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：2019年11月目录实验一数字基带仿真实验11. 1实验目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实验结果及数据剖析51.4.1差错控制51.4.2跳频71.4.3加密解密12实验二 通信传输有效性与可靠性剖析 142.1实验目142.2实验原理142. 2.1数据传输流量控制142.2.2误码与差错控制152.2.3信道共享技术152.3实验内容162.4实验结果及数据剖析172.4.1性能仿真172.4.2. 速率测试222.4.3. 文
2、件传输24实验三无线多点组网273. 1实验目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广播与组播283.2.4 Ad hoc 网络283. 3实验内容283.4实验结果及数据剖析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随机错误与突发错误364. 2.4内部
3、通话与数据传输工作过程 364. 2.5蓝牙设备身份切换374.3实验内容374.4实验结果及数据剖析384. 4.1参数相同时波形 384. 4.2相同误码率不同频率波形 394. 4.3用蓝牙连接传输过程42实验一数字基带仿真实验1. 1实验目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基带信号处理方法有较深入认识 与理解，具体有以下几个目：1、理解基带传输中差错控制方法、差错控制编码分类及其纠检错能力;了解差错控制编码生成与纠、检错方法。2、理解扩频通信
4、(特别是跳频扩频通信)基本概念、原理及其优缺点。3、理解两种加密体制异同；了解保密通信全过程，以及密钥在保密通信 中作用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 通信系统比特误码率并不能满足实际需求，因此我们需要进行差错控制。常 用差错控制方法有检错重发(简称ARQ)、前向纠错(FEC)、混合纠错(HEC)o通常差错控制编码实现方法:在发送端
5、将被传输信息附上一些监督码元， 这些多余码元与信息码元之间以某种确定规则相互关联，然后在接收端按照 既定规则校验信息码元与监督码元之间关系，一旦传输发生错误，则信息码 元与监督码元关系就受到破坏，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完整性，该差错控制通常被称为 包头检查(HEC)o HEC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，初始化值采用设备高8位地址(UAP)。 输入数据为10位包头信息(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)
6、。在接收端，恢复包头信息示意图与图1 同。此时，输入数据为18位附加HEC包头数据。若8位寄存器结果值全为 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生成示意图b. 有效载荷校验(采用CRC, cyclic redundancy check)o添加到有效 第17页载荷中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生成 示意图。在生成CRC码前，采用设备高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位有效载荷信息（低位先入）。输出为有效载荷（80
7、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 示意图与图2同。此时，输入数据为96位附加CRC有效载荷数据。若16位 寄存器结果值全为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有效载荷校验码生成示意图c. 前向纠错（Forward Error Correction, FEC）O 本实验包含两类 FEC 码：1/3FEC 与 2/3FEC。对包进行FEC纠错目是减少重传次数。但在可以允许一些错误情况下， 使用FEC会导致效率不必要减小，因此对于不同包，是否使用FEC是灵活。 因为包头包含了重要链路信息，所以总是用1/3FEC进行保
8、护。1/3 FEC仅 仅是使对每个信息位重复三次，见图1. 31/3FEC码示意图。图3 1/3FEC码示意图2/3 FEC码则是个缩短（15, 10）汉明码。该码用于有效载荷数据纠错控 制。其生成示意图见下页图1.4O 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与专网一种无线通信技术。扩频通信主 要有直序列扩频与跳频扩频两种，本实验重点研究跳频技术，以具体蓝牙技 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多频率频移键控，也就是说，用扩频码序 列去进
9、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、抗网间干扰与 提高频谱利用率等而被业界广泛使用。对于使用79个频道蓝牙系统，它工作频段为2400-2483. 5 MHz,射频 信道为2402+人MHz (妇0, 1,78),每个信道带宽为lMHzo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3种：查询状态跳频 序列，查询扫描状态跳频序列与连接状态跳频序列。跳频计算框图见图1. 5o图5跳频计算框图查询与查询扫描状态是联系在一起。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设备，就进入查询状态，成为主
10、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/秒速率进行跳变，而查询扫描跳频序列则以1.28秒/跳变化 率进行跳变。当查询设备跳频频率与查询扫描设备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地址码与时钟决 定。连接状态跳频速率为1600跳/秒。1.2.3保密通信原理加密系统通常由未加密报文（即明文）、加密后报文（即密文）、加密解 密设备或算法以及加密解密密钥组成。对明文进行加密需要加密密钥
11、；对密 文进行解密需要解密密钥。加密密钥与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密码体制。常规密钥密码体制保密性取决于对密钥保 密，而算法是公开。蓝牙加密算法示意图如图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
12、上是不可行密码体制。 公开密钥密码体制示意图如图1. 7所示。图7公开密钥密码体制示意图1.3实验内容1. 蓝牙基带包差错控制技术1）包头检查（HEC）,用于保证包完整性；2）数据有效载荷信息循环冗余校验；3）包前向纠错（FEC）控制。2. 蓝牙系统跳频原理1）查询状态跳频原理;2）查询扫描状态跳频原理；3）连接状态跳频原理。3. 数据流加密与解密1）蓝牙加密技术（常规密钥密码体制加密与解密）；2）RSA公开密钥密码体制加密与解密过程。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
13、。1.4实验结果及数据剖析1.4.1差错控制1. 蓝牙基带包差错控制技术实验实验中用到软件界面如图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在有误码与无误码情况下输入输出结 果并加以剖析。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HEC包头数据为：011001100011010110按“编码”及“校验”按钮以后输出结果为：UAP:46; HEAD:66 HEC 包头数据为：011001100011010110信道
14、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从以上实验数据中，我们加以剖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）数据有效载荷信息循环冗余校验结果：输入：UAP： 46,有效载荷：45875168752963255265编码后结果为：A67845875168752963
15、255265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 码信息比特（MSBLSB）： 01000101 10000111 01010001 0110100001110101 00101001 01100011 00100101 01010010 01100101 10100110 01111000信道传输正确或产生不可检错误码！此时接收信息比特为（MSBLSB）： 10100110 01111000 01000101 10000111 01010001 01101000 0111010100101001
16、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！此时接收信息比特为(MSBLSB)：10100110 01111000 01000101 10000111 00010101 01101000 0111010100101001 00100111 00100101 01010010 01100101校验结果为：0010110110101100按“复原”再“误码”后修改编码结果为:A67823875168757
17、863255265再 “校验”后输出如下结果：信道传输产生误码！此时接收信息比特为(MSBLSB)：10100110 01111000 00100011 10000111 01010001 01101000 0111010101111000 01100011 00100101 01010010 01100101校验结果为：0100010100110110从以上实验数据中，我们加以剖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：000
18、11 0 011 0 0 0001001 1 0 010000 1 101 1 1010010 00经1/3FEC编码后二进制序列为(MSBLSB):000000000111111000000111111000000000000000111000000111111000000111000000000000111111000111111111000111000000111000000000按“译码”按钮后输出结果为：信道传输正确！译码结果为：00011 0 011 0 0 0001001 1 0 010000 1 101 1 1010010 002/3 FEC实验结果输入：2ad接收端经2/3F
19、EC编码后数据：1010101101按“编码”及“译码”按钮后输出结果为：编码前二进制信息序列为(MSBLSB):1010101101经2/3FEC编码后二进制信息序列为(MSBLSB): 11110 1010101101信道传输正确 或 产生不可检错误码序列！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/
20、3FEC编码后二进制序列为：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从以上实验数据中，我们加以剖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. 蓝牙系统跳频实验跳频实验中用到软件界面如图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，不同查询设备时钟与接入码下产生频点并加以剖析。查询状态
21、实验结果：查询设备时钟：555查询接入码：14736 3 5 6 8 74 76 38 40 11 13 2628 2325 58 60 39 41 30 32 3133 6264 47 49 2 4 66 68 74 363 5 68 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 5165 67 2 4 18 2053 5569 71 6 8 22 2457 5973 75 10 12 2628 6163 77 0 14 1630 3249 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：
22、468跳频个数：2422 13 26 15 28 132 3 30 17 34 194 68 6 72 8 5 109 12 70 14 74从以上实验数据中，我们加以剖析可以得到以下结论：跳频序列具有较强随机性。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. 数据流加密与解密实验数据流加密与解密实验中用到软件界面如图3所示，主要包括两个部 分：常规密钥密码体制一一蓝牙保密技术与公开密钥密码体制RSAo要 求记录密钥参数、密码流参数、明文与秘文。图3数据流加密与解密实验界面图4常规密钥体密码制实验(
23、1)蓝牙加密技术实验(常规密钥密码体制加密与解密)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二进制形式为1000100101111,所以将明文二进制形式以长度为12 进行分
24、组对明文二进制形式进行分组后，各个分组十进制形式为（高位一低位）：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一 得到各分组密文十进制形式（高位一 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一得到各分组解密明文十进制形式（高位一低位）: 1620 1637 1376 6 1318 562 1622 1366 1378 598 1301
25、 1553 273 257 273 273解 密 明 文 十 六 进 制 形 式 为： 654665560006526232656556562256515611111101111111对各分组进行解密算法一得到各分组解密明文十进制形式（高位一低位）: 1620 1637 1376 6 1318 562 1622 1366 1378 598 1301 1553 273 257 273 273解 密 明 文 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
26、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，若收到是（001）、（010X （100）,则译为0；当出现一个错误时，若收到是（110）、（101）、（011）, 则译为1；若出现两个时，则无法纠正。2. 包头两种差错控制1/3 FEC与HEC,他们先后顺序如何？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纠错目 是减少重传次数。但在可以允许一些错误情况下，使用FEC会导致效率不必 要减小，因此对于不同包，是否使用FEC是灵活。
27、因为包头包含了重要链路 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为跳频序列产生原理框图，基本上，输入为当前地址与本地时钟，地 址输入由28位构成，时钟输入由27位构成，根据跳频序列不同分类，地址 输入与时钟输入采取不同选择方案。由于输入随机性变化，决定了输出为在 79跳之间变化一个伪随机序列。图10跳频计算框图5. 公开
28、密钥密码体制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关系，只有通过对应私有密钥才能 解开用公开密钥所加密。这样我们根本不需直接传送密钥，因此具有很高安 全性。所以公开密钥密码体制一个重要保证是：公钥与私钥必须匹配，且应 该保持密钥安全。实验二语音传输2. 1实验目本实验软件主要对蓝牙语音编码技术与通信网络中语音传输过程进行 了介绍，做此次试验主要目有：理解蓝牙支持三种语音编码方式异同随机错误与突发错误对传输影响理解语音传输与数据传输异同：ACL
29、与SCO链路（4）通过实际编程加深对实验原理理解，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一种调制方式，把连续输入模拟信 号变换为在时域与振幅上都离散量，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。抽样过程为尸（，） = /（，）*s（），其中s）为抽样函数。语音信号频率为 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 率两倍，故语音信号采样频率为8KHZ。量化就是把离散时间模拟样值信号近似地用有限个数数值来表示。量化 过程中存在一定量化误差，量化误差为实际信号与量化信号差值。为了便 于用
30、数字电路实现，其量化电平数一般为2整数次藉，有利于采用二进制编 码表示。通常，量化又分为均匀量化与非均匀量化。把输入信号取值按等距离分 割量化为均匀量化，它用于线性PCM调制中。非均匀量化是量化间隔随信号 抽样值不同而变化量化。采用均匀量化时，对小信号与大信号都采用相同量 化等级，因而对小信号量化不利，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，广泛采用是A律 或四律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=l,为负时，D8=0o段落码为抽样值所处 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 平均信号斜率，阶梯高度可以调整。CVSD编码器输入是每秒64K采样值线 性PCM,量化级数为2LCVSD编码擅长处理丢失与被损坏语音采样，即使比 特错误率达到4%,但CVSD编码语音还是可听。图2 CVSD编码示意图
