物理意义上看，加性噪声过程可能来自通信系统接收端的电子元件和放大器等，也可能来自无线信号传送过程遇到的干扰。如果噪声主要是由接收机的电子元件和放大器引起的，则它具有热噪声的性质，这类热噪声都具有高斯噪声过程的统计特性，因而信道的数学模型通常称为加性高斯噪声信道，接收端接收信号的表达式为：r(t)= s(t)+(t)（不考虑信道衰减）。在下面将要介绍的实验中加入随机噪声信号，此信号的最小值为-2,最大值为2，但通过仿真我们可以发现解调后误码率很小。从频域上解释M序列有抗干扰性强
14、，误码率低这一特性，是由于在发送端PN码序列用来将携带信息的基带信号扩展至宽带信号以便在信道上传输。在接收端，接收的信号与PN码一个同步的副本相乘，得到解扩的窄带信号，与此同时各种干扰信号将扩展至宽带。最终的影响是干扰信号功率降低了W/R，正好等于扩频系统的处理增益。PN码序列的的副本只对特定的接收机已知，不知道该PN码序列的接收机不能解调信号。因此，PN码序列的使用提供了普通调制无法实现的隐秘（安全）性。这种安全性以及抗干扰性能增益是以信道带宽和通信系统复杂程度的增加来换取的。3具体的FPGA实现对于不同级别的M序列来说，抗噪声能力是不一样的，级数越高所能承受的外界干扰幅度越大。在这次实验设
15、计中我们选取的是从2倍噪声中将5级31位M序列信号恢复出来。利用Verilog分别编写 coder、 add_noise、 decoder、 correct 、Correct_Decoder、 top 这六个模块，其中coder 、decoder、 correct 、是可综合模块，其中decoder、 correct 这两个模块组成为Correct_Decoder，add_noise，是不可综合的，用以模拟信道的加性噪声，top是测试文档。具体各个模块的作用如下：coder模块：此模块的基本功能按照上文所说的方法将待调信号与 M序列的每一位进行异或，到达扩频的目的，而后为了实际需要将扩频结果的
16、1调制为01（1）0调制为11（-1）。但是一个工程系统只有这个基本功能是不够的，由于我们面对的是非理想的信道模型必需还要有一些附加的功能：1、在发送数据之前先发用与给接收端捕捉同步头。2、每发送512个字节，就发送0000，来检测接收双方是否依旧保持同步。3、在介绍M序列的产生原理及具体的调制和解调原理时，知道通过扩频可以在有噪信道大降低误码率，但是仍有误码，具体是传1万个2位的十六进制数就有50多个错误的数据。能不能进一步减少误码率呢？。为了减少误码率，通过分析数据，我们可以发现误码分布的比较散，所以选择汉明码就能达到纠错的目的。在每发送四位信息位（a6a5a4a3）后我们发送三位监督位（a2a1a0）从而达到纠错的目的
