1、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
2、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
3、)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
4、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
5、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
6、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 re
7、dundancy 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
8、；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)
9、 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
10、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。跳频频率计算方案U A P / L A PC L O C K2 82 7跳频频率图 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
11、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
12、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。输入线性移位反馈寄存器初始化k ca d d r e s sc o l o c kR A N D密码流生成器数据 / 加密数据加密数据
13、/ 解密数据图 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
14、）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 4 2/3FEC 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
15、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
16、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(MSBLSB)：1010 0110 0111 1000 附加 CRC 码的信息比特 (MSBLSB)：01000101 10000111 01010001 01101000 01110101 00101001 01100011 00100101 01010010 0
17、1100101 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（MSBLSB）：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（MSBLSB）：10100110 01111000 0100010
18、1 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（MSBLSB）：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
