光纖通信系統(tǒng)第三版-沈建華-機(jī)械工業(yè)出版社_第1頁
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文檔簡(jiǎn)介

1、光纖通信作業(yè)(2016.1.30)1.1 光纖通信有哪些特點(diǎn)?1、光纖通信的優(yōu)點(diǎn):(1)傳輸容量大。(2)傳輸損耗小,中繼距離長(zhǎng)。(3)信號(hào)泄漏小,保密性好。(4)節(jié)省有色金屬。(5)抗電磁干擾性能好。(6)重量輕,可撓性好,敷設(shè)方便。2、光纖通信的缺點(diǎn):(1)抗拉強(qiáng)度低。(2)連接困難。(3)怕水。1.2 簡(jiǎn)述光纖通信系統(tǒng)的主要組成部分。光纖通信系統(tǒng)的主要組成部分為:(1)光纖光纜、(2)光源(光發(fā)送機(jī))、(3)光檢測(cè)器(光接收機(jī))、(4)無源器件、(5)光放大器(光中繼器)。1.4為什么使用石英光纖的光纖通信系統(tǒng)中,工作波長(zhǎng)只能選擇850nm、1310nm、1550nm三種?由于目前使用的

2、光纖均為石英光纖,而石英光纖的損耗波長(zhǎng)特性中有三個(gè)低損耗的波長(zhǎng)區(qū),即波長(zhǎng)為850nm、1310nm、1550nm三個(gè)低損耗區(qū)。為此,光纖通信系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)只能是選擇在這三個(gè)波長(zhǎng)窗口。2.1 光纖傳輸信號(hào)產(chǎn)生能量衰減的原因是什么?光纖的損耗系數(shù)對(duì)通信有什么影響?1、光纖產(chǎn)生能量衰減的原因包括:(1)吸收、(2)散射和(3)輻射。2、光纖的損耗系數(shù)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)功率損失,造成信號(hào)接收困難。2.2 在一個(gè)光纖通信系統(tǒng)中,光源波長(zhǎng)為1550nm,光波經(jīng)過5km長(zhǎng)的光纖線路傳輸后,其光功率下降了25%,則該光纖的損耗系數(shù)為多少?2.3 光脈沖在光纖中傳輸時(shí),為什么會(huì)產(chǎn)生瑞利散射?瑞利散射損耗的大小與什么有關(guān)

3、? 瑞利散射是由于光纖內(nèi)部的密度不遠(yuǎn)勻引起的,從而使折射率沿縱向產(chǎn)生不均勻,其不均勻點(diǎn)的尺寸比光波波長(zhǎng)還要小。光在光纖中傳輸時(shí),遇到這些比波長(zhǎng)小,帶有隨機(jī)起伏的不均勻物質(zhì)時(shí),改變了傳輸方向,產(chǎn)生了散射。2、瑞利散射損耗的大小與成正比。2.4 光纖中產(chǎn)生色散的原因是什么?色散對(duì)通信有什么影響? 1、光纖的色散是由于光纖中所傳輸?shù)墓庑盘?hào)不同的頻率成分和不同模式成分的群速度不同而引起的傳輸信號(hào)畸變的一種物理現(xiàn)象。2、色散會(huì)導(dǎo)致傳輸光脈沖的展寬,繼而引起碼間干擾,增加誤碼。對(duì)于高速率長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)而言,色散是限制系統(tǒng)性能的主要因素之一。2.5 光纖中色散有幾種?單模傳輸光纖中主要是什么色散?多模傳

4、輸光纖中主要存在什么色散?1、從產(chǎn)生機(jī)理而言,光纖中的色散主要包括:(1)材料色散、(2)波導(dǎo)色散和(3)模式間色散。2、單模光纖中主要是波導(dǎo)色散。3、多模光纖中主要是模式間色散。注:偏振模色散可以理解為是:特殊的模式色散,但在速率較低的系統(tǒng)中影響較小。2.8 何謂模式截止?光纖單模傳輸?shù)臈l件是什么?單模光纖中傳輸?shù)氖鞘裁茨J??其截止波長(zhǎng)為多大?階躍折射率光纖中線性極化模LP11模對(duì)應(yīng)的是什么矢量模? 1、對(duì)每一個(gè)傳播模來說,在包層中它應(yīng)該是衰減很大,不能傳輸。如果一個(gè)傳播模,在包層中不衰減,也就是表明該模是傳過包層而變成了輻射模,則就認(rèn)為該傳播模被截止。所以一個(gè)傳播模在包層中的衰減常數(shù)W=0

5、時(shí),表示導(dǎo)模截止。2、單模光纖傳輸條件:歸一化頻率V2.4053、單模光纖中傳輸?shù)氖荓P01模,對(duì)應(yīng)的矢量模是HE11模。4、截止波長(zhǎng)由下式計(jì)算:5、LP11模對(duì)應(yīng)的矢量模是: TE01, TM01, HE21。3.1 比較半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的異同。LD有哪些特性?LED有哪些特性?1、(1)、相同點(diǎn):LD和LED都可以用作通信光源。 (2)、不同點(diǎn):LD原理是受激輻射,而LED是自發(fā)輻射。2、LD有以下特性:LD是閾值器件,需要較完善的驅(qū)動(dòng)和外圍的電路,其發(fā)出的光譜線窄,適宜于高速率系統(tǒng)。3、LED有以下特性:LED沒有閾值,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但其譜線較寬,適用于要求較低的場(chǎng)

6、合。3.2 為什么LD要工作在正向偏置狀態(tài)?何謂激光器的閾值電流?激光器的閾值電流與激光器的使用溫度、使用時(shí)間有什么關(guān)系? 1、LD加正向偏置電壓用以克服PN結(jié)中自建場(chǎng)的影響,從而降低勢(shì)壘,以形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。2、激光器閾值電流是指:滿足克服諧振腔內(nèi)損耗而產(chǎn)生激光的最小的外加激勵(lì)電流。3、激光器的閾值電流與溫度和使用時(shí)間成正比關(guān)系。3.4 已知半導(dǎo)體材料GaAs(鎵砷)的禁帶寬度Eg=1.43ev,InGaAsP(銦鎵砷磷)的Eg=0.96ev,分別求由這兩種材料組成的半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)。(普朗克常數(shù)h=6.626×10-34J·S,1ev1.6×10-19

7、J) 1、(1)鎵砷GaAs組成的半導(dǎo)體激光器的發(fā)射頻率為:(2)、發(fā)射波長(zhǎng)為:2、(1)銦鎵砷磷InGaAsP組成的半導(dǎo)體激光器的發(fā)射頻率為:(2)發(fā)射波長(zhǎng)為:3.6 在光纖通信系統(tǒng)中對(duì)LD驅(qū)動(dòng)電路和偏置電路有什么要求?在LD驅(qū)動(dòng)電路中為什么一定要加偏置電流?偏置電流應(yīng)加多大才合適?若偏置電流加得過大或過小,對(duì)LD的調(diào)制特性會(huì)產(chǎn)生什么影響? 1、對(duì)LD驅(qū)動(dòng)電路和偏置電路的要求是:(1)輸出的光脈沖峰值保持恒定。(2)光脈沖的通斷比應(yīng)>>10。(3)激光發(fā)射的時(shí)間必須遠(yuǎn)短于碼無時(shí)間。(4)采用阻尼電路以避免張弛振蕩。2、因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器(LD)是閾值器件,只有外加驅(qū)動(dòng)電流超過閾值后

8、,才能發(fā)出激光,為使得較小的數(shù)據(jù)電流亦可產(chǎn)生足夠的光輸出,因此,需要加偏置電流。3、偏置電流的選取原則是略小于閾值電流。4、(1)偏置電流太小了,需要較大的數(shù)據(jù)電流才能滿足閾值條件。(2)偏置電流太大了,會(huì)引起消光比性能下降,同時(shí),較高的電流也會(huì)產(chǎn)生較大的熱量,以及壽命的縮短。3.7某數(shù)字光纖通信系統(tǒng),在實(shí)際使用中,發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器(LD)的輸出光功率慢慢下降,試分析其原因并提出解決辦法。1、激光器的閾值電流會(huì)隨溫度升高及老化(使用時(shí)間長(zhǎng))而提高,閾值電流增加以后,輸出光功率就會(huì)下降。所以輸出光功率慢慢下降,原因可能是:(1)溫度升高,(2)使用時(shí)間長(zhǎng)(老化)。2、(1)如果是溫度升高引起輸出

9、光功率慢慢下降,可以使用自動(dòng)溫度控制電路(ATC)致冷來解決。(2)如果是使用時(shí)間長(zhǎng)(老化)引起輸出光功率慢慢下降,可以使用自動(dòng)功率控制電路(APC)增加偏置電流來解決。3.9 在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中,選擇線路碼型時(shí),要考慮哪幾個(gè)因素?字變換碼(mBnB碼)和插入碼(Mb1H碼)各有什么特點(diǎn)?采用mBnB碼或Mb1H碼時(shí),線路碼速將比原來的信號(hào)碼速提高多少?某數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中,信息碼速為139.264Mbit/s,若采用5B6B碼其線路碼速為多少?若采用4B1H線路碼速又為多少?1、線路碼型選取的基本原則包括:1)應(yīng)有足夠的定時(shí)含量,即應(yīng)盡量減少連“0”和連“1”數(shù),便于時(shí)鐘提取。2)應(yīng)有不中

10、斷業(yè)務(wù),進(jìn)行誤碼檢測(cè)的能力。3)應(yīng)力求降低線路傳輸?shù)拇a率,或線路傳輸碼率的提高應(yīng)盡可能少。4)應(yīng)具有較好的抗干擾性能,滿足一定接收機(jī)性能所需檢測(cè)的光功率最小。5)應(yīng)具有盡可能簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的變換方案。6)傳輸中發(fā)生誤碼時(shí),誤碼擴(kuò)散范圍和誤碼增值低。常用的線路碼型包括:(1)擾碼、(2)字變換碼和(3)插入碼三種類型。2、(1)字變換碼(mBnB碼)的特點(diǎn):將輸入二進(jìn)制碼分解成一個(gè)“碼字”,輸出用對(duì)應(yīng)的另一種“碼字”來代替。常用字變換碼為mBnB碼,即將輸入碼流每m比特為一組,然后變換成另一種排列規(guī)則的n比特為一組的碼流。字變換碼中的n、m均為正整數(shù),且nm。(2)插入碼(mB1H碼)的特點(diǎn):把輸入

11、原始碼流分成每m比特(mB)一組,然后在每組mB碼末尾按一定的規(guī)律插入一個(gè)碼,組成m+1個(gè)碼為一組的線路碼流。根據(jù)插入碼的規(guī)律,可以分為:mB1C碼mB1H碼mB1P碼等。(3)除擾碼外,字變換碼和插入碼都會(huì)提高線路傳輸速率。3、(1)采用mBnB碼時(shí),線路碼速將比原來的信號(hào)碼速提高n/m倍。(2)采用mB1H碼時(shí),線路碼速將比原來的信號(hào)碼速提高(m+1)/m倍。4、(1)采用5B6B碼時(shí),線路碼速為:139.264×6/5=167.1168 Mbit/s。(2)采用4B1H碼時(shí),線路碼速為:139.264×(4+1)/4=174.08 Mbit/s。4.1 光纖通信系統(tǒng)對(duì)

12、光檢測(cè)器有什么要求?比較PIN和APD各自的特點(diǎn)。1、光纖通信系統(tǒng)對(duì)光檢測(cè)器的主要要求包括:(1)靈敏度高。(2)響應(yīng)速度快。(3)噪聲小。(4)穩(wěn)定可靠。2、(1)PIN的特點(diǎn):增大了耗盡區(qū)的寬度,減小了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響,提高了響應(yīng)速度。絕大部分的入射光在本征層內(nèi)(I層內(nèi))被吸收(受激吸收),并產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)。PIN用于短距離小容量光纖通信系統(tǒng)。PIN沒有增益,用在靈敏度要求不高的場(chǎng)合。(2)APD的特點(diǎn):電子空穴對(duì)多次碰撞產(chǎn)生雪崩光倍增效應(yīng)。APD是有增益的光電二極管,在光接收機(jī)靈敏度要求較高的場(chǎng)合,用APD有利于延長(zhǎng)系統(tǒng)的傳輸距離。APD用于長(zhǎng)距離大容量光纖通信系統(tǒng)。4.2.光敏二極

13、管為什么必須工作在反向偏壓狀態(tài)?1、在擴(kuò)散區(qū)內(nèi),因?yàn)楣馍d流子的擴(kuò)散速度比耗盡區(qū)內(nèi)光生載流子的漂移速度慢得多,這部分光生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的時(shí)延,將使檢測(cè)器輸出電流脈沖后沿的拖尾加長(zhǎng),這影響了光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間,就限制了光電轉(zhuǎn)換速度。2、在反向偏壓情況下,增加了耗盡區(qū)的寬度,縮小了耗盡區(qū)兩側(cè)擴(kuò)散區(qū)的寬度,從而減小了光生電流中的擴(kuò)散分量,反向偏壓也增強(qiáng)了耗盡區(qū)內(nèi)的電場(chǎng),加快了光生載流子的漂移速度,有利于加快光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間。4.4 何謂暗電流?暗電流是怎么產(chǎn)生的?暗電流的存在對(duì)信號(hào)的接收會(huì)產(chǎn)生什么影響?1、處于反向偏壓下的半導(dǎo)體光電二極管,在無光照時(shí),仍有電流流過,這部分電流稱為暗電流。2、

14、暗電流是由載流子的熱擴(kuò)散形成的,或者是由器件表面和內(nèi)部的缺陷以及有害的雜質(zhì)引起的。暗電流的大小由半導(dǎo)體材料及摻雜濃度決定。3、暗電流與光源無信號(hào)時(shí)的殘留光一樣,在接收機(jī)中產(chǎn)生噪聲。暗電流的存在限制了光敏二極管所能檢測(cè)的最小光功率,也就是降低了接收機(jī)的靈敏度。4.5 試述雪崩光敏二極管(APD)的工作原理。何謂“雪崩效應(yīng)”?APD電流增益系數(shù)G與什么有關(guān)?1、處于反向偏置的耗盡層光電二極管,當(dāng)外加的反向偏壓不斷增加時(shí),耗盡層內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下得到加速,獲得很大的功能。高能的截流子與半導(dǎo)體晶體內(nèi)的原子相碰撞,將束縛在價(jià)帶中的電子激發(fā)到民帶,從而在耗盡層內(nèi)產(chǎn)生新的電子一空穴對(duì),這種現(xiàn)象

15、稱為碰撞電離。碰撞電離的第二代載流子在耗盡層的強(qiáng)電場(chǎng)的加速下,再次引起碰撞電離而產(chǎn)生第三代載流子。2、碰撞電離的反復(fù)循環(huán)使耗盡層內(nèi)的載流子數(shù)雪崩似的急劇增加,通過二極管的電流也就猛增,這就是雪崩倍增效應(yīng)。3、雪崩光電二極管(APD)就是利用雪崩倍增效應(yīng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電流增益的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換器件。4、APD的電流增益系數(shù)G一般在40100之間,其變化規(guī)律與外加的偏壓有關(guān)。5.1 光纖連接器應(yīng)用在什么地方?影響光纖連接器損耗的因素有哪些?1、光纖連接器是使一根光纖與另一根光纖之間完成活動(dòng)連接的器件,主要用于光源器件尾纖輸出或光電檢測(cè)器尾纖輸入與傳輸光纖之間的連接。2、光纖連接時(shí),引起的損耗與多種因素有關(guān)

16、,諸如:(1)光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)(如纖芯直徑、數(shù)值孔徑等)、(2)光纖的相對(duì)位置(如橫向位移、縱向間隙等)以及(3)端面狀態(tài)(如形狀、平行度)等。 5.2 光纖連接器有哪些種類,敘述FC型光纖活動(dòng)連接器的原理。1、光行連接器的種類有:(1)FC型光纖連接器;(2)SC型光纖連接器;(3)ST型光纖連接器;(4)雙錐型連接器;(5)DIN光纖連接器;(6)MT-RJ型連接器;(7)LC型連接器;(8)MU型連接器。2、FC型光纖活動(dòng)連接器的原理:其外部加強(qiáng)方式采用金屬套,緊固方式為螺絲扣。采用的陶瓷插針的對(duì)接端面是平面接觸方式。后來,對(duì)該類型連接器做了改進(jìn),采用對(duì)接端面呈球形的插針(SPC),而外部

17、結(jié)構(gòu)沒有改變。5.4 怎么定義光纖耦合器的插入損耗,附加損耗、耦合比和串?dāng)_?1、插入損耗Li:是指一個(gè)指定輸入端口(1或2)的輸入光功率Pi和一個(gè)指定的輸出端口(3或4)的輸出功率Po的比值,用分貝(dB)表示2、附加損耗Le:是指全部輸入端口(1或2)的輸入光功率Pi總和與全部輸出端口(3或4)的輸出光功率Po總和的比值,用分貝(dB)表示3、耦合比CR:是指某一個(gè)輸出端口(3或4)的輸出光功率Po與全部輸出端口(3或4)的輸出光功率Po總和的的比值,用分貝(dB)表示4、串?dāng)_LC:是指一個(gè)輸入端口(1)的輸入光功率Pi與由耦合器泄漏到其他輸入端口(2)的光功率Pr總和的的比值,用分貝(dB

18、)表示5.5 光衰減器有幾種,各有什么作用?1、光衰減器是一種用來降低(改變)光功率的器件,可分為:(1)可變光衰減器和(2)固定光衰減器。2、(1)可變光衰減器主要用于調(diào)節(jié)光線路電平,在測(cè)量光接收機(jī)靈敏度時(shí),需要用可變光衰減器進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)來觀察接收機(jī)的誤碼率。在校正光功率計(jì)時(shí),也需要光可變衰減器。(2)固定光衰減器主要用于調(diào)整光纖通信線路電平,若光纖通信線路的電平太高,就需要串入固定光衰減器。6.1 光放大器主要有幾種?各自的實(shí)現(xiàn)機(jī)理是怎樣的?1、光放大器主要有:1)、半導(dǎo)體激光放大器,2)摻雜稀土元素光放大地對(duì)空,3)光纖布里淵放大器(FBA),4)光纖拉曼放大器(FRA)。2、各自實(shí)現(xiàn)機(jī)

19、理是:1)半導(dǎo)體激光放大器:利用受激輻射對(duì)進(jìn)入增益介質(zhì)的光信號(hào)進(jìn)行直接放大,其結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)處于高增益狀態(tài)下的無諧振腔的半導(dǎo)體激光器。2)摻雜稀土元素光放大器:摻雜稀土元素光放大器主要是:(1)摻鉺光纖放大器(EDFA)和(2)摻鐠光纖放大器(PDFA)。 摻鉺光纖放大器能放大光信號(hào)的機(jī)理:在于鉺離子能吸收泵浦光的能量,實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),當(dāng)信號(hào)光通過已被激活的摻鉺光纖時(shí),亞穩(wěn)態(tài)上的粒子以受激輻射的方式躍遷到基態(tài)。對(duì)應(yīng)于每一次躍遷,都將產(chǎn)生一個(gè)與激發(fā)該躍遷的光子完全一樣的光子,從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光在摻鉺光纖的傳播過程中不斷放大。3)光纖布里淵放大器(FBA):受激布里淵散射是光纖內(nèi)的一種非線性現(xiàn)象,起

20、源于光纖的三階電極化率,其光增益是由泵浦光的受激布里淵散射產(chǎn)生的。受激布里淵效應(yīng)導(dǎo)致一部分泵浦光功率轉(zhuǎn)移給信號(hào)光,使信號(hào)光得到放大。 4)光纖拉曼放大器(FRA):可采用同向、反向或雙向泵浦。目前,F(xiàn)RA主要用做分布式放大器,輔助摻鉺光纖放大器(EDFA)進(jìn)行信號(hào)放大。但FRA也可單獨(dú)使用,放大EDFA不能放大的波段。6.3 摻鉺光纖放大器(EDFA)在應(yīng)用上有哪幾種形式,對(duì)性能參數(shù)的要求有何異同?1、摻鉺光纖放大器(EDFA)的具體應(yīng)用形式有三種:(1)線路放大(LA)、(2)功率放大(BA)、(3)前置放大(PA)。2、EDFA的主要性能參數(shù)包括:增益、噪聲系數(shù)等。(1)線路放大(LA):

21、要求增益要高。(2)功率放大(BA):要求增益要高。(3)前置放大(PA):要求增系和噪聲系數(shù)更高。6.6 光纖拉曼放大器(FRA)與摻鉺光纖放大器(EDFA)相比,優(yōu)缺點(diǎn)分別有哪些?1、拉曼放大器(FRA)的優(yōu)缺點(diǎn):1)FRA的優(yōu)點(diǎn):(1)帶寬較寬。(2)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。(3)低噪聲。(4)可以通過靈活排列泵浦光的頻率來對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。2)FRA的缺點(diǎn):其主要缺點(diǎn)就是對(duì)合適波長(zhǎng)的高功率泵浦源要求較高。2、摻鉺光纖放大器(EDFA)的優(yōu)缺點(diǎn):1)EDFA的優(yōu)點(diǎn):(1)工作波長(zhǎng)處于1.531.56m范圍,與光纖最小損耗波長(zhǎng)窗口一致。(2)對(duì)摻鉺光纖進(jìn)行激勵(lì)所需要的泵浦光功率較低,僅需數(shù)十毫瓦。(3)增

22、益高、噪聲低、輸出功率高。(4)連接損耗低。(5)EDFA已經(jīng)成為高速大容量光纖通信系統(tǒng)中不可缺少的部分。2)EDFA固有的缺點(diǎn):(1)波長(zhǎng)固定,只能放大1.55m左右的光波,換用其他基質(zhì)的光纖時(shí),鉺離子能級(jí)也只能發(fā)生很小的變化,可調(diào)節(jié)的波長(zhǎng)有限,只能換用其他元素。(2)增益帶寬不平坦,在波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)中,需要采用特殊的手段來進(jìn)行增益譜補(bǔ)償。7.2 說明同步數(shù)字體系(SDH)復(fù)用結(jié)構(gòu)中,容器(C)、虛容器(VC)和管理單元(AU)的主要功能。1、容器(C):是一種用來裝載各種速率的業(yè)務(wù)信號(hào)的信息結(jié)構(gòu)。針對(duì)準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)速率系列,國(guó)際電聯(lián)電信標(biāo)準(zhǔn)化部門(ITU-T)建議G

23、83;707規(guī)定了C-11、C-12、C-2、C-3和C-4五種標(biāo)準(zhǔn)容器2、虛容器(VC):是用來支持同步數(shù)字體系(SDH)的通道層連接的信息結(jié)構(gòu),也是SDH通道的信息終端。其信息由容器(C)的輸出和通道開銷(POH)組成,即VC-n = C-n+VC-nPOH。3、管理單元(AU):是提供高階通道層和復(fù)用層之間適配的信息結(jié)構(gòu)。有AU-3和AU-4兩種管理單元。其信息AU-n由一個(gè)相應(yīng)的高階VC-n和相應(yīng)的管理單元指針AU-nPTR組成,即:AU-n = VC-n+AU-nPTR ( n=3或4 )。一個(gè)或多個(gè)管理單元(AU)的集合稱為管理單元組(AUG)。7.3 計(jì)算STM-1幀結(jié)構(gòu)中RSOH、MSOH和AU

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