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CN1284223A - 用于确定在欠载下的通信信道的部件特性的方法和设备 - Google Patents

用于确定在欠载下的通信信道的部件特性的方法和设备 Download PDF

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CN1284223A
CN1284223A CN98813435A CN98813435A CN1284223A CN 1284223 A CN1284223 A CN 1284223A CN 98813435 A CN98813435 A CN 98813435A CN 98813435 A CN98813435 A CN 98813435A CN 1284223 A CN1284223 A CN 1284223A
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Abstract

为了确定通信信道的部件、例如通信卫星中转发器的特性,将原始载波信号f(t)用伪噪声信号PN(t)调制,并通过通信信道以低于有效载荷信号电平的电平发射,其中有效载荷信号通过通信信道同时发射。将接收信号S’(t)与同一伪噪声信号PN(t)进行相关,以获得一个恢复载波信号f’(t)。将原始载波信号f(t)和恢复载波信号f’(t)一起用来确定所需的特性。由于PN调制原始载波信号S(t)是以低电平发射的,所以可以在不切断有效载荷信号的情况下执行测量。

Description

用于确定在欠载下的通信信道的部件特性的方法和设备
本发明涉及一种用于确定通信信道的部件、特别是在欠载下(under load)的通信卫星中的转发器的特性的方法和设备。
通信信道的特性在所用设备的使用期限内可能会改变。不仅在开始要执行各种测试，还要在使用期限期间重复地执行各种测试，以确认该通信信道满足预先确定的规格。通常，在没有正常通信量、即通信信道未用于传输一个通信信号的情况下执行这些测试。这个方案将在下面参考通信卫星更加详细地进行说明，虽然本发明具体应用在这个领域，但下面将进一步公开的本发明并不限于这个应用。
在通信卫星中，通信信道由卫星的转发器设置，转发器包括几个部件，如接收天线、输入多路分解器、功率放大器、输出多路复用器以及发射天线。不仅在地面上和发射之后的在轨道上的航天器寿命开始时测量转发器特性、例如振幅响应和群时延，还在使用期限期间进行测量。这些测量一般是在转发器上没有正常通信量、即转发器未发射和转播有效载荷(payload)的情况下实现的。
在测试期间切断有效载荷信号的必要性不仅表示对转发器用户来说由于通信被中断所导致的相当大的缺陷，还表示对于卫星操作者来说由于测试必须以加速方式执行以使得中断尽可能短所导致的相当大的缺陷。在一些情况下，不可能中断通过通信信道进行的通信，因此在进入操作之后不能测试这些信道的部件。
本发明的一个目的是提供一种在不需要中断通过通信信道进行的业务的情况下确定通信信道的部件、尤其是卫星转发器的特性的方法和设备。
这个目的和其他目的由一种用于确定通信信道的部件特性的方法所实现，其中通过所述通信信道以一预定电平发射一个有效载荷信号，所述方法包括：产生第一伪噪声信号PN(t)；用所述第一伪噪声信号PN(t)调制原始(clean)载波信号f(t)，以产生一个PN调制原始载波信号s(t)；将所述PN调制原始载波信号s(t)通过所述通信信道以低于所述有效载荷信号电平的电平与所述有效载荷信号同时发射；接收对应于已经通过所述通信信道传播之后的所述PN调制原始载波信号s(t)的接收信号s’(t)；将所述接收信号s’(t)与所述第一伪噪声信号PN(t)进行相关，以产生一个恢复载波信号f’(t)；以及，在比较所述原始载波信号f(t)与所述恢复载波信号f’(t)的基础上确定通信信道部件的特性。
有利地，所述PN调制原始载波信号s(t)的电平为至少低于所述有效载荷信号电平15dB，最好为25dB或更多。
在另一个实施例中，所述第一伪噪声信号PN(t)是一个二进制伪噪声序列，最好通过反馈移位寄存器产生。
所述第一伪噪声信号PN(t)的芯片速率小于5Mchip/s，最好小于或等于2.5Mchip/s。
在另一个实施例中，所述接收信号s’(t)与所述第一伪噪声信号PN(t)的所述相关通过延迟所述第一伪噪声信号PN(t)并将延迟的第一伪噪声信号PN(t)和所述接收信号s’(t)相乘来实现。
为了产生一个基准，依据本发明的方法还包括：产生第二伪噪声信号PNR(t)；用所述第二伪噪声信号PNR(t)调制一个基准载波信号fR(t)，以产生一个PN调制基准载波信号sR(t)；将所述PN调制基准载波信号sR(t)通过所述通信信道以低于所述有效载荷信号电平的电平与所述有效载荷信号电平的电平同时发射；接收对应于已经通过所述通信信道传播了之后的所述PN调制基准载波信号sR(t)的基准接收信号sR’(t)；将所述基准接收信号sR’(t)与所述第二伪噪声信号PNR(t)进行相关，以产生一个恢复基准载波信号fR’(t)；以及，在比较所述基准载波信号fR(t)与所述恢复载波信号fR’(t)的基础上确定通信信道部件的特性。
有利地，所述PN调制基准载波信号sR(t)的电平为至少低于所述有效载荷信号电平15dB，最好为25dB或更多。
在另一个实施例中，所述第二伪噪声信号PN(t)是一个二进制伪噪声序列，最好通过反馈移位寄存器产生。
在另一个实施例中，所述基准接收信号sR’(t)与所述第二伪噪声信号PNR(t)的所述相关，通过延迟所述第二伪噪声信号PNR(t)并将延迟的第二伪噪声信号PNR(t)和所述基准接收信号sR’(t)相乘来实现。
特征如上的本发明的方法尤其可应用于当所述通信信道是通信卫星的转发器的情况。所述PN调制基准信号sR(t)可以通过卫星的同一转发器发射，但所述第二伪噪声信号PNR(t)必须不与所述伪噪声信号PN(t)相关。所述PN调制基准信号sR(t)还可以通过卫星的不同转发器发射。
所述通信信道的特性可以是群时延和振幅响应。
上述目的和其他目的还由一种用于确定通信信道的部件特征的设备所实现，其中通过所述通信信道以一预定电平发射一个有效载荷信号，所述设备包括：第一伪噪声信号发生装置，用于产生一个伪噪声信号PN(t)；第一调制装置，用于用所述第一伪噪声信号PN(t)调制原始载波信号f(t)，以产生一个PN调制原始载波信号s(t)；发射装置，用于将所述PN调制原始载波信号s(t)通过所述通信信道以低于所述有效载荷信号电平的电平与所述有效载荷信号电平的电平同时发射；接收装置，用于接收对应于已经通过所述通信信道传播之后的所述PN调制原始载波信号s(t)的接收信号s’(t)；以及，第一相关装置，用于将所述接收信号s’(t)与所述伪噪声信号PN(t)进行相关，以产生一个恢复载波信号f’(t)。
有利地，所述PN调制原始载波信号s(t)的电平为至少低于所述有效载荷信号电平15dB，最好为25dB或更多。
在另一个实施例中，所述第一伪噪声信号发生装置是一个反馈移位寄存器。
所述第一伪噪声信号PN(t)的芯片速率小于5Mchip/s，最好小于或等于2.5Mchip/s。
在另一个实施例中，上述设备包括用于延迟所述第一伪噪声信号PN(t)的第一延迟装置。
为了产生一个基准，上述设备还包括：第二伪噪声发生装置，用于产生第二伪噪声信号PNR(t)；第二调制装置，用于用所述第二伪噪声信号PNR(t)调制一个基准载波信号fR(t)，以产生一个PN调制基准载波信号sR(t)；发射装置，用于将所述PN调制基准载波信号sR(t)通过所述通信信道以低于所述有效载荷信号电平的电平与所述有效载荷信号电平的电平同时发射；接收装置，用于接收对应于已经通过所述通信信道传播了之后的所述PN调制基准载波信号sR(t)的基准接收信号sR’(t)；以及，第二相关装置，用于将所述基准接收信号sR’(t)与所述第二伪噪声信号PNR(t)进行相关，以产生一个恢复基准载波信号fR’(t)。
有利地，所述PN调制基准载波信号sR(t)的电平为至少低于所述有效载荷信号电平15dB，最好为25dB或更多。
在另一个实施例中，所述第二伪噪声信号发生装置是一个反馈移位寄存器。
在另一个实施例中，上述设备还包括用于延迟所述第二伪噪声信号PNR(t)的第二延迟装置。
总之，为了确定通信信道的部件、例如通信卫星中转发器的特性，将原始载波信号f(t)用伪噪声信号PN(t)调制，并通过通信信道以低于有效载荷信号电平的电平发射，其中有效载荷信号通过通信信道同时发射。将接收信号s’(t)与同一伪噪声信号PN(t)进行相关，以获得一个恢复载波信号f’(t)。将原始载波信号f(t)和恢复载波信号f’(t)一起用来确定所需的特性。由于PN调制原始载波信号s(t)是以低电平发射的，所以可以在不切断有效载荷信号的情况下执行测量。
依据本发明的方法和设备的最重要的优点当然是不必切断有效载荷信号来执行测量。这相当大地限制了维护和验证通信信道所需的停机时间，从而增大了服务的可用性。
另一个非常重要的优点是采用这个方法和设备可以测量在现实条件下的通信信道部件的特性。例如，在卫星转发器中，IMUX和OMUX滤波器是波导滤波器，这些滤波器的特性随温度而变化。通常，在操作期间，滤波器不是被均匀加热，而是根据有效载荷被加热。当有效载荷信号被切断时，即使测试信号提供了用于加热滤波器的特定功率，温度分布与正常操作相比也发生了变化。因此，采用常规方法在起动的通信信道中出现的条件下不能确定特性。另外，在提出的方法中，测量信号的频谱功率密度显著低于有效载荷信号的频谱功率密度，以便可以在最现实的环境下表征通信信道的性能。
本发明的又一个优点是在卫星通信信道的情况下可以在不中断有效载荷信号的情况下测量上行链路/下行链路的变换频率并同时进行其他测量。
下面将参考附图详细说明本发明的一个实施例。
图1显示了通信卫星的转发器的原理图；
图2显示了依据本发明的设备的第一个实施例的原理图；
图3a和3b显示了表示测量结果的示意图；
图4显示了依据本发明的设备的第二个实施例的原理图。
出于描述本发明的一个实施例的目的，图1显示了作为通信信道例子的通信卫星中转发器的部件。
通信卫星的转发器包括一个用于接收从地面站(未显示)发送的上行链路信号的接收天线1。将所述接收天线1的输出信号在频率变换器2中进行频率变换之后馈送给一个输入多路分解器(IMUX)3。所述输入多路分解器3包括几个第一滤波器4-1至4-n，用于分离来自天线的信号中的单个信号。一般为每个要从通过所述接收天线1接收的其他信号中分离出来的信号提供一个滤波器，该滤波器对应于一个通信信道。将所述输入多路分解器3的n个输出信号馈送到相应数目的高功率放大器5-1至5-n，在每个高功率放大器中，采用行波管(TWT)来放大所述输入多路分解器3的输出信号。由于每个所述高功率放大器通常工作在其饱和点，因此多个信号将生成互调产物和信号失真。放大器输出信号通过第二滤波器6-1至6-n，其中第二滤波器6-1至6-n是合并n个放大器输出信号的输出多路复用器(OMUX)7的一部分。所述输出多路复用器7的输出信号被馈送至一个发射天线8，由此发送到地面上的所需区域。
由于在输入多路分解器(IMUX)3和输出多路复用器(OMUX)7中提供的滤波器对于转发器的性能具有严重的影响，因此在下面将就测量转发器通信信道的这些部件的两个特定特性、即振幅响应和群时延这方面说明依据本发明的方法，本发明的方法特别适合于这个应用。然而，通过依据本发明的方法和设备还可以确定通信信道的其他部件的相同或其他特性。
依据本发明，在如图2所示的地面站中，伪噪声信号PN(t)由伪噪声信号发生器9、例如反馈移位寄存器或存储伪噪声信号值序列的存储设备产生。伪噪声信号PN(t)在零时延具有非常尖锐的自相关函数。这使得能够确定在本地产生的伪噪声信号PN(t)与由于传播时间而延迟的接收信号之间的时延。具有可变频率的原始载波信号f(t)由第一乘法器10以所述伪噪声信号PN(t)调制，以形成一个PN调制原始载波信号s(t)=PN(t)×f(t)，其中原始载波信号f(t)的频率将根据下面所述进行变化。伪噪声信号PN(t)的芯片速率确定了该信号的带宽，将其芯片速率选择为使得PN调制原始载波信号s(t)的带宽与通信信道的群时延中的预期峰值相比很窄。一般将伪噪声信号的芯片速率选择为小于5Mchip/s。
将PN调制原始载波信号s(t)送到上变频器11，并通过高功率放大器12送到天线13，天线13将该PN调制原始载波信号s(t)发送给测试中的通信卫星的转发器。然而，从将一个有效载荷信号发射给卫星的用户的角度看，转发器在测试期间仍保持可用，并且可以被连续地提供有效载荷信号。
依据本发明，所发射的PN调制原始载波信号s(t)的电平足够低于有效载荷信号的电平，例如大约低15至25dB或更多，以使得有效载荷信号不被明显地恶化。出于这个原因，PN调制原始载波信号s(t)可以在通信信道在使用时被发射，即与从同一个或另一个地面站发射给卫星转发器的有效载荷信号同时发射。
改变原始载波信号f(t)的频率，使得它从卫星转发器、或测试中的一般通信信道的任何其他部件中的滤波器的通带的最低频率扫到最高频率。由于伪噪声信号PN(t)，PN调制原始载波信号s(t)具有一个很窄的带宽，从而可以在选定的离散频率确定通信信道的振幅响应和群时延，这将在下面进行说明。
在实施例中，天线13还用于接收由卫星转发器转播的信号，换句话说，接收已经通过通信信道传送的信号。将天线13的输出信号传送通过下变频器14，以获得一个接收信号s’(t)，接收信号s’(t)被送到第二乘法器15，第二乘法器15接收相同的但被延迟的伪噪声信号PN(t)。延迟是由延迟装置16产生的，将延迟装置16设置为使得第二乘法器15的输出变得最大。从而，接收信号s’(t)被倍乘，换句话说就是与非常相同的已经用于产生PN调制原始载波信号s(t)的伪噪声信号PN(t)进行相关，获得一个恢复载波信号f’(t)，f’(t)与原始载波信号f(t)相比仅仅是被延迟和衰减了。因此，作为一般通信信道的一个例子，可以容易地确定卫星转发器的对应于恢复载波信号f’(t)的衰减的振幅响应和对应于恢复载波信号f’(t)的延迟的群时延。如果在信号带宽中可以线性近似相位，则窄带信号在其中心频率的运行时间对应于滤波器的群时延。因此确定了PN信号的芯片速率。
就所考虑的通信卫星而言，在转发器的通带上只相对于通带的中心频率的振幅响应和群时延来确定振幅响应和群时延是足够的。因此，将伪噪声信号PN(t)延迟为使得恢复载波信号f’(t)的振幅变得最大并分别从通带中的任何其他频率处的振幅和时延减去在中心频率的振幅和时延是足够的。
图3a和3b显示了由依据本发明的方法获得的振幅响应(图3a)和群时延(图3b)的典型测量结果。
在卫星通信信道、即转发器的情况下，应该注意的是，在测量期间，由于卫星的移动，到卫星的距离可以改变。并且，在测量期间，由于大气的影响，地面站与卫星之间的路径损耗衰减可以改变。由于在上述实施例中振幅响应和群时延是通过从在其他离散频率的相应值中减去在中心频率的振幅响应和群时延来确定的，因此由于前面提到的卫星移动和大气影响或其他影响可能会出现误差。
如图4所示，可以用基准信号sR(t)来补偿前述的测量误差。在图4中，将相同的标号用于那些上面已经描述的部分，并参考上面对这些部分的描述。基准信号sR(t)由第三乘法器18产生，第三乘法器18接收第二伪噪声信号PNR(t)和基准载波信号fR(t)，其中第二伪噪声信号PNR(t)不与第一伪噪声信号PN(t)相关，是由第二伪噪声发生器17产生的，基准载波信号fR(t)可以位于同一转发器的通带内或具有不同中心频率的同一卫星上的另一个转发器的通带内某处的一个固定频率上。与上述实施例类似，将PN调制基准载波信号sR(t)发射到卫星，将基准接收信号sR’(t)乘以第二伪噪声信号PNR(t)，以获得恢复基准信号fR’(t)。虽然测量信号在转发器通带的频率上扫过，但基准载波信号fR(t)的频率保持在一个固定频率。因此，通过从相应时间的测量信号值减去基准信号值，可以获得通信信道的经校正的振幅响应和群时延。
所述群时延测量的变化包括在与第一频率非常接近的一特定频率测量PN调制信号的重构载波的相位，通过计算相位差并除以频率差，可以近似在位于两个测量频率的中间的频率上的群时延。
因为伪噪声信号可以相对容易地产生，因此上面只讨论了这些信号。然而，真噪声信号也可以用在依据本发明的方法和设备中。真噪声信号和伪噪声信号的特性都是本领域普通技术人员所公知的，并且，例如在1988年的Prentice Hall的Bernard Sklar的“数字通信基础和应用”中进行了说明。

Claims (31)

1．一种用于确定通信信道的部件特性的方法，其中通过所述通信信道以一预定电平发射一个有效载荷信号，所述方法包括：
-产生第一伪噪声信号PN(t)；
-用所述第一伪噪声信号PN(t)调制原始载波信号f(t)，以产生一个PN调制原始载波信号s(t)；
-将所述PN调制原始载波信号s(t)与所述有效载荷信号通过所述通信信道以低于所述有效载荷信号电平的电平同时发射；
-接收对应于已经通过所述通信信道传播之后的所述PN调制原始载波信号s(t)的接收信号s’(t)；
-将所述接收信号s’(t)与所述第一伪噪声信号PN(t)进行相关，以产生一个恢复载波信号f’(t)；以及
-在比较所述原始载波信号f(t)与所述恢复载波信号f’(t)的基础上确定通信信道部件的特性。
2．如权利要求1所述的方法，其中，所述PN调制原始载波信号s(t)的电平为至少低于所述有效载荷信号电平15dB。
3．如权利要求2所述的方法，其中，所述PN调制原始载波信号s(t)的电平为至少低于所述有效载荷信号电平25dB。
4．如权利要求1至3中任何一个所述的方法，其中，所述第一伪噪声信号PN(t)是一个二进制伪噪声序列。
5．如权利要求4所述的方法，其中，所述二进制伪噪声序列是由存储伪噪声信号值序列的反馈移位寄存器或存储设备产生的。
6．如权利要求1至5中任何一个所述的方法，其中，所述第一伪噪声信号PN(t)的芯片速率小于5Mchip/s。
7．如权利要求6所述的方法，其中，所述第一伪噪声信号PN(t)的芯片速率小于或等于2.5Mchip/s。
8．如权利要求1至7中任何一个所述的方法，其中，所述接收信号s’(t)与所述第一伪噪声信号PN(t)的所述相关通过延迟所述第一伪噪声信号PN(t)并将延迟的第一伪噪声信号PN(t)和所述接收信号s’(t)相乘来实现。
9．如权利要求1至8中任何一个所述的方法，还包括：
-产生第二伪噪声信号PNR(t)；
-用所述第二伪噪声信号PNR(t)调制一个基准载波信号fR(t)，以产生一个PN调制基准载波信号sR(t)；
-将所述PN调制基准载波信号sR(t)于所述有效载荷信号通过所述通信信道以低于所述有效载荷信号电平的电平同时发射；
-接收对应于已经通过所述通信信道传播了之后的所述PN调制基准载波信号sR(t)的基准接收信号sR’(t)；
-将所述基准接收信号sR’(t)与所述第二伪噪声信号PNR(t)进行相关，以产生一个恢复基准载波信号fR’(t)；以及
-在比较所述基准载波信号fR(t)与所述恢复载波信号fR’(t)的基础上确定通信信道部件的特性。
10．如权利要求9所述的方法，其中，所述PN调制基准载波信号sR(t)的电平为至少低于所述有效载荷信号电平15dB。
11．如权利要求10所述的方法，其中，所述PN调制基准载波信号sR(t)的电平为至少低于所述有效载荷信号电平25dB。
12．如权利要求9至11中任何一个所述的方法，其中，所述第二伪噪声信号PN(t)是一个二进制伪噪声序列。
13．如权利要求12所述的方法，其中，所述二进制伪噪声序列是由存储伪噪声信号值序列的反馈移位寄存器或存储设备产生的。
14．如权利要求9至13中任何一个所述的方法，其中，所述基准接收信号sR’(t)与所述第二伪噪声信号PNR(t)的所述相关通过延迟所述第二伪噪声信号PNR(t)并将延迟的第二伪噪声信号PNR(t)和所述基准接收信号sR’(t)相乘来实现。
15．如权利要求1至14中任何一个所述的方法，其中，所述通信信道是通信卫星的转发器。
16．如权利要求14和15所述的方法，其中，所述PN调制基准信号sR(t)通过卫星的同一转发器发射，所述第二伪噪声信号PNR(t)不与所述伪噪声信号PN(t)相关。
17．如权利要求14和15所述的方法，其中，所述PN调制基准信号sR(t)通过卫星的不同转发器发射。
18．如权利要求1至17中任何一个所述的方法，其中，所述通信信道的特性之一是群时延和/或振幅响应。
19．一种用于确定通信信道的部件特征的设备，其中通过所述通信信道以一预定电平发射一个有效载荷信号，所述设备包括：
-第一伪噪声信号发生装置(9)，用于产生一个伪噪声信号PN(t)；
-第一调制装置(10)，用于用所述第一伪噪声信号PN(t)调制原始载波信号f(t)，以产生一个PN调制原始载波信号s(t)；
-发射装置(11，12，13)，用于将所述PN调制原始载波信号s(t)与所述有效载荷信号通过所述通信信道以低于所述有效载荷信号电平的电平同时发射；
-接收装置(13，14)，用于接收对应于已经通过所述通信信道传播了之后的所述PN调制原始载波信号s(t)的接收信号s’(t)；以及
-第一相关装置(14)，用于将所述接收信号s’(t)与所述伪噪声信号PN(t)进行相关，以产生一个恢复载波信号f’(t)。
20．如权利要求19所述的设备，其中，所述PN调制原始载波信号s(t)的电平为至少低于所述有效载荷信号电平15dB。
21．如权利要求20所述的设备，其中，所述PN调制原始载波信号s(t)的电平为至少低于所述有效载荷信号电平25dB。
22．如权利要求19至21中任何一个所述的设备，其中，所述第一伪噪声信号发生装置(9)是一个存储伪噪声信号值序列的反馈移位寄存器或存储设备。
23．如权利要求19至22中任何一个所述的设备，其中，所述第一伪噪声信号PN(t)的芯片速率小于5Mchip/s。
24．如权利要求23所述的设备，其中，所述第一伪噪声信号PN(t)的芯片速率小于或等于2.5Mchip/s。
25．如权利要求19至24中任何一个所述的设备，还包括用于延迟所述第一伪噪声信号PN(t)的第一延迟装置(16)。
26．如权利要求19至25中任何一个所述的设备，还包括：
-第二伪噪声发生装置(17)，用于产生第二伪噪声信号PNR(t)；
-第二调制装置(18)，用于用所述第二伪噪声信号PNR(t)调制一个基准载波信号fR(t)，以产生一个PN调制基准载波信号sR(t)；
-发射装置(11，12，13)，用于将所述PN调制基准载波信号sR(t)与所述有效载荷信号通过所述通信信道以低于所述有效载荷信号电平的电平同时发射；
-接收装置(13，14)，用于接收对应于已经通过所述通信信道传播之后的所述PN调制基准载波信号sR(t)的基准接收信号sR’(t)；以及
-第二相关装置(20)，用于将所述基准接收信号sR’(t)与所述第二伪噪声信号PNR(t)进行相关，以产生一个恢复基准载波信号fR’(t)。
27．如权利要求26所述的设备，其中，所述PN调制基准载波信号s(t)的电平为至少低于所述有效载荷信号电平15dB。
28．如权利要求27所述的设备，其中，所述PN调制基准载波信号sR(t)的电平为至少低于所述有效载荷信号电平25dB。
29．如权利要求26至28中任何一个所述的设备，其中，所述第二伪噪声信号发生装置(9)是一个存储伪噪声信号值序列的反馈移位寄存器或存储设备。
30．如权利要求29至34中任何一个所述的设备，其中，还包括用于延迟所述第二伪噪声信号PNR(t)的第二延迟装置(19)。
31．如权利要求19至30中任何一个所述的设备，其中，所述通信信道的特性之一是群时延和/或振幅响应。
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