实验指导书(新版)_现代通信技术

《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月江苏科技大学电子信息学院现代通信技术实验指导书2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。江苏科技大学电子信息学院现代通信技术实验指导书3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江苏科技大学电子信息学院现代通信技术实验指导书4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、江苏科技大学电子信息学院现代通信技术实验指导书5941HZ四个频率为低频组；1209、1336、1477、1633Hz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江苏科技大学电子信息学院现代通信技术实验指导书6DBM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WINDOWS98/2000/NT/XP操作系统的计算机2台2、蓝牙模块SEMIT66032台3、话筒2只4、耳机2只江苏科技大学电子信息学院现代通信技术实验指导书75、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SEMIT6603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。江苏科技大学电子信息学院现代通信技术实验指导书8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λmax,λmax=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)1/()1(1pttippttTiTiTAV江苏科技大学电子信息学院现代通信技术实验指导书9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。江苏科技大学电子信息学院现代通信技术实验指导书10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