西安电子科技大学通信系统实验实验报告

班级 通院九班 学号 西安电子科技大学通信系统综合实验报告学 院 : 通信工程学院 班 级 : 09 专 业 : 电子与通信工程 姓 名 : 目 录目 录实验一、数字基带仿真11.1实验目的11.2实验原理11.3实验内容及结果分析51.4思考题16实验二、通信传输的有效性与可靠性分析182.1实验目的182.2实验原理182.3实验内容及结果记录分析212.4思考题27实验三、无线多点组网293.1实验目的293.2实验原理293.3实验内容及结果分析303.4思考题32实验四、语音传输334.1实验目的334.2实验原理334.3实验内容及结果分析364.4思考题45参考文献46数字基带仿真实验一、数字基带仿真1.1实验目的(1)理解差错控制方法、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同异；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(1)差错控制原理:差错控制方法分类；差错控制编码的生成；校验和纠错的实现。 为什么要进行差错控制？ a. 信道传输特性不理想，加性噪声的影响； b. 在已知信噪比情况下达到一定的比特误码率指标； c. 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。 a. 检错重发(简称ARQ)； b. 前向纠错(FEC)； c. 混合纠错(HEC) 差错控制编码的实现方法。 a. 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(约束)。 b. 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。 蓝牙基带包中采用的差错控制编码。 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)； b. 有效载荷中附加16比特的循环冗余校验码(由CRC-CCITT多项式210041(8进制表示)生成)； c. 基带包附加CRC码后，一般还应进行前向纠错控制(FEC)。 包头检查(HEC,header error correction)HEC的生成示意图见图4-1。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)。图1-1HEC的生成示意图在接收端，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。 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4-2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)。图1-2有效载荷校验码的生成示意图在接收端，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。 前向纠错(FEC,Forward Error Correction)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4-3的1/3FEC码示意图。 图1-31/3FEC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4-4。图1-42/3FEC码的生成示意图2/3 FEC码能纠正1位错码，且能检出所有2位错码。(2)跳频扩频原理:跳频图案的生成；跳频通信方法。 什么是跳频扩频？ a. 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。 b. 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。 跳频通信的优点 a. 具有抗干扰、抗截获的能力，并能作到频谱资源共享； b. 可以抗衰落、抗多径、抗网间干扰和提高频谱利用率。 蓝牙系统中的跳频方案 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4-5。图1-5跳频计算框图 蓝牙系统中的跳频方案 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。(3)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。 加密系统的组成部分 1)未加密的报文，也即明文。 2)加密后的报文，也即密文。 3)加密解密设备或算法。 4)加密解密的密钥。 密钥的作用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 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4-6所示。图1-6蓝牙加密算法示意图 RSA 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4-7所示。图1-7公开密钥密码体制示意图1.3实验内容及结果分析1.蓝牙基带包的差错控制技术 (1) 记录包头校验FEC无误码:如图所示，UAP:0x56; HEAD:0x128 图1-8无误码的差错控制编码的生成示意图如图所示，HEC包头数据为:0001010010 00001000图1-9无误码的差错控制编码的传输示意图信道传输正确 或 产生不可检错误码！校验结果(移位寄存器结果值)为:00000000有误码:如图所示，UAP:0x56; HEAD:0x128 ; HEC包头数据为:0001010011 000001000图1-10有误码的差错控制编码示意图信道传输产生误码！此时接收的包头数据为(LSB-MSB):1111100011 11001110校验结果(移位寄存器结果值)为:11010000结论:包头校验可以校验出误码但是无法纠错。(2) 有效载荷校验CRC无误码:图1-11无误码CRC编码示意图循环冗余校验CRC码(MSB-LSB):0001 1011 1000 0001 附加CRC码的信息比特(MSB-LSB):00010000 00000000 00010000 00000000 11111111 00000000 11111111 00000000 00000000 00000000 10111011 00111000 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):00010000 00000000 00010000 00000000 11111111 00000000 11111111 0000000000000000 00000000 10111011 00111000 校验结果为:00000000 00000000有误码:循环冗余校验CRC码(MSB-LSB):1011 1011 0011 1100 附加CRC码的信息比特(MSB-LSB):00010000 00000000 00010000 00000000 11111111 00000000 11111111 00000000 00000000 00000000 10111011 00111000 图1-12有误码的CRC编码示意图信道传输产生误码！此时接收的信息比特为(MSB-LSB):00011011 10000001 00010000 00000000 00010000 00000000 11111111 0000000000000000 00000000 00000000校验结果为:11010100 00100000结论:循环冗余校验CRC码可以校验并纠正一位错码，对于两位错码只能检出但无法纠正。（3）1/3 FEC无误码：图1-13无误码的1/3FEC编码示意图编码前的二进制序列为(MSB-LSB)：0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0经1/3FEC编码后的二进制序列为(MSB-LSB)：000000000111 000000000000 000000000111000000000111 111111111000111111111000 000000000000000000000000 000111000000000111000000图1-14无误码的1/3FEC编码示意图2信道传输正确！译码结果为：0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0有误码：图1-15有误码的1/3FEC编码示意图编码前的二进制序列为(MSB-LSB)：0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0经1/3FEC编码后的二进制序列为(MSB-LSB)：000000000111 000000000000 000000000111000000000111 111111111000111111111000 000000000000000000000000 000111000000000111000000信道传输产生误码！此时接收的二进制序列为：000000000111 000000000000 000000000111000000000111 111111111000111111111000 000000000000011000000000 000111000000000111000000译码结果为：0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0结论：1/3 FEC码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。（4）2/3 FEC无误码：图1-16无误码的2/3FEC编码示意图编码前的二进制信息序列为(MSB-LSB)： 1001011111经2/3FEC编码后的二进制信息序列为(MSB-LSB)：10000 1001011111图1-17无误码的2/3FEC编码示意图二信道传输正确 或 产生不可检错的误码序列！接收序列为：100001001011111译码结果为： 1001011111 十六进制结果为：25F有误码：编码前的二进制信息序列为(MSB-LSB)： 0000011111经2/3FEC编码后的二进制信息序列为(MSB-LSB)：01000 00000111111图1-18有一位误码的2/3FEC编码示意图信道传输产生1位错码！可纠错！该码位于第13位，译码结果为：1001011111 十六进制结果为：25F图1-19有2位或2位以上误码的1/3FEC编码示意图信道传输产生2位或2位以上错码！不可纠错！译码结果为：1001111011 十六进制结果为：27B结论：2/3 FEC码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 蓝牙系统的跳频原理软件界面如下：图1-20 查询状态第一页a) 查询状态 查询设备时钟：5555555查询接入码：1111111跳频个数：10022 25 41 4 20 17 33 10 26 76 13 8 24 68 5 14 30 29 45 12 60 21 39 2 18 72 9 0 16 64 1 6 22 25 41 4 20 17 33 10 26 76 13 8 24 68 5 14 30 29 45 12 60 21 39 2 18 72 9 0 16 64 1 6 22 25 41 4 20 17 33 10 26 76 13 8 24 68 5 14 30 29 45 12 60 21 39 2 18 72 9 0 16 64 1 6 22 25 41 4 图1-21 查询状态第二页图1-22 查询扫描状态第一页图1-23 查询扫描状态第二页b) 查询扫描状态查询扫描设备时钟：5555555查询接入码：1111111跳频个数：10052 42 58 40 56 46 62 44 60 2 18 0 16 6 22 4 20 10 26 8 24 14 30 12 28 34 50 32 48 38 54 36 52 42 58 40 56 46 62 44 60 2 18 0 16 6 22 4 20 10 26 8 24 14 30 12 28 34 50 32 48 38 54 36 52 42 58 40 56 46 62 44 60 2 18 0 16 6 22 4 20 10 26 8 24 14 30 12 28 34 50 32 48 38 54 36 52 42 58 40 图1-24 连接状态第一页图1-25 连接状态第二页c) 连接状态下主设备时钟：1111111主设备地址：5555555跳频个数：1002 62 6 78 8 9 12 25 71 56 75 72 16 13 20 29 0 60 4 76 42 19 46 35 26 66 30 3 50 23 54 39 34 70 38 7 40 17 44 33 24 64 28 1 48 21 52 37 32 68 36 5 10 11 14 27 28 13 30 29 52 47 54 63 36 15 38 31 40 41 42 57 24 9 26 25 48 43 50 59 32 11 34 27 76 53 78 69 60 21 62 37 5 55 7 71 68 23 70 39 分析结果：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图1-26数据流的加密解密和RSA示意图加密与解密：常规密钥密码体制蓝牙保密技术：已加密的数据流：C1943D1A44B791D9C6124076FED84BD5EF40361CA367D657已解密的数据流：000000001111111100001111FFFFFFFF0000000000001111公开密钥密码体制RSA：因为 n 的二进制形式为 1110000011，所以将明文的二进制形式以长度为 9 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)：273 34 68 136 0 0 63 511 511 511 511 384 0 0 0 0 0 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)：191 352 243 487 0 0 497 89 89 89 89 890 0 0 0 0 0 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)：273 34 68 136 0 0 63 511 511 511 511 384 0 0 0 0 0 解密明文的十六进制形式为：000000000111111111000000FFFFFFFFFFF0000000000000（4）编程实验在Visual C环境中，按照幻灯片中 图1-42/3FEC码的生成示意图，试编写2/3FEC编/译码程序。程序执行结果与实验所得数据是否相符2/3FEC编码流程图1-9：读入数据输出结果判断数据合法性判断数据合法性输入待编数据警告输出译码根据监督矩阵和信息位的关系：求监督位警告图1-25 2/3FEC编码流程1.4思考题1 接收端收到1/3 FEC码后如何进行纠错？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1/3FEC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？应先进行HEC，再做1/3FEC，这样可减少运算量。对包进行HEC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少，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。1/3FEC仅仅是对每个信息位重复三次。3 在接收端如何对1/3 FEC码进行译码？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1/3FEC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。4 三种跳频序列分别有无规律可循？为什么？三种跳频序列无规律可循。下图为跳频序列产生的原理图，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。5 公开密钥密码体制的一个重要保证是什么？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成为私有密钥，它只用于解密，另一个公开密钥，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。这样我们根本不需要直接传送密钥，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。49通信传输的有效性与可靠性分析实验二、通信传输的有效性与可靠性分析2.1实验目的（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。2.2实验原理(1) 数据传输的流量控制 a) 停止等待协议 DATADATAACK图2-1 停止等待协议中数据帧和应答帧的时序tT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。 b) 连续ARQ协议 0123452345图2-2 连续ARQ时序重传送主机丢弃送主机连续ARQ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。c) 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。(2) 误码和差错控制 l 检错重发ARQa) 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。 b) 本实验中使用CRC-16l 前向纠错FEC a) 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。b) 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) 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：受控接入：轮叫轮询，传递轮询。 随机接入：ALOHA，CSMA和CSMA/CD。 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。 a) 传递轮询的帧时延小于同样条件下的轮叫轮询的时延b) 站间的距离越大，传递轮询的效果就越好c) 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 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：（我们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。 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 。 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。 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。 载波监听冲突检测CSMA/CD：CSMA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。2.3实验内容及结果记录分析1 理解实验原理，观察软件性能仿真 (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。图2-3连续ARQ和停止等待协议仿真结果分析:相同条件下,连续ARQ的平均传输时间整体上稍大（差错率在01之间）。差错率在00.1之间变化时使用两种协议传送的平均时间变化都很稳定，但随着差错率的继续增大，平均传输时间都会明显增大。相同条件下，连续ARQ的最大吞吐量整体上稍大（差错率在01之间）。随着差错率的增大（在00.1之间变化时），两种方式的最大吞吐量都会减小，但差错率在00.1之间变化时，停止等待协议的最大吞吐量变化量非常小，几乎稳定。当传播时延，重发时间，处理时间都远小于一个帧的发送时间时，采用停止等待和连续ARQ没有多少区别，而对于卫星电路，由于时延很大，停止等待协议就很不适用，这就必须采用连续ARQ协议。(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。图2-4最佳帧长与信道利用率的关系仿真结果分析：信道利用率最大时，卫星链路的帧长时4029bit,信道利用率为0.94475；陆地链路1的帧长为3986bit,信道利用率为0.97577；陆地链路2的帧长为3991bit,信道利用率为0.97161。随着数据帧长的增大，三种链路的信道利用率都逐渐增大，数据帧长达到1000bit以上时，三种链路信道利用率都达到0.9。但这种变化并非持续的增大，当信道利用率达到最大后，随着数据帧长的继续增大，信道利用率稍有减小，既存在一个最佳帧长。(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。 图2-5吞吐量S网络负载G曲线仿真结果分析：在没有延时的情况下，随着网络负载的增大，吞吐量持续增大，当负载接近1000时吞吐量基本接近1，且基本稳定。在有延时的情况下，吞吐量负载变化曲线为类似于开口向下的抛物线形曲线，即随着网络负载的增大，吞吐量存在一个最大点，且延时量越大，最大吞吐量越小，最大吞吐量对应的网络负载也越小。2 进行速率测试在速率测试中，设置包的个数为10，测试次数为10次，取不同的包长，记录通过串口连接蓝牙设备模块和通过USB口连接蓝牙模块的测试结果（包括包长、数据量、花费时间和平均速率）。分析各次测试结果，从中可以得出什么结论？(1) 通过串口连接蓝牙设备模块，帧长分别为100字节和400字节的测试结果：图2-6通过串口连接蓝牙模块下的速率测试结论：设置包的个数为10，测试次数为10次，帧长分别为100字节和400字节，记录通过串口连接蓝牙设备模块的测试结果。可以看出，帧长越长，传输的数据量越大，花费时间越长和平均速率越快。(2) 通过USB口连接蓝牙模块，帧长分别为100字节和400字节的测试结果：图2-7通过USB口连接蓝牙模块下的速率测试结论：设置包的个数为10，测试次数为10次，帧长分别为100字节和400字节，记录通过串口连接蓝牙设备模块的测试结果。可以看出，帧长越长，传输的数据量越大，花费时间越长和平均速率越快。3 进行文件传输 在文件传输测试中，传输一个大小为100kb的文件，误码率分别设为0.001、0.005、0.01和0.05，帧长设为300字节，最大传输次数为50。分别采用CRC与线性纠错编码方式纠错，记录通过串口连接蓝牙设备模块和通过USB口连接蓝牙模块的测试结果（包括误码率、传输字节、花费时间、重传次数和不同比特数）。分析各次测试结果。(1) 通过串口连接蓝牙模块的测试结果：CRC：图2-8-1 CRC编码的文件传输图2-8-2 CRC编码的文件比较线性纠错编码：图2-9 线性纠错编码下的文件传输(2) 通过USB口连接蓝牙设备模块的测试结果：CRC：图2-10 CRC编码的文件传输线性分组码：实验结果分析：在相同的条件下：传输一个大小为100kb的文件，误码率分别设为0.001，0.005，0.01和0.05，帧长为300字节，最大传输次数为50。图2-11线性纠错编码下的文件传输采用CRC差错控制编码：在传输数据量一定的条件下，误码率越大，重传次数越多，花费时间也就越长。误码率为0.001时，重传次数为零。当误码率为0.05时，最大重传次数过小，不能传输文件。这种差错控制方式的传输时间较长，但却保证了传输的可靠性。在可靠性要求较高而实时性要求较低的场合可以使用这种传输方式。采用线性纠错码方式纠错：在传输数据量一定的条件下，误码率对传输时间的影响很小。这种传输方式不会进行重传，因此在传输时间上比CRC更有优势，但是它只能在一定程度上纠错，因此不能保证传输的可靠性，在可靠性要求不高而实时性要求较高的场合可以采用这种传输方式。COM口和USB口的比较：无论采用哪种差错控制机制，串口连接所使用的时间比USB口连接所使用的时间要长，但是在相同误码率条件下，文件传输的可靠性差不多。2.4思考题1. 推导（32，24）线性分组码的监督位生成式，纠错方法。在选取汉明码时，信息位和监督位的个数都要是8的整数倍，通信性能仿真中所使用的（32,24）的线性分组码改自（31,26），监督字节中第3位无意义，高5位能纠正第32个位置的单比特错误。编码效率为1r/n=3/4。 2. 文件传输中的最佳帧长结果与仿真1中结果有什么差异,你如何解释？信道利用率和最佳帧长的关系如下：如果数据帧取得很短，控制信息占的比例增大，将会导致信道利用率下降;反之，如果帧长取得太长，数据帧的传输过程中出错的概率就增大，重传的次数就会增大，这也将使信道利用率下降。因此存在一个最佳帧长，在此帧长下信道利用率最高。在仿真1中，设每帧中信息长度为1048bit，误比特率pb=0.00001，可以求出在这种信道下，最佳帧长大体在10002000bit之间。文件传输中，相同条件下，求出的最佳帧长比仿真中的小，因为在实际传输中，他要受到蓝牙模块之间距离，连接电脑之间的障碍物以及其他许多因素的影响。无线多点组网实验三、无线多点组网3.1实验目的(1) 理解点对多点的网络、Ad hoc网络多跳转接的拓扑结构；(2) 组网过程、简单的路由协议以及广播和组播的概念。 3.2实验原理（1）通信网络拓扑结构 现代通信网络可以大体归纳为几种网络拓扑结构，每种结构都有自己的优点和缺点，选择时要根据具体情况。网型网星型网复合型网环型网总线型网图3-1 常见拓扑结构 两台计算机能互相通信必须解决如下问题：计算机互相通信时使用什么样的物理媒介？信道特性如果使用的通信媒介是多台计算机共享的，如何决定在某一时刻由哪台计算机发送数据包？信道共享如何对计算机进行编址，以唯一区分每个数据包的发送者和接收者？地址分配如果两台计算机不是直连在一起的，数据包如何选出一条从起点到目的地的合适的通路？路由选择如何检测通信过程中的错误，检测到错误后又如何去校正错误？错误检测通信过程中使用什么数字格式来表示数据？协议 OSI从低到高的七层分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。 一个网络设备就是一个节点。网络层定义的网络设备（或节点）有两类：主机：包括PC机、工作站、主机、文件服务器等等。路由器：它在主机和其它路由器之间转发数据包，使得主机不必和通信所用的链路直接相连。实现存储转发功能、执行路由协议。（2）路由技术 数据包能够通过多条路径从源设备到达目的设备，选择什么路径最合适，就是路由技术所要研究的问题。 路由器之间通过路由协议交换信息，以报告它们各自所连接的网络和设备，更新路由表。 传输的可靠性要求、数据包的传输费用和时延。 根据不同要求，提出多种路由选择算法。 （3）广播和组播 将数据包的设备地址设置为一个特殊的广播地址。 每个组播组通过唯一的组播地址来识别。任何节点都可以加入多个组播组，发给某个组的数据只有该组成员才能接收。组播也需要组播路由算法。 （4）Ad hoc网络 任何设备在任何地方都可以方便迅速组网。 网络中所有节点的地位都是平等的。 每个节点都有路由器的功能，信息可以经由各节点转发至目的节点。3.3实验内容及结果分析(1) 组网过程主设备为：00:37:16:00:A6:7A，由主设备连接00:37:16:00:A6:7B，再由00:37:16:00:A6:7B连接00:37:16:00:A5:56，最后连接00:37:16:00:A6:75和00:37:16:00:A6:76。图3-2 组网过程(2)组网成功，在网内进行单播、广播、组播。路由表如下图图3-3 组网图3-4 组网设置3.4思考题1. 组播具体如何实现？路由器如何知道相应的组播目的节点在哪一方向？如何减小无用组播数据的传播以及形成环路的情况？答：主机收到数据包后，确认目的地址是组播地址。若本机也在该组播内，则将其送入本机内部处理。若本机路由表内有其他的同组主机，且不是该数据包的上一跳节点，则将数据包按路由表继续转发。对于无线网络来说，路由器无法只针对相应的目的节点进行发送（智能天线除外），智能将设置接受节点的地址。在该无线路由器的功率覆盖范围内的所有主机都将接收到其发出的数据包，若本机地址与接收地址不一致则丢弃。若下一跳覆盖有同组节点，则直接发送；若有同组节点，需要经过多跳，则继续转发，接收地址按路由表填写，目的地址仍为组播地址。为了减少无用的数据传播和避免环路的形成，可以设置数据包的生存周期。2. 本实验的组网方式有什么不足，你能提出更好的组网方式吗？答：在实验过程中，有时会出现下面的情况：多台计算机通过蓝牙无线模块组网后，若其中一台死机，该计算机实际上与其他任何网内的机子已失去联系，但其他节点上的拓扑图仍然长时间不改变。这说明了本实验的组网方式中，网络的健壮性还有很大的欠缺，无线组网协议还不够完善。3. 尝试组建各种拓扑结构的网络。答：无线网络环境非常复杂，链路经常会在某一方或双方可能都不知道的情况下因不可靠而断开，如何保证网络的自检查和恢复？对网络负载将会有何影响？无线网络需要定时探测网络的完整性，需要发现故障时自我修复的功能。当网络出现故障后，相当数量的业务需要重置和重发，这只会加重网络负担。语音传输实验四、语音传输4.1实验目的(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4.2实验原理（1）脉冲编码调制（Pulse Coded Modulation）原理 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 PCM分为抽样、量化、编码三个步骤 抽样 f(t) = f(t) * s(t) 语音信号的频率：0.3KHZ 4KHZ 语音信号的采样频率：8KHZ 量化 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 量化误差: 实际信号与量化信号的差值 量化电平：为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 均匀量化 量化电平间隔均匀线性PCM 非均匀量化 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，这时可采用非均匀量化的方法加以解决 A律 或 律 PCM图4-1 PCM通信框图PCM编码原理 编码方法：逐次比较型A律13折线二进制码 码位码型： 8位，折叠二进制码 码位安排：D8D7 D6 D5D4 D3 D2 D1极性码段落码段内码l 极性码：D8 抽样值为正 D8= 1 为负 D8 = 0l 段落码：抽样值所处区间 分为8段l 段内码： 16 等分每段落（2）连续可变斜率增量(CVSDContinuous Variable Slope Delta Modulation)调制原理 输出比特跟随波形变化而变化，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64K采样值/秒的线性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%，CVSD编码的语音还是可听图4-2 CVSD编码示意图（3）当信道有随机错误和突发错误时的解调 随机错误：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。一般是由信道的加性随机噪声引起的。 突发错误：错误的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。 突发错误图样 收码 发码 错误图样 突发长度 b = b1 + t , t b1 （b1是1的个数，t是0 的个数）（4）内部通话与数据传输的工作过程a) ACL链路和SCO链路 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：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：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。 分组交换 在链路上采用动态复用技术传送分组 - X.25网络 电路交换 每次通信占用一条专用的物理链路 - GSM 网络 ACL与SCO链路 SCO链路：只在规定的时隙传送话音，即占用固定时隙 ACL链路：当没有SCO时，ACL可以使用任何时隙，一旦有 SCO，ACL必须让出SCO的固定时隙可以认为：ACL链路是分组交换，SCO链路是电路交换b) 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从设备(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。c) 内部通话与数据传输的工作过程内部通话过程数据传输过程初始化蓝牙设备初始化蓝牙设备查询周围蓝牙设备查询周围蓝牙设备建立ACL链路建立ACL链路建立SCO链路通话传送数据断开SCO链路断开ACL链路断开ACL链路4.3实验内容及结果分析画出线性PCM、A律PCM和CVSD在相同随机错误与突发错误参数下得译码后波形并加以比较。PCM(8-14位)线性编码:幅度 5.5V频率 0.4K随机错误图样 10%突发错误图样 10001111100011图4-3 线性PCM编码方式波形A律PCM编码(8位):幅度 5.5V频率 0.4K随机错误图样 10%突发错误图样 10001110001图4-4 A律PCM编码方式波形CVSD编码:幅度 5.5V频率 1.5K随机错误图样 10%突发错误图样 10001110001图4-5 CVSD编码方式波形图4-6 量化编码查看结论：通过比较可以看出，在误码率一定的条件下，A律PCM和线性PCM译码后波形失真较小且相当，CVSD码的波形失真较严重；在突发参数相同的情况下，A律PCM译码效果最好，线性PCM译码次之，CVSD的译码效果最差。画出同一种语音编码方式在不同采样频率和相同随机错误与突发错误参数下的译码后波形，并加以比较。a) 线性PCM编码方式图4-7 频率为0.5kHz图4-8 频率为1.5kHzb) A律PCM编码方式图4-9 频率为0.5kHz图4-10 频率为1.5kHzc) CVSD编码方式图4-11频率为0.5kHz图4-12 频率为1.5kHz图4-13 原波形幅值查看