数字基带仿真

1、通信新技术实验,数字基带仿真,结束放映,开始放映,实 验 简 介,实验背景：基带信号处理是通信系统研究的重要内容，但是理论性较强，学生难以形成感性认识，因此针对这种情况设计了数字基带仿真实验。 本实验介绍基带部分的物理链路、信道、发送/接收处理和时隙等概念，并在此基础上研究基带系统的包结构和差错控制方法，以及扩频跳频、保密通信等原理及其实现方法。 以蓝牙基带部分的工作原理为例，通过对蓝牙基带差错控制、跳频原理和加密技术的软件仿真，学生可以直观认识和理解一般通信系统的基带工作原理及其实现方法，对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。 本实验要求操作者对信道编码、跳频扩频和加密解密等

2、基本概念有一定的了解。实验关于差错控制方法的知识点可以作为实验通信的有效性和可靠性分析的预备知识之一。,目 录,实 验 环 境 实 验 目 的 实 验 原 理 实 验 内 容 实 验 知 识 点 思 考 题,实 验 环 境,一台PC为一组。 软件： 操作系统：Windows 2K 显示设置：Windows标准字体 分辨率：1024768 TTP数字基带仿真软件 编程软件： Visual C+,通过操作数字基带仿真软件，可以理解并掌握通信系统的基带传输中： 差错控制方法、差错控制编码的分类及其纠检错能力；差错控制编码的生成和纠检错方法。 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、 两种加密体制的异同；保密通信的全过程，以及密钥在保密通信中的作用。,实 验 目 的,实 验 原 理,蓝牙基带系统：蓝牙微微网与信道划分 ；物理链路 ；蓝牙基带包结构及发送/接收处理 ；蓝牙系统工作状态。 差错控制原理：差错控制方法分类；差错控制编码的生成；蓝牙基带包的差错控制（包头检查HEC，有效载荷校验CRC，前向纠错FEC）。 跳频扩频原理：跳频扩频；蓝牙系统中的跳频方案（跳频序列、跳频频率）。 保密通信原理：加密系统的组成部分；密钥的作用；常规密钥密码体制和公开密钥密码体制。,1. 蓝牙基带系统,蓝牙微微网与信道划分 微微网：蓝牙通信网络的基本单元，由一个主设备和至多7个处于激活状态的

4、从设备组成。有中心节点的网络。 蓝牙系统的工作频段为24002483.5 MHz，使用79个频点，射频信道为2402+k MHz (k = 0,1,78)。 微微网中信道的特性完全由主设备决定，主设备的蓝牙地址决定了跳频序列和信道接入码；主设备的系统时钟决定了跳频序列的相位和时间。 在每个微微网中，一组伪随机跳频序列被用来决定79个跳频信道，信道分成时隙（625us），每个时隙相应有一个跳频频率，通常跳频速率为1600跳/秒。,物理链路 蓝牙系统可以在主/从设备间建立不同形式的物理链路，共定义了两种方式：实时的同步面向连接SCO方式和非实时的异步无连接ACL方式。 对于SCO，主设备和从设备在

5、规定的时隙传送话音等实时性强的信息，所发送的SCO包不被重传； 对于ACL，主设备和从设备可在任意时隙传输，以数据为主，为保证数据的完整性和正确性，ACL包可被重传。 蓝牙基带包结构及发送/接收处理,LSB,MSB,接入码：长度通常固定，由网络的设备地址生成。每个蓝牙设备都分配有一个独立的48比特的设备地址BD_ADDR（地址的低24比特部分LAP；地址的高位8比特部分UAP；16比特的非有效地址部分）。 包头：包含重要的链路控制信息，由于包头的重要性，通常需要对整个包头采用纠错编码技术加以保护。在蓝牙系统中，包头分为6个部分，共18比特，然后再用1/3FEC进行编码，形成54比特。 有效载荷

6、：是数据包传输中的有效信息部分，其长度可以是固定的，也可以是可变的，由基带包的类型决定。 发送/接收处理：蓝牙收发信机使用时分双工方案。在一般连接状态，主设备在偶时隙开始传送，从设备在奇时隙开始传送。,蓝牙系统工作状态 两个主要工作状态：守候状态和连接状态。 七个中间临时状态：寻呼状态、寻呼扫描状态、查询状态、查询扫描状态、主设备响应状态、从设备响应状态和查询响应状态。 a. 守候状态是蓝牙设备的默认状态，设备处于低功耗状态，它可以每隔1.28s离开守候状态进入寻呼扫描或查询扫描状态，也可以进入寻呼或查询状态。 b. 为了建立新的连接，要使用查询和寻呼处理。 c. 如果主设备知道一个设备的地址

7、，就采用寻呼建立连接。 d. 如果地址未知，就采用查询建立连接。查询处理能使一个设备发现什么设备处于它的通信范围内，以及它们的设备地址和时钟是什么。然后再经过寻呼处理，即可建立实际的连接。 e. 在连接状态蓝牙设备可以处于一些次状态：激活状态、探测状态、保持状态、休眠状态。,2. 差错控制编码,为什么要进行差错控制？ 信道传输特性不理想，加性噪声的影响； 在已知信噪比情况下需要达到一定的比特误码率指标； 合理设计基带信号，选择调制解调方式，采用时域、频域均衡，使比特误码率尽可能降低。但实际上，在许多通信系统中的比特误码率并不能满足实际的需求。 常用的差错控制方法： 检错重发（ARQ） 在发送端

8、经编码后发送能够发现错误的码，接收端收到后，经检验若有错误，则通过反向信道把这一结果反馈给发送端。然后，发送端把前面的信息重发一次，直到接收端认为已正确地收到信息为止。 常用的检错重发系统：停止-等待重发、返回重发和选择重发。,前向纠错（FEC） 发送端经编码后发送能够纠正错误的码，接收端收到这些码组后经译码能自动发现并纠正传输中的错误。它不需要反馈信道，特别适合于只能提供单向信道的场合。由于它能自动纠错，因而延时小，实时性好。 混合纠错（HEC） 接收端不但有纠错能力，而且对超出纠错能力的错误有检测能力（前向纠错和检错重发方式的结合 ）。 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

9、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（约束）。 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。一旦传输发生差错，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。,差错控制编码的分类 按照差错控制编码的不同功能：检错码、纠错码和纠删码。 按照信息码元和附加的监督码元之间的检验关系：线性码和非线性码。 按照信息码元和附加的监督码元之间的约束方式：分组码和卷积码。 蓝牙基带包的差错控制 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 , Header Error Correction）； 有效载荷中附加16

10、比特的循环冗余校验码（CRC , Cyclic Redundancy Check）； 基带包附加CRC码后，一般还应进行前向纠错控制（FEC , Forward Error Correction ）。,包头检查HEC 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，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；反之说明包头信息传输错误，需重传。,HEC的生成示意图,有效

11、载荷校验（采用CRC） 添加到有效载荷中的16位CRC码，通过CRC-CCITT多项式210041（8进制表示）生成，用来判断有效载荷数据传送得是否正确。 在生成CRC码前，采用设备的高8位地址初始化LFSR。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，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；反之说明有效载荷信息传输错误，需重传。,有效载荷校验码的生成示意图,前向纠错FEC 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

12、，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。 本实验包含两类FEC码：1/3FEC和2/3FEC。,1/3FEC码示意图,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仅仅是将每个信息位重复三次，如上图所示。,1/3FEC：,2/3FEC码的生成示意图,2/3FEC码是缩短的(15,10)汉明码，该码用于有效载荷数据的纠错控制。 如上图所示，LFSR的初始值都为0。当S1和S2处于位置“1”时，输入10个信息比特；然后S1和S2到位置“2”，输出5比特校验值。即每10个信息比特编码成15比特的码字， 它可以纠正码字中所有的单个错误

13、和检测所有两个错误。,2/3 FEC：,3. 跳频扩频原理,扩频通信原理 香农公式： 扩频技术的理论基础：在无差错传输的信息速率C不变时，如果信噪比很低(S/N很小)，则可以用足够宽的带宽来传输信号。 扩频方式：直接序列扩频（DS）、跳频扩频（FH）、跳时（TH）和线性调频（CM） 直接序列扩频：直接用具有高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。而在接收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。 跳频扩频原理 跳频：用一定扩频码序列进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变。,跳频图案：跳频通信中载波频率变化的规律。 跳频通信的优点： a. 具有抗干扰、抗截获的能力，

14、并能作到频谱资源共享（现代化电子战 ）； b. 可以抗衰落、抗多径、抗网间干扰和提高频谱利用率（民用通信 ）。 蓝牙系统中的跳频方案 蓝牙系统： 使用79个频道； 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。,跳频序列 蓝牙系统一共定义了5种跳频序列。（见书第六页图1.6） 本实验介绍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。 跳频频率计算 2个阶段：生成一个序列和映射序列到跳频频率。,跳频计算框图,输入：本地时钟和28比特的地址（即全部LAP和最小4比特UAP）； 输出：跳频频率。,3种状态

15、跳频序列 查询状态和查询扫描状态： 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； 若一个蓝牙设备允许自己被其它设备发现，则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，而查询扫描状态跳频序列则以1.28 秒/跳的变化率，且按照固定的32个跳频频率进行跳变。当两者频率发生击中时，从设备就向主设备发送ID包，从而完成链路建立的第一步。 连接状态： 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。

16、连接状态的跳频速率为1600 跳/秒。,4. 保密通信原理,加密系统的组成部分 明文：未加密的报文； 密文：加密后的报文； 加密解密设备或算法； 加密解密的密钥。 密钥的作用 加密密钥：对明文进行加密 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； 解密密钥：对密文进行解密 接收方在收到密文后，用解密密钥将密文解密，恢复为明文。 加密密钥和解密密钥可以相同也可以不同。 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。,常规密钥密码体制 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

17、加密技术属于常规密钥密码体制。对有效载荷进行加密，在CRC校验后、FEC编码前进行。,蓝牙加密算法示意图,加密算法包括：执行输入移位寄存器的初始化、产生密码流比特和执行加密、解密。 输入：加密密钥、主设备产生的随机数（公开）、主设备地址和26比特主设备时钟。 在算法中，加密密钥需要被转化为另一个密钥。加密算法产生的二进制密码流和数据进行模2加来使数据加密。它是对称的，解密使用相同的密码流和方法。,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。 在公开密钥密码体制中，加密密钥PK是公开信息，而解密密钥SK是需要保密的。加密算法E和解

18、密算法D也都是公开的。 基于数论中大数分解问题的RSA体制 属于公开密钥密码体制。,公开密钥密码体制示意图,实 验 知 识 点,蓝牙基带系统： 蓝牙微微网与信道划分 ；物理链路； 蓝牙基带包结构及发送/接收处理 ；蓝牙系统工作状态。 差错控制原理： 差错控制方法分类；差错控制编码的生成； 包头检查HEC，有效载荷校验CRC，前向纠错FEC。 跳频扩频原理： 蓝牙系统的跳频序列、跳频频率。 保密通信原理： 加密系统的组成部分；密钥的作用； 常规密钥密码体制和公开密钥密码体制。,实 验 内 容,蓝牙基带包的差错控制技术 蓝牙系统的跳频原理 数据流的加密与解密 VC环境中编写： 2/3FEC编/译码程序 RSA加/解密程序 本实验的数据输入都为十六进制数。,蓝牙基带包的差错控制技术,蓝牙系统的跳频原理,数据流的加密与解密,实 验 步骤