实验指导书(新版)-现代通信技术.doc

实验指导书(新版)_现代通信技术 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途 现代通信技术 实 验 指 导 书电子工程实验室 编 写适用专业： 电子信息工程 江苏科技大学电子信息学院 2006 年 6 月前 言现代通信技术课程主要介绍通信的基本概念、数字程控交换系统、移动通信系统、数据通信系统、微波通信系统、卫星通信系统以及用户网接入等内容.学生通过本课程的学习应该掌握各种通信系统的基本理论和方法.现代通信技术课程实验的开设目的：首先是加深理解在课堂上获得的理论知识，将理论知识形象化;同时观察通信系统的基本工作过程，对通信中使用的相关技术进行模拟和比较,加强动手能力，积累实践经验;另外通过一些综合性实验达到对已学过的其它课程知识融会贯通的效果。本实验课程开设的实验如下：实验一 电话网关（验证）：主要让学生掌握从设备初始化、链路建立到最后链路释放的通信过程。实验二 通信传输的有效性与可靠性分析（验证）:主要让学生掌握通信中流量控制和差错控制的方法，对传输的有效性和可靠性的关系进行模拟实验。实验三 语音传输（验证）：主要让学生对几种常见编码方法、语言传输和数据阐述以及突发和随机错误进行模拟和对比。本实验指导书适合电子信息工程专业使用。目 录实验一：电话网关实验4实验二:通信传输的有效性与可靠性分析8实验三：语音传输12实验一: 电话网关实验实验学时：2学时实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的1、理解电话网接入系统的实现模式.2、了解PSTN电话网关和无线语音终端的工作过程。3、加深对无线语音传输的理解。 二、实验内容使用两台蓝牙设备分别充当网关和终端,模拟PSTN电话网接入，观测接入过程和相关波形。三、实验原理、方法和手段1、公用电话交换网络自从1870年电话出现以来，电话通信以其通信迅速、使用简便、通信质量好，系统容量大的优点，占据了日常电信业务的很大一部分。目前大量使用的普通电话网（公用电话交换网络PSTN）主要采用电路交换技术,No。7信令。 公用电话网由若干个交换局、局间中继、用户线和电话终端组成，采用电路交换方式,为用户提供实时的电话业务。2、双音多频电话机双音多频(DTMF）电话机使用音频按钮盘，按国际电报电话咨询委员会建议，键盘设16个按钮，选用了音频范围的八个频率，如下图示，697、770、852、941 HZ四个频率为低频组;1209、1336、1477、1633 Hz四个频率为高频组。每按一个按钮，话机就同时产生并发送相对应的一个高频组频率与一个低频组频率，因此称为双音多频自动电话机。3、基于蓝牙技术的PSTN接入系统在蓝牙的各种应用中，“三合一电话”即是指蜂窝手机、PSTN网电话、企业内部电话三种功能集成在一部具有蓝牙功能的语音终端上,要实现“三合一”的功能，只靠自身的蓝牙功能是不可能的，它还需要蓝牙电话网关的支持。无绳电话应用模型定义了网关和终端两个角色。网关作为内部蓝牙语音终端到外部PSTN电话网的接入点，处理内部蓝牙语音终端与外部网络的信息交流并对无线用户组成员进行管理。终端是用户终端，该终端可以是一个无绳电话、带有无绳电话模型的蜂窝电话或带有无绳电话功能的个人电脑.PSTN接入系统的设计利用的是蓝牙规范无绳电话应用模型.无绳电话应用模型的基础是蓝牙二元电话控制协议规范（TCS二进位的：电话技术控制协议规格二进位的） 。它是一种面向比特的协议,定义了蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的控制信令,以及处理蓝牙TCS设备群的移动管理进程.TCS信令和PSTN信令的转换是通过拨号电路和并口检测功能实现的。呼出操作中，网关收到包含电话号码的TCS信令后拨号电路PSTN电话网拨号。在空闲状态网关在不停地检测并口，当检测到4秒高，1秒低电平信号时网关应用程序就接收到外部来电。4、无绳电话的连接步骤(1)物理链路连接过程物理在物理链路连接过程中，网关的应用层首先应当在初始化时对基带进行设置,在设置时应满足通用连接应用模型中规定的安全模式，该安全模式还要求在建立过程中进行鉴权，只有拥有与网关连接权力（拥有网关的个人密码)的终端才能够与网关建立联系。在收到另一蓝牙设备提出的建链请求后,网关应用层应当根据自身的情况(当前已建立的物理链路的数目等）选择是否拒绝该请求。如果同意接受对方的建链请求，网关应用层还应当要求进行角色转换。这是因为在无绳电话应用模型中，网关应当充当主设备。而在鉴权过程中,网关应用层还应给出自身的密码,以便拒绝一部分不合法的用户建链请求。(2）服务发现过程.对于网关的应用层来说，只需要在进行初始化的时候，将网关提供的服务在DBM当中注册。在整个服务发现过程之中，网关的应用层并不介入该过程。终端查询与之建立物理连接的设备是否具备无绳电话服务，如果存在才继续建立逻辑链路，否则断开物理链路。（3）TCS逻辑链路建立过程。服务发现过程结束后,在物理链路之上建立逻辑链路。在无绳电话应用模型中，逻辑链路就是TCS链路，它应当由终端的应用层来发起.在网关和终端建立起了逻辑链路后,应长时间地保持逻辑链路。（4）无绳链路建立过程. 无绳电话是在逻辑链路的基础上由网关或终端的应用层发起的。其触发条件有两种：一是外部网络来电话，二是向外拨打电话。（5）与外部网络的连接过程。网关应用层控制拨号电路对外部PSTN拨号，从而与外部网络用户建立呼叫连接.网关通过并口检测到外部来电，也属于与外部网络的连接。这实际上是TCS信令与PSTN电话网信令的一种转化过程。5、呼叫建立过程和呼叫清除过程呼叫建立过程由发起呼叫一方发出呼叫请求，被叫一方发出连接请求。连接请求分为两部分，首先是语音链路连接请求，二是电话控制（TCS）链路连接请求。呼叫清除首先要断开连接（语音链路和TCS链路），然后释放信道资源,回到空闲状态。四、实验组织运行要求：1、学生在进行实验前必须进行充分的预习,熟悉实验内容。2、学生严格遵守实验室的各项规章制度，注意人身和设备安全，配合和服从实验室人员管理.3、教师在学生实验过程中予以必要的辅导,独立完成实验。4、采用集中授课形式.五、实验条件：1、具有WINDOWS 98/2000/NT/XP操作系统的计算机 2台2、蓝牙模块SEMIT 6603 2台3、话筒 2只4、耳机 2只5、网关接入模拟软件 1套六、实验步骤：1、硬件连接：关闭计算机和蓝牙模块电源,用2根串口线分别连接两台计算机和蓝牙模块SEMIT 6603的串口，将话筒和耳机插入蓝牙模块上对应插孔。将蓝牙模块的USB/串口选择开关打到串口上。检查无误后接通电源。2、运行软件:在一台计算机上运行 “电话网接入实验(网关）程序，选择使用的串口，进入网关实验界面.在另一台计算上运行 “电话网接入实验（终端）”程序,选择使用的串口，进入电话终端实验界面。3、建立链路：点击终端程序的“建立连接”按钮，进入建立连接界面，首先点击“查询设备按钮查询周围的蓝牙设备，查询结束后选择要连接的蓝牙设备,建立物理连接.然后点击“服务查询”查询其他蓝牙设备提供的服务,查询结束后，建立相应的逻辑链接.4、网关接入点击终端程序的“拨打电话”按钮,模拟拨话.通过蓝牙上连接的话筒和耳机，检测拨话是否接通。观测右边窗口的信令转移情况,并记录信令转移的步骤,观测左下方窗口中的电话线上波形。七、思考题:1、无线终端通过网关接入PSTN的工作流程是怎样的？2、请画出TCS信令状态转移图。八、实验报告：1、报告中包含实验预习情况，包括实验内容、实验步骤等。2、报告中画出信令状态转移图，标出信令转移的顺序。3、在实验中，你对思考题中问题的分析。实验二：通信传输的有效性与可靠性分析实验学时：2学时实验类型：验证实验要求：必修一、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、理解通信的可靠性和有效性之间的关系。3、了解多点共享信道的常用技术和它们的性能 .二、实验内容：在不同信道链路中对流量控制和差错控制进行仿真，观测信道的误码率对传输效率的影响。使用不同的帧长对数据包传输和文件传输进行测试，观测误码率和检错纠错方法对传输产生的影响。三、实验原理、方法和手段：1、数据传输的流量控制 在数据传输的流量控制中，常用的控制方法有停止等待协议和连续ARQ等。（1） 停止等待协议 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（2)连续ARQ协议 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. (3)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10002000bit之间。2、误码和差错控制 在传输过程中进行差错控制的方法很多，比较常用的有检错重发、前向纠错等。检错重发ARQ，需要通信两端具有双向信道。优点是编译码器比较简单，纠错能力较强。但实时性较差。 本实验中使用CRC-16的检错重发控制.前向纠错FEC，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。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=3/43、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： (1） 受控接入:轮叫轮询，传递轮询；(2） 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，一种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。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。在信道共享技术中有两个和重要的参数：吞吐量S和网络负载G。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。四、实验组织运行要求:1、学生在进行实验前必须进行充分的预习,熟悉实验内容。2、学生严格遵守实验室的各项规章制度，注意人身和设备安全，配合和服从实验室人员管理。3、教师在学生实验过程中予以必要的辅导，独立完成实验.4、采用集中授课形式.五、实验条件:1、具有WINDOWS 98/2000/NT/XP操作系统的计算机 2台2、蓝牙模块SEMIT 6603 2台3、通信传输的有效性与可靠性分析模拟软件 1套4、1K字节的传输测试文件 1个六、实验步骤：1、硬件连接：关闭计算机和蓝牙模块电源，用2根串口线分别连接两台计算机和蓝牙模块SEMIT 6603的串口,将话筒和耳机插入蓝牙模块上对应插孔.将蓝牙模块的USB/串口选择开关打到串口上.检查无误后接通电源。2、信道利用率和帧长仿真测试：点击仿真1按钮,进入仿真界面，对多条通信链路的信道利用率和帧长关系进行仿真。各链路的参数按如下设置：链路1容量：4。8kb； 链路2容量: :48kb；误比特率：0.000001；卫星链路延时 ：350ms； 传播时延 ：50ms；控制信息长度 :48bits。观测仿真曲线，分析最佳帧长和信道利用率之间的关系。3、差错控制仿真点击仿真2按钮，进入仿真界面，对数据传输速率和采用的差错控制的关系进行仿真.观测在不同的信道误差情况下的仿真曲线，分析在高误码率和低误码率情况下，差错控制方式对传输速率的影响。4、传输速率测试在主界面上选择“测试窗口，在链路管理区中选择对应的测试模式和使用的端口，初始化设备。然后在速率测试区中填写测试参数:包长M，包的个数N，测试个数P设置不同包长、个数，观测传输速率的变化,在测试图下面的表格中观测发送数据量和时间数值。5、文件传输测试在测试界面中，设置信道误码率、信道编码方式（设置时请注意：CRC可查出一帧中的一个，两个和奇数个比特错误.线性分组码可纠正4字节中1比特错误）、最大重传次数和数据帧长（帧长大，传输快,但同时错误和重传的概率会提高）。选择要传输的文件。观测传输中的重传次数、传输时间.将传输过来的文件与原文件进行比较。七、思考题：1、在仿真2中，连续ARQ和停止等待协议的传送平均时间与差错率有什么关系,为什么 ?2、速率测试中，速率测试结果与帧长有什么关系，为什么.八、实验报告:1、报告中包含实验预习情况，包括实验内容、实验步骤等。2、画出信道利用率和帧长仿真和差错控制仿真实验中的仿真曲线。3、在实验中,你对思考题中问题的分析。实验三：语音传输实验学时：2学时实验类型：验证实验要求：必修一、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、理解语音传输与数据传输的异同.二、实验内容 对PCM线性编码、A律编码和CVSD编码进行仿真，观测量化波形和译码波形。用两台蓝牙设备建立ACL链路进行数据传输和SCO链路进行语音传输，理解两种链路传输的不同。三、实验原理、方法和手段1、脉冲编码调制 Pulse Coded ModulationPCM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.(1)抽样：f（t） = f(t） * s（t） 语音信号的频率f（t）：0。3KHZ 4KHZ 语音信号的采样频率s(t)：8KHZ（2）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）.（3）编码：采用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极性码：D8 抽样值为正 D8= 1 为负 D8 = 0段落码：抽样值所处区间分为8段段内码： 16 等分每段落2、连续可变斜率增量调制（Continuous Variable Slope Delta Modulation）连续可变斜率增量调制是对增量调制的改进.它的主要特点有：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的。CVSD的编码示意图如下：3、随机错误和突发错误 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.4、内部通话与数据传输的工作过程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 ConnectionLess）链路和SCO（Synchronous ConnectionOriented）链路。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。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。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.分组交换：在链路上采用动态复用技术传送分组，如X.25网络；电路交换:每次通信占用一条专用的物理链路，如 GSM 网络。四、实验组织运行要求1、学生在进行实验前必须进行充分的预习，熟悉实验内容。2、学生严格遵守实验室的各项规章制度，注意人身和设备安全，配合和服从实验室人员管理。3、教师在学生实验过程中予以必要的辅导，独立完成实验。4、采用集中授课形式。五、实验条件1、具有WINDOWS 98/2000/NT/XP操作系统的计算机 2台2、蓝牙模块SEMIT 6603 2台3、话筒 2只4、耳机 2只5、语音传输模拟软件 1套六、实验步骤1、PCM线性编码仿真： 点击程序中的“PCM（814位）线性编码”标签，进入线性PCM仿真界面，输入信号幅度、频率和编码的码长，观测原始信号和量化波形。输入随机错误的误码率和突发错误的1020位代码，观测加入错误后的译码波形，比较两种错误对线性PCM编码的影响.2、A律PCM编码仿真：点击程序中的“A律PCM编码（8位）”标签，进入A律PCM仿真界面,输入信号幅度、频率,观测原始信号和量化波形。输入随机错误的误码率和突发错误的1020位代码,观测加入错误后的译码波形，比较两种错误对A律PCM编码的影响.3、CVSD编码仿真点击程序中的“CVSD编码”标签，进入CVSD仿真界面，输入信号幅度、频率，观测原始信号和量化波形.输入随机错误的误码率和突发错误的1020位代码,观测加入错误后的译码波形,比较两种错误对CVSD编码的影响。4、语音传输的测试点击程序中的“传输测试”标签，进入语音传输的测试界面,选择使用的串口后，开始初始化设备，设备初始化后,在初始化按钮下方显示本设备地址。按“查询其他设备”按钮,按钮右边状态栏中显示查询到的其他设备地址.按“建立ACL连接”按钮，由主设备发起ACL建链请求，进入建立链路窗口.主设备要选择“对方设备地址和是否“允许身份切换后才能建立链接，从设备响应请求。如双方设备选择的身份不同，则链路建立成功，否则建链失败，需重新建立.在“传输数据按钮左边对话框中输入信息，点击“传输数据”,观测对方是否收到,测试ACL链路是否连接成功。按“建立SCO连接”按钮，由主设备发起SCO建链请求，从设备响应请求。双方通过耳机和话筒通话，测试SCO链路是否连接成功。七、思考题1、随机错误和突发错误的异同是什么？怎样将突发错误转换成随机错误？2、试定性地比较PCM和CVSD的性能.八、实验报告1、报告中包含实验预习情况，包括实验内容、实验步骤等.2、画出PCM编码、A律PCM线性编码和CVSD编码仿真中的量化波形和加入随机、突发错误后的译码波形.3、在实验中,你对思考题中问题的分析。17