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文檔簡介
1、數(shù)字信號處理課程設(shè)計報告課設(shè)題目:語音信號的采集與處理 學(xué) 院:信息科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè):電子信息工程 班 級:電子0903 姓 名: 學(xué) 號: 指導(dǎo)教師:張海云、李錦彬 時 間:2012.12.312013.01.11一.引言介紹.二. matlab工具簡介.三. 課程設(shè)計任務(wù).3.1語音信號的采集.3.2語音信號的頻譜分析.3.3設(shè)計數(shù)字濾波器和畫出其頻率響應(yīng)給出各濾波器的性能指標(biāo).3.4用濾波器對信號進(jìn)行濾波.3.5回放語音信號,分析濾波前后的語音變化.四. 課程設(shè)計原理及方案.4.1用窗函數(shù)法設(shè)計fir濾波器.4.2用雙線性變換法設(shè)計iir數(shù)字濾波器.五. 語音信號的采集及頻譜分析.
2、六. 設(shè)計濾波器及對語音信號進(jìn)行濾波.6.1 fir低通濾波器設(shè)計及信號濾波.6.2fir高通濾波器設(shè)計及信號濾波.6.3 fir帶通濾波器設(shè)計及信號濾波.6.4 iir低通濾波器設(shè)計及信號濾波.6.5 iir高通濾波器設(shè)計及信號濾波.6.6 iir帶通濾波器設(shè)計及信號濾波.七. 課程設(shè)計心得體會.八. 參考文獻(xiàn).一引言隨著信息時代和數(shù)字世界的到來,數(shù)字信號處理已成為今一門極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。數(shù)字信號處理在通信語音、圖像、自動控制、雷達(dá)、軍事、航空航天、醫(yī)療和家用電器等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在數(shù)字信號處理應(yīng)用中,數(shù)字濾波器十分重要并已獲得廣泛應(yīng)用。二matlab工具簡介1matlab
3、是矩陣實驗室(matrixlaboratory)之意,現(xiàn)已發(fā)展成為適合多學(xué)科,多種工作平臺的功能強大的大型軟件,已經(jīng)成為線性代數(shù),自動控制理論,數(shù)理統(tǒng)計,數(shù)字信號處理,時間序列分析,動態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的基本教學(xué)工具;2matlab的語言特點(1)語言簡潔緊湊,使用方便靈活,庫函數(shù)極其豐富。matlab程序書寫形式自由,利用起豐富的庫函數(shù)避開繁雜的子程序編程任務(wù),壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫函數(shù)都由本領(lǐng)域的專家編寫,用戶不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性。(2)運算符豐富。由于matlab是用c語言編寫的,matlab提供了和c語言幾乎一樣多的運算符,靈活使用matlab的運算符將使程序變得極為簡短
4、。 (3)matlab既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句(如for循環(huán),while循環(huán),break語句和if語句),又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦浴?(4)程序限制不嚴(yán)格,程序設(shè)計自由度大。例如,在matlab里,用戶無需對矩陣預(yù)定義就可使用。 (5)程序的可移植性很好,基本上不做修改就可在各種型號的計算機和操作系統(tǒng)上運行。 (6)matlab的圖形功能強大。在fortran和c語言里,繪圖都很不容易,但在matlab里,數(shù)據(jù)的可視化非常簡單。matlab還具有較強的編輯圖形界面的能力。 (7)matlab的缺點是,它和其他高級程序相比,程序的執(zhí)行速度較慢。由于matlab的程序不用編譯等預(yù)處理,也不生成可執(zhí)行文
5、件,程序為解釋執(zhí)行,所以速度較慢。 (8)功能強大的工具箱是matlab的另一特色。matlab包含兩個部分:核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數(shù)百個核心內(nèi)部函數(shù)。其工具箱又分為兩類:功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴充其符號計算功能,圖示建模仿真功能,文字處理功能以及與硬件實時交互功能。功能性工具箱用于多種學(xué)科。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強的。(9)源程序的開放性。開放性也許是matlab最受人們歡迎的特點。除內(nèi)部函數(shù)以外,所有matlab的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件,用戶可通過對源文件的修改以及加入自己的文件構(gòu)成新的工具箱。三課程設(shè)計任務(wù)3.1語音信號的
6、采集 利用windows下的錄音機,錄制一段自己的話音,時間在3秒左右,然后在matlab軟件平臺下,利用函數(shù)wavread對語音信號進(jìn)行采樣,記住采樣頻率和采樣點數(shù),采樣率8000hz,單通道,格式*.wav。注:如果沒有辦法錄制自己語音,也可以用現(xiàn)成的語音也可以,文件格式 *.wav3.2語音信號的頻譜分析 在matlab中,可以利用函數(shù)fft對信號進(jìn)行快速傅立葉變換,得到信號的頻譜特性,要求學(xué)生首先畫出語音信號的時域波形,然后對語音信號進(jìn)行頻譜分析。3.3設(shè)計數(shù)字濾波器和畫出其頻率響應(yīng)給出各濾波器的性能指標(biāo); 給定濾波器的性能指標(biāo)如下: (1)低通濾波器的性能指標(biāo):fb=1000hz,f
7、c=1200hz,as=100db,ap=1db. (2)高通濾波器的性能指標(biāo):fb=2700hz, fc=3000hz,as=100db,ap=1db. (3)帶通濾波器的性能指標(biāo): fb1=1200hz, fb2=3000hz, as=100db,ap=1db. fc1=1000hz, fc2=3200hz,as=100db, ap=1db. 采用窗函數(shù)法和雙線性變換法設(shè)計上面要求的3種濾波器,并畫出濾波器的頻率響應(yīng); 3.4用濾波器對信號進(jìn)行濾波 然后用自己設(shè)計的濾波器對采集到的信號進(jìn)行濾波,畫出濾波后信號的時域波形及頻譜,并對濾波前后的信號進(jìn)行對比,分析信號的變化; 3.5回放語音信號
8、,分析濾波前后的語音變化; 四濾波器設(shè)計原理及設(shè)計方案4.1用窗函數(shù)法設(shè)計fir濾波器根據(jù)過渡帶寬及阻帶衰減要求,選擇窗函數(shù)的類型并估計窗口長度n(或階數(shù)m=n-1),窗函數(shù)類型可根據(jù)最小阻帶衰減as獨立選擇,因為窗口長度n對最小阻帶衰減as沒有影響,在確定窗函數(shù)類型以后,可根據(jù)過渡帶寬小于給定指標(biāo)確定所擬用的窗函數(shù)的窗口長度n,設(shè)待求濾波器的過渡帶寬為w,它與窗口長度n近似成反比,窗函數(shù)類型確定后,其計算公式也確定了,不過這些公式是近似的,得出的窗口長度還要在計算中逐步修正,原則是在保證阻帶衰減滿足要求的情況下,盡量選擇較小的n,在n和窗函數(shù)類型確定后,即可調(diào)用matlab中的窗函數(shù)求出窗函
9、數(shù)wd(n)。根據(jù)待求濾波器的理想頻率響應(yīng)求出理想單位脈沖響應(yīng)hd(n),如果給出待求濾波器頻率應(yīng)為hd,則理想的單位脈沖響應(yīng)可以用下面的傅里葉反變換式求出:在一般情況下,hd(n)是不能用封閉公式表示的,需要采用數(shù)值方法表示;從w=0到w=2采樣n點,采用離散傅里葉反變換(idft)即可求出。用窗函數(shù)wd(n)將hd(n)截斷,并進(jìn)行加權(quán)處理,得到如果要求線性相位特性, 則h(n)還必須滿足:根據(jù)上式中的正、 負(fù)號和長度n的奇偶性又將線性相位fir濾波器分成四類。 要根據(jù)所設(shè)計的濾波特性正確選擇其中一類。 例如, 要設(shè)計線性相位低通特性可選擇h(n)=h(n-1-n)一類,而不能選h(n)=
10、-h(n-1-n)一類。 驗算技術(shù)指標(biāo)是否滿足要求,為了計算數(shù)字濾波器在頻域中的特性,可調(diào)用freqz子程序,如果不滿足要求,可根據(jù)具體情況,調(diào)整窗函數(shù)類型或長度,直到滿足要求為止。4.2用雙線性變換法設(shè)計iir數(shù)字濾波器脈沖響應(yīng)不變法的主要缺點是產(chǎn)生頻率響應(yīng)的混疊失真。這是因為從s平面到平面是多值的映射關(guān)系所造成的。為了克服這一缺點,可以采用非線性頻率壓縮方法,將整個頻率軸上的頻率范圍壓縮到-/t/t之間,再用z=est轉(zhuǎn)換到z平面上。也就是說,第一步先將整個s平面壓縮映射到s1平面的-/t/t一條橫帶里;第二步再通過標(biāo)準(zhǔn)變換關(guān)系z=es1t將此橫帶變換到整個z平面上去。這樣就使s平面與z平
11、面建立了一一對應(yīng)的單值關(guān)系,消除了多值變換性,也就消除了頻譜混疊現(xiàn)象,映射關(guān)系如圖1所示。圖1雙線性變換的映射關(guān)系為了將s平面的整個虛軸j壓縮到s1平面j1軸上的-/t到/t段上,可以通過以下的正切變換實現(xiàn) (1)式中,t仍是采樣間隔。當(dāng)1由-/t經(jīng)過0變化到/t時,由-經(jīng)過0變化到+,也即映射了整個j軸。將式(1)寫成將此關(guān)系解析延拓到整個s平面和s1平面,令j=s,j1=s1,則得再將s1平面通過以下標(biāo)準(zhǔn)變換關(guān)系映射到z平面z=es1t從而得到s平面和z平面的單值映射關(guān)系為: (2) (3)式(2)與式(3)是s平面與z平面之間的單值映射關(guān)系,這種變換都是兩個線性函數(shù)之比,因此稱為雙線性變
12、換式(1)與式(2)的雙線性變換符合映射變換應(yīng)滿足的兩點要求。首先,把z=ej,可得 (4)即s平面的虛軸映射到z平面的單位圓。其次,將s=+j代入式(4),得因此由此看出,當(dāng)0時,|z|0時,|z|1。也就是說,s平面的左半平面映射到z平面的單位圓內(nèi),s平面的右半平面映射到z平面的單位圓外,s平面的虛軸映射到z平面的單位圓上。因此,穩(wěn)定的模擬濾波器經(jīng)雙線性變換后所得的數(shù)字濾波器也一定是穩(wěn)定的。雙線性變換法優(yōu)缺點:雙線性變換法與脈沖響應(yīng)不變法相比,其主要的優(yōu)點是避免了頻率響應(yīng)的混疊現(xiàn)象。這是因為s平面與z平面是單值的一一對應(yīng)關(guān)系。s平面整個j軸單值地對應(yīng)于z平面單位圓一周,即頻率軸是單值變換關(guān)
13、系。這個關(guān)系如式(4)所示,重寫如下:上式表明,s平面上與z平面的成非線性的正切關(guān)系,如圖2所示。由圖2看出,在零頻率附近,模擬角頻率與數(shù)字頻率之間的變換關(guān)系接近于線性關(guān)系;但當(dāng)進(jìn)一步增加時,增長得越來越慢,最后當(dāng)時,終止在折疊頻率=處,因而雙線性變換就不會出現(xiàn)由于高頻部分超過折疊頻率而混淆到低頻部分去的現(xiàn)象,從而消除了頻率混疊現(xiàn)象。圖2雙線性變換法的頻率變換關(guān)系但是雙線性變換的這個特點是靠頻率的嚴(yán)重非線性關(guān)系而得到的,如式(4)及圖2所示。由于這種頻率之間的非線性變換關(guān)系,就產(chǎn)生了新的問題。首先,一個線性相位的模擬濾波器經(jīng)雙線性變換后得到非線性相位的數(shù)字濾波器,不再保持原有的線性相位了;其次
14、,這種非線性關(guān)系要求模擬濾波器的幅頻響應(yīng)必須是分段常數(shù)型的,即某一頻率段的幅頻響應(yīng)近似等于某一常數(shù)(這正是一般典型的低通、高通、帶通、帶阻型濾波器的響應(yīng)特性),不然變換所產(chǎn)生的數(shù)字濾波器幅頻響應(yīng)相對于原模擬濾波器的幅頻響應(yīng)會有畸變,如圖3所示。圖3雙線性變換法幅度和相位特性的非線性映射對于分段常數(shù)的濾波器,雙線性變換后,仍得到幅頻特性為分段常數(shù)的濾波器,但是各個分段邊緣的臨界頻率點產(chǎn)生了畸變,這種頻率的畸變,可以通過頻率的預(yù)畸來加以校正。也就是將臨界模擬頻率事先加以畸變,然后經(jīng)變換后正好映射到所需要的數(shù)字頻率上。五語音信號的采集及頻譜分析用windows下的錄音機,用單聲道錄制一段音樂或聲音,
15、時間在5s內(nèi)。然后matlab軟件平臺下,利用函數(shù)wavread對語音信號進(jìn)行采樣,記住采樣頻率和采樣點數(shù)。對語音信號進(jìn)行快速傅立葉變換,在一個窗口同時畫出信號的時域波形圖和頻譜圖,分析語音信號的頻譜特點y,fs,nbits=wavread(music.wav);%加載語音信號利用函數(shù)wavread對語音信號進(jìn)行采樣wavplay(y,fs);%回放語音信號n=length(y);%語音信號長度y=fft(y,n);%用傅里葉變換求頻域subplot(2,1,1);plot(y);title(圖1 原始信號時域波形圖);subplot(2,1,2);plot(abs(y);title(圖2 原
16、始信號頻譜圖);六.設(shè)計濾波器及對語音信號進(jìn)行濾波6.1fir低通濾波器設(shè)計及信號濾波x1,fs,bits=wavread(music.wav); derta_fs = fs/length(x1);%設(shè)置頻譜的間隔,分辨率 ,這里保證了x軸的點數(shù)必須和y軸點數(shù)一致fs=fs; fp1=1000; fs1=1200; as1=100;wp1=2*pi*fp1/fs; %ws1=2*pi*fs1/fs; %bf1=ws1-wp1;wc1=(wp1+ws1)/2;m1=ceil(as1-7.95)/(2.286*bf1)+1;%按凱澤窗計算濾波器階數(shù)n1=m1+1;beta1=0.1102*(as1
17、-8.7); window=(kaiser(n1,beta1); %求凱澤窗窗函數(shù)b1=fir1(m1,wc1/pi,window);% wc1/pi為歸一化,窗函數(shù)法設(shè)計函數(shù)figure(2); freqz(b1,1,512); %h,w=freqz(b,a,n),(1)中b和a分別為離散系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)分子、分母多項式的系數(shù)向量,返回量h則包含了離散系統(tǒng)頻響在 0pi范圍內(nèi)n個頻率等分點的值(其中n為正整數(shù)),w則包含了范圍內(nèi)n個頻率等分點。調(diào)用默認(rèn)的n時,其值是512。title(fir低通濾波器的頻率響應(yīng)); x1_low = filter(b1,1, x1);%對信號進(jìn)行低通濾波 ,y
18、 = filter(b,a,x) ,輸入x為濾波前序列,y為濾波結(jié)果序列,b/a 提供濾波器系數(shù),b為分子, a為分母 sound(x1_low,fs,bits); figure(3);subplot(2,1,1);plot(x1_low);title(信號經(jīng)過fir低通濾波器(時域); subplot(2,1,2);plot(-fs/2:derta_fs: fs/2-derta_fs,abs(fftshift(fft(x1_low); title(信號經(jīng)過fir低通濾波器(頻域));6.2 fir高通濾波器設(shè)計及信號濾波x1,fs,bits=wavread(music.wav); derta
19、_fs = fs/length(x1);%設(shè)置頻譜的間隔,分辨率 ,這里保證了x軸的點數(shù)必須和y軸點數(shù)一致fs=fs; as2=100;fp2=3000; fs2=2700;wp2=2*pi*fp2/fs; ws2=2*pi*fs2/fs; bf2=wp2-ws2;wc2=(wp2+ws2)/2;m2=ceil(as2-7.95)/(2.286*bf2)+1;%按凱澤窗計算濾波器階數(shù)n2=m2+1;beta2=0.1102*(as2-8.7); window=(kaiser(n2,beta2); %求凱澤窗窗函數(shù)b2=fir1(m2,wc2/pi,high,window);figure(4);
20、 freqz(b2,1,512);%數(shù)字濾波器頻率響應(yīng) title(fir高通濾波器的頻率響應(yīng)); x1_high = filter(b2,1,x1);%對信號進(jìn)行高通濾波sound(x1_high,fs,bits);figure(5);subplot(211);plot(x1_high);title(信號經(jīng)過fir高通濾波器(時域);subplot(212);plot(-fs/2:derta_fs: fs/2-derta_fs,abs(fftshift(fft(x1_high);title(信號經(jīng)過fir高通濾波器(頻域));6.3 fir帶通濾波器設(shè)計及信號濾波fs=fs;as3=100;
21、fp3=1200,3000;fs3=1000,3200;wp3=2*pi*fp3/fs; ws3=2*pi*fs3/fs; bf3=wp3(1)-ws3(1);wc3=wp3+bf3/2;m3=ceil(as3-7.95)/(2.286*bf3)+1;%按凱澤窗計算濾波器階數(shù)n3=m3+1;beta3=0.1102*(as3-8.7); window=(kaiser(n3,beta3); %求凱澤窗窗函數(shù)b3=fir1(m3,wc3/pi,bandpass,window);%帶通濾波器 figure(6);freqz(b3,1,512);%數(shù)字濾波器頻率響應(yīng) title(fir帶通濾波器的頻率
22、響應(yīng));x1_daitong = filter(b3,1,x1);%對信號進(jìn)行帶通濾波sound(x1_daitong,fs,bits);figure(7);subplot(211);plot(x1_daitong);title(信號經(jīng)過fir帶通濾波器(時域); subplot(212);plot(-fs/2:derta_fs: fs/2-derta_fs,abs(fftshift(fft(x1_daitong);title(信號經(jīng)過fir帶通濾波器(頻域));6.4 iir低通濾波器設(shè)計及信號濾波x1,fs,bits=wavread(music.wav); derta_fs = fs/le
23、ngth(x1);%設(shè)置頻譜的間隔,分辨率 ,這里保證了x軸的點數(shù)必須和y軸點數(shù)一致fs=fs;fp1i=1000; fs1i=1200;wp1i=2*pi*fp1i/fs; ws1i=2*pi*fs1i/fs; rp1i=1; rs1i=100; ts=1/fs; wp1i=2/ts*tan(wp1i/2);ws1i=2/ts*tan(ws1i/2); %按頻率轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,預(yù)畸變 n1i,wn1i=cheb1ord(wp1i,ws1i,rp1i,rs1i,s); %計算模擬濾波器的最小階數(shù) b1i,a1i=cheby1(n1i,rp1i,wn1i,s);%設(shè)計模擬原型濾波器 bz1i,
24、az1i=bilinear(b1i,a1i,fs); %運用雙線性變換法得到數(shù)字濾波器傳遞函數(shù) figure(10);freqz(bz1i,az1i,512,fs); title(切比雪夫1型低通濾波器的頻率響應(yīng));x1_lowi = filter(bz1i,az1i, x1);%對信號進(jìn)行低通濾波 ,y = filter(b,a,x) ,輸入x為濾波前序列,y為濾波結(jié)果序列,b/a 提供濾波器系數(shù),b為分子, a為分母 sound(x1_lowi,fs,bits); figure(11); subplot(211);plot(x1_lowi);title(信號經(jīng)過iir低通濾波器(時域);
25、subplot(212);plot(-fs/2:derta_fs: fs/2-derta_fs,abs(fftshift(fft(x1_lowi); title(信號經(jīng)過iir低通濾波器(頻域));待添加的隱藏文字內(nèi)容36.5 iir高通濾波器設(shè)計及信號濾波x1,fs,bits=wavread(music.wav); derta_fs = fs/length(x1);%設(shè)置頻譜的間隔,分辨率 ,這里保證了x軸的點數(shù)必須和y軸點數(shù)一致% -iir高通按鈕消息響應(yīng)函數(shù).fs=fs;fp2i=3000;%通帶截止頻率fs2i=2700;%組帶截止頻率rp2i=1; rs2i=100;wp2i2=2*
26、pi*fp2i/fs;ws2i2=2*pi*fs2i/fs;wp2i=tan(wp2i2/2);ws2i=tan(ws2i2/2);wphi=1 ; %歸一化wshi=wp2i/ws2i;%高通頻率轉(zhuǎn)換成低通頻率指標(biāo)%估計濾波器的階數(shù)n2i,wn2i=cheb1ord(wphi,wshi,rp2i,rs2i,s);%設(shè)計濾波器b2i,a2i=cheby1(n2i,rp2i,wn2i,s);numi2,deni2=lp2hp(b2i,a2i,wp2i);bz2i,az2i=bilinear(numi2,deni2,0.5)figure(12);freqz(bz2i,az2i,512,fs); t
27、itle(切比雪夫1型iir高通濾波器的頻率響應(yīng));x1_highi = filter(bz2i,az2i, x1);%對信號進(jìn)行高通濾波 ,y = filter(b,a,x) ,輸入x為濾波前序列,y為濾波結(jié)果序列,b/a 提供濾波器系數(shù),b為分子, a為分母 sound(x1_highi,fs,bits); figure(13); subplot(211);plot(x1_highi);title(信號經(jīng)過iir高通濾波器(時域); subplot(212);plot(-fs/2:derta_fs: fs/2-derta_fs,abs(fftshift(fft(x1_highi); tit
28、le(信號經(jīng)過iir高通濾波器(頻域));6.6 iir帶通濾波器設(shè)計及信號濾波x1,fs,bits=wavread(music.wav); derta_fs = fs/length(x1);%設(shè)置頻譜的間隔,分辨率 ,這里保證了x軸的點數(shù)必須和y軸點數(shù)一致fs=fs;fdp1i=1200;fdp2i=3000;%通帶截止頻率fds1i=1000;fds2i=3200;%組帶截止頻率rp3i=1; rs3i=100; wdp1i=2*pi*fdp1i/fs;wdp2i=2*pi*fdp2i/fs; wds2i=2*pi*fds1i/fs;wds2i=2*pi*fds2i/fs;wdp1i=ta
29、n(wdp1i/2);wdp2i=tan(wdp2i/2);wds1i=tan(wds2i/2); wds2i=tan(wds2i/2); %按頻率轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,預(yù)畸變 b=wdp2i-wdp1i; w3i = wdp1i*wdp2i/wds1i; %調(diào)整截止頻率參數(shù)。 w0 = (wdp1i*wdp2i)0.5; wp3i = 1; %歸一化,求低通原型的參數(shù)。ws3i = -(wdp1i*wdp2i)-wds2i2)/(b*wds2i); n3i,wn3i=buttord(wp3i,ws3i,rp3i,rs3i,s); %計算模擬濾波器的最小階數(shù) b3i,a3i=butter(n3i,
30、wn3i,s);%設(shè)計模擬原型濾波器 numi3,deni3= lp2bp(b3i,a3i,w0,b); bz3i,az3i = bilinear(numi3,deni3,0.5); %雙線性變換 h,w = freqz(bz3i,az3i,512); figure(14);subplot(211); plot(w/pi,20*log10(abs(h);grid; ylabel(gain); title(巴特沃茲iir帶通濾波器) axis(0 1 -80 5); subplot(212); plot(w/pi,angle(h);grid; xlabel(w/pi),ylabel(phase)
31、;x1_daitongi = filter(bz3i,az3i, x1);%對信號進(jìn)行帶通濾波 ,y = filter(b,a,x) ,輸入x為濾波前序列,y為濾波結(jié)果序列,b/a 提供濾波器系數(shù),b為分子, a為分母 sound(x1_daitongi,fs,bits); figure(15); subplot(211); plot(x1_daitongi);title(信號經(jīng)過iir帶通濾波器(時域); subplot(212); plot(-fs/2:derta_fs: fs/2-derta_fs,abs(fftshift(fft(x1_daitongi); title(信號經(jīng)過iir帶通濾波器(頻域))
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