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第 5章 數(shù)據(jù)信號(hào)的頻帶傳輸 頻帶傳輸系統(tǒng) 5.1 數(shù)字調(diào)幅 5.2 數(shù)字調(diào)相 5.3 頻移鍵控( FSK) 5.4 各種調(diào)制方式的信道頻帶利用率比較 5.6 最小移頻鍵控( MSK) 5.5 數(shù)字調(diào)幅調(diào)相 5.7 格型編碼調(diào)制( TCM)的概念 5.8 數(shù)據(jù)信號(hào)數(shù)字傳輸 5.9 本章節(jié)教學(xué)說明 本章重點(diǎn)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)信號(hào)的頻帶傳輸相關(guān)理論 本章主要學(xué)習(xí)調(diào)幅、調(diào)相、調(diào)頻相關(guān)原理和方法 本章主要系統(tǒng)介紹了數(shù)據(jù)信號(hào)的數(shù)字傳輸過程 本章節(jié)內(nèi)容概述 2ASK 2DPSK 2FSK 多相調(diào)制 本章節(jié)學(xué)習(xí)重點(diǎn)、難點(diǎn) 2ASK 2DPSK M-QAM 本章節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo) 掌握 2ASK的基本原理和 QAM的調(diào)制方式 重點(diǎn)掌握 2DPSK的調(diào)制和解調(diào) 重點(diǎn)理解多相調(diào)制的相關(guān)原理 掌握數(shù)據(jù)信號(hào)的數(shù)字傳輸過程 本章節(jié)學(xué)習(xí)能力要素及基礎(chǔ)要求 課前預(yù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容 了解現(xiàn)實(shí)中數(shù)據(jù)信號(hào)的數(shù)字傳輸例子 本章節(jié)學(xué)習(xí)方法建議 預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)結(jié)合 實(shí)驗(yàn)操作與課堂學(xué)習(xí)結(jié)合 自學(xué)與探討結(jié)合 課后作業(yè)與章節(jié)個(gè)人總結(jié)結(jié)合 尋求教師答疑與學(xué)習(xí)反饋結(jié)合 頻帶傳輸又稱調(diào)制傳輸,它主要適用于電話網(wǎng)信道的傳輸。 5.1 頻帶傳輸系統(tǒng) 基帶傳輸和頻帶傳輸主要是由于傳輸?shù)男诺啦煌l帶傳輸需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。 所謂調(diào)制,就是在基帶數(shù)據(jù)信號(hào)上附加一個(gè)載波,通過載波的幫助使基帶信號(hào)在帶通信道上傳輸,就如我們騎馬上山,馬就相當(dāng)于載波。 頻帶傳輸系統(tǒng)與基帶傳輸系統(tǒng)的區(qū)別在于:頻帶傳輸系統(tǒng)在發(fā)送端增加了調(diào)制,在接收端增加了解調(diào),以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻帶搬移。 調(diào)制和解調(diào)綜合起來(lái)實(shí)現(xiàn)的設(shè)備稱為調(diào)制解調(diào)器( Modem)。 圖 5-1 頻帶傳輸基本結(jié)構(gòu) 調(diào)制的定義:所謂調(diào)制,就是用基帶信號(hào)對(duì)載波波形的某些參數(shù)進(jìn)行控制,使這些參量隨基帶信號(hào)的變化而變化。 用以調(diào)制的基帶信號(hào)是數(shù)字信號(hào),所以又稱為數(shù)字調(diào)制。 在調(diào)制解調(diào)器中都選擇正弦(或余弦)信號(hào)作為載波。 這是因?yàn)檎倚盘?hào)形式簡(jiǎn)單,便于產(chǎn)生和接收,且由于正弦信號(hào)有幅度、頻率、相位 3種基本參量,因此可以構(gòu)造數(shù)字調(diào)幅、數(shù)字調(diào)相和數(shù)字調(diào)頻 3種基本調(diào)制方式。 5.2 數(shù)字調(diào)幅 5.2.1 ASK信號(hào)調(diào)制解調(diào)原理 圖 5-2 數(shù)字調(diào)幅基本框圖 圖 5-3 2ASK信號(hào)波形 ASK已調(diào)波的解調(diào),可用非相干解調(diào)和相干解調(diào)兩種方法。 圖 5-4 包絡(luò)檢波示意圖 5.2.2 2ASK調(diào)制波功率譜 如果設(shè) s(t)的功率譜密度為 sp sf2()Gf 2sf2 2ss( ) ( )nG f f n f(f )= P(1P) + (1P) 式中, G(f )為 g(t)的傅里葉變換,如果s(t)是單極性不歸零矩形脈沖序列,對(duì) 的所有整數(shù)時(shí) G(nf )=0,則由上式可知沒有直流分量。 0n 圖 5-5 2ASK信號(hào)的功率譜密度示意圖 5.2.3 單邊帶和殘余邊帶調(diào)制的概念 ASK信號(hào)具有兩個(gè)邊帶,而且兩個(gè)邊帶是含有相同的信息。 為了提高信道頻帶利用率,只需傳送一個(gè)邊帶就能實(shí)現(xiàn)信息傳遞。 殘余邊帶調(diào)制是介于雙邊帶和單邊帶之間的一種調(diào)制方法,它是使已調(diào)雙邊帶信號(hào)通過一個(gè)殘余邊帶濾波器,使其雙邊帶中的一個(gè)邊帶的絕大部分和另一個(gè)邊帶的小部分通過,形成所謂的殘余邊帶信號(hào)。 5.2.4 正交幅度調(diào)制 正交幅度調(diào)制的基本思想是將兩路獨(dú)立的基帶波形分別對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制,所得到的兩路已調(diào)信號(hào)疊加起來(lái)的過程,稱為正交幅度調(diào)制。 圖 5-6 正交幅度調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生和解調(diào) 圖 5-7 正交調(diào)幅功率譜示意圖 通過正交幅度調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生和解調(diào),我們看到了其自身的優(yōu)越性,它可以成功地在傳輸信號(hào)頻帶不增加的情況下,通過兩路信號(hào)的正交來(lái)提高傳輸信號(hào)的有效性。 而且正交幅度調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生和解調(diào)都相當(dāng)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)。 因此,為了更好地理解正交幅度調(diào)制的特點(diǎn),我們?cè)購(gòu)膬蓚€(gè)方面加以闡述。 第一方面:正交幅度調(diào)制的矢量關(guān)系 圖 5-8 正交幅度調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的矢量表示圖 第二方面:星座圖表示法 圖 5-9 正交幅度調(diào)制信號(hào)的矢量圖 圖 5-10 16QAM星座圖 QAM方式的主要特點(diǎn)是有較高的頻譜利用率。 M值越大即星點(diǎn)數(shù)越多,其頻譜利用率就越高,目前可以做到 = 64甚至更高,故正交幅度調(diào)制方式一般應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。 5.3 數(shù)字調(diào)相 數(shù)字調(diào)相的基本定義為:以基帶數(shù)據(jù)信號(hào)控制載波的相位,使載波的相位隨基帶信號(hào)的變化而變化稱為數(shù)字調(diào)相,又稱相移鍵控,簡(jiǎn)寫為 PSK。 5.3.1 PSK信號(hào)及功率譜密度 數(shù)字調(diào)相分為兩類,即絕對(duì)調(diào)相( PSK)和相對(duì)調(diào)相( DPSK)。 絕對(duì)調(diào)相信號(hào)的變換規(guī)則是:數(shù)據(jù)信號(hào)的“ 1”對(duì)應(yīng)于已調(diào)信號(hào)的 0 (正弦波)相位;數(shù)據(jù)信號(hào)的“ 0”對(duì)應(yīng)于已調(diào)信號(hào)的180 (余弦波)相位,或反之。 這里的 0 和 180 ,是以未調(diào)載波的0 作參考相位的。 相對(duì)調(diào)相信號(hào)的變換規(guī)則是:數(shù)據(jù)信號(hào)的“ 1”使已調(diào)信號(hào)的相位變化 180 相位(正弦變余弦或者余弦變正弦);數(shù)據(jù)信號(hào)的“ 0”使已調(diào)信號(hào)的相位變化 0 相位(不變),或反之(簡(jiǎn)單說就是“遇 1變,遇 0不變”)。 圖 5-11 PSK信號(hào)的波形 5.3.2 二相調(diào)相信號(hào)的產(chǎn)生和解調(diào) 1 2PSK信號(hào)的產(chǎn)生和解調(diào) 如前所述, 2PSK信號(hào)與抑制載波的2ASK信號(hào)等效,因此,可以利用雙極性基帶信號(hào)通過乘法器與載波信號(hào)相乘得到2PSK信號(hào),這是產(chǎn)生 2PSK信號(hào)的一種方法。 圖 5-12 2PSK信號(hào)的產(chǎn)生和解調(diào) 圖 5-13 二分頻電路相位不定性示意 2 2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生和解調(diào) PSK和 DPSK均是相位變化來(lái)反映基帶信號(hào)變化的情況,那么兩者之間是否存在內(nèi)在的聯(lián)系呢?答案是肯定的。 我們?cè)O(shè) an、 Dn分別表示絕對(duì)碼序列和差分碼序列,由于相對(duì)碼是在絕對(duì)碼的基礎(chǔ)上變化而成的,其相應(yīng)關(guān)系為 nD na1nD = 其中 Dn-1為 Dn的前移一位,也即在 Dn的前面加上一位 1或者 0,不影響計(jì)算結(jié)果。 假設(shè)基帶數(shù)據(jù)序列為 =10110,則其相對(duì)序列為 = nanD na 1nD a n = 1 0 1 1 0 D n - 1 =0 D n = 1 1 0 1 1 注 : 算法可以看成 相同為 0 , 不同為 1 圖 5-14 PSK和 DPSK的內(nèi)在聯(lián)系圖 圖 5-15 2DPSK信號(hào)的產(chǎn)生 圖 5-16 差分碼變換電路 2DPSK的解調(diào)有兩種方法:極性比較法和相位比較法。 圖 5-17 2DPSK極性比較法解調(diào) 圖 5-18 差分碼 /絕對(duì)碼變換 2DPSK信號(hào)另一種解調(diào)方法是相位比較法,又稱差分相干解調(diào)法。 由于 2DPSK信號(hào)的參考相位是相鄰前一碼元的載波相位,故解調(diào)時(shí)可直接比較前后碼元載波的相位,從而直接得到相位差攜帶的數(shù)據(jù)信息。 圖 5-19 相位比較法解調(diào)的原理框圖 圖 5-20 相位比較法解調(diào)過程 5.3.3 多相調(diào)制 在數(shù)字相位調(diào)制中,不僅可以采用二相調(diào)制,還可以采用多相調(diào)制,即用多種相位或相位差來(lái)表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信息。 如果把輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)的每個(gè)比特編成一組,則構(gòu)成所謂的比特碼元。 每一個(gè)比特碼元都有 2k種不同狀態(tài),因而必須用 M = 2k種不同相位或相位差來(lái)表示,稱為 M相調(diào)相。 1四相調(diào)相 四相調(diào)相,即 4PSK,是用載波的 4種不同相位來(lái)表征傳送的數(shù)據(jù)信息。 我們把組成雙比特碼元的前一信息比特用 A代表,后一信息比特用 B代表,并按格雷碼排列,以便提高傳輸?shù)目煽啃浴?圖 5-21 4PSK矢量圖 圖 5-22 調(diào)相法產(chǎn)生 4PSK信號(hào)原理圖 圖 5-23 4PSK信號(hào)解調(diào)原理圖 2四相絕對(duì)調(diào)相與相對(duì)調(diào)相 四相調(diào)相和前面一樣也有絕對(duì)調(diào)相和相對(duì)調(diào)相之分。 絕對(duì)調(diào)相的載波起始相位與雙比特碼(因?yàn)殡p比特碼構(gòu)成四種相位)之間有一種固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系;但是相對(duì)碼的載波起始位置與雙比特之間沒有固定對(duì)應(yīng)關(guān)系,它只是跟前一時(shí)刻的雙比特碼元對(duì)應(yīng)的載波相位有關(guān),是相對(duì)于前一時(shí)刻的相位變化而得到。 其關(guān)系式為 1c c n 其中, 為本時(shí)刻相對(duì)調(diào)相已調(diào)載波起始相位, 為前一時(shí)刻相對(duì)調(diào)相已調(diào)載波起始相位, 為本時(shí)刻載波被絕對(duì)調(diào)相的相位。 c1n n圖 5-24 /4系統(tǒng)已調(diào)波的波形圖 3八相調(diào)相 八相調(diào)相是有效地提高頻譜利用率的一種方式。 它是把 0 2分成 8種相位,已調(diào)波相鄰相位之差為 2/8 /4。 二進(jìn)制信息碼元的 3比特組成一個(gè)八進(jìn)制碼元,并與一個(gè)已調(diào)波的起始相位對(duì)應(yīng)。 所以,必須將二進(jìn)制的基帶信碼經(jīng)串 /并轉(zhuǎn)換,變?yōu)?3比特碼元,然后進(jìn)行調(diào)相。 3比特碼元的組合情況不同,對(duì)應(yīng)的已調(diào)載波相位就不同。 圖 5-26 八相相位及八相調(diào)相示意圖 圖 5-27 A, B兩路電平以及調(diào)制合成矢量 圖 5-28 八相調(diào)相信號(hào)解調(diào)原理圖 5.4 頻移鍵控( FSK) 5.4.1 2FSK信號(hào)及功率譜密度 所謂調(diào)頻,就是用基帶數(shù)據(jù)信號(hào)控制載波的頻率,使載波的頻率隨基帶信號(hào)的變化而變化,稱為數(shù)字調(diào)頻,又稱頻移鍵控( FSK) 。 圖 5-29 頻移鍵控原理圖 圖 5-30 FSK已調(diào)波的功率譜 對(duì)于 2FSK調(diào)制方式,則有如下結(jié)論: ( 1)如果移頻指數(shù)不是整數(shù)時(shí),則功率譜密度中無(wú)離散譜,當(dāng) 0.7時(shí),大部分功率集中在 2fb頻帶內(nèi); ( 2)當(dāng)較大時(shí),大部分功率集中在( 2)fb 范圍內(nèi); ( 3)當(dāng) 1時(shí), 2FSK的頻譜利用率比2PSK要低,但是 FSK方式是用頻帶攜帶信息,與幅度無(wú)關(guān),故對(duì)加性干擾而言它的抗干擾性較好,而且容易實(shí)現(xiàn),因此在無(wú)線信道上較多采用 FSK方式。 5.4.2 2FSK信號(hào)的產(chǎn)生和解調(diào) 1 2FSK信號(hào)的產(chǎn)生 2FSK信號(hào)是兩個(gè)數(shù)字調(diào)幅信號(hào)之和,因此 2FSK信號(hào)的產(chǎn)生可用兩個(gè)數(shù)字調(diào)幅信號(hào)相加的辦法產(chǎn)生。 圖 5-31所示介紹的就是相位不連續(xù)的2FSK信號(hào)產(chǎn)生的原理圖。 圖 5-31 相位不連續(xù)的 2FSK信號(hào)產(chǎn)生 圖 5-32 相位不連續(xù)的 2FSK信號(hào)產(chǎn)生 2 FSK信號(hào)的解調(diào) FSK信號(hào)的解調(diào)通常有兩種方法:分路選通濾波非相干法和振幅鑒頻非相干法,其對(duì)應(yīng)的解調(diào)器分別如圖 5-33( a)和 5-33( b)所示。 圖 5-33 2FSK信號(hào)非相干解調(diào) 5.5 最小移頻鍵控( MSK) 在連續(xù)相位的移頻鍵控的基礎(chǔ)上發(fā)展了最小移頻鍵控的調(diào)制方式,即 MSK方式。 MSK方式在功率利用率和頻帶利用率上均優(yōu)于 2PSK, MSK調(diào)制方式在移動(dòng)通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 最小移頻鍵控( MSK)是相位連續(xù)的2FSK的一個(gè)特例。 MSK又稱快速移頻鍵控( FFSK)。 5.6 各種調(diào)制方式的信道頻帶利用率比較 5.6.1 二進(jìn)制方式 因?yàn)轭l帶傳輸有調(diào)制過程,故占用的信道帶寬比基帶傳輸寬。 2ASK方式的高頻信道利用率為 bb/ 2 1 / 2 b i t / ( s H z )ff 2PSK方式的功率譜形狀與 ASK一致,兩種方式只是幅度不同,但高頻信道利用率相同,即二者均為 0.5bit/( sHz)。 5.6.2 多相調(diào)制方式 圖 5-34 4PSK與 2PSK已調(diào)波的功率譜 因?yàn)樗南嗾{(diào)相要對(duì)基帶碼進(jìn)行串 /并轉(zhuǎn)換,故碼元速率是比特速率的一半,所以四相調(diào)相已調(diào)波的雙邊功率譜第一個(gè)過零點(diǎn)寬度為 fs,則四相調(diào)相信號(hào)的高頻信道利用率為 b s b b/ 2 / 1f f f fbit/( sHz) 同理,可得八相調(diào)相方式的高頻信道利用率為 b s b b/ 2 / 2 ( / 3 ) 1 . 5f f f fbit/( sHz) 5.7 數(shù)字調(diào)幅調(diào)相 所謂數(shù)字調(diào)幅調(diào)相,又稱幅度相位鍵控( APK),它是將調(diào)幅和調(diào)相結(jié)合起來(lái)的一種調(diào)制方式。 如適當(dāng)?shù)剡x擇幅度和相位,可以做到相同頻帶利用率下可增加信號(hào)空間信號(hào)點(diǎn)的最小距離。 圖 5-35 16APK和 16PSK的信號(hào)空間分布圖 在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,許多類型的解調(diào)器都是采用相干解調(diào)的方式。 5.8 格型編碼調(diào)制( TCM)的概念 格型編碼調(diào)制,即 TCM方式是將調(diào)制和編碼合為一體的調(diào)制技術(shù),它打破了調(diào)制與編碼的界限,利用信號(hào)空間狀態(tài)的冗余度實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)編碼,以實(shí)現(xiàn)高速率、高性能的傳輸。 圖 5-36 TCM示意圖 5.9 數(shù)據(jù)信號(hào)數(shù)字傳輸 5.9.1 數(shù)據(jù)信號(hào)數(shù)字傳輸概念 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)亩x就是:在數(shù)字信道中傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)稱為數(shù)據(jù)信號(hào)的數(shù)字傳輸,簡(jiǎn)稱數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。 5.9.2 數(shù)據(jù)信號(hào)數(shù)字傳輸?shù)奶攸c(diǎn) ( 1)從數(shù)據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)來(lái)看,由于不需要調(diào)制,不需要設(shè)備較復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)器,而只需要一種功能簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)服務(wù)單元( DSU)。 ( 2)數(shù)據(jù)傳輸速率高。 ( 3)傳輸可靠性高。 5.9.3 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式 ( 1)同步傳輸 數(shù)據(jù)終端設(shè)備( DTE)發(fā)出的數(shù)據(jù)信號(hào)和待接入的 PCM信道的定時(shí)時(shí)鐘是相互同步的,即 DTE發(fā)出的數(shù)據(jù)信號(hào)在速率和時(shí)間上都受到 PCM信道的時(shí)鐘控制,這時(shí)可以利用同步復(fù)用,并充分利用 PCM信道的傳輸容量。 缺點(diǎn):由于所有的 DTE都處于受控的從屬單位,數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的靈活性差。 ( 2)異步傳輸 如果 DTE的數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)鐘與 PCM信道時(shí)鐘是非同步的,則稱為異步傳輸。 異步數(shù)據(jù)傳輸方式分為代碼變換方式和脈沖塞入方式兩類。 5.9.4 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的時(shí)分復(fù)用 TDM 1時(shí)分復(fù)用的概念及復(fù)用方式 將低速數(shù)據(jù)流合并成高速數(shù)據(jù)流的常用方法是時(shí)分復(fù)用。 比特交織復(fù)用又稱按位復(fù)用。 字符交織復(fù)用又稱按字復(fù)用。 2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)陌鈴?fù)用方式 ( 1) X.50建議 ( 2) X.51建議 5.9.5 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成 圖 5-37 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成 5.9.6 本地傳輸系統(tǒng) 本地傳輸系統(tǒng)是指從用戶終端至本地局之間的數(shù)字傳輸系統(tǒng),即通常所稱的用戶環(huán)路傳輸系統(tǒng)。 傳輸線路多是采用雙絞線的接口設(shè)備。 圖 5-38 包封前后的信號(hào)結(jié)構(gòu) 圖 5-39 承載速率信號(hào)轉(zhuǎn)換成 64 kbit/s的通用信號(hào)示意圖 5.9.7 交叉連接和復(fù)用 圖 5-40 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成 小 結(jié) 1本章重點(diǎn)介紹頻帶傳輸。頻帶傳輸是建立在基帶傳輸?shù)幕A(chǔ)上。 為了實(shí)現(xiàn)通過帶通型信道傳輸數(shù)據(jù)信號(hào),如通過電話網(wǎng)信道傳輸數(shù)據(jù)信號(hào),必須采用調(diào)制解調(diào)方式。 調(diào)制解調(diào)的任務(wù)就是進(jìn)行頻譜搬移,即將數(shù)據(jù)信號(hào)的基帶搬移到與信道相適應(yīng)的帶通頻帶當(dāng)中去。 2數(shù)字調(diào)制的方式有 3種:數(shù)字調(diào)幅;數(shù)字調(diào)相和數(shù)字調(diào)頻。 3用以調(diào)制的基帶信號(hào)是數(shù)字信號(hào),所以又稱為數(shù)字調(diào)制。 在調(diào)制解調(diào)器中都選擇正弦(或余弦)信號(hào)作為載波,這是因?yàn)檎倚盘?hào)形式簡(jiǎn)單、便于產(chǎn)生和接收。 且由于正弦信號(hào)有幅度、頻率、相位 3種基本參量,因此可以構(gòu)造數(shù)字調(diào)幅、數(shù)字調(diào)相和數(shù)字調(diào)頻 3種基本調(diào)制方式。 4以基帶數(shù)據(jù)信號(hào)控制一個(gè)載波的幅度,使載波的幅度隨基帶信號(hào)的變化而變化,稱為數(shù)字調(diào)幅,又稱幅移鍵控,簡(jiǎn)寫為ASK。 由于 2ASK信號(hào)的功率譜是雙邊帶譜,所以 2ASK信號(hào)的帶寬是基帶信號(hào)帶寬的兩倍。 數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l帶利用率將降低 50%,也即傳輸?shù)挠行越档停虼瞬捎谜环日{(diào)制( QAM)。 5正交幅度調(diào)制的基本思想是將兩路獨(dú)立的基帶波形分別對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的雙邊帶調(diào)制,將所得到的兩路已調(diào)信號(hào)進(jìn)行疊加。 采用正交幅度調(diào)制以后。 帶寬 B沒有改變,對(duì)于每一路信號(hào)的傳輸速率

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