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1、電 子 科 技 大 學(xué)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告學(xué)生姓名:陳松 學(xué) 號(hào):201322010244 指導(dǎo)教師:李恒郵 箱:songxia928一、實(shí)驗(yàn)室名稱(chēng):通信信號(hào)處理及傳輸實(shí)驗(yàn)室二、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱(chēng): 基帶載波調(diào)制技術(shù)實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)原理:1、基帶線(xiàn)性載波調(diào)制技術(shù)原理數(shù)字信號(hào)載波調(diào)制有三種基本的調(diào)制方式:幅度鍵控(ASK),頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)。它們分別是用數(shù)字基帶信號(hào)控制高頻載波的參數(shù)如振幅、頻率和相位,得到數(shù)字帶通信號(hào)。在接收端運(yùn)用相干或非相干解調(diào)方式,進(jìn)行解調(diào),還原為原數(shù)字基帶信號(hào)。數(shù)字調(diào)制技術(shù)可以大致分為線(xiàn)性和非線(xiàn)性的。在線(xiàn)性調(diào)制技術(shù)中,傳輸信號(hào)的幅度隨調(diào)制數(shù)字信號(hào)的變化而線(xiàn)性變化。線(xiàn)

2、性調(diào)制技術(shù)帶寬效率較高,所以非常適用于有限頻帶內(nèi)要求容納越來(lái)越多用戶(hù)的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。在線(xiàn)性調(diào)制方案中,傳輸信號(hào)可以表示為:(4.1)其中,是信號(hào)幅度,是載波頻率,是通常為復(fù)數(shù)形式的已調(diào)信號(hào)的復(fù)包絡(luò)。可見(jiàn),載波幅度隨調(diào)制信號(hào)呈線(xiàn)性變化。線(xiàn)性調(diào)制方案一般來(lái)說(shuō)都不是恒包絡(luò)。有些非線(xiàn)性調(diào)制的載波,即可能是線(xiàn)性包絡(luò)也可能是恒包絡(luò),這取決于基帶波形是否經(jīng)過(guò)脈沖成形處理。線(xiàn)性調(diào)制方案有很好的頻譜效率,但傳輸中必須使用功率效率低的RF放大器。用功率效率高的非線(xiàn)性放大器會(huì)導(dǎo)致已濾除的邊瓣再生,造成嚴(yán)重的相鄰信道干擾,使線(xiàn)性調(diào)制得到的頻譜效率全部丟失。最普遍的線(xiàn)性調(diào)制技術(shù)包括脈沖成形BPSK、QPSK和OQPSK

3、。(1)、二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)在二進(jìn)制相移鍵控中,幅度恒定的載波信號(hào)隨兩個(gè)代表二進(jìn)制1或0的信號(hào)和的改變而在兩個(gè)不同的相位間跳變。通常這兩個(gè)相位差180°。如果正弦載波的幅度為,每比特能量,則傳輸?shù)腂PSK信號(hào)為: (二進(jìn)制的1)(4.2)或者(4.3)(二進(jìn)制的0)出于方便,經(jīng)常將和一般化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào),它呈現(xiàn)兩種可能的脈沖波形中的一種。這樣傳輸信號(hào)可以表示為:(4.4)BPSK信號(hào)等效于抑制載波雙邊帶調(diào)幅波形,其中相當(dāng)于載波,數(shù)據(jù)信號(hào)相當(dāng)于調(diào)制波形。(2)、四相相移鍵控(QPSK)四相相移鍵控是在一個(gè)調(diào)制符號(hào)中傳輸兩個(gè)比特,因此其帶寬效率比BPSK的帶寬效率高兩倍。載波的

4、相位為四個(gè)間隔相等的值,比如0、和,每一個(gè)相位只對(duì)應(yīng)唯一的一對(duì)消息比特。這個(gè)符號(hào)狀態(tài)集的QPSK信號(hào)可定義為: (4.5)其中,為符號(hào)持續(xù)時(shí)間,等于兩個(gè)比特周期。QPSK信號(hào)可以表示為二維星座圖上幅度為,相位分別0、和的信號(hào)。從QPSK信號(hào)的星座圖可以看出,星座中相鄰點(diǎn)的距離為。因?yàn)槊總€(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)比特,所以,這樣QPSK星座中相鄰兩點(diǎn)的距離為。相對(duì)BPSK調(diào)制方式,QPSK在相同的帶寬內(nèi)傳輸了兩倍的數(shù)據(jù),因此在相同的能量效率情況下,QPSK提供了兩倍的頻譜效率。(3)差分PSK差分PSK是相移鍵控的非相干形式,它不需要在接收機(jī)端有相干參考信號(hào)。非相干接收容易制造而且便宜,因此在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)

5、中廣泛使用。在DBPSK或者DQPSK系統(tǒng)中,輸入的二進(jìn)制序列差分編碼,然后再用BPSK或者QPSK調(diào)制器調(diào)制。差分編碼后的序列是通過(guò)對(duì)與進(jìn)行模2運(yùn)算,由輸入的二進(jìn)制序列產(chǎn)生的。其效果相當(dāng)于,如果輸入的二進(jìn)制符號(hào)為1,則符號(hào)與其前一個(gè)符號(hào)保持不變,而如果為0,則就改變一次。表4-1給出了按照關(guān)系式由序列中產(chǎn)生的DPSK信號(hào)。DPSK發(fā)射機(jī)包括一個(gè)比特延遲單元和一個(gè)為了從輸入二進(jìn)制序列產(chǎn)生分編碼的邏輯電路,其輸出通過(guò)一個(gè)乘法調(diào)制器得到DPSK信號(hào)。在接收機(jī)端,通過(guò)相應(yīng)的處理過(guò)程,從調(diào)制的差分編碼信號(hào)恢復(fù)出原始信號(hào)。2、基帶恒包絡(luò)線(xiàn)性載波調(diào)制技術(shù)許多實(shí)際的移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)都使用非線(xiàn)性調(diào)制方法,這時(shí)

6、不管調(diào)制信號(hào)如何改變,載波的幅度是恒定的。恒包絡(luò)調(diào)制具有可以滿(mǎn)足多種應(yīng)用環(huán)境的優(yōu)點(diǎn),其中:可以使用功率效率高的C類(lèi)放大器,而不會(huì)使發(fā)送信號(hào)占有的頻譜增大;帶外輻射低,可達(dá)-60dB至-70dB;可用限幅器-鑒頻器檢測(cè),從而簡(jiǎn)化接收機(jī)的設(shè)計(jì),并能很好地抵抗隨機(jī)噪聲和由Rayleigh衰落引起的信號(hào)波動(dòng)。恒包絡(luò)調(diào)制有很多優(yōu)點(diǎn),但他們占用的帶寬比線(xiàn)性調(diào)制大。(1)、頻移鍵控(FSK)在頻移鍵控調(diào)制系統(tǒng)中,幅度恒定不變的載波信號(hào)的頻率隨著可能的信息狀態(tài)而切換,以2FSK為例,信息狀態(tài)由二進(jìn)制1和0表示,分別對(duì)應(yīng)某個(gè)載波頻率。根據(jù)頻率變化影響發(fā)射波形的方式,F(xiàn)SK信號(hào)在相鄰的比特之間,通常呈現(xiàn)連續(xù)的相位

7、。通常,2FSK信號(hào)的表達(dá)式為: (二進(jìn)制的1)(4.6)或者 (二進(jìn)制的0)(4.7)其中代表信號(hào)載波的恒定偏移。一種簡(jiǎn)單的產(chǎn)生FSK信號(hào)的方法是,依照數(shù)據(jù)比特是0還是1,在兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器中切換。更常用的產(chǎn)生FSK信號(hào)的方法是,使用信號(hào)波形對(duì)單一載波振蕩器進(jìn)行頻率調(diào)制。這種調(diào)制方法類(lèi)似于生成模擬FM信號(hào),只是調(diào)制信號(hào)為二進(jìn)制波形。因此,2FSK可表示為: (4.8)(2)、最小頻移鍵控(MSK)相移鍵控和正交幅度鍵控信號(hào)在碼元交替處發(fā)生相位突變,這意味著已調(diào)信號(hào)的功率譜的高頻含量較大,這種信號(hào)通過(guò)頻帶受限信道,因高頻分量被濾除和非線(xiàn)性,使信號(hào)的包絡(luò)產(chǎn)生起伏,從而影響信號(hào)的解調(diào)質(zhì)量。下面將討

8、論的MSK(Minimum Frequency Shift Keying)是二進(jìn)制連續(xù)相位FSK的一種特殊形式。連續(xù)相位頻移鍵控信號(hào)具有恒包絡(luò),頻譜旁瓣小,抗干擾性能也較強(qiáng),因此在衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信中應(yīng)用較多。最小頻移鍵控(MSK)是一種特殊的連續(xù)相位的頻移鍵控(CPFSK),其最大頻移為比特率的1/4。換句話(huà)說(shuō),MSK是調(diào)制系數(shù)為0.5的連續(xù)相位的FSK。FSK信號(hào)的調(diào)制系數(shù)類(lèi)似于FM調(diào)制系數(shù),定義為,其中是最大射頻頻移,是比特率。調(diào)制系數(shù)0.5對(duì)應(yīng)著能夠容納兩路正交FSK信號(hào)的最小頻帶,最小頻移鍵控的由來(lái)就是指這種調(diào)制方法的頻率間隔(帶寬)是可以進(jìn)行正交檢測(cè)的最小帶寬。如果(4.9)則兩路

9、FSK信號(hào)和是正交的。MSK有時(shí)稱(chēng)為快速FSK,因?yàn)槠涫褂玫念l率空間僅為常規(guī)非相干FSK空間的一半。MSK是一種高效的調(diào)制方法,特別適合在移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中使用。它有很多好的特性,例如恒包絡(luò)、頻譜利用率高、誤比特率低和自同步性能。MSK信號(hào)也可以看成是一類(lèi)特殊形式的OQPSK。在MSK中,OQPSK的基帶矩形脈沖被半正弦脈沖取代。這些脈沖在周期中形狀類(lèi)似于St.Louis曲線(xiàn)。考慮N比特流交錯(cuò)的OQPSK信號(hào)。如果用半正弦脈沖代替矩形脈沖,調(diào)制信號(hào)即為MSK信號(hào),N比特流的表達(dá)式為:(4.10)其中(4.11)其中和分別是雙極性數(shù)據(jù)流的"奇比特"和"偶比特&quo

10、t;,以的速率輸入解調(diào)器的同步積分環(huán)路。應(yīng)當(dāng)注意MSK信號(hào)有很多種形式。例如,一種MSK信號(hào)僅使用正的半正弦脈沖作為基本脈沖,另一種可能會(huì)使用正負(fù)交替變化的半正弦脈沖為基本脈沖信號(hào)。然而,所有的MSK信號(hào)都是相位連續(xù)的FSK信號(hào),使用不同的技術(shù)以有效地利用頻譜。MSK信號(hào)可看作一種特殊形式的連續(xù)相位的FSK信號(hào),MSK信號(hào)具有恒定幅值。通過(guò)選定載波頻率為四分之一比特率(1/4T)的整數(shù)倍,可以保證MSK信號(hào)在比特轉(zhuǎn)換處的相位連續(xù)性。MSK信號(hào)具有以下特點(diǎn):1)已調(diào)信號(hào)的振幅是恒定的;2)信號(hào)的頻率偏移嚴(yán)格地等于相應(yīng)的調(diào)制指數(shù)為0.5;3)以載波相位為基準(zhǔn)的信號(hào)相位在一個(gè)碼元期間內(nèi)準(zhǔn)確地線(xiàn)性變化

11、;4)在一個(gè)碼元期間內(nèi),信號(hào)應(yīng)包括上載波周期的整數(shù)倍;5)在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻信號(hào)的相位是連續(xù)的,或者說(shuō)信號(hào)的波形沒(méi)有突跳。(3)、高斯最小頻移鍵控(GMSK)在數(shù)字移運(yùn)通信中進(jìn)行高速率數(shù)據(jù)傳輸時(shí),為了滿(mǎn)足鄰道帶外輻射功率低于-80-60dB的指標(biāo),要求信號(hào)要有更加緊湊的功率譜。通過(guò)前面的介紹,從MSK信號(hào)的功率譜可以看出。MSK信號(hào)仍不能滿(mǎn)足這樣的要求。高斯最小頻移鍵控 (GMSK)就是針對(duì)上述要求提出來(lái)的。GMSK調(diào)制方式能滿(mǎn)足移動(dòng)通信環(huán)境下對(duì)鄰道干擾的嚴(yán)格要求,以其良好的生能在公共移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,并且被確定為歐洲新一代移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制方式。為了減小已調(diào)波的主瓣寬度和鄰道的帶外輻

12、射,在平滑調(diào)頻 (TFM)調(diào)制方式中調(diào)制前對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行了相關(guān)編碼處理。如果調(diào)制前對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行高斯濾波處理也能達(dá)到上述目的。這就是另一種在移動(dòng)通信中得到廣泛應(yīng)用的恒包絡(luò)調(diào)制方法 帶高斯濾波的最小頻移鍵控,簡(jiǎn)稱(chēng)高斯最小頻移鍵控。GMSK的基本原理是讓基帶信號(hào)先經(jīng)過(guò)高斯濾波器濾波,使基帶信號(hào)形成高斯脈沖之后進(jìn)行MSK調(diào)制。由于濾波形成的高斯脈沖包絡(luò)無(wú)陡峭的邊沿,亦無(wú)拐點(diǎn),所以經(jīng)調(diào)制后的已調(diào)波相位路徑在MSK的基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到平滑。GMSK將MSK信號(hào)的相位路徑的尖角平滑掉了,因此頻譜特性?xún)?yōu)于MSK和SFSK。采用高斯濾波器進(jìn)行預(yù)凋制濾波是因?yàn)楦咚篂V波器具有以下特性:1)窄帶銳截止特性,以便抑制高

13、頻分量;2)沖激響應(yīng)過(guò)沖量小,以防止過(guò)大的瞬時(shí)頻偏;3)濾波器輸出沖激響應(yīng)曲線(xiàn)下的面積對(duì)應(yīng)于的相移,以使調(diào)制指數(shù)為0.5高斯低通濾波器的單位沖激響應(yīng)為:(4.12)顯然不是時(shí)限的,但是隨按指數(shù)規(guī)律迅速下降,可近似認(rèn)為其寬度有限。傅里葉變換后可得:(4.13)高斯預(yù)調(diào)制濾波器的脈沖響應(yīng):(4.14)4、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.研究相移鍵控的線(xiàn)性載波調(diào)制技術(shù)原理;分析二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)、四進(jìn)制相移鍵控(QPSK)技術(shù)的原理;分別觀(guān)察BPSK、QPSK調(diào)制信號(hào)的波形及頻譜,比較BPSK和QPSK兩種線(xiàn)性調(diào)制技術(shù)間的功率效率和數(shù)據(jù)帶寬比。2. 研究差分相移鍵控的線(xiàn)性載波調(diào)制技術(shù)原理;分析差分二進(jìn)制相移

14、鍵控(DBPSK)、差分四進(jìn)制相移鍵控(DQPSK)技術(shù)的原理;分別觀(guān)察DBPSK、DQPSK調(diào)制信號(hào)的波形及頻譜,比較DBPSK和DQPSK兩種線(xiàn)性調(diào)制技術(shù)間的功率效率和數(shù)據(jù)帶寬比。3. 研究恒包絡(luò)線(xiàn)性載波調(diào)制技術(shù)原理;熟悉頻移鍵控(FSK)、最小頻移鍵控(MSK)、高斯最小頻移鍵控(GMSK)技術(shù)的原理;分別觀(guān)察FSK、MSK、GMSK調(diào)制信號(hào)波形及頻譜。4. 掌握如何用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)BPSK、QPSK、FSK、MSK調(diào)制5、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:(1)基帶載波調(diào)制技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn);分析并觀(guān)察BPSK、QPSK、DBPSK、DQPSK、FSK、MSK、GMSK調(diào)制信號(hào)的波形及頻譜;(2)基于FPGA的基

15、帶信號(hào)調(diào)制實(shí)驗(yàn)。6、 實(shí)驗(yàn)器材(設(shè)備、元器件):計(jì)算機(jī)、軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)驗(yàn)箱、示波器、DSP仿真器、FPGA仿真器、5V電源7、 實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析:1.基帶載波調(diào)制技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的菜單窗口提示,利用鍵盤(pán)選擇菜單內(nèi)容,逐級(jí)進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)操作界面,根據(jù)操作步驟的提示,利用示波器在指定接口進(jìn)行輸出信號(hào)波形觀(guān)察。具體步驟如下:檢查實(shí)驗(yàn)平臺(tái)左上方和右下方的Power Switch是否處于關(guān)閉(OFF)狀態(tài);檢查實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電源線(xiàn)是否連接正確,若連接正確,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)右下方的Power Ready指示燈會(huì)亮起;將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)左上方的Power Switch置為開(kāi)啟(ON)狀態(tài),實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài),觀(guān)察

16、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中部的顯示屏直至進(jìn)入“高級(jí)軟件無(wú)線(xiàn)電教學(xué)系統(tǒng)”;按下“確認(rèn)(回車(chē))”鍵進(jìn)入系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)列表;選擇“2”按Enter鍵,進(jìn)入基帶實(shí)驗(yàn)列表;選擇“1”按Enter鍵,屏幕顯示“進(jìn)入實(shí)驗(yàn)中,請(qǐng)稍候”提示框,直至進(jìn)入基帶調(diào)制實(shí)驗(yàn)列表;(1)BPSK調(diào)制選擇“1”進(jìn)入BPSK調(diào)制仿真實(shí)驗(yàn)窗,按照軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的提示進(jìn)行后續(xù)操作,將示波器分別觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)TXI和TXQ端口,通過(guò)示波器觀(guān)察輸出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖,觀(guān)察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過(guò)BPSK調(diào)制后的頻譜特征(2)QPSK調(diào)制選擇“2”進(jìn)入QPSK調(diào)制仿真實(shí)驗(yàn)窗,按照軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的提示進(jìn)行后續(xù)操作,將示波器分別觀(guān)測(cè)

17、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)TXI和TXQ端口,通過(guò)示波器觀(guān)察輸出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖,觀(guān)察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過(guò)QPSK調(diào)制后的頻譜特征(3)DBPSK調(diào)制選擇“3”進(jìn)入DBPSK調(diào)制仿真實(shí)驗(yàn)窗,按照軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的提示進(jìn)行后續(xù)操作,將示波器分別觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)TXI和TXQ端口,通過(guò)示波器觀(guān)察輸出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖,觀(guān)察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過(guò)DBPSK調(diào)制后的頻譜特征(4)DQPSK調(diào)制選擇“4”進(jìn)入DQPSK調(diào)制仿真實(shí)驗(yàn)窗,按照軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的提示進(jìn)行后續(xù)操作,將示波器分別觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)TXI和TXQ端口,通過(guò)示波器觀(guān)察輸出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖

18、,觀(guān)察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過(guò)DQPSK調(diào)制后的頻譜特征(5)FSK調(diào)制選擇“5”進(jìn)入FSK調(diào)制仿真實(shí)驗(yàn)窗,按照軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的提示進(jìn)行后續(xù)操作,將示波器分別觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)TXI和TXQ端口,通過(guò)示波器觀(guān)察輸出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖,觀(guān)察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過(guò)FSK調(diào)制后的頻譜特征(6)MSK調(diào)制選擇“6”進(jìn)入MSK調(diào)制仿真實(shí)驗(yàn)窗,按照軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的提示進(jìn)行后續(xù)操作,將示波器分別觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)TXI和TXQ端口,通過(guò)示波器觀(guān)察輸出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖,觀(guān)察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過(guò)MSK調(diào)制后的頻譜特征(7)GMSK調(diào)制選擇“7”進(jìn)入GMSK調(diào)制仿真實(shí)驗(yàn)窗,按

19、照軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的提示進(jìn)行后續(xù)操作,將示波器分別觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)TXI和TXQ端口,通過(guò)示波器觀(guān)察輸出波形和頻譜。根據(jù)示波器上產(chǎn)生波形的頻譜圖,觀(guān)察并記錄發(fā)送波形經(jīng)過(guò)GMSK調(diào)制后的頻譜特征2FPGA基帶信號(hào)調(diào)制實(shí)驗(yàn)(1)FPGA基帶信號(hào)調(diào)制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)A.從應(yīng)用程序界面進(jìn)入->擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)->FPGA擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)->基帶信號(hào)調(diào)制實(shí)驗(yàn);B.打開(kāi)ISE8.1->Open Project打開(kāi)FPGA_modulate工程;C在modula_main.vhd中,確定Constant modulation_sel:std_logic_vector(3 downto 0):=“0001”;D.編譯程序后下載.bit文件到FPGA中E.從應(yīng)用程序界面輸入數(shù)據(jù),按確認(rèn)發(fā)送,用示波器觀(guān)察平臺(tái)TXI、TXQ輸出信號(hào)波形。(2)FPGA基帶信號(hào)調(diào)制擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)1)在modula_main.vhd中找到如下語(yǔ)句:Constant modulation_sel:std_

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