基于微功率无线传输的通信技术教学实验装置及方法
专利名称：基于微功率无线传输的通信技术教学实验装置及方法
技术领域：
本教学实验装置及方法主要应用于通信技术实验课程。涉及短距离无线通信技术的教学实验装置及方法。
IT业对人才的巨大需求直接引发了高校IT相关专业的扩招，在通信技术日新月异的今天，如何让实验者在校期间有机会接触一些前沿技术并开展实际的工程设计和研发训练，提高实验者就业的竞争力，是高校教学改革的重要内容之一。然而目前的通信技术实验设备已显现出以下不足技术陈旧(多为有线实验设备，对于无线通信技术一般只能以软件仿真的形式学习)，不利于实验者对新技术的了解；可参与性差(多为演示或验证性实验，不可延伸为研发平台)，不利于实验者创新能力的培养；不涉及网络概念(而现代通信技术与网络密切相关，相辅相成)，不利于实验者从系统级、网络级上把握通信技术；以及软硬件实验分离、通信设备与计算机分离等等。陈旧、不具拓展性的通信实验设备已成为培养新型通信技术人才的一大障碍。
因此，如何将现有的微功率无线通信技术与教学实验相结合，整改通信技术实验内容，切实提高其对通信人才培养的效用，将具有重要的现实意义。
三、技术内容1、技术问题鉴于目前通信技术实验设备存在的上述问题，本发明的目的是提供一种与微机系统紧密结合、可参与性强、具备研发拓展性的基于微功率无线传输的通信技术教学实验装置及方法。
2、技术方案该装置包括蓝牙模块、PCM编解码电路、电平转换电路、电源、天线、串行接口、USB接口、耳机/麦克风，其中以蓝牙模块为中心，其天线端接天线、其RS232口接电平转换电路、其USB端接USB接口、其PCM码流端接PCM编解码电路；PCM编解码电路的模拟语音输出端接耳机/麦克风；电平转换电路还与串行接口相接；蓝牙模块即集成电路“U17”的天线端“ANT”接天线，集成电路“U17”的“TXD、CTS、RXD、RTS”端即RS232口接电平转换电路即集成电路“U3”的“T1IN、T2IN、Tlout、T2out”端；集成电路“U17”的“D-、D+”端，接USB接口，集成电路“U17”的“PCM-IN、PCM-Clk、PCM-out”端接PCM编解码电路即集成电路“U12”的“PCMR1、BCLKA、PCMSO”端，PCM编解码器即集成电路“U12”的“Aout”端接耳机/麦克风；该实验方法以蓝牙硬件模块及蓝牙管理模块构成，进行服务发现实验、语音传输实验、数据传输实验、通信传输的有效性与可靠性分析实验，蓝牙硬件模块中的基带通过内部总线接蓝牙射频，通过RS232/USB端口接管理模块的主机控制接口，通过链路管理器与主机控制接口相接，通过PCM码流端接语音输入输出模块；蓝牙管理模块的最上层为实验应用程序，该程序调用下层的管理实体、虚拟操作系统、逻辑链路控制与适配协议、服务发现协议、射频串口仿真协议所提供的接口；最后通过主机控制接口与蓝牙硬件模块相连接。
服务发现实验的方法分服务器端和客户机端两条路径同时进行。服务器端的操作流程为1)连接硬件设备；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)服务端注册服务，即注册服务类型、服务属性、相关参数，注册完后可以返回进行修改和添加服务，直至完全注册完毕；在客户机端1)连接硬件设备；2)驱动硬模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)查询设备、与服务器端模块建链；4)客户端按以下两种方式进行服务发现以浏览方式查询发现、以特定方式查询发现，如果没有查询到，则返回重新发现服务；5)与服务器端模块断链；6)结束。
语音传输实验的步骤分为A、B两路同时进行，其中A路的步骤是1)连接硬件设备；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；
3)进行线性PCM仿真、A律PCM仿真、CVSD仿真；4)查询设备，与B端模块建ACL链；5)数据传输；6)建立面向连接的同步链路SCO；7)数据语音传输；8)断链(先断SCO，后断ACL)；9)结束；10)B路的步骤与A路一致，不同之处仅在A路进行查询设备、与B端模块建ACL链时，B路此处为被动建立ACL链。
数据传输实验的步骤分为A、B两路进行，其中A路的步骤为1)连接硬件设备；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)查询设备、与B端模块建ACL链；4)第一，面向连接服务，进行文字聊天、文件传输，第二，面向非连接服务，进行广播组播消息；5)断ACL链路；6)结束；7)B路的步骤与A路一样，不同之处仅在当A路查询设备、与B端模块建ACL链处，B路此处为被动建立ACL链；在进行面向连接服务和面向非连接服务时，可以改变会话层的MRU(Max-Received-Unit)，观察统计信息和会话层状态转移图。
通信传输的有效性与可靠性分析的实验中，对两台计算机进行直接连接的速率测试步骤为1)用RS232串口线将两台计算机直接连接，初始化实验程序；2)设定发送的包长、包数、以及测试个数；3)观察发送数据量与传输时间的关系，计算具体数值关系；4)结束。
分别用RS232口和USB口连接计算机和蓝牙模块进行速率测试的步骤分为A、B两路进行，其中A路为1)用RS232或USB连接计算机与蓝牙模块；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)查询设备、与B端模块建ACL链；4)设定发送的包长、包数、以及测试个数；5)观察发送数据量与传输时间的关系，计算具体数值结果，增加金属障碍物，返回步骤4重新设定参数；6)折ACL链路；7)结束；B路的步骤为1)用RS232或USB连接计算机与蓝牙模块；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)被动建立ACL链；4)等待；5)折ACL链路；6)结束。
文件传输的实验分A、B两路进行，其中A路的步骤为1)A、B端已建立ACL链路。
2)设置误码率、传输的文件名、信道编码方式、数据帧长、最大重传次数等参数，发送文件；3)观察传输文件所消耗的时间以及重传次数，返回步骤2重设参数；4)折ACL链路；5)结束；B路的步骤为1)A、B端已建立ACL链路；2)观察接收文件的错误比特数；3)折ACL链路；4)结束。
3、技术效果1)本发明将蓝牙这一无线传输技术应用到通信教学实验领域，以蓝牙无线接入技术作为教学示范，让实验者切实接触前沿技术，深入实际无线通信系统(网络)。
2)本发明采用的蓝牙技术已经迅速成长为IT业界最炙手可热的一项国际标准技术。它具有ad hoc网络的典型特征，具有广阔的发展前景。
3)蓝牙技术是微功率的无线传输技术，长期接触对人体无任何伤害。
4)与其它无线技术相比，蓝牙技术具有成本低廉的优点。本发明以蓝牙技术为物理平台，减少了开发成本。
5)本发明的实物体积小，易于携带，有别于其它通信教学实验平台。
6)本发明具有不断开发新实验内容的潜力，并可以延伸为研发平台。
四
图1是本发明装置的结构框图。其中有蓝牙模块1、PCM编解码电路2、电平转换电路3、电源4、天线5、串行接口6、USB接口7、耳机/麦克风8。
图2是本发明核心组件的总体结构示意图。其中有蓝牙硬件模块20、蓝牙射频201、基带202、链路管理器203、语音输入输出模块204。蓝牙管理模块21、主机控制接口/传输层211、管理实体212、虚拟操作系统213、逻辑链路控制与适配协议214、射频串口仿真协议215、服务发现协议216、实验应用程序217。
图3是本发明服务发现实验的流程图。
图4是本发明语音传输实验的流程图。
图5是本发明语音传输实验中，实验者编程模块示意图。
图6是本发明数据传输实验的流程图。
图7是本发明两台计算机直接连接速率测试流程图。
图8是本发明分别用RS232和USB连接计算机和蓝牙模块的速率测试流程图。
图9是本发明文件传输流程图。
图10是本发明装置的线路图。
五具体实施例方式该装置包括蓝牙模块1、PCM编解码电路2、电平转换电路3、电源4、天线5、串行接口6、USB接口7、耳机/麦克风8，其中以蓝牙模块1为中心，其天线端接天线5、其RS232口接电平转换电路3、其USB端接USB接口7、其PCM码流端接PCM编解码电路2；PCM编解码电路2的模拟语音输出端接耳机/麦克风8；电平转换电路3还与串行接口6相接。
蓝牙模块1即集成电路“U17”的天线端“ANT”接天线5，集成电路“U17”的“TXD、CTS、RXD、RTS”端即RS232口接电平转换电路3即集成电路“U3”的“T1IN、T2IN、T1out、T2out”端；集成电路“U17”的“D-、D+”端，接USB接口7，集成电路“U17”的“PCM-IN、PCM-Clk、PCM-out”端接PCM编解码电路2即集成电路“U12”的“PCMR1、BCLKA、PCMSO”端，PCM编解码器即集成电路“U12”的“Aout”端接耳机/麦克风8。
图1所示实验装置(硬件电路模块)的具体实现如下所述。蓝牙模块采用爱立信的Rok_007型号蓝牙模块，该模块的发射功率为0dbm，有效传输距离为10米。PCM编解码器的型号为OKI7540L，该编解码器将来自麦克风的模拟语音转化成PCM码流，并与蓝牙模块的PCM接口相连，同时将蓝牙模块传来的PCM码流转换成模拟语音送至耳机话筒。蓝牙模块与计算机RS232串口或USB端口的连接切换由一个开关控制。MAXIM3232完成RS232电平与TTL电平之间的相互转换。该实验装置提供与计算机的USB、RS-232连接方式，以及语音输入输出端口。
本发明以自主研制的蓝牙协议栈为主要技术支撑，提出将蓝牙技术作为通信实验系统的主要物理平台，以使实验者更快更好地建立通信技术系统级、网络级的概念，提高实际研发能力。
蓝牙管理模块包含蓝牙的基本核心协议(符合蓝牙SIG的蓝牙规范v1.1)逻辑链路控制及适配协议(L2CAP)、服务发现协议(SDP)、射频串口仿真协议(RFCOMM)以及用于处理和管理链路的管理实体(ME)。该管理模块以应用程序扩展的方式向上提供动态链接库(DLL)，需要运行在操作系统为Windows2000的计算机上。使用图2所示的蓝牙硬件/管理模块可以进行蓝牙高层应用程序的开发，实现查询附近设备、服务发现、语音和数据传输等功能。
以图1描述的硬件电路模块为实体核心，以自主研制的蓝牙协议栈为主要技术支撑，结合多年一线教学实践经验，我们研制开发了基于蓝牙无线传输技术的通信技术教学实验方法。本方法包含以下4个实验服务发现实验、语音传输实验、数据传输实验以及通信传输的有效性与可靠性分析实验。上述每个实验都体现了系统级、网络级的现代通信技术新概念。下面详细介绍4个实验的开发目的及实验设计流程。
1)服务发现实验开发目的在一个以网络为中心的计算环境中，寻找和使用一个网络中的服务越来越重要。同时，客户机—服务器模式是大多数网络通信的基础。通过客户机和服务器相连，以实现数据和应用的共享，并利用服务器的处理能力将数据和应用分布到多个客户机上。而蓝牙服务发现协议是典型的客户机—服务器模型。通过本实验，可以使实验者了解服务发现功能在通信网络中的必要性及其实现流程。
设计流程见图3。本实验由二人协作完成，分别操作服务器和客户机的服务发现流程。
服务发现实验的方法分服务器端和客户机端两条路径同时进行。服务器端的操作流程为1)连接硬件设备；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)服务端注册服务，即注册服务类型、服务属性、相关参数，注册完后可以返回进行修改和添加服务，直至完全注册完毕；在客户机端1)连接硬件设备；
2)驱动硬模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)查询设备、与服务器端模块建链；4)客户端按以下两种方式进行服务发现以浏览方式查询发现、以特定方式查询发现，如果没有查询到，则返回重新发现服务；5)与服务器端模块断链；6)结束。
2)语音传输实验开发目的语音传输是日常生活中极普遍的通信技术(尤其是移动通信技术)应用之一，同时，多种语音编解码方式是通信原理的重要内容之一。应用图1所示硬件电路模块提供的语音输入输出功能，我们开发了语音传输实验。实验者通过实践无线网络的语音传输实验，得以深入理解语音传输相关概念以及不同编码方式的优劣。
设计流程见图4。本实验由二人协作完成。
语音传输实验的步骤分为A、B两路同时进行，其中A路的步骤是1)连接硬件设备；2)驱动硬件模块、初始化传输层、启动应用程序；3)进行线性PCM仿真、A律PCM仿真、CVSD仿真；4)查询设备，与B端模块建ACL链；5)数据传输；6)建立面向连接的同步链路SCO；7)数据语音传输；8)断链(先断SCO，后断ACL)；9)结束；10)B路的步骤与A路一致，不同之处仅在A路进行查询设备、与B端模块建ACL链时，B路此处为被动建立ACL链。
3)数据传输实验开发目的非语音的数据传输过程包含着许多重要的通信理论基础概念。例如协议分层概念；上下层和对等层概念；物理信道与逻辑信道概念等。与上一实验对应，开发的本数据传输实验将会使实验者对数据传输过程中涉及的相应知识点有深入的理解。并通过自行编程设计，将具备层间接口设计的具体经验。
设计流程见图6。本实验由二人协作完成。
数据传输实验的步骤分为A、B两路进行，其中A路的步骤为1)连接硬件设备；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；
3)查询设备、与B端模块建ACL链；4)第一，面向连接服务，进行文字聊天、文件传输，第二，面向非连接服务，进行广播组播消息；5)断ACL链路；6)结束；4)通信传输的有效性与可靠性分析开发目的通信的有效性与可靠性是衡量通信系统的重要指标，其与流量控制、传输速率、差错控制以及共享信道技术密切相关。分析通信系统都需要定量地分析该系统的有效性和可靠性；设计实际通信系统都需要在通信的有效性与可靠性之间折衷。通过分析通信传输的有效性与可靠性，实验者能从全局角度分析通信系统，评价系统的性能优劣。
设计内容(本实验由二人协作完成)1)性能仿真●连续ARQ和停止等待协议的差错率和帧传送平均延时的关系；●陆地和卫星通信信道环境中，各种参数下最佳帧长和信道利用率的关系；●共享信道技术、网络负载和吞吐量之间的关系。
2)速率测试对两台计算机分别如下连接进行速率测试两台计算机直接用RS232串口线连接；两台计算机都用USB连接蓝牙设备；两台计算机都用RS232串口线连接蓝牙设备。如上连接后，一方进行查询和建链，另一方等待。建立物理连接后，开始速度测试。实验流程图见图7、图8。
通信传输的有效性与可靠性分析的实验中，对两台计算机进行直接连接的速率测试步骤为1)用RS232串口线将两台计算机直接连接，初始化实验程序；2)设定发送的包长、包数、以及测试个数；3)观察发送数据量与传输时间的关系，计算具体数值关系；4)结束。
分别用RS232口和USB口连接计算机和蓝牙模块进行速率测试的步骤分为A、B两路进行，其中A路为1)用RS232或USB连接计算机与蓝牙模块；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)查询设备、与B端模块建ACL链；4)设定发送的包长、包数、以及测试个数；5)观察发送数据量与传输时间的关系，计算具体数值结果，增加金属障碍物，返回步骤4重新设定参数；6)折ACL链路；7)结束；B路的步骤为1)用RS232或USB连接计算机与蓝牙模块；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)被动建立ACL链路；4)等待；5)折ACL链路；6)结束。
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。包长M(字节)是一次发到蓝牙模块的数据帧长，每发送N个向上报一次数据采样值。一共报P个值。观察发送数据量与时间的关系，并根据相关公式计算得到定量结果。改变两个蓝牙模块之间的距离，增加信道上的金属障碍物，改变帧(包)长，观察对测试速率的影响。
3)文件传输如2)所述建立物理连接后，发送方设置如下参数误码率、传输的文件名、选择信道编码方式、数据帧长、最大重传次数。
发送方程序会记录传输该文件所消耗的时间，重传次数。
接收方程序会记录接收到文件的错误比特数。实验流程图见图9。
文件传输的实验分A、B两路进行，其中A路的步骤为1)A、B端已建立ACL链路。
2)设置误码率、传输的文件名、信道编码方式、数据帧长、最大重传次数等参数，发送文件；3)观察传输文件所消耗的时间以及重传次数，返回步骤2重设参数；4)折ACL链路；5)结束；B路的步骤为1)A、B端已建立ACL链路；2)观察接收文件的错误比特数；3)折ACL链路；4)结束。
权利要求
1.一种基于微功率无线传输的通信技术教学实验装置，其特征在于该装置包括蓝牙模块(1)、PCM编解码电路(2)、电平转换电路(3)、电源(4)、天线(5)、串行接口(6)、USB接口(7)、耳机/麦克风(8)，其中以蓝牙模块(1)为中心，其天线端接天线(5)、其RS232口接电平转换电路(3)、其USB端接USB接口(7)、其PCM码流端接PCM编解码电路(2)；PCM编解码电路(2)的模拟语音输出端接耳机/麦克风(8)；电平转换电路(3)还与串行接口(6)相接。
2.根据权利要求1所述的基于微功率无线传输的通信技术教学实验装置，其特征在于蓝牙模块(1)即集成电路“U17”的天线端“ANT”接天线(5)，集成电路“U17”的“TXD、CTS、RXD、RTS”端即RS232口接电平转换电路(3)即集成电路“U3”的“T1IN、T2IN、Tlout、T2out”端；集成电路“U17”的“D_、D+”端，接USB接口(7)，集成电路“U17”的“PCM-IN、PCM-Clk、PCM-out”端接PCM编解码电路(2)即集成电路“U12”的“PCMR1、BCLKA、PCMSO”端，PCM编解码器即集成电路“U12”的“Aout”端接耳机/麦克风(8)。
3.一种适用于权利要求1所述的基于微功率无线传输的通信技术教学实验方法，其特征在于该实验方法以蓝牙硬件模块(20)及蓝牙管理模块(21)构成，进行服务发现实验、语音传输实验、数据传输实验、通信传输的有效性与可靠性分析实验，蓝牙硬件模块(20)中的基带(202)通过内部总线接蓝牙射频(201)，通过RS232/USB端口接管理模块(21)的主机控制接口(211)，通过链路管理器(203)与主机控制接口(211)相接，通过PCM码流端接语音输入输出模块(204)；蓝牙管理模块(21)的最上层为实验应用程序(217)，该程序调用下层的管理实体(212)、虚拟操作系统(213)、逻辑链路控制与适配协议(214)、服务发现协议(216)、射频串口仿真协议(215)所提供的接口；最后通过主机控制接口(211)与蓝牙硬件模块(20)相连接。
4.根据权利要求3所述的基于微功率无线传输的通信技术教学实验方法，其特征在于服务发现实验的方法分服务器端和客户机端两条路径同时进行。服务器端的操作流程为1)连接硬件设备；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)服务端注册服务，即注册服务类型、服务属性、相关参数，注册完后可以返回进行修改和添加服务，直至完全注册完毕；在客户机端1)连接硬件设备；2)驱动硬模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)查询设备、与服务器端模块建链；4)客户端按以下两种方式进行服务发现以浏览方式查询发现、以特定方式查询发现，如果没有查询到，则返回重新发现服务；5)与服务器端模块断链；6)结束。
5.根据权利要求3所述的基于微功率无线传输的通信技术教学实验方法，其特征在于语音传输实验的步骤分为A、B两路同时进行，其中A路的步骤是1)连接硬件设备；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)进行线性PCM仿真、A律PCM仿真、CVSD仿真；4)查询设备，与B端模块建ACL链；5)数据传输；6)建立面向连接的同步链路SCO；7)数据语音传输；8)断链(先断SCO，后断ACL)；9)结束；10)B路的步骤与A路一致，不同之处仅在A路进行查询设备、与B端模块建ACL链时，B路此处为被动建立ACL链。
6.根据权利要求3所述的基于微功率无线传输的通信技术教学实验方法，其特征在于数据传输实验的步骤分为A、B两路进行，其中A路的步骤为1)连接硬件设备；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)查询设备、与B端模块建ACL链；4)第一，面向连接服务，进行文字聊天、文件传输，第二，面向非连接服务，进行广播组播消息；5)断ACL链路；6)结束；7)B路的步骤与A路一样，不同之处仅在当A路查询设备、与B端模块建ACL链处，B路此处为被动建立ACL链；在进行面向连接服务和面向非连接服务时，可以改变会话层的MRU，观察统计信息和会话层状态转移图。
7.根据权利要求3所述的基于微功率无线传输的通信技术教学实验方法，其特征在于通信传输的有效性与可靠性分析的实验中，对两台计算机进行直接连接的速率测试步骤为1)用RS232串口线将两台计算机直接连接，初始化实验程序；2)设定发送的包长、包数、以及测试个数；3)观察发送数据量与传输时间的关系，计算具体数值关系；4)结束。
8.根据权利要求3所述的基于微功率无线传输的通信技术教学实验方法，其特征在于分别用RS232口和USB口连接计算机和蓝牙模块进行速率测试的步骤分为A、B两路进行，其中A路为1)用RS232或USB连接计算机与蓝牙模块；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)查询设备、与B端模块建ACL链；4)设定发送的包长、包数、以及测试个数；5)观察发送数据量与传输时间的关系，计算具体数值结果，增加金属障碍物，返回步骤4重新设定参数；6)折ACL链路；7)结束；B路的步骤为1)用RS232或USB连接计算机与蓝牙模块；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)被动建立ACL链；4)等待；5)折ACL链路；6)结束。
9.根据权利要求3所述的基于微功率无线传输的通信技术教学实验方法，其特征在于文件传输的实验分A、B两路进行，其中A路的步骤为1)A、B端已建立ACL链路。2)设置误码率、传输的文件名、信道编码方式、数据帧长、最大重传次数等参数，发送文件；3)观察传输文件所消耗的时间以及重传次数，返回步骤2重设参数；4)折ACL链路；5)结束；B路的步骤为1)A、B端已建立ACL链路；2)观察接收文件的错误比特数；3)折ACL链路；4)结束。
全文摘要
基于微功率无线传输的通信技术教学实验方法及装置主要应用于通信技术实验课程，涉及短距离无线通信技术的教学实验装置及方法。该装置包括蓝牙模块1、PCM编解码电路2、电平转换电路3、电源4、天线5、串行接口6、USB接口7、耳机/麦克风8，其中以蓝牙模块1为中心，其天线端接天线5、其RS232口接电平转换电路3、其USB端接USB接口7、其PCM码流端接PCM编解码电路2；PCM编解码电路2的模拟语音输出端接耳机/麦克风8；电平转换电路3还与串行接口6相接。本发明具有与微机系统紧密结合、可参与性强、具备研发拓展性的方法及装置。
文档编号G09B25/00GK1431637SQ03112
公开日2003年7月23日 申请日期2003年1月24日 优先权日2003年1月24日
发明者徐平平, 宋铁成, 沈连丰, 肖婕, 鲍淑娣 申请人:东南大学, 南京东大移动互联技术有限公司
技术领域：
本教学实验装置及方法主要应用于通信技术实验课程。涉及短距离无线通信技术的教学实验装置及方法。
IT业对人才的巨大需求直接引发了高校IT相关专业的扩招，在通信技术日新月异的今天，如何让实验者在校期间有机会接触一些前沿技术并开展实际的工程设计和研发训练，提高实验者就业的竞争力，是高校教学改革的重要内容之一。然而目前的通信技术实验设备已显现出以下不足技术陈旧(多为有线实验设备，对于无线通信技术一般只能以软件仿真的形式学习)，不利于实验者对新技术的了解；可参与性差(多为演示或验证性实验，不可延伸为研发平台)，不利于实验者创新能力的培养；不涉及网络概念(而现代通信技术与网络密切相关，相辅相成)，不利于实验者从系统级、网络级上把握通信技术；以及软硬件实验分离、通信设备与计算机分离等等。陈旧、不具拓展性的通信实验设备已成为培养新型通信技术人才的一大障碍。
因此，如何将现有的微功率无线通信技术与教学实验相结合，整改通信技术实验内容，切实提高其对通信人才培养的效用，将具有重要的现实意义。
三、技术内容1、技术问题鉴于目前通信技术实验设备存在的上述问题，本发明的目的是提供一种与微机系统紧密结合、可参与性强、具备研发拓展性的基于微功率无线传输的通信技术教学实验装置及方法。
2、技术方案该装置包括蓝牙模块、PCM编解码电路、电平转换电路、电源、天线、串行接口、USB接口、耳机/麦克风，其中以蓝牙模块为中心，其天线端接天线、其RS232口接电平转换电路、其USB端接USB接口、其PCM码流端接PCM编解码电路；PCM编解码电路的模拟语音输出端接耳机/麦克风；电平转换电路还与串行接口相接；蓝牙模块即集成电路“U17”的天线端“ANT”接天线，集成电路“U17”的“TXD、CTS、RXD、RTS”端即RS232口接电平转换电路即集成电路“U3”的“T1IN、T2IN、Tlout、T2out”端；集成电路“U17”的“D-、D+”端，接USB接口，集成电路“U17”的“PCM-IN、PCM-Clk、PCM-out”端接PCM编解码电路即集成电路“U12”的“PCMR1、BCLKA、PCMSO”端，PCM编解码器即集成电路“U12”的“Aout”端接耳机/麦克风；该实验方法以蓝牙硬件模块及蓝牙管理模块构成，进行服务发现实验、语音传输实验、数据传输实验、通信传输的有效性与可靠性分析实验，蓝牙硬件模块中的基带通过内部总线接蓝牙射频，通过RS232/USB端口接管理模块的主机控制接口，通过链路管理器与主机控制接口相接，通过PCM码流端接语音输入输出模块；蓝牙管理模块的最上层为实验应用程序，该程序调用下层的管理实体、虚拟操作系统、逻辑链路控制与适配协议、服务发现协议、射频串口仿真协议所提供的接口；最后通过主机控制接口与蓝牙硬件模块相连接。
服务发现实验的方法分服务器端和客户机端两条路径同时进行。服务器端的操作流程为1)连接硬件设备；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)服务端注册服务，即注册服务类型、服务属性、相关参数，注册完后可以返回进行修改和添加服务，直至完全注册完毕；在客户机端1)连接硬件设备；2)驱动硬模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)查询设备、与服务器端模块建链；4)客户端按以下两种方式进行服务发现以浏览方式查询发现、以特定方式查询发现，如果没有查询到，则返回重新发现服务；5)与服务器端模块断链；6)结束。
语音传输实验的步骤分为A、B两路同时进行，其中A路的步骤是1)连接硬件设备；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；
3)进行线性PCM仿真、A律PCM仿真、CVSD仿真；4)查询设备，与B端模块建ACL链；5)数据传输；6)建立面向连接的同步链路SCO；7)数据语音传输；8)断链(先断SCO，后断ACL)；9)结束；10)B路的步骤与A路一致，不同之处仅在A路进行查询设备、与B端模块建ACL链时，B路此处为被动建立ACL链。
数据传输实验的步骤分为A、B两路进行，其中A路的步骤为1)连接硬件设备；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)查询设备、与B端模块建ACL链；4)第一，面向连接服务，进行文字聊天、文件传输，第二，面向非连接服务，进行广播组播消息；5)断ACL链路；6)结束；7)B路的步骤与A路一样，不同之处仅在当A路查询设备、与B端模块建ACL链处，B路此处为被动建立ACL链；在进行面向连接服务和面向非连接服务时，可以改变会话层的MRU(Max-Received-Unit)，观察统计信息和会话层状态转移图。
通信传输的有效性与可靠性分析的实验中，对两台计算机进行直接连接的速率测试步骤为1)用RS232串口线将两台计算机直接连接，初始化实验程序；2)设定发送的包长、包数、以及测试个数；3)观察发送数据量与传输时间的关系，计算具体数值关系；4)结束。
分别用RS232口和USB口连接计算机和蓝牙模块进行速率测试的步骤分为A、B两路进行，其中A路为1)用RS232或USB连接计算机与蓝牙模块；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)查询设备、与B端模块建ACL链；4)设定发送的包长、包数、以及测试个数；5)观察发送数据量与传输时间的关系，计算具体数值结果，增加金属障碍物，返回步骤4重新设定参数；6)折ACL链路；7)结束；B路的步骤为1)用RS232或USB连接计算机与蓝牙模块；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)被动建立ACL链；4)等待；5)折ACL链路；6)结束。
文件传输的实验分A、B两路进行，其中A路的步骤为1)A、B端已建立ACL链路。
2)设置误码率、传输的文件名、信道编码方式、数据帧长、最大重传次数等参数，发送文件；3)观察传输文件所消耗的时间以及重传次数，返回步骤2重设参数；4)折ACL链路；5)结束；B路的步骤为1)A、B端已建立ACL链路；2)观察接收文件的错误比特数；3)折ACL链路；4)结束。
3、技术效果1)本发明将蓝牙这一无线传输技术应用到通信教学实验领域，以蓝牙无线接入技术作为教学示范，让实验者切实接触前沿技术，深入实际无线通信系统(网络)。
2)本发明采用的蓝牙技术已经迅速成长为IT业界最炙手可热的一项国际标准技术。它具有ad hoc网络的典型特征，具有广阔的发展前景。
3)蓝牙技术是微功率的无线传输技术，长期接触对人体无任何伤害。
4)与其它无线技术相比，蓝牙技术具有成本低廉的优点。本发明以蓝牙技术为物理平台，减少了开发成本。
5)本发明的实物体积小，易于携带，有别于其它通信教学实验平台。
6)本发明具有不断开发新实验内容的潜力，并可以延伸为研发平台。
四
图1是本发明装置的结构框图。其中有蓝牙模块1、PCM编解码电路2、电平转换电路3、电源4、天线5、串行接口6、USB接口7、耳机/麦克风8。
图2是本发明核心组件的总体结构示意图。其中有蓝牙硬件模块20、蓝牙射频201、基带202、链路管理器203、语音输入输出模块204。蓝牙管理模块21、主机控制接口/传输层211、管理实体212、虚拟操作系统213、逻辑链路控制与适配协议214、射频串口仿真协议215、服务发现协议216、实验应用程序217。
图3是本发明服务发现实验的流程图。
图4是本发明语音传输实验的流程图。
图5是本发明语音传输实验中，实验者编程模块示意图。
图6是本发明数据传输实验的流程图。
图7是本发明两台计算机直接连接速率测试流程图。
图8是本发明分别用RS232和USB连接计算机和蓝牙模块的速率测试流程图。
图9是本发明文件传输流程图。
图10是本发明装置的线路图。
五具体实施例方式该装置包括蓝牙模块1、PCM编解码电路2、电平转换电路3、电源4、天线5、串行接口6、USB接口7、耳机/麦克风8，其中以蓝牙模块1为中心，其天线端接天线5、其RS232口接电平转换电路3、其USB端接USB接口7、其PCM码流端接PCM编解码电路2；PCM编解码电路2的模拟语音输出端接耳机/麦克风8；电平转换电路3还与串行接口6相接。
蓝牙模块1即集成电路“U17”的天线端“ANT”接天线5，集成电路“U17”的“TXD、CTS、RXD、RTS”端即RS232口接电平转换电路3即集成电路“U3”的“T1IN、T2IN、T1out、T2out”端；集成电路“U17”的“D-、D+”端，接USB接口7，集成电路“U17”的“PCM-IN、PCM-Clk、PCM-out”端接PCM编解码电路2即集成电路“U12”的“PCMR1、BCLKA、PCMSO”端，PCM编解码器即集成电路“U12”的“Aout”端接耳机/麦克风8。
图1所示实验装置(硬件电路模块)的具体实现如下所述。蓝牙模块采用爱立信的Rok_007型号蓝牙模块，该模块的发射功率为0dbm，有效传输距离为10米。PCM编解码器的型号为OKI7540L，该编解码器将来自麦克风的模拟语音转化成PCM码流，并与蓝牙模块的PCM接口相连，同时将蓝牙模块传来的PCM码流转换成模拟语音送至耳机话筒。蓝牙模块与计算机RS232串口或USB端口的连接切换由一个开关控制。MAXIM3232完成RS232电平与TTL电平之间的相互转换。该实验装置提供与计算机的USB、RS-232连接方式，以及语音输入输出端口。
本发明以自主研制的蓝牙协议栈为主要技术支撑，提出将蓝牙技术作为通信实验系统的主要物理平台，以使实验者更快更好地建立通信技术系统级、网络级的概念，提高实际研发能力。
蓝牙管理模块包含蓝牙的基本核心协议(符合蓝牙SIG的蓝牙规范v1.1)逻辑链路控制及适配协议(L2CAP)、服务发现协议(SDP)、射频串口仿真协议(RFCOMM)以及用于处理和管理链路的管理实体(ME)。该管理模块以应用程序扩展的方式向上提供动态链接库(DLL)，需要运行在操作系统为Windows2000的计算机上。使用图2所示的蓝牙硬件/管理模块可以进行蓝牙高层应用程序的开发，实现查询附近设备、服务发现、语音和数据传输等功能。
以图1描述的硬件电路模块为实体核心，以自主研制的蓝牙协议栈为主要技术支撑，结合多年一线教学实践经验，我们研制开发了基于蓝牙无线传输技术的通信技术教学实验方法。本方法包含以下4个实验服务发现实验、语音传输实验、数据传输实验以及通信传输的有效性与可靠性分析实验。上述每个实验都体现了系统级、网络级的现代通信技术新概念。下面详细介绍4个实验的开发目的及实验设计流程。
1)服务发现实验开发目的在一个以网络为中心的计算环境中，寻找和使用一个网络中的服务越来越重要。同时，客户机—服务器模式是大多数网络通信的基础。通过客户机和服务器相连，以实现数据和应用的共享，并利用服务器的处理能力将数据和应用分布到多个客户机上。而蓝牙服务发现协议是典型的客户机—服务器模型。通过本实验，可以使实验者了解服务发现功能在通信网络中的必要性及其实现流程。
设计流程见图3。本实验由二人协作完成，分别操作服务器和客户机的服务发现流程。
服务发现实验的方法分服务器端和客户机端两条路径同时进行。服务器端的操作流程为1)连接硬件设备；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)服务端注册服务，即注册服务类型、服务属性、相关参数，注册完后可以返回进行修改和添加服务，直至完全注册完毕；在客户机端1)连接硬件设备；
2)驱动硬模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)查询设备、与服务器端模块建链；4)客户端按以下两种方式进行服务发现以浏览方式查询发现、以特定方式查询发现，如果没有查询到，则返回重新发现服务；5)与服务器端模块断链；6)结束。
2)语音传输实验开发目的语音传输是日常生活中极普遍的通信技术(尤其是移动通信技术)应用之一，同时，多种语音编解码方式是通信原理的重要内容之一。应用图1所示硬件电路模块提供的语音输入输出功能，我们开发了语音传输实验。实验者通过实践无线网络的语音传输实验，得以深入理解语音传输相关概念以及不同编码方式的优劣。
设计流程见图4。本实验由二人协作完成。
语音传输实验的步骤分为A、B两路同时进行，其中A路的步骤是1)连接硬件设备；2)驱动硬件模块、初始化传输层、启动应用程序；3)进行线性PCM仿真、A律PCM仿真、CVSD仿真；4)查询设备，与B端模块建ACL链；5)数据传输；6)建立面向连接的同步链路SCO；7)数据语音传输；8)断链(先断SCO，后断ACL)；9)结束；10)B路的步骤与A路一致，不同之处仅在A路进行查询设备、与B端模块建ACL链时，B路此处为被动建立ACL链。
3)数据传输实验开发目的非语音的数据传输过程包含着许多重要的通信理论基础概念。例如协议分层概念；上下层和对等层概念；物理信道与逻辑信道概念等。与上一实验对应，开发的本数据传输实验将会使实验者对数据传输过程中涉及的相应知识点有深入的理解。并通过自行编程设计，将具备层间接口设计的具体经验。
设计流程见图6。本实验由二人协作完成。
数据传输实验的步骤分为A、B两路进行，其中A路的步骤为1)连接硬件设备；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；
3)查询设备、与B端模块建ACL链；4)第一，面向连接服务，进行文字聊天、文件传输，第二，面向非连接服务，进行广播组播消息；5)断ACL链路；6)结束；4)通信传输的有效性与可靠性分析开发目的通信的有效性与可靠性是衡量通信系统的重要指标，其与流量控制、传输速率、差错控制以及共享信道技术密切相关。分析通信系统都需要定量地分析该系统的有效性和可靠性；设计实际通信系统都需要在通信的有效性与可靠性之间折衷。通过分析通信传输的有效性与可靠性，实验者能从全局角度分析通信系统，评价系统的性能优劣。
设计内容(本实验由二人协作完成)1)性能仿真●连续ARQ和停止等待协议的差错率和帧传送平均延时的关系；●陆地和卫星通信信道环境中，各种参数下最佳帧长和信道利用率的关系；●共享信道技术、网络负载和吞吐量之间的关系。
2)速率测试对两台计算机分别如下连接进行速率测试两台计算机直接用RS232串口线连接；两台计算机都用USB连接蓝牙设备；两台计算机都用RS232串口线连接蓝牙设备。如上连接后，一方进行查询和建链，另一方等待。建立物理连接后，开始速度测试。实验流程图见图7、图8。
通信传输的有效性与可靠性分析的实验中，对两台计算机进行直接连接的速率测试步骤为1)用RS232串口线将两台计算机直接连接，初始化实验程序；2)设定发送的包长、包数、以及测试个数；3)观察发送数据量与传输时间的关系，计算具体数值关系；4)结束。
分别用RS232口和USB口连接计算机和蓝牙模块进行速率测试的步骤分为A、B两路进行，其中A路为1)用RS232或USB连接计算机与蓝牙模块；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)查询设备、与B端模块建ACL链；4)设定发送的包长、包数、以及测试个数；5)观察发送数据量与传输时间的关系，计算具体数值结果，增加金属障碍物，返回步骤4重新设定参数；6)折ACL链路；7)结束；B路的步骤为1)用RS232或USB连接计算机与蓝牙模块；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)被动建立ACL链路；4)等待；5)折ACL链路；6)结束。
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。包长M(字节)是一次发到蓝牙模块的数据帧长，每发送N个向上报一次数据采样值。一共报P个值。观察发送数据量与时间的关系，并根据相关公式计算得到定量结果。改变两个蓝牙模块之间的距离，增加信道上的金属障碍物，改变帧(包)长，观察对测试速率的影响。
3)文件传输如2)所述建立物理连接后，发送方设置如下参数误码率、传输的文件名、选择信道编码方式、数据帧长、最大重传次数。
发送方程序会记录传输该文件所消耗的时间，重传次数。
接收方程序会记录接收到文件的错误比特数。实验流程图见图9。
文件传输的实验分A、B两路进行，其中A路的步骤为1)A、B端已建立ACL链路。
2)设置误码率、传输的文件名、信道编码方式、数据帧长、最大重传次数等参数，发送文件；3)观察传输文件所消耗的时间以及重传次数，返回步骤2重设参数；4)折ACL链路；5)结束；B路的步骤为1)A、B端已建立ACL链路；2)观察接收文件的错误比特数；3)折ACL链路；4)结束。
权利要求
1.一种基于微功率无线传输的通信技术教学实验装置，其特征在于该装置包括蓝牙模块(1)、PCM编解码电路(2)、电平转换电路(3)、电源(4)、天线(5)、串行接口(6)、USB接口(7)、耳机/麦克风(8)，其中以蓝牙模块(1)为中心，其天线端接天线(5)、其RS232口接电平转换电路(3)、其USB端接USB接口(7)、其PCM码流端接PCM编解码电路(2)；PCM编解码电路(2)的模拟语音输出端接耳机/麦克风(8)；电平转换电路(3)还与串行接口(6)相接。
2.根据权利要求1所述的基于微功率无线传输的通信技术教学实验装置，其特征在于蓝牙模块(1)即集成电路“U17”的天线端“ANT”接天线(5)，集成电路“U17”的“TXD、CTS、RXD、RTS”端即RS232口接电平转换电路(3)即集成电路“U3”的“T1IN、T2IN、Tlout、T2out”端；集成电路“U17”的“D_、D+”端，接USB接口(7)，集成电路“U17”的“PCM-IN、PCM-Clk、PCM-out”端接PCM编解码电路(2)即集成电路“U12”的“PCMR1、BCLKA、PCMSO”端，PCM编解码器即集成电路“U12”的“Aout”端接耳机/麦克风(8)。
3.一种适用于权利要求1所述的基于微功率无线传输的通信技术教学实验方法，其特征在于该实验方法以蓝牙硬件模块(20)及蓝牙管理模块(21)构成，进行服务发现实验、语音传输实验、数据传输实验、通信传输的有效性与可靠性分析实验，蓝牙硬件模块(20)中的基带(202)通过内部总线接蓝牙射频(201)，通过RS232/USB端口接管理模块(21)的主机控制接口(211)，通过链路管理器(203)与主机控制接口(211)相接，通过PCM码流端接语音输入输出模块(204)；蓝牙管理模块(21)的最上层为实验应用程序(217)，该程序调用下层的管理实体(212)、虚拟操作系统(213)、逻辑链路控制与适配协议(214)、服务发现协议(216)、射频串口仿真协议(215)所提供的接口；最后通过主机控制接口(211)与蓝牙硬件模块(20)相连接。
4.根据权利要求3所述的基于微功率无线传输的通信技术教学实验方法，其特征在于服务发现实验的方法分服务器端和客户机端两条路径同时进行。服务器端的操作流程为1)连接硬件设备；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)服务端注册服务，即注册服务类型、服务属性、相关参数，注册完后可以返回进行修改和添加服务，直至完全注册完毕；在客户机端1)连接硬件设备；2)驱动硬模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)查询设备、与服务器端模块建链；4)客户端按以下两种方式进行服务发现以浏览方式查询发现、以特定方式查询发现，如果没有查询到，则返回重新发现服务；5)与服务器端模块断链；6)结束。
5.根据权利要求3所述的基于微功率无线传输的通信技术教学实验方法，其特征在于语音传输实验的步骤分为A、B两路同时进行，其中A路的步骤是1)连接硬件设备；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)进行线性PCM仿真、A律PCM仿真、CVSD仿真；4)查询设备，与B端模块建ACL链；5)数据传输；6)建立面向连接的同步链路SCO；7)数据语音传输；8)断链(先断SCO，后断ACL)；9)结束；10)B路的步骤与A路一致，不同之处仅在A路进行查询设备、与B端模块建ACL链时，B路此处为被动建立ACL链。
6.根据权利要求3所述的基于微功率无线传输的通信技术教学实验方法，其特征在于数据传输实验的步骤分为A、B两路进行，其中A路的步骤为1)连接硬件设备；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)查询设备、与B端模块建ACL链；4)第一，面向连接服务，进行文字聊天、文件传输，第二，面向非连接服务，进行广播组播消息；5)断ACL链路；6)结束；7)B路的步骤与A路一样，不同之处仅在当A路查询设备、与B端模块建ACL链处，B路此处为被动建立ACL链；在进行面向连接服务和面向非连接服务时，可以改变会话层的MRU，观察统计信息和会话层状态转移图。
7.根据权利要求3所述的基于微功率无线传输的通信技术教学实验方法，其特征在于通信传输的有效性与可靠性分析的实验中，对两台计算机进行直接连接的速率测试步骤为1)用RS232串口线将两台计算机直接连接，初始化实验程序；2)设定发送的包长、包数、以及测试个数；3)观察发送数据量与传输时间的关系，计算具体数值关系；4)结束。
8.根据权利要求3所述的基于微功率无线传输的通信技术教学实验方法，其特征在于分别用RS232口和USB口连接计算机和蓝牙模块进行速率测试的步骤分为A、B两路进行，其中A路为1)用RS232或USB连接计算机与蓝牙模块；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)查询设备、与B端模块建ACL链；4)设定发送的包长、包数、以及测试个数；5)观察发送数据量与传输时间的关系，计算具体数值结果，增加金属障碍物，返回步骤4重新设定参数；6)折ACL链路；7)结束；B路的步骤为1)用RS232或USB连接计算机与蓝牙模块；2)驱动硬件模块、初始化传输层、初始化实验程序；3)被动建立ACL链；4)等待；5)折ACL链路；6)结束。
9.根据权利要求3所述的基于微功率无线传输的通信技术教学实验方法，其特征在于文件传输的实验分A、B两路进行，其中A路的步骤为1)A、B端已建立ACL链路。2)设置误码率、传输的文件名、信道编码方式、数据帧长、最大重传次数等参数，发送文件；3)观察传输文件所消耗的时间以及重传次数，返回步骤2重设参数；4)折ACL链路；5)结束；B路的步骤为1)A、B端已建立ACL链路；2)观察接收文件的错误比特数；3)折ACL链路；4)结束。
全文摘要
基于微功率无线传输的通信技术教学实验方法及装置主要应用于通信技术实验课程，涉及短距离无线通信技术的教学实验装置及方法。该装置包括蓝牙模块1、PCM编解码电路2、电平转换电路3、电源4、天线5、串行接口6、USB接口7、耳机/麦克风8，其中以蓝牙模块1为中心，其天线端接天线5、其RS232口接电平转换电路3、其USB端接USB接口7、其PCM码流端接PCM编解码电路2；PCM编解码电路2的模拟语音输出端接耳机/麦克风8；电平转换电路3还与串行接口6相接。本发明具有与微机系统紧密结合、可参与性强、具备研发拓展性的方法及装置。
文档编号G09B25/00GK1431637SQ03112
公开日2003年7月23日 申请日期2003年1月24日 优先权日2003年1月24日
发明者徐平平, 宋铁成, 沈连丰, 肖婕, 鲍淑娣 申请人:东南大学, 南京东大移动互联技术有限公司
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