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1、1第5章 基帶數(shù)字信號的表示和傳輸2主要內容 5.1 概述 5.2 字符的編碼方法 5.3 基帶數(shù)字信號的波形 5.4 基帶數(shù)字信號的傳輸碼型 5.5 基帶數(shù)字信號的頻率特性 5.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾 5.7 眼圖 5.8 時域均衡器思考題、習題3目標要求 基本要求 了解字符的編碼方法; 掌握基帶數(shù)字信號的基本波形; 掌握基帶數(shù)字信號的傳輸碼型,熟悉傳輸碼型的 基本要求; 掌握基帶數(shù)字信號的頻率特性; 掌握基帶數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)模型、碼間串擾、奈 氏準則、部分響應系統(tǒng); 掌握眼圖模型,及信號波形和眼圖的對應關系; 熟悉時域均衡器的作用與原理。4目標要求 重點、難點 重點是: 基帶數(shù)字信

2、號的基本波形掌握; AMI碼和HDB3碼的編碼規(guī)則的理解和掌握; 無碼間串擾應具有的傳輸特性的分析和掌握。 難點是: 基帶數(shù)字信號的功率譜密度分析及其作用的理 解和掌握; 部分響應系統(tǒng)的原理、分析和作用的理解和掌握。55.1 概述一、基帶信號與頻帶信號 1.基帶信號:頻帶分布在低頻段(通常包含直流)且未經(jīng)調制的信號。 2.基帶傳輸:直接傳輸基帶信號的通信方式。 3.頻帶信號(帶通信號):經(jīng)過載波調制后的信號。 4.頻帶傳輸:直接傳輸頻帶信號的通信方式。65.1 概述信 源發(fā)送端接收端信道編碼調 制信 道壓縮編碼解 調信 宿保密解碼信道解碼壓縮解碼保密編碼噪聲同步信源編碼信源解碼75.1 概述二

3、、數(shù)字信號傳輸時為什么需要不同的表示方法?1. 為了除去直流分量和頻率很低的分量;2. 為了在接收端得到每個碼元的起止時刻信息;3. 為了使信號的頻譜和信道的傳輸特性相匹配。8何謂字符? 漢字、數(shù)字和英文字母 ,統(tǒng)稱為字符。漢字的編碼方法: 4位十進制數(shù)字表示一個漢字。 例如,電報編碼: “中” “0022”, “國” “0948”。 區(qū)位碼: “中” “5448”, “國” “2590”。英文字母編碼方法:ASCII 碼 7位二進制數(shù)字表示一個字符 。表示字符的數(shù)字組合稱為碼組,也稱為“代碼”。 5.2 字符的編碼方法95.3 基帶數(shù)字信號的波形單極性波形雙極性波形單極性歸零波形雙極性歸零波

4、形差分波形多電平波形 105.3 基帶數(shù)字信號的波形1.單極性波形 規(guī)則: 用0電位表示二進制數(shù)字“1” 用1電位表示二進制數(shù)字“0” 單極性波形只適合用導線連接的各點之間做近距離傳輸.115.3 基帶數(shù)字信號的波形2. 雙極性波形雙極性不歸零脈沖規(guī)則:電壓取值為+V和-V,沒有0電壓狀態(tài). 如:用-V電位表示二進制數(shù)字“1” 用+V電位表示二進制數(shù)字“0” 優(yōu)點: 1. 若數(shù)字信號中“0” “1”等概率出現(xiàn)的 話,雙極性波形無直流分量. 2. 雙極性波形判決門限設在0電平,與接受信號電平波動無關. 125.3 基帶數(shù)字信號的波形 0 1 0 1 1 0 0 0 1-V0+V+V+V0+V-V

5、0(a)(b)(c)(d)(e)(a) 單極性波形 (b)雙極性波形 (c)單極性歸零波形 (d)雙極性歸零波形(e)差分波形135.3 基帶數(shù)字信號的波形3. 單極性歸零波形歸零(RZ):信號電壓在一個碼元持續(xù)時間的中 間回到0值.如:用+V - 0電位表示二進制數(shù)字“0” 用0電位表示二進制數(shù)字“1”4. 雙極性歸零波形如:用+V - 0電位表示二進制數(shù)字“0” 用-V - 0電位表示二進制數(shù)字“1” 145.3 基帶數(shù)字信號的波形5. 差分波形規(guī)則:用電壓的變化表示數(shù)字. 如:用電壓的跳變表示二進制數(shù)字“0” 用電壓恒定表示二進制數(shù)字“1”6. 多電平波形規(guī)則:用多個電壓波形表示數(shù)字信號

6、. 如:用電壓-3V、-V 、+V 、+3V分別表 示二進制數(shù)字“00” 、 “01” 、 “10” 、 “10” . 155.3 基帶數(shù)字信號的波形-V多電平波形0+V+3V-3V165.3 基帶數(shù)字信號的波形例:二進制符號為110010001110,試以矩形脈沖為例,分別畫出相應的單極性波形,雙極性波形,單極性歸零波形,雙極性歸零波形和二進制差分波形.175.3 基帶數(shù)字信號的波形上述表示方法的不足:1. 包含直流分量和大量的低頻分量2. 不適合高速信息的傳輸3. 無檢錯能力4. 無碼元定時信息 為了適應在信道中高速,低功耗的要求,必須對數(shù)字信號進行碼型轉換,變換成基帶數(shù)字信號的傳輸碼在信

7、道內傳輸.185.4 基帶數(shù)字信號的傳輸碼型一、對于傳輸碼型,有如下一些要求:無直流分量和只有很小的低頻分量;含有碼元的定時信息;傳輸效率高;最好有一定的檢錯能力;適用于各種信源,即要求以上性能和信源的統(tǒng)計特性無關19二、AMI碼傳號交替反轉碼 1. 編碼規(guī)則:“1”交替變成“1”和“1”, “0”仍保持為“0”。 例:消息碼:0 1 0 1 1 0 0 0 1 AMI碼:0 +1 0 -1 +1 0 0 0 -12. 優(yōu)點: 沒有直流分量 、譯碼電路簡單 、能發(fā)現(xiàn)錯碼3. 缺點: 出現(xiàn)長串連“0”時,將使接收端無法取得定時 信息。4. 又稱:“1B/1T”碼 1位二進制碼變成1位三進制碼。5

8、.4 基帶數(shù)字信號的傳輸碼型205.4 基帶數(shù)字信號的傳輸碼型三、HDB3碼 3階高密度雙極性碼 1.編碼規(guī)則:首先,將消息碼變換成AMI碼,然后,檢查AMI碼中連“0”的情況:當沒有發(fā)現(xiàn)4個以上(包括4個)連“0”時,則不作改變,AMI碼就是HDB3碼。當發(fā)現(xiàn)4個或4個以上連“0”的碼元串時,就將每4個連0段的第4個“0”變成與其前一個非“0”碼元(“1”或“1”)同極性的碼元。將這個碼元稱為“破壞碼元”,并用符號“V ”表示,即用“+V ”表示“1”,用“V ”表示“1”。215.4 基帶數(shù)字信號的傳輸碼型三、HDB3碼(3階高密度雙極性碼) -編碼規(guī)則:為了保證相鄰“V”的符號也是極性交

9、替: * 當相鄰“V ”之間有奇數(shù)個非“0”碼元時,這是能夠保證的。 * 當相鄰“V ”之間有偶數(shù)個非“0”碼元時,不符合此“極性交替”要求。這時,需將這個連“0”碼元串的第1個“0”變成“B”或“B”。B的符號與前一個非“0”碼元的符號相反;并且讓后面的非“0”碼元符號從V碼元開始再交替變化。22例:消息碼: 1000 0 1000 0 1 1 000 0 1 1AMI碼: -1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1HDB3碼:-1000 -V +1000 +V -1 +1 B00 -V +1 -1 -1000 -1 +1000 +1 -1 +1 -100 -1 +1

10、 -1譯 碼:-1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 +1 -1 1000 0 1000 0 1 1 000 0 1 15.4 基帶數(shù)字信號的傳輸碼型232.譯碼:發(fā)現(xiàn)相連的兩個同符號的“1”時,后面的“1”及其前面的3個符號都譯為“0”。然后,將“+1”和“-1”都譯為“1”,其它為“0”。3.優(yōu)點: 除了具有AMI碼的優(yōu)點外,還可以使連“0”碼元串中“0”的數(shù)目不多于3個,而且與信源的統(tǒng)計特性無關。 5.4 基帶數(shù)字信號的傳輸碼型24例:二進制符號為10000 0000 111001 0000 10,試編為HDB3碼(第一個非零編碼為+1). 10000 0000 1110

11、01 0000 10HDB3:+1000+V -B00-V +1-1+100-1 B00+V -10255.4 基帶數(shù)字信號的傳輸碼型四、雙相碼 曼徹斯特碼1.編碼規(guī)則:消息碼“0” 傳輸碼“01” 消息碼“1” 傳輸碼“10” 例: 消息碼: 1 1 0 0 1 0 1 雙相碼:10 10 01 01 10 01 10+E-E1 00 1262.譯碼規(guī)則:消息碼“0”和“1”交替處有連“0”和連“1”,可以作為碼組的邊界。3.優(yōu)缺點:只有2電平,可以提供定時信息,無直流分量;但是占用帶寬較寬。5.4 基帶數(shù)字信號的傳輸碼型275.4 基帶數(shù)字信號的傳輸碼型五、密勒碼 1.編碼規(guī)則:消息碼“1

12、” 用中點處電壓的突跳表示,或者說用“01”或“10”表示;消息碼“0” 單個消息碼“0”不產(chǎn)生電位變化,連“0”消息碼則在邊界使電平突變,用“11”或“00”表示 00消息碼: 1 0 1 1 0 0 0 1雙相碼: 10 01 10 10 01 01 01 10 雙相碼波形: 雙相碼相位: 0 0 0 0密勒碼:282.特點:當 “1”之間有一個 “0”時,碼元寬度最長(等于兩倍消息碼的長度)。這一性質也可以用來檢測誤碼。3.產(chǎn)生:雙相碼的下降沿正好對應密勒碼的突變沿。因此,用雙相碼的下降沿觸發(fā)雙穩(wěn)觸發(fā)器就可以得到密勒碼。5.4 基帶數(shù)字信號的傳輸碼型29六、CMI碼 傳號反轉碼 1.編碼

13、規(guī)則:消息碼“1” 交替用“11”和“00”表示;消息碼“0” 用“01”表示。00消息碼: 1 0 1 1 0 0 0 1雙相碼: 10 01 10 10 01 01 01 10 雙相碼波形: 雙相碼相位: 0 0 0 0密勒碼:0CMI碼:5.4 基帶數(shù)字信號的傳輸碼型30七、nBmB碼 1.這是一類分組碼,它把消息碼流的n位二進制碼元編為一組,并變換成為m位二進制的碼組,其中mn。后者有2m種不同組合。由于mn,所以后者多出(2m 2n)種組合。在2m種組合中,可以選擇特定部分為可用碼組,其余部分為禁用碼組,以獲得好的編碼特性。5.4 基帶數(shù)字信號的傳輸碼型31七、nBmB碼 2.雙相碼

14、、密勒碼和CMI碼等都可以看作是1B2B碼。在光纖通信系統(tǒng)中,常選用m = n + 1,例如5B6B碼等。3.除了nBmB碼外,還可以有nBmT碼等等。nBmT碼表示將n個二進制碼元變成m個三進制碼元。5.4 基帶數(shù)字信號的傳輸碼型3233一、二進制隨機信號序列的功率譜密度 1.信號表示:設信號中“0”和“1”的波形分別為g1(t)和g2(t),碼元寬帶為T。(b) g2(t)波形g2(t)0g1(t-nt)g2t-(n+1) 0 0 1 0 1Tts(t)(c) s(t)波形(a) g1(t)波形0g1(t)5.5 基帶數(shù)字信號的頻率特性345.5 基帶數(shù)字信號的頻率特性2.功率譜計算: 假

15、設隨機信號序列是一個平穩(wěn)隨機過程,其中“0”和“1”的出現(xiàn)概率分別為P 和( 1P ),而且它們的出現(xiàn)是統(tǒng)計獨立的,則有:式中,35其功率譜密度:式中,Tc為截取的一段信號的持續(xù)時間,設它等于:式中,N 是一個足夠大的整數(shù)。這樣, 及 若求出了截短信號sc(t)的頻譜密度Sc(f),利用上式就能計算出信號的功率譜密度Ps(f)。5.5 基帶數(shù)字信號的頻率特性363.計算過程: 將sc(t)看成由一個穩(wěn)態(tài)波vc(t)和一個交變波uc(t)合成的,穩(wěn)態(tài)波是截短信號sc(t)的統(tǒng)計平均分量,而交變波uc(t)就是sc(t)與vc(t)之差。 5.5 基帶數(shù)字信號的頻率特性374.計算結果: 雙邊功率

16、譜密度表示式:單邊功率譜密度表示式:5.5 基帶數(shù)字信號的頻率特性385.5 基帶數(shù)字信號的頻率特性二、功率譜密度計算舉例 1.單極性二進制信號 設信號g1(t) = 0, g2(t) = g(t),則由其構成的隨機序列的雙邊功率譜密度為: 395.5 基帶數(shù)字信號的頻率特性二、功率譜密度計算舉例 1.單極性二進制信號 上式中,G( f )是g(t)的頻譜函數(shù)。當P = 1 / 2,且g(t)為矩形脈沖時,即當 時,g(t)的頻譜函數(shù)為405.5 基帶數(shù)字信號的頻率特性故有415.5 基帶數(shù)字信號的頻率特性2.雙極性二進制信號 設信號g1(t) = -g2(t) = g(t),則由其構成的隨機

17、序列的雙邊功率譜密度為: 425.5 基帶數(shù)字信號的頻率特性2.雙極性二進制信號 當P = 1/2時,上式可以改寫為 若g(t)為矩形脈沖,則將其頻譜G( f )代入上式可得435.5 基帶數(shù)字信號的頻率特性445.5 基帶數(shù)字信號的頻率特性453.由上述例子可以看出:(1) 在一般情況下,隨機信號序列的功率譜密度中包含連續(xù)譜和離散譜兩個分量。但是對于雙極性信號g(t) = -g(t),且概率P = 1/2時,則沒有離散譜分量。(2) 若g1(t) = g2(t),則功率譜密度中沒有連續(xù)譜分量,只有離散譜。 為周期性序列,不含信息量。 (3)信號中的離散譜分量的波形具有周期性,其中包含有碼元的

18、定時信息,用它可以在接受端建立同步.5.5 基帶數(shù)字信號的頻率特性464.計算結果: 雙邊功率譜密度表示式:單邊功率譜密度表示式:5.5 基帶數(shù)字信號的頻率特性475.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾一、 基帶數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)模型 發(fā)送濾波器信 道接收濾波器抽樣判決噪聲GR(f)C(f)GT(f)1.典型的基帶數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)模型 設:GT(f) 發(fā)送濾波器的傳輸函數(shù), GR(f) 接收濾波器的傳輸函數(shù), C(f) 信道的傳輸函數(shù), H(f) = GT(f)C(f)GR(f)。 485.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾傳輸系統(tǒng)模型基帶傳輸抽樣判決H(f)2.簡化的基帶數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)模型491.碼

19、間串擾 相鄰碼元間的互相重疊 產(chǎn)生的原因 系統(tǒng)總傳輸特性H(f)不良。 特點 隨信號的出現(xiàn)而出現(xiàn),隨信號的消失而消失(乘性干擾)5.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾二、碼間串擾及奈奎斯特準則502.克服碼間串擾的原理(1)理想情況 設:系統(tǒng)總傳輸函數(shù)H(f)具有理想矩形特性:式中,T為碼元持續(xù)時間。 當系統(tǒng)輸入為單位沖激函數(shù)(t)時,抽樣前接收信號波形h(t)應該等于H(f)的逆傅里葉變換: 5.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾515.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾 由圖(b)可見,h(t)的零點間隔等于T,只有原點左右第一個零點之間的間隔等于2T。 在理論上,可以用持續(xù)時間為T 的碼元進行傳輸而

20、無碼間串擾。如圖(c)所示。這時, 傳輸帶寬:W = 1/(2T) Hz 傳輸速率: RB =(1/T) 波特 速率帶寬比: RB /W 2 Baud/Hz 奈奎斯特速率1/2TH(f)T0-1/2Tf(a) H(f)曲線(b) h(t)曲線(c) h(t)和h(t-T)間無串擾示意圖52理想傳輸特性的問題不能物理實現(xiàn)波形的“尾巴”振蕩大,時間長,要求抽樣時間準確。 5.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾53(2)實用無碼間串擾傳輸特性: 奈奎斯特1928年給出了一條解決途徑,他證明了為得到無碼間串擾的傳輸特性,系統(tǒng)傳輸函數(shù)不必為矩形,而容許是具有緩慢下降邊沿的任何形狀。 要求: 傳輸函數(shù)是實函數(shù)

21、,且在 f = w 處奇對稱,稱為奈奎斯特準則(非必要條件)。5.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾54(a) 傳輸函數(shù)(b) 矩形分量(c) 奇對稱分量H1(f)5.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾555.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾(2)例:余弦滾降特性的傳輸函數(shù) 其沖激響應為:56W1/W 稱為滾降系數(shù)。當W1/W =1時,稱為升余弦特性。此時s0(t)的旁瓣小于31.5dB,且零點增多了。滾降特性仍然保持2W 波特的傳輸速率,但是占用帶寬增大了。 (a) 傳輸函數(shù)(b) 沖激響應5.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾57(3)實用無碼間串擾傳輸特性:無碼間串擾系統(tǒng)須滿足的條件(奈奎斯特第一準則

22、):時域:頻域:5.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾58例: 設基帶傳輸系統(tǒng)的發(fā)送濾波器、信道及接收濾波器組成總特性為H(w).若要求以2/Ts波特的速率進行數(shù)據(jù)傳輸,試檢驗下圖中各種H(w)滿足消除抽樣點上碼間干擾的條件與否?595.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾三、部分響應系統(tǒng) 1.部分響應系統(tǒng)解決的問題: 理想矩形傳輸特性:最高頻帶利用率(帶寬最?。?,但不能物理實現(xiàn),輸出波形“尾巴”振蕩過大、過長; 滾降特性:可以實現(xiàn),輸出波形“尾巴”減小,但帶寬增大,頻帶利用率降低了。 部分響應特性:可以解決上述矛盾。602. 部分響應特性原理:例:設傳輸函數(shù)H(f)為理想矩形。當加入兩個相距時間T 的

23、單位沖激時,輸出波形是兩個sinx/x波形的疊加: 式中,W = 1/2T 其頻譜為:5.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾612. 部分響應特性原理:5.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾f1/2TG(f)1/2T625.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾輸出波形的特點: 余弦形,帶寬1/2T。 輸出波形公式g(t)可以化簡為: g(t)值隨t2的增大而減小。 635.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾 若用g(t)作為碼元的波形,并以間隔T 傳輸,則在抽樣時刻上僅相鄰碼元之間互相干擾,而在抽樣時刻上與其他碼元互不干擾。 表面觀察,由于圖中相鄰碼元間存在干擾,似乎不能以時間間隔T 傳輸碼元。但是,因為這種干

24、擾是確知的,故有辦法仍以1/T 波特的碼元速率正確傳輸。抽 樣 時 刻a -1 a0 a1 a264例1:設系統(tǒng)輸入的二進制碼元序列為ak,其中ak = 1。當發(fā)送碼元ak時,接收波形在相應抽樣時刻上的抽樣值Ck決定于下式: Ck的可能取值只有2、0、2, 由上式可知:如果前一碼元ak-1已知,則在收到Ck 后,就可以求出ak 值。 上例說明:原則上,可以達到理想頻帶利用率,并且使碼元波形的“尾巴”衰減很快。 存在問題:錯誤傳播。故不能實用。 5.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾65例2:實用部分響應系統(tǒng):設:發(fā)送端的輸入碼元ak用二進制數(shù)字0和1表示首先將ak按照下式變成bk: 式中,為模2加

25、法, bk為二進制數(shù)字0或1。將bk用來傳輸。仿照上述原理,有 若對上式作模2加法運算,則有上式表明,對Ck作模2加法運算,就可以得到ak,而無需預知ak-1,并且也沒有錯誤傳播問題。5.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾預編碼相關編碼66例:設輸入 ak為1 1 1 0 1 0 0 1,則編解碼過程為: 初始狀態(tài)bk-10 初始狀態(tài)bk-11二進制序列ak 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1二進制序列bk-1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1二進制序列bk 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0序 列Ck 1 1

26、1 2 1 0 0 1 1 1 1 0 1 2 2 1二進制序列Ckmod 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1雙極性輸入序列ak 雙極性信號序列bk 雙極性信號序列bk-1 序列Ck 0 0 0 2 0 2 2 0 0 0 0 2 0 2 2 0判決準則:若Ck = 0,判為ak = +1;若Ck = 2,判為ak = -1。 5.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾673.部分響應系統(tǒng)的原理方框圖第一類部分響應系統(tǒng)、雙二進制(Duobinary)信號傳輸系統(tǒng) T發(fā)送濾波器接收濾波器相加模2判決T抽樣脈沖(a)原理方框圖發(fā)送濾波器接收濾波器相加模2判決T抽樣脈沖(b)實際

27、方框圖5.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾682. 部分響應特性原理:例:設傳輸函數(shù)H(f)為理想矩形。當加入兩個相距時間T 的單位沖激時,輸出波形是兩個sinx/x波形的疊加: 式中,W = 1/2T 其頻譜為:5.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾695.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾 4.一般部分響應特性: 令式中,kn( n = 1, 2, , N ) 加權系數(shù),可以取正、負或零值。 對上式中g(t)作傅里葉變換,得到其頻譜G(f)為: 由上式看出,G(f)的頻譜仍然僅存在于(-1/2T, 1/2T)范圍內。705.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾設輸入序列為ak,相應的編碼序列為Ck,則有式

28、中,ak可以是L進制的數(shù)字 預編碼規(guī)則為: 式中,為模L加法 71 對于bk的相關編碼規(guī)則為:最后對Ck進行模L運算 :由上式看出,現(xiàn)在也不存在錯誤傳播問題 。按照上述原理,目前已經(jīng)有5類部分響應特性。5.6 基帶數(shù)字信號傳輸與碼間串擾72一、什么是眼圖眼圖 利用示波器的余輝效應,評價接收信號質量的方法。5.7 眼 圖73二、眼圖的基本原理 1、原理:1)在示波器的垂直(Y)軸上加入接收信號碼元序列,顯示碼元序列的電壓.2)在水平(X)軸上加入一個鋸齒波,其頻率等于信號碼元傳輸速率,即示波器水平時間軸的長度等于信號碼元的持續(xù)時間。5.7 眼 圖74二、眼圖的基本原理 2、對于二進制雙極性信號: 特點:在理想情況下(無噪聲和碼間串繞),顯示有如一只睜開的眼睛; 在有干擾情況下,“眼睛”張開的程度代表干擾的強弱。 5.7 眼 圖755.7 眼 圖 連

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