通信系统综合实验的报告.docx
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通信系统综合实验的报告
实验一数字基带仿真实验
一、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。
二、实验器材
软件:
Windows2000操作系统,TTP基带仿真软件,VisualC++。
硬件:
PC机一台。
三、实验原理
1.差错控制的基本原理
通信信道中噪声的存在,使有用信号与噪声中和的结果可能会产生差错。
常用的差错控制方法有:
检错重发(ARQ);前向纠错(FEC);混合纠错(HEC)。
按照误码控制的不同功能,可分为检错码、纠错码和纠删码等。
检错码仅具备识别错码功能而无纠正错码功能;纠错码不仅具备识别错码功能,同时具备纠正错码功能;纠删码则不仅具备识别错码和纠正错码的功能,而且当错码超过纠正范围时可把无法纠错的信息删除。
按照误码产生的原因不同,可分为纠正随机错误的码与纠正突发性错误的码。
前者主要用于产生独立的局部误码的信道,而后者主要用于产生大面积的连续误码的情况。
按照信息码元与附加的监督码元之间的检验关系可分为线性码与非线性码。
如果两者呈线性关系,即满足一组线性方程式,就称为线性码;否则,两者关系不能用线性方程式来描述,就称为非线性码。
汉明码属于线性分组编码方式,是一种能够纠正一位错码且编码效率较高的线性分组码。
CRC码即循环码是一种重要的线性码。
循环码具有循环性,即循环码中任一码组循环一位(将最右端的码移至左端)以后,仍为该码中的一个码组。
循环码组中任两个码组之和(模2)必定为该码组集合中的一个码组。
另外,循环码每个码组中,各码元之间还存在一个循环依赖关系。
2.跳频扩频的基本原理
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扩频和跳频扩频两种,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。
跳频扩频具有抗干扰、抗截获的能力,并能作到频谱资源共享;可以抗衰落、抗多径、抗网间干扰和提高频谱利用率。
3.保密通信原理
在通信过程中,某些信息需要加密。
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。
常用的密码体制有常规密钥密码体制和公开密钥密码体制。
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。
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。
4.常规和公开密钥密码体制的工作原理
所谓常规密钥密码体制,即加密密钥与解密密钥是相同的。
公开密钥(publickey)密码体制最主要的特点就是加密和解密使用不同的密钥,每个用户保存着一对密钥──公开密钥PK和秘密密钥SK,因此,这种体制又称为双钥或非对称密钥密码体制。
在这种体制中,PK是公开信息,用作加密密钥,而SK需要由用户自己保密,用作解密密钥。
加密算法E和解密算法D也都是公开的。
虽然SK与PK是成对出现,但却不能根据PK计算出SK。
公开密钥算法的特点如下:
用加密密钥PK对明文X加密后,再用解密密钥SK解密,即可恢复出明文。
加密密钥不能用来解密,加密和解密的运算可以对调。
四、实验内容及结果分析
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、1/3FEC以及2/3FEC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):
1010011001111000
附加CRC码的信息比特(MSB-->LSB):
010001011000011101010001011010000111010100101001011000110010010101010010011001011010011001111000
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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):
101001100111100001000101100001110101000101101000011101010010100101100011001001010101001001100101
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):
101001100111100001000101100001110001010101101000011101010010100100100111001001010101001001100101
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):
101001100111100000100011100001110101000101101000011101010111100001100011001001010101001001100101
校验结果为:
010*********
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
①1/3FEC实验结果
输入:
1982643748
按“编码”按钮后输出结果为:
0001100110000010011001000011011101001000
经1/3FEC编码后的二进制序列为(MSB-->LSB):
000000000111111000000111111000000000000000111000000111111000000111000000000000111111000111111111000111000000111000000000
按“译码”按钮后输出结果为:
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
信道传输正确!
译码结果为:
0001100110000010011001000011011101001000
==========================================================================================================================
②2/3FEC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):
111101010101101
信道传输正确或产生不可检错的误码序列!
接收序列为:
111101010101101
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:
111101*********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:
2/3FEC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:
42
36356874763840111326
28232558603941303231
33626447492466687436
35687476384011
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:
36
49516567241820
53556971682224
57597375101226
2861637701416
303249516567
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:
24
22132615281
32330173419
4686728510
912701474
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):
1620163713766131856216221366137859813011553273257273273
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):
374015521770337739164107450212314312217428328863671131136713671
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):
1620163713766131856216221366137859813011553273257273273
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):
1620163713766131856216221366137859813011553273257273273
解密明文的十六进制形式为:
654665560006526232656556562256515611111101111111
4.编程实验
编码原理:
2/3FEC码是缩短的(15,10)循环汉明码,它可以纠正1位错误,发现2位错误。
它的生成多项式为:
(1)
由
(1)式可得2/3FEC码的生成示意图,如图6所示:
图62/3FEC码的编码器
编码器的工作方式如下:
1.移存器的初始状态全清零,开关S1,S2打到1点。
然后移位,送入原码,低位首先进入电路;
2.10次移位后,移存器中保留的是校验元;
3.此时开关S1,S2,再经过5次移位后,把移位器中的校验元全部输出,与原先的10位信息元组成了一个长为15的码字。
译码原理:
译码时采用伴随式译码,其原理图如图7所示:
图72/3FEC码译码器
译码器的译码过程如下:
1.开始译码时门开,移存器内容全为0。
收到序列R以后一方面送入15级缓存器,一方
面送入G(x)的除法电路计算伴随式。
15次移位后,R全部存入缓存器,G(x)电路也得到了伴随式S0(x),此时门关,禁止输入。
2.若S0(x)=x4+x2+1=x14modG(x),说明第一个进入译码器的码元有错,此时,D4——D0
的值为11010。
此时与门则产生一个纠错信号“1”来纠正码元的错误,同时这个纠错信号也反馈到伴随式计算电路的输入端(图7中虚线所示)对伴随式进行修正,以消去该错误对伴随式的影响。
3.如果S0(x)≠x4+x2+1,此时与门不打开,说明第一个进入译码器的码元没错。
这时伴随式计算电路和缓存器各移位一次,第一个码元输出,接下来对第二个码元进行译码,方法同上。
重复上述过程一直到译完一个码字为止。
程序流程图:
编码,加误码以及译码的流程图如图8所示:
图8编程流程图
实验结果比较分析:
图9实验结果比较图
图9给出了编程所得结果与实验软件所得结果的比较,通过比较可知,在所有的误码情况下,所编程序完全实现了实验给定软件的功能。
五:
思考题
1.接收端收到1/3FEC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1/3FEC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1/3FEC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。
1/3FEC仅仅是使对每个信息位重复三次。
3.在接收端如何对2/3FEC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
一:
实验目的
(1)理解蓝牙支持的三种语音编码方式的异同
(2)理解随机错误和突发错误对传输的影响
(3)理解语音传输(SCO链路)与数据传输(ACL链路)的异同
(4)通过实际编程加深对实验原理的理解,提高实践能力
二:
实验器材
硬件:
PC机一台,带语音功能的蓝牙模块,串口电缆,耳机话筒。
软件:
Windows2000或Windows操作系统,TTP局域网语音传输实验软件。
三:
实验原理
1.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。
2.A律PCM编码是一种非均匀量化的PCM编码方式,它首先将输入量化器的信号进行压缩处理,再把压缩的信号进行均匀量化。
所谓压缩器就是一个非线性变换电路,微弱的信号被放大,强的信号被压缩。
在接收端采用一个与压缩特性相反的扩张器来恢复信号。
3.CVSD是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。
4.随机错误和突发错误
随机错误:
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。
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。
5.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,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。
6.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。
四:
实验内容及结果分析
实验内容如下:
1.线性PCM编码调制原理;
2.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.根据A律PCM和CVSD的编码原理进行自己编程。
实验记录如下:
1.记录线性PCM、A律PCM和CVSD在相同参数下的量化编码
参数:
幅度:
5V,频率:
0.5KHZ,编码位数:
8位,各量化波形如图1所示:
原波形线性PCM
A律PCMCVSD
图1量化编码波形图
2.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。
参数:
误码率:
1%,突发错误参数:
1001110101011
译码后的波形如图2所示:
线性PCM
A律PCM
CVSD
图2三种编码方式的译码波形比较
结论:
通过比较可以看出,在遇到随机错误时,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;在遇到突发错误时,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。
3.分别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。
幅度:
8V,编码位数:
8位,误码率:
1%,突发错误参数:
10001100110001
线性PCM编码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如图3所示:
F=0.5Hz
F=2Hz
图3线性PCM译码波形
F=0.5Hz
F=2Hz
图4A律PCM译码波形
A律PCM编码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如图4所示。
CVSD编码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波形如图3所示:
F=0.5Hz
F=2Hz
图5CVSD译码波形
结论:
在CVSD编/译码语音编码方式下,采样频率越高,遇到随机或突发错误时译码的失真越小。
而线性PCM和A律PCM则是采样频率越高,遇到随机或突发错误时译码的失真越大。
图6传输过程示意图
4.记录蓝牙建立和断开语音链路的过程。
如图6:
建立链路时,先建立ACL连接,才能建立SCO连接。
断开ACL连接时,若没有断开SCO连接,则有提示。
5.写出自己进行A律PCM和CVSD的编程程序
A律PCM编译码原理
编码方法:
逐次比较型A律13折线二进制码,每比较一次得出一位码,
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