Моделирование беспроводной системы передачи звука «Bluetooth» в программной среде MathLab

Министерство  образования и науки Российской Федерации

ГОУ ВПО  «Марийский государственный технический  университет» 
 
 

Кафедра РТ и С 
 
 
 

Моделирование беспроводной системы передачи звука «Bluetooth»

в программной среде  MathLab  

Пояснительная записка к дипломному проекту

по дисциплине «Компьютерные технологии в науке и производстве

(в телекоммуникации)» 
 

Выполнил: ст. гр. ТКм-51

Степанов  С.М. 

Проверил: к.т.н., доцент

А.Н. Дедов 
 
 
 
 

Йошкар-Ола

2011

Содержание

Введение……………….…………………………………………………..............3

1. Помехоустойчивое кодирование в системах передачи данных……………..4

     1.1. Мешающие влияния в каналах  связи………………………………...4

     1.2. Помехоустойчивость…………………………………………….….....8

2 Концепция и  технические принципы беспроводной  передачи информации………………………………………………………………………11

     2.1. Концепция беспроводной передачи  информации.………………....11

     2.2. Технические принципы беспроводной  передачи информации…...15

     2.3. Технология Bluetooth – как способ  беспроводной передачи информации………………………………………………………………………20

     2.3.1. Технические аспекты установки соединения между Bluetooth устройствами…………………………………………………...20

     2.3.2. Набор базовых протоколов, используемых  в «Bluetooth» для передачи различных  типов данных..………………………………….…24

3. Моделирование  беспроводной системы передачи  данных «Bluetooth» в программной среде MathlLab……………...………………………………...….30

     3.1 Структурная схема модели и  ее описание.………………………….30

     3.2 Результаты моделирования беспроводного  канала передачи данных «Bluetooth»……………………………………………………………………….31

     3.3 Детальное описание блоков модели беспроводной системы передачи данных «Bluetooth».………………………………………..…………32

     Заключение………………………………………………………….…….33

     Список  литературы……………………………………………….………34

 
 
 
 
 

     Введение 

     В начале 1998 года пять крупных компаний: Ericsson, Nokia , IBM, Intel и Toshiba объединились, чтобы  начать работу над созданием новой  технологии беспроводной связи Bluetooth. 20 мая была сформирована специальная  рабочая группа (Special Interest Group - SIG) для дальнейшего продвижения новой технологии на телекоммуникационном рынке.

     Своё  название технология Bluetooth получила в  честь короля викингов, котого звали  Харольд Голубой Зуб. Такое прозвище ему дали из-за потемневшего переднего  зуба. Харольд жил в Дании более тысячи лет назад и вошёл в историю благодаря тому, что объединил данов и принёс им христианство. И, как напоминание о ведущей роли скандинавов в мобильной связи, компании Ericsson, IBM, Nokia и Toshiba назвали свою технологию, которая должна творить историю, именем воина воина-викинга.

     Bluetooth позволяет объединять в локальные  сети любую технику: от мобильного  телефона и компьютера до холодильника. При этом, одними из немаловажных  параметров новой технологии  должны были стать низкая стоимость устройства связи, соответственно небольшие размеры (ведь речь идет о мобильных устройствах) и, что немаловажно, совместимость, простота встраивания в различные устройства. В отличие от технологии инфракрасной связи IrDA (Infrared Direct Access), работающей по принципу "точка-точка" в зоне прямой видимости, технология Bluetooth разрабатывалась для работы как по принципу "точка-точка", так и в качестве многоточечного радиоканала, управляемого многоуровневым протоколом, похожим на протокол мобильной связи GSM. 
 
 

 

1. Помехоустойчивое  кодирование в  системах передачи  данных

     1.1 Мешающие влияния  в каналах связи 

     Мешающие  влияния разделяют на шумы, помехи, замирания, искажения, ошибки рисунок 1.1. Обычно шумы имеют естественное происхождение; наиболее существенное влияние оказывает собственный шум приемника. Помехи могут быть также естественного происхождения (грозовые разряды, индустриальные помехи, влияние соседних радиосредств) и преднамеренные. Все разнообразие помех можно свести к шести основным типам: шумовым, импульсным, узкополосным (в пределе-синусоидальным), внутрисистемным, ретранслированным, имитационным. Шумовую помеху представляют в виде внешнего флуктуационного шума, увеличивающего интенсивность шума приемника.

     Импульсные  помехи (ИП) действуют в течение ограниченного времени; в зависимости от формы импульса различают шумовые (ограниченный во времени шум), видео- и синусоидальные (узкополосные) ИП. Импульс помехи может быть одиночным, однако чаще воздействует пакет ИП, который поражает элементы сигнала, искажая его временные характеристики.

     Узкополосная  помеха накрывает часть спектра  передаваемого сигнала, искажая спектр и ухудшая как спектральные, так и корреляционные свойства сигнала.

     Внутрисистемные помехи характерны для асинхронно-адресных систем связи, работающих в одной полосе частот с различением станций по форме адресных сигналов (кодов). Возникают помехи главным образом за счет неидеальности взаимокорреляционных функций адресных кодов.

     Ретранслированная помеха создается в результате усиления и переизлучения переданного сигнала одной-двумя соседними станциями.

     

Переизлученный  и задержанный сигнал, попадая  в приемник истинной станции, создает специфическую помеху, воздействующую тем сильнее, чем хуже корреляционные свойства передаваемых сигналов. Имитационная помеха (ИМП) близка по форме переданному сигналу; степень близости определяется числом передаваемых сигналов и их корреляционными свойствами. Часто ИМП называют также структурной или прицельной помехой. Название "прицельная помеха" становится оправданным при совпадении в приемнике фазы или средней частоты ИМП с фазой переданного сигнала или со средней частотой одного или нескольких частотных подканалов. В последнем случае помеху иногда называют сосредоточенной. В наземных радиолиниях причинами замираний, составляющих основную часть мешающих влияний естественного происхождения, служат многолучевость, метеоусловия, время года. Многолучевость вызывает быстрые замирания, метеоусловия и время года - медленные. Частотную селективность замираний определяют по снижению коэффициента частотной корреляции до значения 0,5 ... 0,6. Интервал частот, лежащий в пределах 1...0,5, называют полосой (интервалом) когерентности канала связи.

     Искажения сигнала могут вызываться как  характеристиками тракта передачи, так и помехами. Однако понятие искажения обычно связывают только с влиянием на сигнал линейных и нелинейных характеристик тракта. Воздействие линейных характеристик, и в частности неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), приводит к появлению межсимвольных искажений (МСИ); ограничение амплитуды сигнала вызывает появление нежелательных частот в спектре, создающих помехи нелинейных переходов. Ошибки фиксируются на выходе дискретного канала: именно они определяют верность информации. Деление ошибок на независимые и пакетные вызвано главным образом спецификой помехоустойчивого кода, его способностью исправлять или обнаруживать ошибки.

     

     

     Рисунок 1.1 - Классификация  мешающих влияний  в линиях связи

     Для априорной оценки эффективности  кода проводят имитационное моделирование, требующее знания статистического распределения мешающих влияний. Обычно шум предполагают нормально распределенным (белым гауссовским шумом-БГШ). При большом разнообразии ИП нет, однако, единой универсальной модели, описывающей эти помехи. Как правило, уровни и длительности ИП принимают распределенными по экспоненциальному закону, а вероятность появления m импульсов на интервале времени Т_и.п (в соответствии с распределением Пуассона) P_и.п(m) = (LТ_и.п)^mехр(-LТ_и.п)/m!, где L-среднее число импульсов на интервале Т_и.п.

     Наиболее  сложно моделировать преднамеренные помехи, "качество" которых тем выше, чем менее определена их статистика. Однако каждая помеха характеризуется несколькими параметрами, которые при моделировании могут быть заданы в априорно выбранном диапазоне значений в виде, например, случайных чисел.

     

     Для описания быстрых замираний чаще всего применяют рэлеевское и  райсовское распределения. Частотную  селективность быстрых замираний описывают экспоненциальным распределением; функция частотной корреляции R(f)=(ехр(-f /df0))² или R(f)=exp(-f /df0), где df0 -интервал частотной корреляции. Общепринята аппроксимация медленных замираний логарифмически нормальным распределением.

     Искажения сигнала принимают при моделировании нормально распределенными и рассматривают как дополнительный флуктуационный шум. В силу многообразия причин и конкретных условий невозможно описать статистическое распределение ошибок одной моделью. Наиболее простой является модель независимых ошибок, описываемая биномиальным распределением.Биномиальное распределение хорошо описывает ошибки в дискретном канале, причиной которых служит флуктуационный шум. В различных линиях связи мешающие влияния даже одного вида имеют разные параметры распределения. Эту особенность необходимо учитывать при выборе помехоустойчивого кода. В системах связи наиболее широко используют:

• проводные линии связи - воздушные, магистральные кабельные (симметричные и коаксиальные), внутригородские кабельные, а также высоковольтные линии электропередач;
• радиотракты-радиорелейные прямой видимости (РРЛ), тропосферные (ТРЛ), космические (через ИСЗ и с дальними космическими кораблями), магистральные коротковолновые (KB) ЛС, а также линии радиосвязи с наземными подвижными объектами (РЛП);
• телефонные каналы различной протяженности, прямые и коммутируемые, организованные на ЛС различного типа;
• внутриаппаратные тракты магнитной записи-считывания и шины информационного обмена в ЭВМ.

     1.2 Помехоустойчивость 

     Помехоустойчивость - способность системы осуществлять прием информации в условиях наличия помех в линии связи и искажений во внутри аппаратных трактах. Помехоустойчивость обеспечивает надежность и достоверность передаваемой информации (данных). Мы будем в основном рассматривать двоичные коды. Двоичные (коды) данные передаются между вычислительными терминалами, летательными аппаратами, спутниками и т. д.

     Передача  данных в вычислительных системах чувствительна  к малой доле ошибке, т. к. одиночная  ошибка может существенно нарушить процесс вычислений.

     Наиболее  часто ошибки появляются в УВВ, шинах, устройствах памяти. УВВ содержат большое количество элементов, ошибки обуславливаются старением элементов, ухудшением качества электрических соединений, расфазировкой сигналов. Значительная часть ошибок приходится на ОП, вследствие отказа отдельных ИС либо всей ИС, ошибок связанных с флуктуацией напряжения питания и т. д.

     В системах со многими пользователями и разделением по времени длинные  двоичные сообщения разделяются  на пакеты.

     Сообщения, представленные длинными последовательностями битов, обычно разбиваются на более короткие последовательности битов, называемые пакетами. Пакеты можно передать по сети как независимые объекты и собирать из них сообщение на конечном пункте. Пакет, снабженный именем и управляющими битами в начале и в конце, называется кадром. Управление линией передачи данных осуществляется по специальному алгоритму, называемому протоколом.

     

     Наличие помех ставит дополнительные требования к методам кодирования. Для защиты информации от помех необходимо вводить в том или ином виде избыточность: повышение мощности сигнала; повторение сообщений; увеличение длинны кодовой комбинации и т. д.

     Увеличение  мощности сигналов приводит к усложнению и удорожанию аппаратуры, кроме того, в некоторых системах передачи информации имеется ограничение на передаваемую мощность, например, спутниковая связь.

     Повторная передача сообщений требует наличия  буферов для хранения информации и наличия обратной связи для подтверждения достоверности переданной информации. При этом, значительно падает скорость передачи информации, кроме того этот метод не всегда может быть использован, например, в система реального времени.