CN1216502C - 一种信道轮廓窗确定帧同步的检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于无线通信系统领域,特别是一种在无线通信系统中确定帧同步的检测装置及方法,它提供一种更准确的确定帧同步的装置和方法,并且大大提高了帧同步的性能。本发明的特征在于包括:一参考信号发生器,一相关器,一功率计算器,一信道轮廓窗检测器,一窗内最值检测器,一有效径分量选择器,一同步径判决器等,具体实现的方法是通过检测到信道轮廓窗(即包含所有有效径能量的窗口),然后在这个窗内找到第一个有效径分量并与其同步。
Description
技术领域
本发明属于无线通信系统领域,特别是涉及一种在无线通信系统中确定帧同步的检测装置及方法。
背景技术
近几年来,移动通信发展十分迅猛,移动通信用户数量在成倍地增长,尤其是中国的移动用户这几年来一直以150%以上的速度在增长。用户对通信的速度和质量要求也越来越高。
在无线通信系统中,接收机必须与发射机所发送的数据流的帧保持同步才能够进行下一步的数据传输。如何能够快速有效的确定出帧的起始位置并获得帧同步是移动通信领域直接关系到通信速度和质量的关键部分。通常情况下,比较简单且公认的帧同步方法是采用同步码字法,通过发射机中的特殊处理过程将帧同步码字插在一帧中的特定位置(一般是一帧的开始)作为帧结构的一部分进行传输,接收机在数据流中连续搜索同步码字,可以用相关器(或匹配滤波器)检测相关值的峰值来完成(通常选取最大的峰值),相关值峰值对应的位置就是检测到的同步码字的位置,一但检测到这个同步码字就确定了帧的起始位置,从而获得帧同步。在实际通信系统中,信号从发射端经过不同的反射路径到达接收端,形成多径信号。多径信号的不同传播路径会造成不同的传播时延,即多径效应。如图1给出了一个多径信道的功率-时延图,其中,多径信号中包含了三个显著不同的路径,以下称为有效径分量。由此可见,实际系统中的相关峰的峰值并不唯一,甚至可能存在几个相差很小的峰值,所以用检测相关值峰值来完成同步的方法可能会造成许多有用信息的损失。例如,在图1中有效径分量2(主径,即最高峰值)对应的位置就是检测相关峰峰值的同步位置,它将造成有效径分量1的信息的遗漏。为了克服上述问题并能够提高帧同步的性能,本发明提出了一种通过信道轮廓窗的方法来确定帧同步的装置和方法。
发明内容
本发明的目的在于提高无线通信系统中的帧同步性能并能准确确定帧同步位置的方法。
本发明的基本方法是首先检测到信道轮廓窗(即包含绝大部分多径能量,包含所有有效径能量的时间窗口),然后在这个窗内找到第一个有效径分量并与其同步。以图1为例,本发明将功率-时延图中包含所有信道有效径的能量的窗(窗长度为W)定义为信道轮廓窗,先检测确定出信道轮廓窗,再确定出信道轮廓窗中第一个有效径分量,即有效径分量1,从而与有效径分量1所对应的位置同步。
其具体的方法包括如下步骤:
步骤一、相关器通过接收到的信号与参考信号发生器中输出的同步码序列进行相关运算得到一长度为N的复数相关结果序列,然后将复数相关结果序列输入到一功率计算器中,通过功率计算器对长度为N的复数相关结果分别求模平方(或模)运算得到相关功率值;所得到的相关功率的值输入到信道轮廓窗检测器中,信道轮廓窗的长度由无线通信系统设定,此长度的窗在整个相关功率值的范围内移动,移动的步长是可变的,得到若干个窗,若以窗长度为W,移动步长S为1个码片为例,得到的M个窗,其中M(M=(N-W)/S+1),计算出所有M个窗中的相关功率的累加和,信道轮廓窗检测器从中筛选出功率累加和最大值的窗,此窗就是信道轮廓窗。
步骤二、将信道轮廓窗检测器检测的结果输入到窗内最值检测器中,窗内最值检测器遍历整个信道轮廓窗中的相关功率值找到若干个最大功率值并记录其相关的功率和相应的位置,例如图4所示,窗内最值检测器检测到K(例如K=4)个功率最大的功率值,然后将结果输入到有效径分量选择器中,有效径分量选择器对窗内最值检测器所输入的K个最大功率值进行筛选,选择出有效的径分量并记录其功率值及相应的位置。
步骤三、同步径判决器对有效径分量选择器输入的有效径进行查找,找到位置最靠前的径的位置(即第一个有效径分量)。
步骤四、与同步径判决器查找到的第一个有效径分量的位置同步。
根据上述的信道轮廓窗检测法确定帧同步的方法,其特征在于:所述的有效径分量选择器是通过一噪声功率计算器和一第一门限判决器来实现选择功能的,其中所述的噪声功率计算器根据功率计算器输入的所有相关功率的值以及窗内最值检测器输入的K个最大的功率值计算出相应的噪声功率。具体的噪声功率的计算过程是首先在所有的相关功率值中滤除窗内最值检测器所输出的相关功率值,然后对剩余的相关功率求平均值,此值即是噪声功率值的估计值。所述的第一门限判决器根据噪声功率计算器输入的噪声功率的估计值(下文简称噪声功率值),窗内最值检测器所检测出的K个最大的功率值,可以判决出信道中的有效径分量并记录其位置。其中具体的判决公式如下:
|P1-Pnoise|>T1;i=1,2,3,...,K (1)
这里P1是第i个功率值,Pnoise噪声功率值,T1是门限值1。窗内最值检测器所检测出的K个最大功率值如果满足上述公式(1)中的信噪比门限的条件就被判断为有效径分量并记录其相应的位置。
根据上述的信道轮廓窗检测法确定帧同步的方法,其特征在于:有效径分量选择器通过一第二门限判决器实现选择功能的,其判决公式如下:
|Pmax-P1|<T2;i=1,2,3,...,K (2)
这里P1是第i个功率值,这里的主径Pmax是窗内最值检测器输出的K个最值中的最大值(也就是主径的功率值),T2是门限值2。所述的第二门限判决器根据最值检测器所检测出的K个最大功率值与主径的功率值相比,判断其绝对差值小于公式(2)门限条件就可以判断为有效径分量并记录其相应的位置。
根据上述的信道轮廓窗检测法确定帧同步的方法,其特征在于:有效径分量选择器通过一噪声功率计算器,一第一门限判决器和一第二门限判决器实现选择功能的。所述的噪声功率计算器和所述的第一门限判决器与上述提到的有效径分量选择器的噪声功率计算器和第一门限判决器相同,其判决条件也相同,所述的第二门限判决器与上述提到的有效径分量选择器的第二门限判决器相同,其判决条件也相同;同时满足上述两种门限判决器的条件时,才可以被判断出有效径分量并记录出相应的位置。
按照本发明的信道轮廓窗检测法确定帧同步的装置,其特征在于它包括:一相关器,一参考信号发生器,一功率计算器,一信道轮廓窗检测器,一有效径分量选择器,一窗内最值检测器,一同步径判决器;所述的参考信号发生器,由接收机来产生相应的同步码;所述的相关器,将接收的数据与参考信号发生器输出的数据进行相关运算,此时由相关器中输出长度为N的复数相关结果;所述的功率计算器,对所述的相关器输入的结果求模平方(或模)运算得到相关功率值,此值的大小可以反应出各个径的强度;所述的信道轮廓窗检测器,是以固定长度的窗(窗长度由系统设定)在整个相关功率值的范围内移动,移动的步长是可变的,得到若干个窗,并计算出窗内所有的相关功率的累加和,从而查找出功率最大的窗,即信道轮廓窗;所述的窗内最值检测器,在信道轮廓窗中依次找到若干个最大的功率值,(如图4所示最大功率值K=4),记录他们的相关功率值和相应的位置,然后将其输入到有效径分量选择器中;所述的有效径分量选择器根据功率计算器输入的结果和窗内最值检测器输入的结果可以对窗内的找到的K个最大的功率值进行筛选,选择出有效的径分量;同步径判决器,在多个径分量中找到位置最靠前的径,这个径就是本发明所要求第一个有效径分量,它的位置就是找到的同步位置。
按照本发明的信道轮廓窗检测法确定帧同步的装置,其特征在于它还包括:一位置粗测器,一延时控制器和一数据抽取器;其中,接收的数据首先通过所述的位置粗测器粗略测出数据发出的位置;所述的延时控制器,根据粗略测量数据测出的位置信息来控制所述的数据抽取器对数据抽取的位置;所述的数据抽取器,根据延时控制器的输出结果,抽取出一段长度的数据,这段被抽取的数据可抽取的范围根据蜂窝系统小区半径,天线配置预置范围内,此段抽取的数据中将发送的的同步码的数据段包含在内。
根据上述的信道轮廓窗检测法确定帧同步的装置,进一步的特征在于:所述的相关器可以用匹配滤波器替代。
根据上述的信道轮廓窗检测法确定帧同步的装置,进一步的特征在于:所述的有效径分量选择器由噪声功率计算器和第一门限判决器组成,所述的噪声功率计算器,根据相关器输出的所有相关功率值以及找到的多径相关功率值,计算出相应的噪声功率;所述的第一门限判决器,根据窗内最值检测器和噪声功率计算器输入的值进行判决是否满足门限的判决的条件而判断出信道中的有效径分量并记录其位置,然后将结果输入到同步径判决器中;
根据上述的信道轮廓窗检测法确定帧同步的装置,进一步的特征在于:所述的有效径分量选择器由第二门限判决器组成,所述的第二门限判决器根据窗内最值检测器输入的值进行判决是否满足门限的判决的条件而判断出信道中的有效径分量并记录其位置,然后将结果输入到同步径判决器中;
根据上述的信道轮廓窗检测法确定帧同步的装置,进一步的特征在于:所述的有效径分量选择器由噪声功率计算器和第一门限判决器和第二门限判决器组成,所述的噪声功率计算器和第一门限判决器与上述提及的噪声功率计算器和第一门限判决器相同,所述的第二门限判决器与上述提及的第二门限判决器相同,根据窗内最值检测器输入的结果同时满足第一门限判决器和第二门限判决器的判决条件才可以判断出信道中的有效径分量并记录其位置,然后将结果输入到同步径判决器中。
附图说明
图1所示为多径信道的功率-时延示意图。
图2所示为实施例中的TD-SCDMA帧结构示意图。
图3所示为实施例中的DwPTS的结构示意图。
图4所示为实施例的算法原理示意图。
图5所示为本发明的用于信道轮廓窗检测法确定帧同步的装置的结构示意图。
图6所示为本发明中的有效径分量选择器实现方式一。
图7所示为本发明中的有效径分量选择器实现方式二。
图8所示为本发明中的有效径分量选择器实现方式三。
图9所示为实施例中的功率特征窗结构图。
下面结合附图对本发明的用于信道轮廓窗检测法确定帧同步的装置及其方法进行详细的说明。
具体实施方式
本发明以在时分同步码分多址(TD-SCDMA)的终端用户(UE)中的应用为例。
在TD-SCDMA系统中,UE开机时只有帧结构信息还没有与信号达到帧同步,而接收机必须与数据流的帧结构保持同步才能进行通信,所以必须先建立与小区的下行同步。
为了能够更清楚的说明TD-SCDMA系统中数据发送和接收的过程,现在对TD-SCDMA的帧结构做一下描述。如图2所示,TD-SCDMA是以10ms为一个帧的时间单位。TD-SCDMA由于使用智能天线技术,需要随时(每5ms)掌握用户终端的位置,因此TD-SCDMA进一步将每一个帧分为了两个5ms的子帧,从而缩短了每一次上下行周期的时间,能在尽量短的时间内完成对用户的定位。每一个TD-SCDMA的子帧分为7个普通时隙(TS0~TS6)和三个特殊时隙:一个下行导频时隙(DwPTS)、一个上行导频时隙(UpPTS)和一个保护周期(GP)。每一个5ms的子帧共由6400个码片(chips)组成。在TD-SCDMA中,每个子帧中的DwPTS是为下行导频和同步而设计的。如图3所示的DwPTS的结构图,DwPTS由长为64个码片(chip)的下行同步码(SYNC)和32个码片(chip)的保护周期(GP)组成,其中SYCN是一组伪随机码(PN),分配给不同的小区,用于小区的搜索和下行的同步。
当UE开机时,首先要确定UE的所在的小区位置,接收的数据要通过DwPTS位置粗测器搜索DwPTS的大致位置来实现,其基本的原理是DwPTS位置粗测器利用下行链路的DwPTS的功率“特征窗”形状来搜索SYNC的大致位置。如图6所示,在TD-CDMA的帧结构中,SYNC码段为64个码片长度,左边有32个码片的GP,右边有96个码片的GP。由于接收到的GP的功率很小,而SYNC码段数据以全功率发射,故从时间分布上分析,SYNC的功率与两边GP相比,SYNC段是“峰”值。当用两边64个码片的功率和(每边各32个码片)除以SYNC段功率和时,得到的值应当很小。当用功率特征窗的方法遍历整个接收数据时,比值最小的位置即是DwPTS的位置,由此DwPTS位置粗测器可以判断出SYNC的大致位置。通过DwPTS位置粗测器的输出结果可以知道DwPTS的大致的位置,在通过延时控制器根据已经粗略测量出的位置信息来控制数据抽取器对相应位置的数据进行抽取。数据抽取器根据延时控制器的输出结果而抽取出相应位置长度为L个码片的数据,如图4所示,由于抽取的长度L的数据是数据抽取器根据DwPTS位置粗测器和延时控制器的输出结果而进行抽取的,抽取时要求抽取的范围一定包含UE所在蜂窝系统小区半径,天线配置预置范围内,所以所抽取的数据包括64个码片的SYNC段数据。这种用特征窗确定DwPTS的位置仍然只是一大致的位置,还不能精确的确定SYNC码组及其位置,现在详细描述一下用信道轮廓窗来确定SYNC码及其位置的检测过程。
数据抽取器抽取的数据输入相关器中,同时参考信号发生器的输出数据也输入相关器中,参考信号发生器由接收机根据需要搜索的SYNC码的序号来产生相应的SYNC码。相关器将参考信号发生器输入的数据与接收的数据抽取器中的数据进行相关运算,其输出为长度为N的复数相关结果,其中所述的相关器也可以用匹配滤波器来替代。由相关器输出的复数相关结果输入功率计算器中,功率计算器对其结果求模平方(或模)运算得到相关功率值,此值的大小可以反应出各个径的强度的强弱。由功率计算器输出的结果已经不再是一复数值,其结果分别输入到信道轮廓窗检测器和有效径分量选择器中,用长度为W(这里以16个码片长度的信道轮廓窗为例,也可以设为其它值)的相关功率在整个相关功率值范围内移动,移动步长是可变的(例如,设移动步长S为1个码片),这样可以得到M(M=(N-W)/S+1)个窗。计算出所有M个窗中的相关功率的累加和,并从中筛选出功率累加和最大值的窗,此窗就是信道轮廓窗(即包含所有能量的窗口)。
信道轮廓窗检测器的输出结果输入窗内最值检测器,窗内最值检测器在信道轮廓窗中依次找到K个最大的功率值(如图4所示,K=4),记录他们的相关功率值和相应的位置,然后将其输入到有效径分量选择器中,有效径分量选择器根据功率计算器输入的结果和窗内最值检测器输入的结果对窗内的找到的K个最大的功率值进行筛选,选择出有效的径分量。
现在对有效径分量选择器的筛选过程做进一步的描述。如图5所示,有效径分量选择器可以有三种实现方式,第一种有效径分量选择器包括一噪声功率计算器和一第一门限判决器,其中所述的噪声功率计算器根据功率计算器输入的所有相关功率的值以及窗内最值检测器输入的K个最大的功率值可以计算出相应的噪声功率。具体的噪声功率的计算过程是首先在所有的相关功率值中滤除窗内最值检测器所输出的相关功率值,然后对剩余的相关功率求平均值,此值即是噪声功率值。所述的第一门限判决器根据噪声功率计算器输入的噪声功率值,窗内最值检测器所检测出的K个最大的功率值,可以判决出信道中的有效径分量并记录其位置。其中具体的判决公式如下:
|P1-Pnoise|>T1;i=1,2,3,...,K (1)
这里P1是第i个功率值,Pnoise噪声功率值,T1是门限值1。窗内最值检测器所检测出的K个最大功率值如果满足上述公式(1)中的信噪比门限的条件就被判断为有效径分量并记录其相应的位置。
第二种有效径分量选择器包括一第二门限判决器,其判决公式如下:
|Pmax-P1|<T2;i=1,2,3,...,K (2)
这里P1是第i个功率值,这里的主径Pmax是窗内最值检测器输出的K个最值中的最大值(也就是主径的功率值),T2是门限值2。
所述的第二门限判决器根据最值检测器所检测出的K个最大功率值与主径的功率值相比,判断其绝对差值小于公式(2)门限条件就可以判断为有效径分量并记录其相应的位置。
第三种有效径分量选择器包括一噪声功率计算器,一第一门限判决器和一第二门限判决器。所述的噪声功率计算器和所述的第一门限判决器与第一种有效径分量选择器所包含的噪声功率计算器和第一门限判决器相同,所述的第二门限判决器与第二种有效径分量选择器的中的第二门限判决器相同。采用此种结构的有效径分量选择器时,必须同时满足上述两种门限判决器的条件才可以被判断出有效径分量并记录出相应的位置。选用这种有效径分量选择器的性能好于前两种的有效径分量选择器的性能。
有效径分量选择器将筛选后的有效径及其相应的位置数据输入到同步径判决器中,所述的同步径判决器根据输入的数据找到位置最靠前的径,这就是本发明中第一个有效径的位置,它的位置就是找到的同步的位置。
本发明仅以TD-SCDMA系统为例,但此方法也可以用于其他无线通信系统领域中的同步问题。本领域普通技术人员可在本发明的精神及观点内对本发明进行多种不同的修改。凡依本发明权利要求书范围所作的同等的变化及修饰,皆为本发明所保护的范围。
Claims (9)
1.一种通过信道轮廓窗的方法来确定帧同步的装置,其特征在于它包括:一参考信号发生器,一相关器,一功率计算器,一信道轮廓窗检测器,一窗内最值检测器,一有效径分量选择器,一同步径判决器;其中
所述的参考信号发生器所产生的参考信号是基于由接收机根据需要搜索的同步码的序号来产生相应的同步码;
所述的相关器(或匹配滤波器),其将接收的数据与参考信号发生器输出的数据进行相关运算;
所述的功率计算器,其对相关器输入的结果求模平方(或模)运算得到相关功率值;
所述的信道轮廓窗检测器,其以无线通信系统设定的一长度的窗在整个相关功率值的范围内移动,移动的步长是可变的,得到若干个窗,计算出所有窗中的相关功率的累加和,并从中筛选出功率累加和最大值的窗即信道轮廓窗;
所述的窗内最值检测器,其在信道轮廓窗检测器筛选出的信道轮廓窗中依次找到若干个最大的功率值,记录他们的相关功率值和相应的位置;
所述的有效径分量选择器,其根据功率计算器输入的结果和窗内最值检测器输入的结果对窗内的找到的若干个最大的功率值进行筛选,选择出有效的径分量;
所述的同步径判决器,其根据有效径分量选择器中筛选出的有效径分量中找到位置最靠前的有效径分量。
2.如权利要求1所述的一种通过信道轮廓窗的方法来确定帧同步的装置,其特征在于它还包括:一位置粗测器,一延时控制器,一数据抽取器;其中
所述的位置粗测器,其可以粗略测出数据发出的位置;
所述的延时控制器,其根据粗略测量数据测出的位置信息来控制数据抽取器对数据抽取的位置;
所述的数据抽取器,其根据延时控制器的输出结果,抽取出一段长度的数据,这段抽取的数据可根据蜂窝系统小区半径,天线配置预置范围抽取,此段抽取的数据中将发送的数据中含有同步码的数据段包含在内。
3.如权利要求1所述的一种通过信道轮廓窗的方法来确定帧同步的装置,其特征在于:所述的有效径分量选择器由一噪声功率计算器和第一门限判决器组成。
4.如权利要求1所述的一种通过信道轮廓窗的方法来确定帧同步的装置,其特征在于:所述的有效径分量选择器由第二门限判决器组成。
5.如权利要求1所述的一种通过信道轮廓窗的方法来确定帧同步的装置,其特征在于所述的有效径分量选择器由一噪声功率计算器和第一门限判决器和第二门限判决器组成。
6.一种通过信道轮廓窗的方法来确定帧同步的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、相关器通过接收到的信号与参考信号发生器中输入的同步码序列信息进行相关运算得到一长度为N的复数相关结果,然后将复数相关结果输入到一功率计算器中,通过功率计算器对长度为N的复数相关结果分别求模平方(或模)运算得到相关功率值;所得到的相关功率的值输入到信道轮廓窗检测器中,信道轮廓窗检测是通过在无线通信系统设定的一长度为W的窗在整个相关功率值的范围内移动,移动的步长是可变的,得到若干个窗,计算出所有窗中的相关功率的累加和,并从中筛选出功率累加和最大值的窗,此窗就是信道轮廓窗;
步骤二、将信道轮廓窗检测器的结果输入窗内最值检测器中,窗内最值检测器遍历整个信道轮廓窗中的相关功率值找到若干个最大功率值并记录其相关功率和相应的位置,然后将结果输入到有效径分量选择器中,有效径分量选择器根据功率计算器输入的结果和窗内最值检测器输入的结果对找到的窗内的若干个最大功率值进行筛选,选择出有效的径分量并记录出其相应的位置;
步骤三、同步径判决器对有效径分量选择器输入的有效径进行查找,找到位置最靠前的有效径的位置(即第一个有效径分量);
步骤四、与同步径判决器查找到第一个有效径分量的位置同步。
7.如权利要求6所述的一种通过信道轮廓窗的方法来确定帧同步的方法,其特征在于:所述的有效径分量选择器是通过一噪声功率计算器和第一门限判决器来实现选择功能的,其中所述的噪声功率计算器根据功率计算器输入的所有相关功率的值以及窗内最值检测器输入的若干个最大的功率值计算出相应的噪声功率,具体的噪声功率的计算过程是首先在所有的相关功率值中滤除窗内最值检测器所输出的相关功率值,然后对剩余的相关功率求平均值,此值即是噪声功率值,所述的第一门限判决器根据噪声功率计算器输入的噪声功率值,窗内最值检测器所检测出的若干个最大的功率值,可以判决出信道中的有效径分量并记录其位置,
其中具体的判决公式如下:
|Pi-Pnoise|>T1;i=1,2,3,...,K (1)
这里Pi是第i个功率值,Ponise噪声功率值,T1是门限值1;窗内最值检测器所检测出的若干个最大功率值如果满足上述公式(1)中的信噪比门限的条件就被判断为有效径分量并记录其相应的位置。
8.如权利要求6所述的一种通过信道轮廓窗的方法来确定帧同步的方法,其特征在于:有效径分量选择器通过第二门限判决器实现选择功能的,其判决公式如下:
|Pmax-Pi|<T2;i=1,2,3,...,K (2)
这里Pi是第i个功率值,这里的主径Pmax是窗内最值检测器输出的若干个最值中的最大值(也就是主径的功率值),T2是门限值2,所述的第二门限判决器根据最值检测器所检测出的若干个最大功率值与主径的功率值相比,判断其绝对差值小于公式(2)门限条件就可以判断为有效径分量并记录其相应的位置。
9.如权利要求6所述的一种通过信道轮廓窗的方法来确定帧同步的方法,其特征在于:有效径分量选择器通过一噪声功率计算器,第一门限判决器和第二门限判决器实现选择功能的,其中所述的噪声功率计算器根据功率计算器输入的所有相关功率的值以及窗内最值检测器输入的若干个最大的功率值计算出相应的噪声功率,具体的噪声功率的计算过程是首先在所有的相关功率值中滤除窗内最值检测器所输出的相关功率值,然后对剩余的相关功率求平均值,此值即是噪声功率值,所述的第一门限判决器根据噪声功率计算器输入的噪声功率值,窗内最值检测器所检测出的若干个最大的功率值,可以判决出信道中的有效径分量并记录其位置,其中具体的判决公式如下:
|Pi-Pnoise|>T1;i=1,2,3,...,K (1)
这里Pi是第i个功率值,Pnoise噪声功率值,T1是门限值1;所述的第二门限判决器的判决公式如下:
|Pmax-Pi|<T2;i=1,2,3,...,K (2)这里Pi是第i个功率值,这里的主径Pmax是窗内最值检测器输出的若干个最值中的最大值(也就是主径的功率值),T2是门限值2,同时满足上述两种门限判决器的条件时,才可以被判断出有效径分量并记录出相应的位置。
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