目录实验一语音传输 (1)1.1实验简介 (1)1.2实验目的 (1)1.3实验器材 (1)1.4实验原理 (1)1.4.1脉冲编码调制 (2)1.4.2连续可变斜率增量调制 (3)1.4.3随机错误和突发错误 (4)1.4.4内部通话与数据传输的工作过程 (4)1.5实验内容 (5)1.6实验结果及数据分析 (6)1.6.1三种调制方式在相同参数下的量化编码 (6)1.6.2相同参数下的波形 (6)1.6.3不同频率相同随机错误与突发错误的波形 (8)1.6.4蓝牙建立和断开语音链路的过程 (10)1.6.5自己进行A律PCM和CVSD的编程程序 (11)1.7实验思考题 (13)实验二数字基带仿真 (14)2.1实验简介 (14)2.2实验目的 (14)2.3实验器材 (14)2.4实验原理 (14)2.4.1差错控制的基本原理 (14)2.4.2跳频扩频的基本原理 (15)2.4.3保密通信原理 (15)2.5实验内容及结果分析 (16)2.5.1蓝牙基带包的差错控制技术实验 (16)2.5.2蓝牙系统的跳频实验 (19)2.5.3数据流的加密与解密实验 (20)2.5.4编程实验 (23)2.6思考题 (26)实验三通信传输的有效性与可靠性分析 (28)3.1实验简介 (28)3.2实验目的 (28)3.3实验器材 (28)3.4实验原理 (28)3.5实验内容及结果分析 (29)3.6思考题 (35)实验四无线多点组网 (37)4.1实验简介 (37)4.2实验目的 (37)4.3实验器材 (37)4.4实验原理 (37)4.4.1通信网络拓扑结构 (37)4.4.2路由技术及组播和广播 (38)4.4.3Ad hoc网络 (38)4.5实验内容及结果分析 (39)4.6思考题 (41)参考文献 (42)实验一语音传输1.1实验简介本实验软件主要对蓝牙语音编码技术和通信网络中的语音传输传输过程进行介绍。
学生利用本软件及蓝牙设备组建点对点式无线连接，可以观察理解三种编码方式及原理、ACL和SCO链路的建立、ACL和SCO数据包传输的区别。
本实验需要操作者具有采样、量化、编码等相关背景知识。
本实验关于蓝牙设备的链路连接的理论可以作为本实验平台的其他实验的预备知识。
1.2实验目的本实验通过软件模拟蓝牙语音编码技术和通信网络中的语音传输过程，主要是为了实现以下目的：（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。
1.3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：Windows 2000或Windows 操作系统，TTP局域网语音传输实验软件。
1.4实验原理本次实验中包括脉冲编码调制（线性、A律PCM）原理、连续可变斜率增量（CVSD）调制原理、随机错误和突发错误、内部通话与数据传输的工作过程等实验原理。
1.4.1脉冲编码调制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。
通常PCM 分为抽样、量化、编码三个步骤。
抽样过程为()()()F t f t s t =*,其中()s t 为抽样函数。
语音信号的频率为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的两倍，故语音信号的采样频率为8KHZ 。
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。
量化过程中存在一定的量化误差， 量化误差为实际信号与量化信号的差值。
为了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 。
通常，量化又分为均匀量化和非均匀量化。
把输入信号的取值按等距离分割的量化为均匀量化，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的不同而变化的量化。
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，为了克服这个缺点，改善小信号时的信号量噪比，在实际应用中采用非均匀量化 。
非均匀量化中，广泛采用的是A 律 或 µ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位的折叠二进制码，码位安排如下表所示：表1 码位安排D8D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 极性码段落码 段内码当抽样值为正时，极性码D8=1，为负时，D8=0。
段落码为抽样值所处的区间，分为8段，段内码16等分每个段落。
1.4.2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2。
CVSD编码擅长调整。
CVSD编码器的输入是每秒64K采样值的线性PCM，量化级数为16处理丢失和被损坏的语音采样，即使比特错误率达到4%，但CVSD编码的语音还是可听的。
图2 CVSD编码示意图图3 CVSD编码方框图图4 CVSD解码方框图图5 累加器工作原理框图1.4.3随机错误和突发错误随机错误是指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。
它一般是由信道的加性随机噪声引起的。
突发错误是指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。
一般地，在突发错误图样中存在：收码=发码+错误图样；而突发长度11,b b t t b =+=(1b 是1的个数，t 是0的个数)。
1.4.4内部通话与数据传输的工作过程对于内部通话与数据传输的工作过程的工作原理涉及到三方面的内容：ACL 链路和SCO 链路、蓝牙设备的身份切换、内部通话与数据传输的工作过程1.3.4.1 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 链路中，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 链路是指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。
X.25网络中采用分组交换，在链路上采用动态复用技术传送分组 ，GSM 网络采用电路交换，每次通信占用一条专用的物理链路。
SCO 链路只在规定的时隙传送话音，即占用固定时隙，而A 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。
一般情况可以认为，ACL 链路是分组交换，SCO 链路是电路交换。
1.3.4.2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(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。
图6 蓝牙设备身份切换过程需要提及的是，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。
1.3.4.3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1.5实验内容1. 脉冲编码调制（线性、A律PCM）。
2. 连续可变斜律增量（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. 编程实验：在Visual C＋＋环境中，根据A律PCM和CVSD的编码原理和实验中已给出的程序，试完成其余的程序。
程序执行结果与实验所得数据是否相符。
1.6实验结果及数据分析1.6.1三种调制方式在相同参数下的量化编码图7.相同参数下的量化编码1.6.2相同参数下的波形图8 线性调制图9 A律PCM调制图10 CVSD调制从图8、图9、图10可以明显的看出，在相同的随机错误和突发错误下，CVSD的译码效果最好，其次是A律PCM，最后是线性PCM。
1.6.3不同频率相同随机错误与突发错误的波形图11 线性调制（频率为0.5k）图12 线性调制（频率为1k）从图11和12可以看出，当频率增大时，量化误差增大，相应的误码率也会增大。
图13 A律PCM调制（频率为0.5k）图14 A律PCM调制（频率为1k）由结果可以看出，和线性调制类似，频率变大后量化误差会变大，译码后的波形相对来说误差会变的更大。
图15 CVSD调制（频率为0.5k）图16 CVSD调制（频率为1k）对于CVSD的仿真结果，我们可以看出，量化误差基本不随着频率的改变而改变，因而其译码后的波形误差相对也比较小。
通过上述六幅图的比较可以看出，在相同随机错误和突发错误误码率，不同频率的条件下，三种调制方式中仍然是CVSD的性能最好，A律PCM次之，线性调制效果最差。
1.6.4蓝牙建立和断开语音链路的过程图17蓝牙传输过程从图中可验证，SCO链路占用占固定的时隙，ACL链路的时隙是任意的。
当没有SCO链路时，ACL链路时隙是任意的；而当有SCO链路时，ACL链路只能使用除了SCO链路之外的时隙。
1.6.5自己进行A律PCM和CVSD的编程程序1.6.5.1 A律PCM编译码程序流程图如图18所示：编码译码图18 A律PCM编译码流程图1.6.5.2CVSD编译码程序流程图如图19所示：（a）编码(b) 译码图19 CVSD编译码流程图1.7实验思考题1、实际应用中通常采用非均匀量化，而不是均匀量化，为什么？答：非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。
对于信号取值小的区间，其量化间隔也小；反之，量化间隔就大。