基于74LS194的m序列发生器设计

吴海涛，梁迎春，陈英俊

(肇庆学院电子信息与机电工程学院，广东肇庆526061）

基于74LS194的m序列发生器设计

吴海涛，梁迎春，陈英俊

(肇庆学院电子信息与机电工程学院，广东肇庆526061）

在m序列产生原理的基础上，利用2片74LS194级联及少量门电路，采用手动置数和自启动2种方法设计了2种m序列发生器电路，然后分析比较了2种电路的产生原理.最后分析了实验结果，验证了m序列的均衡性、游程分布特性及移位相加性.电路性能稳定可靠，已作为数字信号源成功应用于通信原理实验中.

伪随机序列；m序列；移位寄存器；74LS194；本原多项式；反馈逻辑

伪随机序列是一种可以预先确定并可以重复产生和复制，且具有随机统计特性的二进制码序列[1].m序列是最常见的一种伪随机序列，它是最大长度线性反馈移位寄存器序列的简称.之所以称其为伪随机序列，是因为它表现出白噪声采样序列的统计特性，在不知其生成方法的侦听者看来像真的随机序列一样.m序列具有很强的系统性、规律性和相关性.

在现代工程实践中，伪随机信号在信息安全、数字网络、移动通信、导航、雷达和保密通信、通信系统性能的测量等领域中有着广泛的应用.例如：在连续波雷达中可用作测距信号，在遥控系统中可用作遥控信号，在多址通信中可用作地址信号，在数字通信中可用作群同步信号，还可用作噪声源以及在保密通信中起加密作用等[2].基于伪随机序列具有的科学价值和社会价值，其分析、构造和生成一直是国内外相关领域研究的热点，因此研究设计m序列在现代社会中依然具有重要意义.

本文中，笔者根据m序列的产生原理，利用2片74LS194级联加少量分立元件，采用手动置数和自启动2种方法设计了2种长度为255位的m序列发生器.

1 m序列的产生原理

m序列发生器是一种反馈移位型结构的电路，它由n级移位寄存器加异或反馈网络组成，其生成序列长度p＝2n－1，且只有1个冗余状态即全0状态，所以称为最长线性反馈移位寄存器序列.

由于带有反馈，因此在移位脉冲作用下，移位寄存器各级的状态将不断变化，通常移位寄存器的最后一级做输出，输出序列为｛ak｝＝a0a1…an－1…..

图1 线性反馈移位寄存器框图

输出序列是一个周期序列，其特性由移位寄存器的级数、初始状态、反馈逻辑以及时钟速率(决定着输出码元的宽度)所决定.

当移位寄存器的级数与时钟一定时，输出序列就由移位寄存器的初始状态和反馈逻辑所完全确定.当初始状态为全零状态时，移位寄存器输出全0序列.为了避免这种情况，需设置全0排除电路[3－4].

2 m序列发生器的电路设计

2.1 芯片介绍

本设计采用2片4级移位寄存器芯片74LS194及少量分立元件构成，74LS194的引脚及内部逻辑图如图2所示.

74LS194是一种典型的中规模集成移位寄存器，由4个RS触发器和一些门电路构成.它是4级双向移位寄存器，是一种功能很强的通用寄存器，其具体逻辑功能由管脚9和管脚10的S0与S1来确定.它具有并行输入、并行输出、左移、右移及保持等5个功能.其中D0，D1，D2和D3为并行数据输入端；Q0，Q1，Q2和Q3为4个触发器输出端；SR为右移串行输入端；SL为左移串行输入端；S0与S1为操作模式控制端；Cr为直接无条件清零端；CP为时钟脉冲输入端.

当S0S1＝00时，为状态保持；S0S1＝01为数据右移；S0S1＝10为数据左移；S0S1＝11为并行送数.74LS194功能表如表1所示.

2.2 电路设计与分析

要想产生周期为255的最长序列，要求m序列发生器的特征多项式必须是8次本原多项式，通过查表得到其本原多项式为x8＋x4＋x3＋x2＋1，即第8，4，3，2级参与反馈经异或后送入第1级[3－4].所设计的8级m序列发生器原理方框图如图3所示.

图3 8级m序列发生器原理方框图

依据上述原理，设计了2种产生电路，分别如图4和图5所示.

方案1：通过手动置数右移产生m序列.

方案2：利用全0状态重新置数从而实现自启动.

图4 手动置数m序列发生器电路图

图5 自启动m序列发生器电路图

方案1的电路设计如图4所示.当电路处于全0状态时，采用此方法设计的m序列发生器不具有自启动特性.为了使电路启动,可以断开开关S1，将74LS194的工作方式控制端S1置高电平，这时S1和S0均为高电平，即S1S0＝11，74LS194处于置数状态，把输入端的初始状态10000000置到输出端.然后再闭合开关S1，使74LS194的工作方式控制端S1处于低电平状态.这时工作方式控制端S1与S0分别为低电平和高电平，即S1S0＝01，74LS194处于右移状态，在时钟作用下通过不断移位产生m序列.

当初始状态为全零状态时，移位寄存器输出全0序列.为了避免这种情况，需设置全0排除电路.方案2的电路设计如图5所示.利用全0状态重新置数从而实现自启动.当电路处于全0状态时，通过或门和非门电路的作用，S1置高电平，这时候S1和S0均为高电平，即S1S0＝11，74LS194处于置数状态，自动把输入端的初始状态01000000置到输出端.通过或门和非门电路的作用，使S1处于低电平状态，即S1S0＝01，74LS194处于右移状态，在时钟作用下通过不断移位产生m序列.

比较2种方案，通过设置工作方式控制端使之右移都能产生长度为255的m序列.方案1的电路设计简单，只需手动置数就能产生m序列；方案2的电路设计较方案1复杂，但它能在全0状态下自启动，电路性能稳定.

3 实验结果与性质分析

3.1 实验结果

这里只分析方案2的电路，由图5可知，其初始状态为a7＝a5＝a4＝a3＝a2＝a1＝a0＝0,a6＝1.当m序列发生器利用全0状态重新置数实现自启动时，它能生成长度为255的m序列.如下所示：01010000010011101“100100100110000001110100100011100”01000000010110001111010000.

由于示波器显示的波形长度有限，不能一次性显示255位m序列波形[5].图6为255位m序列的部分波形图.第1路波形为8kHz时钟，第2路波形是产生的m序列部分波形,对应于序列中的引号内部分.

图6 m序列部分波形图

3.2 性质分析[3－6]

3.2.1 m序列的均衡性

m序列每一周期中1的个数比0的个数多1个.由于p＝2n－1为奇数，因而在每一周期中1的个数为偶数，即(p＋1)/2＝2n－1；而0的个数为奇数，即(p－1)/2＝2n－1－1.当p足够大时，在一个周期中1与0出现的次数基本相等.本设计中的8级m序列中p＝255，1的个数为128，0的个数为127，即0与1出现的概率几乎相等.

3.2.2 m序列的游程分布

将一个序列中取值(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.统计分析产生序列特性.

对于游程长度0＜k≤6，全部游程如下：长度为1的0游程和1游程分别出现32次；长度为2的0游程和1游程分别出现16次；长度为3的0游程和1游程分别出现8次；长度为4的0游程和1游程分别出现4次；长度为5的0游程和1游程分别出现2次；长度为6的0游程和1游程分别出现1次；长度为7的0游程出现1次；长度为8的1游程出现1次，如表2所示.

m序列的一个周期中，游程总数为128.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k的游程个数占游程总数的2－k＝2k，其中1≤k≤(n－2)，而且，在长度为k的游程中，连1游程与连0游程各占一半，长为(n－1)的游程是连0游程，长为n的游程是连1游程.

3.2.3 移位相加特性(线性叠加性)

m序列和其位移序列模2和后所得序列仍是该m序列的某个位移序列.设mr是周期为p的m序列mp经过r次延迟移位后的序列，那么有mp⊕mr＝ms，其中ms为mp某次延迟移位后的序列.

本设计产生的序列为mp，

mp延迟1位后得到序列mr，

mp与mr模2和后所得序列ms，

由运算结果可以看到，ms为mp延迟25位后的序列.

4 结语

文中给出的2种m序列产生电路经实际硬件测试，输出信号波形符合m序列的均衡性、游程分布特性、移位相加性等性质.结果表明：采用74LS194加上少量外围芯片，可以方便、准确地产生m序列.文中给出的设计方法调试方便，电路性能稳定可靠，具有实际应用价值，已作为数字信号源成功应用于通信原理实验箱.

[1]孙淑琴,林君,张秉仁,等.伪随机序列发生器的研究与实现[J].吉林大学学报：信息科学版,2004,22(3)：185-188.

[2]吴先用,邹学玉.一种m序列伪码发生器的产生方法[J].测控技术,2003,22(9)：56-59.

[3]樊昌信.通信原理[M].6版.北京：国防工业出版社,2009：379-388.

[4]曹志刚,钱亚生.现代通信原理[M].北京：清华大学出版社,2004：234-238.

[5]张海峰,段颖妮,吕虹.全状态伪随机序列发生器的实现[J].电子器件,2006,29(1)：176-182.

[6]张雪锋,范九伦.基于线性反馈移位寄存器和混沌系统的伪随机序列生成方法[J].物理学报，2010，59(4)：2 289-2 297.

Design of m Sequence Generator Based on 74LS194

WU Haitao,LIANGYingchun,CHEN Yingjun
（College of Electronic InformationandMechatronic Engineering,Zhaoqing University,Zhaoqing,Guangdong 526061,China）

Based on the principle of m sequence generation,two pieces of 74LS194 cascaded circuit and a few gate circuit are used to design two m sequence generators by the methods of manual reset and self-running. Then,the generation principles of these two circuits are analyzed and compared.Lastly,experimental results are analyzed and the characteristics of balance,run-length distribution and shift addition are verified.The circuits run stable,andhave beenusedsuccessfully incommunicationtheory experiments as digital signal source.

pseudorandom sequence;m sequence;shift register;74LS194;primitive polynomial;feedback logic

TN911.1

A

1009－8445（2010）05－0011－05

（责任编辑：陈静）

2010－05－20

肇庆学院精品课程建设基金资助项目（200916）

吴海涛（1975－），男，山东青州人，肇庆学院电子信息与机电工程学院副教授.