《序列信号发生器》课堂教学设计

《序列信号发生器》课堂教学设计

崔婧娜 窦 磊 赵 玲

国防科技大学信息通信学院试验训练基地 陕西西安 710106

摘要：数字电路作为理工专业的一门专业基础课程，学生在学习过程中经常感到理论、枯燥。本文对“序列信号发生器”一堂课进行设计，激发学生学习兴趣，提高他们分析和解决实际问题的能力，从而将理论与实际紧密结合起来。

关键词：序列信号发生器；加密通信；任务驱动

2. 教学起点分析

本次课选自《数字电路与逻辑设计》课程，它在各专业人才培养方案中类属专业基础课程，是衔接基础和专业之间的桥梁，具有承上启下的作用，课程内容在介绍有关数字系统基本知识、基本理论及常用数字集成电路的基础上，重点讨论数字逻辑电路分析与设计的基本方法，同时具有基础性、实践性和工程性等特点。

本次课内容是在学生掌握了时序逻辑电路分析与设计的基础上，将时序逻辑的理论问题应用到工程实际中，加强了与后续专业课的联系。

3. 教学方案

2.1教学目标

（1）基础知识方面，掌握序列信号发生器的工作原理、设计方法和实际应用；

（2）能力目标方面，培养学生分析、处理、解决问题的能力，以及运用理论知识指导实践的能力；

（3）素质目标方面，培养学生严谨的工作态度。

2.2方法策略

课程主要采用TOT式的方法策略，T指的是将课程内容按模块，运用任务驱动为主线的教学方法，O指的是线上线下混合式教学模式，第二个T指的是理实融合的教学策略。在实施过程中，还采用了以下具体的教学手段：任务驱动法、对比讲解和虚拟仿真，同时巧妙融入课程思政元素，达到润物细无声的育人效果。

2.3具体实施

按照创设情境-探究新知-任务求解-应用扩展-巩固小结的思路构建课程内容。

（1）创设情境：今年六月，某基地组织一场军事演习，当通过电台传送消息时，如果信息不加密，就有可能受到敌方的窃听甚至干扰。想办法采取措施给信息上一把锁，则可大大提高信息传递的可靠性。

所谓信息加密的过程，实际就是将原文序列与密钥序列运算，即可得到密文序列。那如何产生满足要求的密钥序列，就是这节课要探讨的内容。

（2）探究新知：理论讲授序列信号发生器的定义、分类，强调移存型序列信号发生器以移位寄存器作为主要存储部件。^[1]

电路构成的大致思路是：由移位寄存器构成计数器，根据序列信号的长度确定计数器的模，若序列信号长度为M，则计数器模也为M。接下来，观察各状态的移位特性，确定组合逻辑电路的部分。最后确定序列信号输出端。

（3）任务求解：接下来回到一开始的问题，假设我方电台发送消息的密钥序列为111100010011010，如何设计符合要求的序列信号发生器呢？

①确定移位寄存器的位数n，满足条件：序列长度M≤2ⁿ；②状态划分，画出状态图、列出状态表；③根据移位特性，写出最低位输入表达式，④完成电路连接。可分别采用D触发器和74LS194分别来实现，对比归纳各自优缺点，并用仿真演示。这样就完成了加密通信中密钥序列的电路设计。

（4）应用扩展：类似于上述我们列举的实例，若序列信号长度满足M=2ⁿ-1，把这样的序列称为最长线性序列，又叫做m序列，加密通信中m序列是常用的密钥序列。而在工程应用当中，移位寄存器可模拟工业设备动态运行中的输入激励，所以ｍ序列发生器是一种反馈移位型结构电路^[2] ，电路由n级移位寄存器和异或门反馈网络组成。通过刚才的分析，要用n级移位寄存器来产生m序列，关键在于选择哪几级移位寄存器作为反馈，经过推导计算，最长线性序列反馈函数表格给出了产生m序列，参与反馈的触发器的号码，今后可以直接查表得到，非常方便。

移位寄存器结构简单，运行速度快，实用的密钥流产生器大多基于移位寄存器，移位寄存器理论也成了现代流密码体制的基础。在这里，我们思考一个问题，实际当中希望加密模型越安全越好，那对序列信号有怎样的要求呢？是不是长度越长，也就是循环周期越长越好呢？实际当中，一般要求密钥序列长度大于10⁵⁰，所以要进行实际密钥序列的设计，则要将理论问题联系实际，具体问题具体分析。

（5）巩固小结：本节课主要围绕，序列信号发生器展开，在是什么的层面，介绍了电路的定义和分类；在为什么的层面，介绍了电路的结构，重点分析电路的设计过程，通过分立触发器构成了解电路工作原理，集成芯片构成侧重于实际应用，最后在怎么用的层面，将序列信号发生器与加密通信结合起来，将理论知识应用在工程实践中，除此以外，序列信号还广泛应用在数字网络、移动通信、导航雷达等领域，是国内外相关领域研究的热点。

最后，请同学思考两个问题，a.刚才序列信号状态划分时，并未出现重复状态，若出现同一状态的下一状态存在两种不同的转移情况，设计过程应如何解决？

b．循环状态中很明显缺少全0态，并且代入反馈组合电路，0000并不能进入有效循环，也就是电路无法实现自启动，如何改进呢？

3.结语

结合日常上课经验，本文提供了一种相对可以提高学生学习兴趣的设计思路，在这里与大家共同探讨。在今后准备其他课次时，可以从调动学生积极性的角度出发，教学设计上环环紧扣，寻找理论知识的落脚点，从而抓住学生的眼球。

参考文献：

[1] 王毓银，数字电路与逻辑设计[M].高等教育出版社，2017.

[2] 刘恒，一种m序列信号产生实验设计[J].实验科学与技术,2020,18(01):63~68.