通信综合实验实验报告_.docx

班级 学号西安电子科技大学通信系统综合实验报告 学 院：班 级 ：专 业 ：通信与信息系统姓 名 ：2013年11月目录实验一 数字基带仿真实验11.1 实验目的11.2 实验原理11.2.1 差错控制原理11.2.2 跳频扩频原理31.2.3 保密通信原理41.3 实验内容41.4 实验结果及数据分析51.4.1 差错控制51.4.2 跳频71.4.3 加密解密12实验二 通信传输的有效性与可靠性分析142.1实验目的142.2实验原理142.2.1 数据传输的流量控制142.2.2 误码和差错控制152.2.3 信道共享技术152.3实验内容162.4 实验结果及数据分析172.4.1 性能仿真172.4.2. 速率测试222.4.3. 文件传输24实验三 无线多点组网273.1 实验目的273.2 实验原理273.2.1 通信网络拓扑结构273.2.2 路由技术283.2.3 广播和组播283.2.4 ad hoc网络283.3 实验内容283.4 实验结果及数据分析293.4.1 组网过程293.4.2 单跳与多跳转接313.4.3. 单播(unicast)313.4.4. 路由协议323.4.5. 广播(broadcast)与组播(multicast)32实验四 语音传输344.1 实验目的344.2 实验原理344.2.1 脉冲编码调制344.2.2 连续可变斜率增量调制354.2.3 随机错误和突发错误364.2.4 内部通话与数据传输的工作过程364.2.5 蓝牙设备的身份切换374.3 实验内容374.4 实验结果及数据分析384.4.1 参数相同时的波形384.4.2 相同误码率不同频率的波形394.4.3 用蓝牙连接的传输过程42实验一 数字基带仿真实验1.1 实验目的此实验软件主要对蓝牙(bluetooth)技术中基带信号处理方法作了仿真，包括差错控制方法、跳频扩频原理以及保密通信等。本实验要求实验人员利用本软件对通信系统特别是无线通信系统的基带信号处理方法有较深入的认识和理解，具体有以下几个目的：1、理解基带传输中的差错控制方法、差错控制编码分类及其纠检错能力；了解差错控制编码的生成和纠、检错方法。2、理解扩频通信（特别是跳频扩频通信）的基本概念、原理及其优缺点。3、理解两种加密体制的异同；了解保密通信的全过程，以及密钥在保密通信中的作用1.2 实验原理本实验原理主要包括差错控制原理，调频扩频原理，保密通信原理等。1.2.1 差错控制原理数字信号在传输过程中，由于受到干扰的影响，码元波形将变坏。接收端收到后可能发生错误判决。一般理论中，合理设计基带信号，选择调制解调方式，采用时域、频域均衡，以此来降低比特误码率，但是在实际中，许多通信系统的比特误码率并不能满足实际的需求，因此我们需要进行差错控制。常用的差错控制方法有检错重发（简称arq）、前向纠错（fec）、混合纠错（hec）。通常差错控制编码的实现方法：在发送端将被传输的信息附上一些监督码元，这些多余的码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联，然后在接收端按照既定的规则校验信息码元与监督码元之间的关系，一旦传输发生错误，则信息码元与监督码元的关系就受到破坏，从而接收端可以发现错误乃至纠正错误。蓝牙基带包中采用的差错控制编码如下：a包头附加循环冗余校验码以保证包头的完整性，该差错控制通常被称为包头检查（hec）。hec的生成示意图见图1。在产生hec前，线性移位反馈寄存器（lfsr）需要初始化。为易于理解，初始化值采用设备的高8位地址（uap）。输入数据为10位的包头信息（低位先入）。输出数据为包头信息（10位，低位先出）+hec（8位，低位先出）。在接收端，恢复包头信息的示意图与图1同。此时，输入数据为18位的附加hec的包头数据。若8位寄存器的结果值全为0，则说明包头信息传输正确；反之，则说明包头信息传输错误，需重传。图1 hec的生成示意图b有效载荷校验（采用crc，cyclic redundancy check）。添加到有效载荷中的16位crc循环冗余校验码，用来判断有效载荷数据传送得是否正确。该16位码通过crc-ccitt多项式210041（8进制表示）生成，见图2的生成示意图。在生成crc码前，采用设备的高8位地址初始化线性反馈移位寄存器。实验中规定输入数据为80位的有效载荷信息（低位先入）。输出为有效载荷（80位，低位先出）+crc码（16位，低位先出）。在接收端，恢复有效载荷信息的示意图与图2同。此时，输入数据为96位的附加crc的有效载荷数据。若16位寄存器的结果值全为0，则说明有效载荷信息传输正确；反之，则说明有效载荷信息传输错误，需重传。图2 有效载荷校验码的生成示意图 c 前向纠错（forward error correction，fec）。本实验包含两类fec码：1/3fec和2/3fec。对包进行fec纠错的目的是减少重传的次数。但在可以允许一些错误的情况下，使用fec会导致效率不必要的减小，因此对于不同的包，是否使用fec是灵活的。因为包头包含了重要的链路信息，所以总是用1/3fec进行保护。1/3 fec仅仅是使对每个信息位重复三次，见图1.3的1/3fec码示意图。 图3 1/3fec码示意图2/3 fec码则是个缩短的(15,10) 汉明码。该码用于有效载荷数据的纠错控制。其生成示意图见下页的图1.4。2/3 fec码能纠正1位错码，且能检出所有2位错码。图4 2/3fec码示意图1.2.2 跳频扩频原理扩频通信技术是广泛运用在公网和专网的一种无线通信技术。扩频通信主要有直序列扩频和跳频扩频两种，本实验重点研究跳频技术，以具体的蓝牙技术跳频方案为例介绍跳频扩频技术。直序扩频技术请参见其它资料。所谓跳频，就是指用一定码序列进行选择的多频率频移键控，也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变。由于跳频具有抗干扰、抗截获的能力，并能作到频谱资源共享以及可以抗衰落、抗多径、抗网间干扰和提高频谱利用率等而被业界广泛使用。对于使用79个频道的蓝牙系统，它的工作频段为2400-2483.5 mhz，射频信道为2402+k mhz (k=0,1,78)，每个信道带宽为1mhz。蓝牙系统一共定义了5种跳频序列。为易于理解，本实验只介绍其中的3种：查询状态跳频序列，查询扫描状态跳频序列和连接状态跳频序列。跳频计算框图见图1.5。图5 跳频计算框图查询和查询扫描状态是联系在一起的。如果一个蓝牙设备希望发现在其工作范围内有哪些未知地址的设备，就进入查询状态，成为主设备；而一个蓝牙设备允许自己被其它设备发现，就进入查询扫描状态来响应查询消息，成为从设备。二者的跳频速率都由本地时钟（28比特计数器）决定。查询状态跳频序列以 3200 跳/秒的速率进行跳变，而查询扫描跳频序列则以1.28 秒/跳的变化率进行跳变。 当查询设备的跳频频率与查询扫描设备的跳频频率发生击中时，从设备就向主设备发送id包，从而完成链路建立的第一步。当主、从蓝牙设备进入连接状态，跳频频率都由主设备的地址码和时钟决定。连接状态的跳频速率为1600 跳/秒。1.2.3 保密通信原理 加密系统通常由未加密的报文（即明文）、加密后的报文（即密文）、加密解密设备或算法以及加密解密的密钥组成。对明文进行加密需要加密密钥；对密文进行解密需要解密密钥。加密密钥和解密密钥可以相同也可以不同。信息发送方用加密密钥，通过加密设备或算法，将信息加密后发送出去；接收方在收到密文后，用解密密钥将密文解密，恢复为明文。如果传输中有人窃取，由于没有解密密钥，他只能得到无法理解的密文，从而对信息起到保密作用。蓝牙加密技术属于常规密钥密码体制。所谓常规密钥密码体制，即加密密钥与解密密钥是相同的密码体制。常规密钥密码体制的保密性取决于对密钥的保密，而算法是公开的。蓝牙加密算法的示意图如图1.6所示。图6 蓝牙加密算法示意图rsa属于公开密钥密码体制。公开密钥密码体制使用不同的加密密钥与解密密钥，是一种由已知加密密钥推导出解密密钥在计算上是不可行的密码体制。公开密钥密码体制的示意图如图1.7所示。图7 公开密钥密码体制示意图1.3 实验内容1. 蓝牙基带包的差错控制技术1) 包头检查(hec)，用于保证包的完整性；2) 数据有效载荷信息的循环冗余校验；3) 包的前向纠错(fec)控制。2. 蓝牙系统的跳频原理1) 查询状态的跳频原理；2) 查询扫描状态的跳频原理；3) 连接状态的跳频原理。3. 数据流的加密与解密1） 蓝牙加密技术（常规密钥密码体制的加密与解密）；2）rsa公开密钥密码体制的加密与解密过程。4. 编程实验在visual c环境中，按照上面图42/3fec码的生成示意图，试编写2/3fec编/译码程序，比较程序执行结果与实验所得数据是否相符。1.4 实验结果及数据分析1.4.1 差错控制1. 蓝牙基带包的差错控制技术实验实验中用到的软件界面如图1所示，包括：包头校验（hec），有效载荷校验（采用crc），1/3fec以及2/3fec四个部分。实验中，要求记录包头校验、有效载荷校验、1/3 fec以及2/3 fec在有误码和无误码情况下的输入输出结果并加以分析。 图1 差错控制实验界面（1） 包头检验实验结果：输入uap：46； head：66 编码后的hec包头数据为：011001100011010110按“编码”及“校验”按钮以后的输出结果为：uap:46; head:66 - hec包头数据为：011001100011010110信道传输正确 或 产生不可检错误码！校验结果（移位寄存器结果值）为：00000000按“误码”按钮后修改编码结果为：011001100011010110再“校验”后输出结果为：信道传输产生误码！此时接收的包头数据为(lsb-msb)：011001100011010110校验结果（移位寄存器结果值）为：11010110从以上的实验数据中，我们加以分析可以得到以下结论：包头校验可以检验出误码但无法纠错，所以在检出误码以后，需要通知发送端重传。（2） 数据有效载荷信息的循环冗余校验结果：输入：uap：46，有效载荷：45875168752963255265编码后的结果为：a67845875168752963255265按“编码”及 “校验”按钮后输出结果为：循环冗余校验crc码(msb-lsb)：1010 0110 0111 1000 附加crc码的信息比特(msb-lsb)：01000101 10000111 01010001 01101000 01110101 00101001 01100011 00100101 01010010 01100101 10100110 01111000 -信道传输正确 或 产生不可检错误码！此时接收的信息比特为（msb-lsb）：10100110 01111000 01000101 10000111 01010001 01101000 01110101 00101001 01100011 00100101 01010010 01100101校验结果为：0000000000000000按“误码”按钮后修改编码结果为：a67845871568752927255265 再“校验”后输出如下结果：信道传输产生误码！此时接收的信息比特为（msb-lsb）：10100110 01111000 01000101 10000111 00010101 01101000 01110101 00101001 00100111 00100101 01010010 01100101 校验结果为：0010110110101100按“复原”再“误码”后修改编码结果为：a67823875168757863255265再“校验”后输出如下结果：信道传输产生误码！此时接收的信息比特为（msb-lsb）：10100110 01111000 00100011 10000111 01010001 01101000 01110101 01111000 01100011 00100101 01010010 01100101校验结果为：0100010100110110从以上的实验数据中，我们加以分析可以得到以下结论：crc校验可以检验出误码但无法纠错，所以在检出误码以后，需要通知发送端重传。（3） 包的前向纠错(fec)控制实验1/3 fec实验结果输入：1982643748按“编码”按钮后输出结果为：0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 经1/3fec编码后的二进制序列为(msb-lsb)：000000000111111000000111 111000000000000000111000 000111111000000111000000 000000111111000111111111 000111000000111000000000按 “译码”按钮后输出结果为：-信道传输正确！译码结果为：0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 = 2/3 fec实验结果输入：2ad接收端经2/3fec编码后数据：1010101101按“编码”及 “译码”按钮后输出结果为：编码前的二进制信息序列为(msb-lsb)： 1010101101经2/3fec编码后的二进制信息序列为(msb-lsb)：11110 1010101101信道传输正确 或 产生不可检错的误码序列！接收序列为：11110 1010101101译码结果为： 1010101101 十六进制结果为：2ad按“误码”按钮后修改经2/3fec编码后的二进制序列为：111101011101101再“译码”后输出如下结果：信道传输产生1位错码！可纠错！该码位于第9位，译码结果为：1010101101 十六进制结果为：2ad按“误码”按钮后修改经2/3fec编码后的二进制序列为：101011001010101再“译码”后输出如下结果：信道传输产生1位错码！可纠错！该码位于第9位，译码结果为：1010101101 十六进制结果为：2ad=信道传输产生2位或2位以上错码！超出2/3fec码纠错范围，不可纠错！译码结果为：1010011101 十六进制结果为：29d从以上的实验数据中，我们加以分析可以得到以下结论：2/3 fec可以检验并纠正一位错码，对于两位以上错码只能检出但无法正确译码。2. 蓝牙系统的跳频实验跳频实验中用到的软件界面如图2所示，要求记录在查询状态、查询扫描状态以及连接状态下，不同查询设备时钟和接入码下产生的频点并加以分析。查询状态实验结果：查询设备时钟：555查询接入码：147跳频个数：4236 3 5 6 8 74 76 38 40 11 13 26 28 23 25 58 60 39 41 30 32 31 33 62 64 47 49 2 4 66 68 74 36 3 5 6 8 74 76 38 40 11 图2 跳频实验界面查询扫描状态实验结果查询扫描设备时钟：789查询接入码：2554跳频个数：3649 51 65 67 2 4 18 2053 55 69 71 6 8 22 24 57 59 73 75 10 12 26 28 61 63 77 0 14 16 30 32 49 51 65 67 连接状态实验结果：查询扫描设备时钟：251查询接入码：468跳频个数：2422 13 26 15 28 1 32 3 30 17 34 19 4 68 6 72 8 5 10 9 12 70 14 74从以上的实验数据中，我们加以分析可以得到以下结论：跳频序列具有较强的随机性。且跳频图案由查询设备时钟、查询扫描设备时钟、查询接入码、主设备时钟、主设备地址等参数的综合选择有关，任一参数改变，跳频图案将会发生变化。3. 数据流的加密与解密实验 数据流的加密与解密实验中用到的软件界面如图3所示，主要包括两个部分：常规密钥密码体制蓝牙保密技术和公开密钥密码体制rsa。要求记录密钥参数、密码流参数、明文和秘文。 图3 数据流的加密与解密实验界面图4 常规密钥体密码制实验（1） 蓝牙加密技术实验（常规密钥密码体制的加密与解密）具体实验数据如图4所示，其中：密钥：14eff4084601ba243e5ba4d24a771dfc密码流：2ad3dcc698bee2a58129541777c6b4d753c52be93239605a明文：1233333333332115546332密文：2ad3dcd4ab8dd196b208414377c6b4b453c52bea32396058图5 公开密钥密码体制实验（2） rsa公开密钥密码体制的加密与解密实验具体实验数据如图5所示，实验输出结果如下：因为 n 的二进制形式为 1000100101111，所以将明文的二进制形式以长度为 12 进行分组对明文的二进制形式进行分组后，各个分组的十进制形式为(高位-低位)：1620 1637 1376 6 1318 562 1622 1366 1378 598 1301 1553 273 257 273 273 对各分组分别进行加密算法-得到各分组的密文十进制形式(高位-低位)：3740 1552 1770 3377 3916 4107 450 2123 1431 2217 4283 2886 3671 1311 3671 3671 对各分组进行解密算法-得到各分组解密明文的十进制形式(高位-低位)：1620 1637 1376 6 1318 562 1622 1366 1378 598 1301 1553 273 257 273 273 解密明文的十六进制形式为：654665560006526232656556562256515611111101111111对各分组进行解密算法-得到各分组解密明文的十进制形式(高位-低位)：1620 1637 1376 6 1318 562 1622 1366 1378 598 1301 1553 273 257 273 273 解密明文的十六进制形式为：654665560006526232656556562256515611111101111111思考题1. 接收端收到1/3 fec码后如何进行纠错？答：接收端收到1/3fec码后（假定已同步），将码元按三个一组进行分组。如果三个码元一样则无错；若不一致，则判为个数为2的码元。接收端收到1/3 fec码后能纠正一个错误。当出现一个错误时，若收到的是（001）、（010）、（100），则译为0；当出现一个错误时，若收到的是（110）、（101）、（011），则译为1；若出现两个时，则无法纠正。2. 包头的两种差错控制1/3 fec和hec，他们的先后顺序如何？为什么？答：应先进行hec，再做1/3fec，这样可减少运算量。对包进行fec纠错的目的是减少重传的次数。但在可以允许一些错误的情况下，使用fec会导致效率不必要的减小，因此对于不同的包，是否使用fec是灵活的。因为包头包含了重要的链路信息，所以总是用1/3fec进行保护。1/3 fec仅仅是使对每个信息位重复三次。3. 在接收端如何对2/3 fec码进行译码？答：将码序列输入到译码器中，通过除法电路来产生伴随式得到错误样本图样，从而生成纠错信号来对每个码元进行纠错。4. 三种跳频序列分别有无规律可循？为什么？答：三种跳频序列无规律可循。图10为跳频序列产生的的原理框图，基本上，输入为当前地址和本地时钟，地址输入由28位构成，时钟输入由27位构成，根据跳频序列的不同分类，地址输入和时钟输入采取不同的选择方案。由于输入的随机性变化，决定了输出为在79跳之间变化的一个伪随机序列。图10 跳频计算框图5公开密钥密码体制的一个重要保证是什么？答：公开密钥密码体制中，对每一用户分配一对密钥，其中一个是使用者本人掌握的密钥称为私有密钥，它只用于解密，另一个是公开密钥，它只用于加密，两个密钥必须通过算法结成一一对应的关系，只有通过对应的私有密钥才能解开用公开密钥所加的密。这样我们根本不需直接传送密钥，因此具有很高的安全性。所以公开密钥密码体制的一个重要保证是：公钥与私钥必须匹配，且应该保持密钥的安全。实验二 语音传输2.1 实验目的本实验软件主要对蓝牙语音编码技术和通信网络中的语音传输过程进行了介绍，做此次试验的主要目的有：(1) 理解蓝牙支持的三种语音编码方式的异同(2) 随机错误和突发错误对传输的影响(3) 理解语音传输与数据传输的异同：acl 和sco链路(4) 通过实际编程加深对实验原理的理解，提高实践能力2.2 实验原理2.2.1 脉冲编码调制pcm是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，把连续输入的模拟信号变换为在时域和振幅上都离散的量，然后将其转化为二进制码形式传输。通常pcm分为抽样、量化、编码三个步骤。抽样过程为,其中为抽样函数。语音信号的频率为0.3khz 4khz，由采样定理可知，采样频率应大于或等于模拟信号最高频率的两倍，故语音信号的采样频率为8khz。量化就是把离散时间的模拟样值信号近似地用有限个数的数值来表示。量化过程中存在一定的量化误差， 量化误差为实际信号与量化信号的差值。为了便于用数字电路实现，其量化电平数一般为2的整数次幂，有利于采用二进制编码表示 。通常，量化又分为均匀量化和非均匀量化。把输入信号的取值按等距离分割的量化为均匀量化，它用于线性pcm调制中。非均匀量化是量化间隔随信号抽样值的不同而变化的量化。采用均匀量化时，对小信号和大信号都采用相同的量化等级，因而对小信号的量化不利，引起“信号/量化噪声”比值变小，为了克服这个缺点，改善小信号时的信号量噪比，在实际应用中采用非均匀量化 。非均匀量化中，广泛采用的是a律 或 律 pcm，其系统框图如下图所示：图1 pcm通信框图pcm编码原理 pcm编码方法为逐次比较型a律13折线二进制码，码位码型为8位的折叠二进制码，码位安排如下表所示：表1 码位安排d8d7 d6 d5d4 d3 d2 d1 极性码段落码 段内码 当抽样值为正时，极性码d8=1，为负时，d8=0。段落码为抽样值所处的区间，分为8段，段内码16等分每个段落。2.2.2 连续可变斜率增量调制连续可变斜率增量调制，其输出比特随波形变化而变化，用一位码表示相邻抽样值的相对大小 。为了减少斜率过载，使用了语音压缩技术，根据平均信号的斜率，阶梯高度可以调整。cvsd编码器的输入是每秒64k采样值的线性pcm，量化级数为。cvsd编码擅长处理丢失和被损坏的语音采样，即使比特错误率达到4%，但cvsd编码的语音还是可听的。图2 cvsd编码示意图 图3 cvsd编码方框图 图4 cvsd解码方框图图5 累加器工作原理框图 2.2.3 随机错误和突发错误随机错误是指错误的出现是随机的，错误出现的位置是随机分布的，各个码元是否发生错误是互相独立的，通常不是成片地出现错误。它一般是由信道的加性随机噪声引起的。突发错误是指错误的出现是一连串出现的。在一个突发错误持续时间内，开头和末尾的码元总是错的，中间的某些码元可能错也可能对，但错误的码元相对较多。这种情况如移动通信中信号在某一段时间内发生衰落，造成一串差错，光盘上的一条划痕等等。2.2.4 内部通话与数据传输的工作过程在蓝牙主设备与从设备之间可以建立两种不同类型的物理链路，分别是无连接的非实时异步链路和面向连接的实时同步链路，即acl（asynchronous connection-less）链路和sco（synchronous connection-oriented）链路。acl链路中，主设备和从设备可以在任意时隙传输，以数据为主。在一个主设备和一个从设备之间，只能存在一条acl链路。对大多数acl分组，为确保数据的完整和正确，使用分组重传的机制；sco链路是指主设备和从设备在规定的时隙传送话音等实时性强的信息。它使用固定间隔的保留时隙，为保证实时性，sco链路上的信息不会重传。x.25网络中采用分组交换，在链路上采用动态复用技术传送分组 ，gsm 网络采用电路交换，每次通信占用一条专用的物理链路。sco链路只在规定的时隙传送话音，即占用固定时隙，而a当没有sco时，acl可以使用任何时隙，一旦有sco，acl必须让出sco的固定时隙。一般情况可以认为，acl链路是分组交换，sco链路是电路交换。2.2.5 蓝牙设备的身份切换通常首先提出通信要求的设备称为主设备(master)，被动进行通信的设备称为(slave)。在一些特殊应用场合，如lap和pstn网关，被动进行通信的设备要求作主设备，此时就需进行身份的切换。图6 蓝牙设备身份切换过程需要提及的是，协议规定建链完成后蓝牙从设备不能再被别的设备查询到也不能再去查询别的蓝牙设备，因此建链过程中的身份切换是一个很重要的功能。 实现蓝牙设备身份切换的功能的蓝牙协议层可对应osi七层模型中的数据链路层。2.3 实验内容1. 脉冲编码调制（线性、a律pcm）。2. 连续可变斜律增量（cvsd）调制原理。3. 随机错误和突发错误的观察分析。4蓝牙设备的acl链路和sco链路分析。5. 蓝牙设备的身份切换。6. 蓝牙设备的内部通话与数据传输的工作过程。7. 编程实验：在visual c环境中，根据a律pcm和cvsd的编码原理和实验中已给出的程序，试完成其余的程序。程序执行结果与实验所得数据是否相符。2.4 实验结果及数据分析三种调制方式的比较2.4.1 参数相同时的波形图7 线性调制图8 a律pcm调制图9 cvsd调制由图可已看出，在有突发错误的情况下，cvsd调制方式的性能比pcm的要好，而a律pcm调制方式比线性调制方式要好。2.4.2 相同误码率不同频率的波形图 10 线性调制（频率为0.5k）图 11 线性调制（频率为1k）由结果可以看出，当频率增大时，量化误差会增大，译码后的波形的误差相应的也会变大。图12 a律pcm调制（频率为0.5k）图13 a律pcm调制（频率为1k）由结果可以看出，和线性调制类似，频率变大后量化误差会变大，译码后的波形相对来说误差会变的更大。图14 cvsd调制（频率为0.5k）图15 cvsd调制（频率为1k）对于cvsd的仿真结果，我们可以看出，量化误差基本不随频率的改变而改变，因而其译码后的波形误差相对也较小。由几幅图的比较可以看出，在相同误码率，不同频率的条件下，三种调制方式中仍然是cvsd的性能最好，a律pcm次之，线性调制效果最差。2.4.3 用蓝牙连接的传输过程图16 蓝牙传输过程从图中可验证，sco链路占用占固定的时隙，acl链路的时隙是任意的。当没有sco链路时，acl链路时隙是任意的；而当有sco链路时，acl链路只能使用除了sco链路之外的时隙。思考题1、实际应用中通常采用非均匀量化，而不是均匀量化，为什么？答：非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。对于信号取值小的区间，其量化间隔也小；反之，量化间隔就大。实际中，输入量化器的信号具有非均匀分布的概率密度，因此采取该种方法可得到大的snr比值。并且非均匀量化时，量化噪声功率的均方根值基本上与信号抽样值成比例，因此量化噪声对大小信号的影响大致相同，改善了小信号的信噪比。2. 思考解码后的波形失真程度与哪些因素有关？答：信号采样频率、传输信道的质量、采用的编码方式、量化过程中具体参数的选择、输入信号的参数。3. 蓝牙系统如何分配acl链路与sco链路所占用的时隙？答：蓝牙系统预留出固定的时隙分配给sco链路，剩余的时隙根据传输数据的要求机动地分配给acl链路。因此，sco链路不支持重发，实时性要求强；acl要求重发机制，对实时性的要求低。4. 随机错误和突发错误的异同是什么？怎样将突发错误转换成随机错误？答： 随机错误的出现是随机的，出现的位置是随机分布的，各个码元是否发生错误是互相独立的，通常不是成片地出现错误。一般是由信道的加性随机噪声引起的。突发错误是一连串出现的。在一个突发错误持续时间内，开头和末尾的码元总是错的，中间的某些码元可能错也可能对，但错误的码元相对较多。这种情况如移动通信中信号在某一段时间内发生衰落，造成一串差错；光盘上的一条划痕等等。改变方法可以有两种：改变首位错误码元或采用cvsd编码。5. 试定性地比较pcm和cvsd的性能？答：pcm编码所占空间较少，在传输信道质量好时性能好，受采样频率影响较大。因此，在随机错误小，采样频率低时，是一种很好的编码方式。但是由于上述分析，可知该种编码方式的译码结果不太稳定，会随不同因素而变化。cvsd编码所占空间大。量化噪声较大。但这种编码方式的译码结果稳定，受信道质量、采样频率影响小。特别是对于突发错误的抵抗能力好。实验三 通信传输的有效性与可靠性分析3.1实验目的本实验软件主要介绍了点对点通信中速率测试的方法，流量控制方法，以及与速率相关的因素，并对多台主机共享信道时采取不同多点接入技术下的性能进行了仿真。本次试验主要目的如下：（1）理解点对点数据传输中的流量控制，差错控制的方法。（2）结合实验原理分析无误码情况下速率测试的结果；加上误码之后，在通信的可靠性和有效性之间做出折衷。（3）理解多点共享信道的常用技术和它们的性能。3.2实验原理3.2.1 数据传输的流量控制 （1） 停止等待协议 图1 停止等待协议中数据帧和应答帧的时序正确传输一个数据帧平均所需时间为： 每秒成功发送的最大帧数就是链路的最大吞吐量max,max=1/tav。 （2）连续arq协议 图2 连续arq时序连续arq协议的要点就是在送完一个数据帧后，不是停下来等待应答帧，而是可以连续发送若干个帧，如果这时收到了接收端发来的确认帧，那么还可以接着发送数据帧。由于减少了等待时间，因此整个通信的吞吐量就提高了。此协议一方面因连续发送数据帧而提高了效率，但另一方面，在重传时又必须把原来正确传过的数据帧进行重传（仅因为这些数据帧前有一个帧出错），这种做法又使传送效率降低。因此，若传输信道的传输质量很差时，连续arq并不优于停止等待协议。 （3）信道利用率和最佳帧长 信道利用率和最佳帧长的关系如下：数据帧取得很短，控制信息占的比例增大，导致信道利用率下降，如果帧长取得太长，数据帧在传输过程中出错的概率就增大，于是重传的次数就增大，这也会使信道利用率下降。所以，存在一个最佳帧长，在此帧长下信道利用率最高。对于陆地链路，取往返时延=100ms。链路容量为4.8kb/s和48kb/s两种数值。对于卫星链路，取往返时延=700ms。设每帧中信息长度为=48bit,误比特率=0.00001。可以求出在这种信道下，最佳帧长大体在1000-2000bit之间。 3.2.2 误码和差错控制 （1）检错重发arq需要通信两端具有双向信道。编译码器比较简单，纠错能力较强。但实时性较差。 本实验中使用crc-16（2）前向纠错fec 不需要反向信道，也不需要有反复重发引起的延误时间，故实时性较好，但设备较复杂。本实验中使用（32，24）的线性分组码改自（31，26），监督字节中第三位无意义，高五位能够纠正32个位置的单比特错误，编码效率为1- r/n=3/4 3.2.3 信道共享技术在实际工作中，经常会遇到有多个用户要同时和一个主机相连。分布式共享信道的方式称为多址接入的方式。最简单的多址接入的方式是复用，例如无线通信中的频分复用和时分复用。这样的网络为任意两个节点开通一条专用线路。实时性好，信道利用率不高。数字通信中，以动态分配信道资源的多点接入方式提高了网络利用率。多点接入技术主要有以下两类： 1、 受控接入：轮叫轮询，传递轮训轮询是一种非竞争的动态分配共享资源的系统，它一般设有某个集中控制点称为主站，由它向各分散用户发出询问信息包，探询用户是否有信息欲发。分散用户只有待收到探询后方能使用信道。探询的方式有两种，一种为由主站按某种顺序轮询，称为轮叫轮询；另一种为探询传递，既探询信令按某种顺序在各用户站间传递，称为传递轮询。前一种方法有利于优先权方式应用。1）传递轮询的帧时延小于同样条件下的轮叫轮询的时延；2）站间的距离越大，传递轮询的效果就越好；3）站间的距离越小且通讯量较大，传递轮询带来的好处就太明显。2、 随机接入：aloha,csma和csma/cd当网络的通信量比较小时，轮询系统的工作效率较低，因为各站基本上没有什么数据可发送，但轮询的信息始终不停的在线路上传来传去。因此，当网络的通信量较小时，让用户自由地发送时数据所产生冲突的概率不大，这样的多点接入方式称为随机接入。两个重要的性能参数：设帧的到达服从泊松分布，吞吐量为s，吞吐量等于在发送时间内成功发送的平均帧数。0s1,s=1是极限情况，这种情况下表明帧一个接一个地发出去，帧之间没有空隙，可以用s接近1的程度来衡量信道利用率是否充分。网络负载g等于发送时间内总共发送的平均帧数，这包括发送成功的帧和因冲突未发送成功的帧。发送成功的概率为p，在稳定情况下：s=g*p。几种信道共享技术为：（1）纯aloha设有无限个用户共享一个信道，这些用户的总呼叫是以为均值的泊松流。当任一用户有信息要发送时，便立即以定长信息包发上信道，即这是一种纯随机地抢占信道方式。但若有两个以上信息包同时发上信道便发生碰撞，此后纯随机地重发 。（2）时隙aloha为了提高吞吐量，可以将所有各站在时间上同步起来，并将时间划分为一段段等长的时隙，记为 ，同时规定，帧只能在时隙的开始时才能发送出去。时隙aloha用同步的代价换取了吞吐量的提高。 （3）载波监听多点接入csma csma属于aloha方式的改进。由于采用了附加的硬件装置，每个站都能在发送数据前采用载波检查方法监听信道上其他站是否在发送数据。各用户只能在信道空闲时发出自己的信息包。具体到载波检测又有两种类型 ：非坚持csma和p坚持csma ，坚持csma。（4）载波监听冲突检测csma/cdcsma由于在数据发送之前进行载波监听，减少了冲突的机会。由于传播时延的存在，冲突还是不可避免的。一种称为csma/cd的改进方式，即载波检测碰撞检测，它能够边发送边监听，只要监听到发生冲突，则冲突的双方就必须停止发送。3.3实验内容 1 性能仿真（1）连续arq和停止等待协议的差错率和帧传送平均延时的关系。（2）陆地和卫星通信信道环境中各种参数下最佳帧长与信道利用率的关系。（3）不同共享信道技术、网络负载和吞吐量等参数之间的关系。 2 速率测试数据传输速率的分析（点对点通信）； 通过无线信道速率测试程序，使学生体会：无线信道两端距离、信道上障碍物、帧长对无线传输速率的影响； 设置数据包长度，测试：（1） 两台计算机直接用串口电缆连接，测得实际速率vrs232。（2） 两台计算机各自用串口连接蓝牙模块，建立连接后测得实际速率vrs232+bt。（3） 两台计算机都各自用usb连接蓝牙模块，建立连接后测得实际速率vusb+bt。3 文件传输（1） 发送方选择传送的文件、数据帧长、对传输的数据帧进行纠检错的信道编码方式及容许的最大重传次数和信道误码率。（2） 接收方对收到的包进行解码，如能纠错，即纠正错误；如能检出错误不能纠正，则要求重发。接收方如认为一帧传输无误，则提交给上层应用程序。（3） 统计通信性能参数：文件实际传输时间、文件实际传输的字节数和重传次数。文件传输后可以得到的结果有文件传输的误比特率、实际传输的时间、在信道上实际的流量和重传次数。3.4 实验结果及数据分析3.4.1 性能仿真（1）连续arq和停止等待协议的差错率和帧传送平均延时的关系。仿真结果如下所示：图1 连续arq和停止等待协议的差错率和帧传送平均延时的关系由仿真结果可以看出，在相同的差错率的情况下，二者的传送时间几乎相等，但是连续arq的吞吐量明显要比停止等待协议的吞吐量要大。同时仿真也显示了归一化传播时延和站数对信道利用率的影响。图2 归一化传播时延和站数对信道利用率的影响（0.5）图3 归一化传播时延和站数对信道利用率的影响（0.1）由图可以看出，当传播时延比较小的时候，发生冲突的可能性比较小，可以达到的最大吞吐量相对就可以大一些。（2）陆地和卫星通信信道环境中各种参数下最佳帧长与信道利用率的关系。此次仿真输入的参数为：链路1容量：4.8kb; 链路2容量：48kb; 误比特率：0.000001; 卫星链路延时：350ms; 传播时延：50ms; 控制信息长度：48bits;仿真的结果为:图4 信道利用率和帧长的关系仿真的结果说明了，此时最佳帧长大致在1000bit2000bit之间，因为此时的信道利用率是最高的。（3）不同共享信道技术、网络负载和吞吐量等参数之间的关系。 延时相同时，不同接入技术的吞吐量网络负载曲线为：图5 相同延时下不同技术的吞吐量网络负载曲线可以看出，在相同的延时情况下，采用了冲突检测与避免技术的csma/cd的性能更好，可以在更高的网络负载下达到更高的吞吐量。当延时不同时，非坚持csma，坚持csma和csma/cd的吞吐量和网络负载的关系曲线分别为： 图6 非坚持csma延时不同时的吞吐量网络负载曲线图7 坚持csma延时不同时的吞吐量网络负载曲线图8 csma/cd延时不同时的吞吐量网络负载曲线由三种方式的比较结果可以看出，延时不同时，csma/cd的性能最好，因为它采用了冲突检测与避免的算法，因而可以在更小的时延下达到更高的吞吐量。而同时，可以看出非坚持型的csma性能要优于坚持型csma的性能。3.4.2. 速率测试直接用串口电缆连接，速率的测试结果为：图9 直接电缆连接时的速率测试结果计算可得测得的速率为3054.8bytes/s。用串口连接蓝牙模块和用usb连接蓝牙模块时，设置包的个数为10，测试次数为10次，包长分别为100字节，200字节，300字节和400字节。用串口连接蓝牙模块，包长为100字节的测试结果为:图10 串口连接蓝牙模块的速率测试结果由测试结果可以得出，传输速率为（695+667+667+703+753+640+695+703+688+711）/10= 692.2bytes/s。同理可以得出，当传输的帧长分别为200字节，300字节，400字节时，传