简易m序列调制解调器前端设计

覃馨+李书艳+宁宁+陈培美+孙晓书+崔舒扬

摘要：m序列是擴频通信方式的基础理论，应用较为广泛，m序列是对最长线性反馈移位寄存器序列的简称，可由带线性反馈的移位寄存器通过串行移位方式生成。文中通过对m序列生成的基本理论进行了详细介绍，并基于此设计了简易m序列调制解调器架构，和硬件描述语言代码，完成了仿真，测试。

关键词：m序列；伪随机码；Verilog HDL；仿真

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）07-0205-02

一、引言

m序列的使用是通信系统中CDMA（Code Division Multiple Access——码分多址）模式的基础，也是扩频通信方式的基础理论。应用较为广泛，可用于《通信原理》基础理论研究，也可以用于实际通信过程的扰码单元使用，因此，对于该序列调制解调器的设计具有实际的意义。

m序列是对最长线性反馈移位寄存器序列（maximal length linear feedback shift register sequence）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。

二、系统整体设计方案

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图1所示。

0010110011111000110111010100001（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。为仿真验证波形显示便利，在发送信号的时候采用调制方法，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。

三、系统HDL设计方案

系统使用Verilog HDL语言完成设计。代码由add_noise.v、coder.v、correct.v、Corrected_Decoder.v、decoder.v和top.v六个Verilog HDL代码。代码架构设计图如图3所示。分别为传输加噪、发送端编码调制、发送端校验编码、校验解码、解码单元和顶层单元。

m序列调制与解调部分学习和实验主要进行了基于ModelSim仿真的代码编写和调试，属于不可综合仿真，参考代码中加入了兼具了testbench的测试功能。通信过程中，一般系统不会在启动后立即发送有效载荷数据，为了保证通信的稳定，首先要发送双方约定好的一系列信令和同步用数据信息，通过同步用数据信息来完成发送、接收双方的时钟、信令和控制数据的同步，同步后才能有效接收数据，这个过程类似于网络通信中的TCP协议通信过程，是通信网络中保证收发双方可靠、稳定通信的流程。

四、设计仿真测试

上述设计代码直接在ModelSim中就可以直接综合和进行仿真。加载了Verilog HDL代码的ModelSim项目窗口如图4所示。发送端发送的数据由outdata变量存储，其发送的数据经由编码和加噪模块完成数据的m调制后，发送至接收端，接收端由解校验和解码单元处理后，形成解调数据。

仿真运行50微秒后部分仿真波形如图5所示。从图5中很容易看出负向波谷（表示波形向下，但是取值仍未正）位置对应的解调码值为0，正向波峰对应位置解调码值为1。与该窗口outdata（已发送数据）显示数据一致。

五、结束语

本简易m序列调制解调器设计完成了基本的设计目标，能够正常发送和解调已发送的数据，能够准确进行仿真和验证，后续可以继续进行优化和加长序列调制长度，并增加通信系统中常见的各种纠错编码方案，以使系统更加完善。

参考文献：

[1]夏宇闻.从算法设计到硬件逻辑的实现[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]王金明，杨吉斌.数字系统设计与VerilogHDL[M].北京：电子工业出版社，2002.

[3]SKALRB.数字通信———基础与应用[M].北京：电子工业出版社，2002.

[4]樊昌信，张甫翊，徐炳祥，等.通信原理[M].第5版.北京：国防工业出版社，2003.

Abstract：M sequence is the basic theory of spread spectrum communication，which has been widely applied，m sequence is short for the longest of linear feedback shift register sequence，which can be generated by a serial shift register with a linear feedback shift register . In this paper，we introduced the basic theory of how to produce m - sequence in detail. Based on this，A simple m - sequence modem architecture was designed，together with the design using hardware described language code，and finished the simulated and tested.

Key words：m sequence；PN code；Verilog HDL；Simulate