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1、通信系統(tǒng)中的核心問(wèn)題通信系統(tǒng)中的核心問(wèn)題:指標(biāo)指標(biāo)= =? 有效性有效性 可靠性可靠性安全性安全性 具體到移動(dòng)通信:具體到移動(dòng)通信:有效性、可靠性與安全性是全系統(tǒng)概念,是很復(fù)雜的問(wèn)題;有效性、可靠性與安全性是全系統(tǒng)概念,是很復(fù)雜的問(wèn)題;實(shí)現(xiàn)這實(shí)現(xiàn)這3 3類(lèi)指標(biāo)的環(huán)境與條件更加惡劣,因而達(dá)到目標(biāo)也就類(lèi)指標(biāo)的環(huán)境與條件更加惡劣,因而達(dá)到目標(biāo)也就更加困難;更加困難;提高效率的問(wèn)題更加突出。提高效率的問(wèn)題更加突出。 特別是由于移動(dòng)通信的頻率資特別是由于移動(dòng)通信的頻率資源是有限的源是有限的 第4章第4章信源編碼與數(shù)據(jù)壓縮實(shí)際實(shí)現(xiàn)中的關(guān)聯(lián)性:實(shí)際實(shí)現(xiàn)中的關(guān)聯(lián)性:與移動(dòng)通信系統(tǒng)中的與移動(dòng)通信系統(tǒng)中的3 3個(gè)
2、層次個(gè)層次物理層、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)規(guī)物理層、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃層都有關(guān)系,特別是與蜂窩網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)。劃層都有關(guān)系,特別是與蜂窩網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)。涉及方面:僅從物理層來(lái)探討,從有效性看:涉及到信源編涉及方面:僅從物理層來(lái)探討,從有效性看:涉及到信源編碼與數(shù)據(jù)壓縮、調(diào)制與信道編碼技術(shù)、多址方式、信號(hào)分集接碼與數(shù)據(jù)壓縮、調(diào)制與信道編碼技術(shù)、多址方式、信號(hào)分集接收、天線方向性等諸多因素。收、天線方向性等諸多因素。第第4 4本章僅討論在物理層決定有效性的最主要因素之一:信源編碼本章僅討論在物理層決定有效性的最主要因素之一:信源編碼和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。信源編碼信源編碼作用:壓縮信源輸出的
3、信息率,提高系統(tǒng)有效性作用:壓縮信源輸出的信息率,提高系統(tǒng)有效性實(shí)現(xiàn)原理:主要是利用信源的統(tǒng)計(jì)特性,解除信源相關(guān)性,實(shí)現(xiàn)原理:主要是利用信源的統(tǒng)計(jì)特性,解除信源相關(guān)性,去掉信源冗余信息。去掉信源冗余信息。發(fā)展過(guò)程:發(fā)展過(guò)程:第二代第二代(2(2G)G)數(shù)字式移動(dòng)通信系統(tǒng):語(yǔ)音壓縮編碼:數(shù)字式移動(dòng)通信系統(tǒng):語(yǔ)音壓縮編碼: 語(yǔ)音語(yǔ)音業(yè)務(wù)業(yè)務(wù) 。第三代第三代( (3G)3G)數(shù)字式移動(dòng)通信系統(tǒng):語(yǔ)音壓縮編碼數(shù)字式移動(dòng)通信系統(tǒng):語(yǔ)音壓縮編碼 + + 各類(lèi)各類(lèi)圖像壓縮編碼和多媒體數(shù)據(jù)壓縮等方面圖像壓縮編碼和多媒體數(shù)據(jù)壓縮等方面 包含語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和包含語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和圖像在內(nèi)的多媒體業(yè)務(wù)圖像在內(nèi)的多媒體業(yè)務(wù) 信
4、源編碼的關(guān)聯(lián)技術(shù)要點(diǎn):壓縮語(yǔ)音編碼的碼率,提高通信系統(tǒng)的有效性。技術(shù)要點(diǎn):壓縮語(yǔ)音編碼的碼率,提高通信系統(tǒng)的有效性。原理:解除語(yǔ)音信源的統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)。原理:解除語(yǔ)音信源的統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)。語(yǔ)音壓縮編碼分為以下語(yǔ)音壓縮編碼分為以下3 3類(lèi)類(lèi)波形編碼:波形編碼是以精確再現(xiàn)語(yǔ)音波形為目的,并以保真波形編碼:波形編碼是以精確再現(xiàn)語(yǔ)音波形為目的,并以保真度即自然度為度量標(biāo)準(zhǔn)的編碼方法。這類(lèi)編碼是保留語(yǔ)音個(gè)性度即自然度為度量標(biāo)準(zhǔn)的編碼方法。這類(lèi)編碼是保留語(yǔ)音個(gè)性特征為主要目標(biāo)的方法,其碼率較高。特征為主要目標(biāo)的方法,其碼率較高。參量編碼:又稱(chēng)為聲碼器。參量編碼是利用人類(lèi)發(fā)聲機(jī)制,僅參量編碼:又稱(chēng)為聲碼器。參量編碼是利
5、用人類(lèi)發(fā)聲機(jī)制,僅傳送反映語(yǔ)音波形變化主要參量的編碼方法。在接收端,可根傳送反映語(yǔ)音波形變化主要參量的編碼方法。在接收端,可根據(jù)發(fā)聲模型,由傳送過(guò)來(lái)的變化參量激勵(lì)產(chǎn)生人工合成的語(yǔ)音。據(jù)發(fā)聲模型,由傳送過(guò)來(lái)的變化參量激勵(lì)產(chǎn)生人工合成的語(yǔ)音。參量編碼的主要度量標(biāo)準(zhǔn)是可懂度。參量編碼的主要度量標(biāo)準(zhǔn)是可懂度。 評(píng)看:以提取并傳送語(yǔ)音評(píng)看:以提取并傳送語(yǔ)音的共性特征參量為主要目標(biāo)的編碼方法,其碼率較低。的共性特征參量為主要目標(biāo)的編碼方法,其碼率較低。 混合編碼:又稱(chēng)為軟聲碼器?;旌暇幋a是吸取上述兩類(lèi)編碼的混合編碼:又稱(chēng)為軟聲碼器?;旌暇幋a是吸取上述兩類(lèi)編碼的優(yōu)點(diǎn),以參量編碼為基礎(chǔ)并附加一定的波形編碼特征
6、,以實(shí)現(xiàn)優(yōu)點(diǎn),以參量編碼為基礎(chǔ)并附加一定的波形編碼特征,以實(shí)現(xiàn)在可懂度基礎(chǔ)上適當(dāng)改善自然度目的的編碼方法。其碼率介于在可懂度基礎(chǔ)上適當(dāng)改善自然度目的的編碼方法。其碼率介于上述兩類(lèi)編碼之間。上述兩類(lèi)編碼之間。4.14.1語(yǔ)音壓縮編碼語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)比較:技術(shù)比較:質(zhì)量:波形編碼質(zhì)量:波形編碼 混合編碼混合編碼 參量編碼參量編碼壓縮倍數(shù)壓縮倍數(shù): : 波形編碼波形編碼 混合編碼混合編碼 = GMSKGMSK是是MSKMSK的進(jìn)一步優(yōu)化方案。的進(jìn)一步優(yōu)化方案。GMSKGMSK實(shí)現(xiàn):實(shí)現(xiàn):屬于屬于MSKMSK簡(jiǎn)單的優(yōu)化方案,進(jìn)一步抑制高頻分量,防止過(guò)量的瞬時(shí)簡(jiǎn)單的優(yōu)化方案,進(jìn)一步抑制高頻分量,防止過(guò)量
7、的瞬時(shí)頻率偏移及滿足相干檢測(cè)的需求。它只需在頻率偏移及滿足相干檢測(cè)的需求。它只需在MSKMSK調(diào)制前附加一個(gè)調(diào)制前附加一個(gè)高斯型前置低通濾波器,高斯型前置低通濾波器,MSKMSK調(diào)制特點(diǎn)調(diào)制特點(diǎn)一般式:一般式: 求求 , 與與T Tb b關(guān)系關(guān)系 信號(hào)分析過(guò)程:信號(hào)分析過(guò)程:6.3.2 6.3.2 MSKMSK信號(hào)形式信號(hào)形式)(tkd一個(gè)二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)中的第一個(gè)二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)中的第k k個(gè)碼元的波形可以表達(dá)為個(gè)碼元的波形可以表達(dá)為 ) 1 . 3 . 6() 1(),(cos)(0bbkTktkTttAtX式中,附加相位為式中,附加相位為 ,且,且 ( ( 為頻差為頻差) ),而,而
8、)(tkdkkadttd)(d)2 . 3 . 6(1ka瞬時(shí)頻率為瞬時(shí)頻率為)3 . 3 . 6(00ddka當(dāng)載波頻移量最小時(shí)當(dāng)載波頻移量最小時(shí)( (即頻差最小即頻差最小) ),頻差,頻差 ,則調(diào)制指數(shù)為,則調(diào)制指數(shù)為12 調(diào)制指數(shù)為頻差調(diào)制指數(shù)為頻差 ,與數(shù)據(jù)碼元速率,與數(shù)據(jù)碼元速率 之比之比 信號(hào)形式信號(hào)形式-2-2-調(diào)制指數(shù)調(diào)制指數(shù))4 . 3 . 6(12bh數(shù)據(jù)碼元速率頻差12b而將而將 帶入上式求得帶入上式求得dd0102,)5 . 3 . 6(200bdbddhMSKMSK是是CPFSKCPFSK連續(xù)相位移頻鍵控連續(xù)相位移頻鍵控 h=O.5h=O.5時(shí)的特例,將其代入式時(shí)的特
9、例,將其代入式(6.3.5)(6.3.5)可得可得)6 . 3 . 6(4,215 . 02dbbdh有此時(shí))7.3.6(2424)(bkbkbkdkkTafaaadttd而式中,式中, 是積分常數(shù)。是積分常數(shù)。信號(hào)形式信號(hào)形式-3-3將上式代入式將上式代入式(6.3.1)(6.3.1)中,得到所求結(jié)果:中,得到所求結(jié)果:MSKMSK信號(hào)表達(dá)式為:信號(hào)表達(dá)式為:)8.3.6(2)()(kbkkkTtadtdttdtk)9.3.6()2cos()(0kbkTtatAtX將其展開(kāi)后,可得將其展開(kāi)后,可得式式(6.3.9)(6.3.9)和式和式(6.3.10)(6.3.10)為為MSKMSK的基本表
10、達(dá)式。的基本表達(dá)式。式中,式中, a ak k=輸入序列;輸入序列;x xk k是為了保證是為了保證t=kTt=kTb b時(shí)相位連續(xù)而加入的相時(shí)相位連續(xù)而加入的相位常量位常量 本比特內(nèi)的相位常數(shù)本比特內(nèi)的相位常數(shù) 。令令 MSKMSK是一種特殊形式的是一種特殊形式的FSKFSK,其頻差是滿足兩個(gè)頻率相互正交其頻差是滿足兩個(gè)頻率相互正交( (即即相關(guān)函數(shù)等于相關(guān)函數(shù)等于O)O)的最小頻差,并要求的最小頻差,并要求FSKFSK信號(hào)的相位連續(xù)。其頻信號(hào)的相位連續(xù)。其頻差差f=ff=f2 2-f-f1 1=1=12T2Tb b,即調(diào)制指數(shù)為即調(diào)制指數(shù)為MSKMSK信號(hào)進(jìn)一步分析其特性及調(diào)制方案形成:信
11、號(hào)進(jìn)一步分析其特性及調(diào)制方案形成: 補(bǔ)充補(bǔ)充 )332(5 . 0/1bTfh式中,式中,T Tb b為輸入數(shù)據(jù)流的比特寬度。為輸入數(shù)據(jù)流的比特寬度。 MSKMSK的信號(hào)表達(dá)式為的信號(hào)表達(dá)式為 )342()2cos()(kkbcxtaTttS式中,式中,為了保持相位連續(xù),在為了保持相位連續(xù),在t=kTt=kTb b時(shí)應(yīng)有下式成立:時(shí)應(yīng)有下式成立: (2-352-35)(2-362-36)將式將式(2-35)(2-35)代入式代入式(2-36)(2-36)可得可得 MSKMSK的相位軌跡的相位軌跡 相位相位k k 特性特性 分析上式,因?yàn)榉治錾鲜?,因?yàn)?所以,所以,x xk k有以下結(jié)論:有以下
12、結(jié)論:若令若令x x0 0=O=O,則則x xk k=0=0或或(模模2 2),k=Ok=O,1 1,2 2, 本比特內(nèi)的相位常數(shù)不僅與本比特區(qū)間的輸入有關(guān),還與前一本比特內(nèi)的相位常數(shù)不僅與本比特區(qū)間的輸入有關(guān),還與前一個(gè)比特區(qū)間內(nèi)的輸入及相位常數(shù)有關(guān)。個(gè)比特區(qū)間內(nèi)的輸入及相位常數(shù)有關(guān)。 a ak k=1,-1 =1,-1 )372(2)(11kaaxxkkkk1ka分析分析MSKMSK的相位軌跡的相位軌跡 相位相位k k 特性特性: :在給定輸入序列在給定輸入序列 a ak k 的情況下,的情況下,MSKMSK的相位軌跡如圖的相位軌跡如圖2-52-5所示。所示。各種可能的輸入序列所對(duì)應(yīng)的所有
13、可能的路徑如圖各種可能的輸入序列所對(duì)應(yīng)的所有可能的路徑如圖2-62-6所示所示, , t=kTt=kTb,b, , ,箭頭處為箭頭處為x xk,k, , ,箭頭左側(cè)處為箭頭左側(cè)處為a ak k,例如,例如,對(duì)對(duì)t=2Tt=2Tb b處處, ,k=2,x2=x1+(a1-a2)k=2,x2=x1+(a1-a2)* *2/2=0+(-1-(+1)2/2=0+(-1-(+1)* *2/2=-22/2=-2對(duì)對(duì)t=7Tt=7Tb b處處, ,k=7,xk=7,x7 7=x=x6 6+(a+(a6 6-a-a7 7) )* *2/2=-3+(1-(-1)2/2=-3+(1-(-1)* *7/27/2 =
14、-3+7=4; =-3+7=4;( (起在起在t=2Tbt=2Tb時(shí),時(shí),a2a2為此刻右邊碼元,因時(shí)間,己跳上沿為此刻右邊碼元,因時(shí)間,己跳上沿) )圖圖2-5 2-5 MSKMSK的相位軌跡的相位軌跡 本比特區(qū)間的碼元值決定斜率,本比特區(qū)間的碼元值決定斜率,x xk k決定起決定起點(diǎn)點(diǎn) MSKMSK的相位軌跡的相位軌跡 相位相位k k 特性特性-2-2 本比特區(qū)間的可能碼元值決定斜率或走向,連續(xù)相位決定可能軌本比特區(qū)間的可能碼元值決定斜率或走向,連續(xù)相位決定可能軌跡跡 MSKMSK的可能相位軌跡的可能相位軌跡當(dāng)當(dāng)t=2lTbt=2lTb,l=Ol=O,1 1,2 2,時(shí),相位取值只能是時(shí),
15、相位取值只能是0 0或或(模模2 2);當(dāng)當(dāng)t=(2l+1)Tbt=(2l+1)Tb,l=Ol=O,1 1,2 2,時(shí),相位取值只能是時(shí),相位取值只能是2(2(模模2 2);在一個(gè)比特區(qū)間內(nèi),相位線性地增加或減少在一個(gè)比特區(qū)間內(nèi),相位線性地增加或減少2 2。據(jù)此,分析據(jù)此,分析MSKMSK信號(hào)信號(hào) MSKMSK信號(hào)表達(dá)式為信號(hào)表達(dá)式為相位相位k k特性特性 圖上規(guī)律或結(jié)論圖上規(guī)律或結(jié)論 * * * * *9 9stst* * * *428428* *)cos()2cos()(kckkbctxtaTttSMSKMSK信號(hào)表達(dá)式可正交展開(kāi)為下式:信號(hào)表達(dá)式可正交展開(kāi)為下式: )382()sin()
16、2sin(cos)cos()2cos(cos)2cos()(ttTxattTxxtaTttScbkkcbkkkbc分析分析MSKMSK信號(hào)信號(hào)由式由式(2-37)(2-37)得得 因?yàn)橐驗(yàn)?所以,上式可寫(xiě)為所以,上式可寫(xiě)為 ( (令令k=2lk=2l,l=0l=0,1 1,2 2,) ): 分析分析MSKMSK信號(hào)信號(hào)-2-2由此式可以看出:由此式可以看出:I I支路數(shù)據(jù)支路數(shù)據(jù)( (CosxCosxk k) )和和Q Q支路數(shù)據(jù)支路數(shù)據(jù)( (a ak kCosxCosxk k) )并不是并不是每隔每隔T Tb b秒就可能改變符號(hào),而是每隔秒就可能改變符號(hào),而是每隔2 2T Tb b秒才有可能
17、改變符秒才有可能改變符號(hào)號(hào)?。I I支路與支路與Q Q支路的碼元在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)支路的碼元在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)T Tb b秒,如圖秒,如圖2-72-7所示。所示。若輸入數(shù)據(jù)若輸入數(shù)據(jù)d dk k經(jīng)過(guò)差分編碼經(jīng)過(guò)差分編碼( (即即a ak k =d =dk kd dk-1k-1) )后,再進(jìn)行后,再進(jìn)行MSKMSK調(diào)制,調(diào)制,則只要對(duì)則只要對(duì)CosxCosxk k和和a ak kCosxCosxk k交替取樣就可以恢復(fù)輸入數(shù)據(jù)交替取樣就可以恢復(fù)輸入數(shù)據(jù)d dk k。 )sin()2sin()cos()2cos()sin()2sin(cos)cos()2cos(cos)(ttTQttTIttTxattTxtS
18、cbkcbkcbkkcbkMSKMSK的輸入數(shù)據(jù)與各支路數(shù)據(jù)及基帶波形的關(guān)系的輸入數(shù)據(jù)與各支路數(shù)據(jù)及基帶波形的關(guān)系 圖圖2-72-7根據(jù)式根據(jù)式(2-38)(2-38)、式、式(2-39)(2-39)及式及式(2-37)(2-37),可得,可得MSKMSK信號(hào)的產(chǎn)生框圖信號(hào)的產(chǎn)生框圖如圖如圖2-82-8所示。所示。 MSKMSK信號(hào)也可以將非歸零的二進(jìn)制序列直接送入信號(hào)也可以將非歸零的二進(jìn)制序列直接送入FMFM調(diào)制器中來(lái)產(chǎn)調(diào)制器中來(lái)產(chǎn)生,這里要求生,這里要求FMFM調(diào)制器的調(diào)制指數(shù)為調(diào)制器的調(diào)制指數(shù)為0.50.5。MSKMSK調(diào)制器框圖調(diào)制器框圖 圖圖2-82-8根據(jù)式根據(jù)式(2-38)(2-
19、38)、式、式(2-39)(2-39)及式及式(2-37)(2-37),可得,可得MSKMSK信號(hào)的產(chǎn)生框圖信號(hào)的產(chǎn)生框圖如圖如圖2-82-8所示。所示。 MSKMSK信號(hào)也可以將非歸零的二進(jìn)制序列直接送入信號(hào)也可以將非歸零的二進(jìn)制序列直接送入FMFM調(diào)制器中來(lái)產(chǎn)調(diào)制器中來(lái)產(chǎn)生,這里要求生,這里要求FMFM調(diào)制器的調(diào)制指數(shù)為調(diào)制器的調(diào)制指數(shù)為0.50.5。關(guān)于關(guān)于MSKMSK信號(hào)的功率譜信號(hào)的功率譜MSKMSK信號(hào)的單邊功率譜表達(dá)式為信號(hào)的單邊功率譜表達(dá)式為關(guān)于關(guān)于MSKMSK信號(hào)的功率譜:如下圖所示。圖中還給出了信號(hào)的功率譜:如下圖所示。圖中還給出了QPSKQPSK信號(hào)的功信號(hào)的功率譜。率譜
20、。圖中規(guī)律或結(jié)論:圖中規(guī)律或結(jié)論:= =?MSKMSK信號(hào)的功率譜特點(diǎn)信號(hào)的功率譜特點(diǎn)較寬的主瓣:較寬的主瓣:MSKMSK的功率譜具有較寬的主瓣的功率譜具有較寬的主瓣 與與QPSKQPSK相比相比 ,其,其第一個(gè)零點(diǎn)出現(xiàn)在第一個(gè)零點(diǎn)出現(xiàn)在( (f-fc)Tf-fc)Tb b=O.75=O.75處,而處,而QPSKQPSK的第一個(gè)零點(diǎn)出現(xiàn)的第一個(gè)零點(diǎn)出現(xiàn)在在( (f-fc)Tf-fc)Tb b=O.5=O.5處。處。旁瓣較?。寒?dāng)旁瓣較小:當(dāng)( (f-fc)Tf-fc)Tb b-時(shí),時(shí),MSKMSK的功率譜以的功率譜以(f-fc)Tf-fc)Tb b -4-4的的速率衰減,比速率衰減,比QPSKQ
21、PSK的衰落速率的衰落速率(f-fc)Tf-fc)Tb b -2-2快得多??斓枚?。 MSKMSK信號(hào)解調(diào):信號(hào)解調(diào):可以采用鑒頻器解調(diào),也可以采用相干解調(diào)。相干解調(diào)的框圖如可以采用鑒頻器解調(diào),也可以采用相干解調(diào)。相干解調(diào)的框圖如圖圖2-102-10所示。圖中采用平方環(huán)來(lái)提取相干載波。所示。圖中采用平方環(huán)來(lái)提取相干載波。 MSKMSK信號(hào)的解調(diào)信號(hào)的解調(diào)上頁(yè)圖中采用平方環(huán)來(lái)提取相干載波。從圖中可以看出經(jīng)過(guò)低通上頁(yè)圖中采用平方環(huán)來(lái)提取相干載波。從圖中可以看出經(jīng)過(guò)低通濾波后,濾波后,I I支路和支路和Q Q支路的輸出分別為:支路的輸出分別為: 通過(guò)對(duì)通過(guò)對(duì)I I支路和支路和Q Q支路交替采樣就可以
22、恢復(fù)支路交替采樣就可以恢復(fù)b bk k,再經(jīng)差分譯碼后就再經(jīng)差分譯碼后就可以恢復(fù)可以恢復(fù)a ak k。 參照參照FSKFSK的誤碼率分析,在輸入為窄帶高斯噪聲的誤碼率分析,在輸入為窄帶高斯噪聲( (均值為均值為0 0,方,方差為差為2 2) )的情況,各支路的誤碼率為的情況,各支路的誤碼率為 式中,式中,222/narMSKMSK信號(hào)性能分析信號(hào)性能分析與與FSKFSK性能相比,由于各支路的實(shí)際碼元寬度為性能相比,由于各支路的實(shí)際碼元寬度為2 2T Tb b,其對(duì)應(yīng)的低其對(duì)應(yīng)的低通濾波器帶寬減少為原帶寬的通濾波器帶寬減少為原帶寬的1/21/2,從而使,從而使MSKMSK的輸出信噪比提高的輸出信噪比提高了一倍。了一倍。 經(jīng)過(guò)差分譯碼后的誤比特率為經(jīng)過(guò)差分譯碼后的誤比特率為 )432()1 (2ssePPP3G3G調(diào)制調(diào)制1 1、TD-SCDMATD-SCDMA: 采用采用QPSKQPSK調(diào)制技術(shù),對(duì)于調(diào)制技術(shù),對(duì)于2 2Mbit/sMbit/s業(yè)務(wù),采用業(yè)務(wù),采用8 8PSKPSK調(diào)制技術(shù)。調(diào)制技術(shù)。 數(shù)據(jù)調(diào)制后,再進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。擴(kuò)頻后的碼片速率為數(shù)據(jù)調(diào)制后,再進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。擴(kuò)頻后的碼片速率為1.281.28Mc/s,Mc/s,擴(kuò)頻因
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