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文檔簡介

調(diào)頻波解調(diào)電路第一頁,共七十五頁,2022年,8月28日作用下產(chǎn)生的,但二者卻是截然不同的兩種信號,如圖5.6.1(a)所示。

就其功能而言,盡管鑒頻器的輸出是在輸入信號圖5.6.1(a)鑒頻器的功能鑒頻器將輸入調(diào)頻波的瞬時頻率[或頻偏]的變化變換成了輸出電壓的變化,將這種變換特性稱為鑒頻特性。第二頁,共七十五頁,2022年,8月28日在線性解調(diào)的理想情況下,此曲線為直線,但實際上往往有彎曲,呈“S”形,簡稱“S”曲線,如圖5.6.1(b)所示。用曲線表示為解調(diào)輸出電壓與輸入高頻信號瞬時頻率之間的關(guān)系曲線,稱為鑒圖5.6.1(b)鑒頻特性曲線

[或頻偏]頻特性曲線。(鑒頻特性動畫)第三頁,共七十五頁,2022年,8月28日1.鑒頻線性范圍:鑒頻線性范圍是指鑒頻特性曲線中近似直線段的頻率范圍,用表示。表明鑒頻器實現(xiàn)不失真的解調(diào)所允許的頻率變化范圍。因此要求應(yīng)大于輸入調(diào)頻波最大頻偏的兩倍,即也可以稱為鑒頻器的帶寬。二、鑒頻器的主要指標(biāo)第四頁,共七十五頁,2022年,8月28日2.鑒頻靈敏度

:在中心頻率附近,單位頻偏產(chǎn)生的解調(diào)輸出電壓的大小。()附近曲線的斜率或

顯然,鑒頻靈敏度越高,意味著鑒頻特性曲線越陡峭,鑒頻能力越強。第五頁,共七十五頁,2022年,8月28日(調(diào)頻波解調(diào)方法之一二動畫)的線性網(wǎng)絡(luò),經(jīng)變換后得到調(diào)頻調(diào)幅波,其幅度正比于輸入調(diào)頻波瞬時頻率的變化,然后通過包絡(luò)檢波器輸出反映振幅變化的解調(diào)電壓。三、實現(xiàn)鑒頻的方法1、斜率鑒頻器(SlopeDiscriminator)實現(xiàn)鑒頻的方法很多,但常用的有以下幾種:斜率鑒頻的實現(xiàn)模型如圖5.6.2所示。先將輸入調(diào)頻波通過具有合適頻率特性第六頁,共七十五頁,2022年,8月28日先將輸入調(diào)頻波通過具有合適頻率特性的線性變換網(wǎng)絡(luò),將調(diào)頻波變換成調(diào)頻調(diào)相波,其相位的變化與輸入調(diào)頻波瞬時頻率的變化成正比,再經(jīng)相位檢波器(鑒相器)將它與輸入調(diào)頻波的瞬時相位進行比較,檢出反映附加相移變化的解調(diào)電壓。2、相位鑒頻器(PhaseDiscriminator)相位鑒頻器的實現(xiàn)模型如圖5.6.3所示。第七頁,共七十五頁,2022年,8月28日脈沖計數(shù)式鑒頻器是先將輸入調(diào)頻波通過具有合適特性的非線性變換網(wǎng)絡(luò),將它變換為調(diào)頻等寬脈沖序列。由于該等寬脈沖序列含有反映瞬時頻率變化的平均分量,因而,通過低通濾波器就能輸出反映平均分量變化的解調(diào)電壓。也可將該調(diào)頻等寬脈沖序列直接通過脈沖計數(shù)器得到反映瞬時頻率變化的解調(diào)電壓。3、脈沖計數(shù)式鑒頻器(PulseCountDiscriminator)這種方法的實現(xiàn)模型如圖5.6.4所示。(脈沖計數(shù)式鑒頻器動畫)第八頁,共七十五頁,2022年,8月28日

這種鑒頻方法有多種實現(xiàn)電路,為了便于了解這種方法的基本工作原理,圖5.6.5示出了一個實例,包括其組成方框[圖(a)]和相應(yīng)的波形[圖(b)~圖(f)]。

4、鎖相鑒頻器鎖相鑒頻器是利用鎖相環(huán)路實現(xiàn)鑒頻。這種方法將在第6章中討論。第九頁,共七十五頁,2022年,8月28日第十頁,共七十五頁,2022年,8月28日四、限幅器

限幅器的作用是將輸入信號的振幅變化去掉,得到等幅信號的一種非線性電路。限幅器的限幅特性可以用其輸入電壓和輸出電壓來表示。典型的限幅特性曲線如圖5.6.6所示。輸入電壓的幅值超過時,限幅器輸出電壓保持不變。稱為限幅器的限幅門限電壓或限幅靈敏度,其值越小越好。越小對前級增益的要求越低。圖5.6.6典型的限幅特性曲線

第十一頁,共七十五頁,2022年,8月28日

而斜率鑒頻器和相位鑒頻器前接入的限幅器屬于振幅限幅器,它的作用是將具有寄生調(diào)幅的調(diào)頻波變換為等幅的調(diào)頻波。如圖5.6.7所示。圖5.6.7振幅限幅器的作用

限幅器分為瞬時限幅和振幅限幅兩種。

脈沖數(shù)字式鑒頻器中的限幅屬于瞬時限幅器,它的作用是將輸入調(diào)頻波變換為等幅方波。(限幅器作用動畫)第十二頁,共七十五頁,2022年,8月28日1、二極管限幅器

圖5.6.8所示電路為150MHz晶體管調(diào)頻接收機中的限幅器。信號頻率(中頻)選用截止頻率的晶體管,限幅二極管對、并聯(lián)反接在回路兩端,是一個零偏二極管限幅二極管限幅器屬于瞬時雙向限幅電路。圖5.6.8150MHz晶體管調(diào)頻接收機中的限幅器

第十三頁,共七十五頁,2022年,8月28日器,當(dāng)信號電平小于0.5V時,二極管基本不導(dǎo)通,對回路影響很小,但當(dāng)信號電壓大于0.5V時,二極管導(dǎo)通,信號被二極管旁路,所以輸出電壓被限制在峰一峰值上。圖5.6.8150MHz晶體管調(diào)頻接收機中的限幅器

第十四頁,共七十五頁,2022年,8月28日2、晶體管限幅器

晶體管限幅器電路如圖5.6.9所示,從形式上看,它和一般調(diào)諧放大器沒有什么區(qū)別,只是作為限幅使用,工作點的設(shè)計應(yīng)使放大器的線性范圍小,使得調(diào)頻信號正半周時的寄生調(diào)幅部分進入飽和區(qū)。而負(fù)半周時的寄生調(diào)幅部分進入截止區(qū),從而消除寄生調(diào)幅。如圖5.6.10中負(fù)載線Ⅱ所示。圖5.6.9晶體管限幅器電路

第十五頁,共七十五頁,2022年,8月28日圖5.6.10諧振功率放大器的限幅特性

第十六頁,共七十五頁,2022年,8月28日

圖5.6.11差分對管限幅器(a)限幅電路(b)限幅特性

3、差分對管限幅器

差分對管限幅器由單端輸入——單端輸出的差分放大器組成,如圖5.6.11(a)所示,其電流傳輸特性如圖(b)所示。顯然具有明顯的雙向限幅的作用。第十七頁,共七十五頁,2022年,8月28日幅度的方波,因而其中包含的基波分量振幅也基本恒定。通過諧振于基頻的LC并聯(lián)諧振回路,可在輸出端得到已限幅的調(diào)頻波。電壓時,輸出電流波形的上、下端被當(dāng)輸入調(diào)頻信號

的振幅大于門限繼續(xù)增削平,此后則是趨近于恒定大,第十八頁,共七十五頁,2022年,8月28日5.6.2斜率鑒頻器一.失諧回路斜率鑒頻器圖5.6.12單失諧回路斜率鑒頻器

圖5.6.12所示電路為單失諧回路斜率鑒頻器,由LC并聯(lián)回路構(gòu)成線性頻——幅轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò),二極管D與RC構(gòu)成包絡(luò)檢波器。下面定性討論LC并聯(lián)回路的頻——幅轉(zhuǎn)換特性。1、單失諧回路斜率鑒頻器原理

(并聯(lián)LC回路的頻幅轉(zhuǎn)換特性動畫)第十九頁,共七十五頁,2022年,8月28日(1)LC并聯(lián)回路的頻幅轉(zhuǎn)換特性令則式中

顯然,為頻率的函數(shù)。第二十頁,共七十五頁,2022年,8月28日由此可以得到LC并聯(lián)回路傳輸特性的幅頻特性,如圖5.6.13(a)所示。(2)LC并聯(lián)回路傳輸特性圖5.6.13單失諧回路的工作波形

(單失諧回路斜率鑒頻原理動畫)第二十一頁,共七十五頁,2022年,8月28日當(dāng)為FM波時,且,回路諧振。此時

對影響不大。當(dāng)時,如取此時式中

為LC并聯(lián)回路幅頻傳輸特性中上升段的斜率,即鑒頻靈敏度。

所以

顯然,

為FM—AM波。

第二十二頁,共七十五頁,2022年,8月28日顯然,諧振回路兩端的信號電壓的包絡(luò)反映了瞬時頻率的變化規(guī)律。單失諧回路斜率鑒頻器的工作波形如圖5.6.14所示。

圖5.6.14單失諧回路斜率鑒頻器的工作波形

單失諧回路斜率鑒頻器電路簡單,但由于并聯(lián)諧振回路幅頻特性曲線兩邊傾斜部分不是理想直線,因此在頻率——幅度變換中會造成非線性失真,即線性鑒頻范圍較小。第二十三頁,共七十五頁,2022年,8月28日為了擴大線性鑒頻范圍,用兩個特性完全相同的單失諧回路斜率鑒頻構(gòu)成。如圖5.6.15所示。上,下面回路諧振在上,雙失諧回路斜率鑒頻器又稱為平衡斜率鑒頻器。2、雙失諧回路斜率鑒頻器其中,上面回路諧振在圖5.6.15雙失諧回路斜率鑒頻器第二十四頁,共七十五頁,2022年,8月28日認(rèn)為上、下兩包絡(luò)檢波器的檢波電壓傳輸系數(shù)均為則雙失諧回路斜率鑒頻器的輸出電壓為:設(shè)上、下兩回路的幅頻特性分別為和,并,它們各自失諧在調(diào)頻波中心頻率(載波)的間隔相等,均為,即的兩側(cè),并且與第二十五頁,共七十五頁,2022年,8月28日隨頻率f(或)的變化特性就是將兩個失諧回路的幅頻特性相減后的合成特性,如圖5.6.16(a)所示。由圖可見,合成鑒頻特性曲線形狀除了與兩回路的幅頻特性曲線形狀有關(guān)外,主要取決于的配置。圖5.6.16雙失諧回路斜率鑒頻器鑒頻特性曲線

(雙失諧回路斜率鑒頻原理動畫)第二十六頁,共七十五頁,2022年,8月28日若的配置恰當(dāng),兩回路幅頻特性曲線中的彎曲部分就可相互補償,合成一條線性范圍較大的鑒頻特性曲線。否則,過大時,合成的鑒頻特性曲線就會在

附近出現(xiàn)彎曲,如圖5.6.16(b)所示;過小時,合成的鑒頻特性曲線線性范圍就不能有效擴展。

圖5.6.16雙失諧回路斜率鑒頻器鑒頻特性曲線

第二十七頁,共七十五頁,2022年,8月28日圖5.6.17是微波通信接受機中采用的平衡鑒頻器的電路實例。圖5.6.17實用雙失諧回路斜率鑒頻器

第二十八頁,共七十五頁,2022年,8月28日調(diào)頻信號的載頻頻率35MHz,回路Ⅱ和Ⅲ分別調(diào)諧于30MHz和40MHz。電路中有三個諧振回路,回路Ⅰ調(diào)諧于輸入由于3個回路的諧振頻率互不相同,為了減小相互之間的影響,便于調(diào)整,該電路沒有采用互感耦合的方法,而是由兩個共基放大器連接,兩個共基放大器不僅可使3個回路相互隔離,而且不影響信號的傳輸。第二十九頁,共七十五頁,2022年,8月28日二、差分峰值斜率鑒頻器在集成電路中,廣泛采用的斜率鑒頻電路如圖5.6.18所示的差分峰值斜率鑒頻器。圖5.6.18集成電路中采用的斜率鑒頻器

第三十頁,共七十五頁,2022年,8月28日將輸入調(diào)頻波電壓轉(zhuǎn)換為兩個幅度按瞬時頻率變化的調(diào)頻調(diào)幅波電壓和。和分別通過射極跟隨器T1和T2再分別加到由T3、C3和T4、C4組成的三極管射極包絡(luò)檢波器上,檢波器的輸出解調(diào)電壓由差分放大器T5和T6放大后作為鑒頻器的輸出電壓。顯然,其值與和的振幅差值()成正比。與為實現(xiàn)頻幅轉(zhuǎn)換的線性網(wǎng)絡(luò)。圖中第三十一頁,共七十五頁,2022年,8月28日與組成頻幅轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)功能:設(shè)為回路的電抗。為的電抗。為與串聯(lián)后的等效電抗為與并聯(lián)后的等效電抗第三十二頁,共七十五頁,2022年,8月28日回路的諧振角頻率

令為為與串(并)聯(lián),,于是得到,的電抗曲線如圖5.6.19所示。圖5.6.19線性網(wǎng)絡(luò)的電抗曲線

后的諧振角頻率。第三十三頁,共七十五頁,2022年,8月28日圖5.6.20鑒頻特性曲線

電阻很大,所以在負(fù)載由于,的基極輸入上產(chǎn)生的電壓

的振幅主要由決定。當(dāng)時,串諧,最小。當(dāng)時,阻抗最小,并諧,阻抗最大,

最大。又因為很小,上電壓的振幅主要由決定。當(dāng)時,并聯(lián)諧振,很小。如圖5.6.20所示。最大,當(dāng)時,等效電抗下降很小,第三十四頁,共七十五頁,2022年,8月28日均為FM—AM波,分所以

,隨變化,使

、別經(jīng)包絡(luò)檢波器

(三極管射極檢波)檢波后,經(jīng)

、、放大,在

集電極輸出。當(dāng)輸入調(diào)頻信號

的瞬時頻率

滿足

關(guān)系時,解調(diào)輸出電壓與調(diào)頻信號瞬時頻偏之間有下列關(guān)系成立

式中k是差分峰值鑒頻器的增益。第三十五頁,共七十五頁,2022年,8月28日顯然,調(diào)整的鑒頻靈敏度、線性范圍、中心頻率以及上、下曲線的對稱性等。通常情況下固定,調(diào)整L。由于差分峰值斜率鑒頻器具有良好的鑒頻特性,鑒頻線性范圍可達(dá)300kHz,因此在集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。可以改變鑒頻器特性曲線第三十六頁,共七十五頁,2022年,8月28日5.6.3相位鑒頻器

由圖(5.6.3)知,構(gòu)成相位鑒頻器的框圖中包含兩部分,一是鑒相器,二是能夠?qū)崿F(xiàn)頻——相變換的線性網(wǎng)絡(luò)。一.鑒相器

鑒相器即相位檢波器,其功能是檢測出兩個信號之間的相位差,并將該相位差轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓。鑒相器有乘積型和疊加型兩種電路形式。第三十七頁,共七十五頁,2022年,8月28日乘積型鑒相器由模擬相乘器和低通濾波器構(gòu)成,如圖5.6.21所示。圖5.6.21乘積型鑒相器

1、乘積型鑒相器設(shè)鑒相器的兩個輸入信號分別為:與二者之間除了有相位差

外,還有

的固定相移。第三十八頁,共七十五頁,2022年,8月28日不同,鑒相器的工作特點各不相同。

的幅度均較小,為小信號時,當(dāng)兩個輸入信號與相乘器的輸出電壓為根據(jù)乘法器兩個輸入信號和幅度大小的經(jīng)過低通濾波器,濾除中的高頻成分,得到的輸出電壓為:第三十九頁,共七十五頁,2022年,8月28日輸出電壓

與兩個輸入信號的相位差

的正弦值成正比,作出的關(guān)系曲線即為鑒相器的鑒相特性曲線。如圖5.6.22所示。這是一條正弦曲線,稱之為正弦鑒相特性。

圖5.6.22正弦鑒相特性第四十頁,共七十五頁,2022年,8月28日當(dāng)時,

,此時可得

此式說明:乘積型鑒相器在輸入信號均為小信號的情況下,只有當(dāng)

時,才能夠?qū)崿F(xiàn)線性鑒相。式中為鑒相特性直線段的斜率,稱之為鑒相靈敏度,單位為。第四十一頁,共七十五頁,2022年,8月28日此時,當(dāng)鑒相器的輸入為調(diào)相信號,即時,得到的鑒相器的解調(diào)輸出電壓

實現(xiàn)了對調(diào)相波的線性解調(diào)。第四十二頁,共七十五頁,2022年,8月28日當(dāng)兩個輸入信號的幅度較小,為小信號,為大信號時,控制相乘器使之工作在開關(guān)狀態(tài),輸出電壓為通過低通濾波器濾除高頻分量得到的輸出為鑒相特性仍為正弦特性。

第四十三頁,共七十五頁,2022年,8月28日當(dāng)兩個輸入信號與均為大信號時,由圖可見,當(dāng)

示出了兩個開關(guān)信號相乘后的波形。等寬的雙向脈沖,且頻率加倍,如圖(a)所示,因而相應(yīng)的平均分量為零。時,相乘后的波形為上、下第四十四頁,共七十五頁,2022年,8月28日

圖5.6.23兩個開關(guān)波形相乘后的波形第四十五頁,共七十五頁,2022年,8月28日寬的雙向脈沖,如圖(b)所示,因而在的范圍內(nèi),經(jīng)過低通濾波器,取出的平均分量(即解調(diào)輸出)為時(設(shè)),當(dāng)相乘后的波形為上、下不等第四十六頁,共七十五頁,2022年,8月28日圖5.6.24三角形鑒相特性相應(yīng)的鑒相特性曲線如圖5.6.24所示,在范圍內(nèi)為一條通過原點的直線,并向兩側(cè)周期性重復(fù)。

這種鑒相器是比較兩個開關(guān)波形的相位差而獲得所需的鑒相電壓,因而又將它稱為符合門鑒相器。

第四十七頁,共七十五頁,2022年,8月28日2、疊加型鑒相器

將兩個輸入信號疊加后加到包絡(luò)檢波器而構(gòu)成的鑒相器稱為疊加型鑒相器。為了擴展線性鑒相范圍,一般都采用兩個包絡(luò)檢波器組成的平衡電路,如圖5.6.25所示。圖5.6.25疊加型鑒相器由圖可見,加到上、下兩包絡(luò)檢波器的輸入信號電壓分別為:第四十八頁,共七十五頁,2022年,8月28日假設(shè)和可分別表示為超前一個的相角。此時可用矢量表示為式中,和分別為合成矢量和的長度。第四十九頁,共七十五頁,2022年,8月28日圖5.6.26和的矢量圖(a)

(b)

(c)

根據(jù)矢量疊加原理,可以得到圖5.6.26所示的矢量圖,

顯然,當(dāng)時,合成矢量長度當(dāng)時,合成矢量長度當(dāng)時,合成矢量長度第五十頁,共七十五頁,2022年,8月28日和經(jīng)包絡(luò)檢波器檢波后,若包絡(luò)檢波器的檢波電壓傳輸系數(shù)為,則鑒相器的輸出電壓為當(dāng)時,鑒相器輸出電壓所以當(dāng)時,鑒相器輸出電壓且越大,輸出電壓就越大。第五十一頁,共七十五頁,2022年,8月28日且的負(fù)值越大,輸出電壓負(fù)值就越大。綜上可知,疊加型平衡鑒相器能將兩個輸入信號的相位差的變化變換為輸出電壓才具有線性鑒相特性。

當(dāng)時,鑒相器輸出電壓的變化,實現(xiàn)了鑒相功能。

可以證明,其鑒相特性也具有圖5.6.22所示的形式,即具有正弦鑒相特性,且只有當(dāng)比較小時,

第五十二頁,共七十五頁,2022年,8月28日

目前廣泛采用的是C1和RLC單諧振回路或耦合回路構(gòu)成的頻率——相位變換網(wǎng)絡(luò)。1、C1和RLC單諧振回路的頻相轉(zhuǎn)換特性

電路如圖(5.6.27)所示。設(shè)輸入電壓為,RLC回路兩端的輸出電壓為,則回路的電壓傳輸特性為二.頻率——相位變換網(wǎng)絡(luò)5.6.27C1和RLC單諧振回路頻相轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)第五十三頁,共七十五頁,2022年,8月28日在失諧不大的情況下,上式可以表示為為:式中代入上式并整理得令,式中為廣義失諧量。第五十四頁,共七十五頁,2022年,8月28日其中為幅頻特性為相頻特性由此畫出的幅頻特性和相頻特性曲線如圖5.6.28所示。圖5.6.28C1和RLC單諧振回路的頻率特性第五十五頁,共七十五頁,2022年,8月28日若則有于是可以近似認(rèn)為在上下隨線性變化,近似為常量。由于實現(xiàn)了不失真的頻率相位變換功能。第五十六頁,共七十五頁,2022年,8月28日對于單頻率調(diào)制的FM信號當(dāng)時,其瞬時相位

瞬時角頻率

第五十七頁,共七十五頁,2022年,8月28日輸出信號的相位:所以,振幅的變化可由限幅器限幅掉。得到的為一調(diào)頻調(diào)相信號。第五十八頁,共七十五頁,2022年,8月28日2、耦合回路頻相變換網(wǎng)絡(luò)圖5.6.29互感耦合回路頻相變換網(wǎng)絡(luò)耦合回路頻相變換網(wǎng)絡(luò)有互感耦合回路和電容耦合回路兩種形式,這里僅介紹互感耦合回路的頻率相位變化特性。

圖5.6.29(a)為互感耦合回路頻相變換網(wǎng)絡(luò)。第五十九頁,共七十五頁,2022年,8月28日圖中,設(shè)初、次級回路參數(shù)相同,即兩回路的損耗相同,耦合系數(shù),初、次級回路的中心頻率均為。為使分析簡單,先作幾個合乎實際的假定:①初、次級回路的品質(zhì)因數(shù)均較高;②初、次級回路之間的互感耦合比較弱;也保持恒定。③在耦合回路通頻帶范圍內(nèi),當(dāng)保持恒定,第六十頁,共七十五頁,2022年,8月28日于是可以近似地得到圖(b)所示的等效電路,圖中初級電流

在次級回路中產(chǎn)生的感應(yīng)串聯(lián)電動勢為式中,正、負(fù)號取決于初、次級線圈的繞向?,F(xiàn)在假設(shè)線圈的繞向使該式取負(fù)號。所以

第六十一頁,共七十五頁,2022年,8月28日回路中產(chǎn)生的電流式中,

由等效電路圖5.6.29(b)可知,串聯(lián)電動勢

在次級第六十二頁,共七十五頁,2022年,8月28日由此可得耦合回路的電壓傳輸函數(shù)為式中為幅頻特性為相頻特性因此,

在次級回路兩端產(chǎn)生的電壓為第六十三頁,共七十五頁,2022年,8月28日圖5.6.30耦合回路的傳輸函數(shù)(a)幅頻特性(b)相頻特性由此畫出的幅頻特性、相頻特性曲線如圖5.6.30所示。由電壓傳輸函數(shù)知,當(dāng)回路輸入電壓的角頻率

變化時,次級回路電壓超前一個()的相角,而由次級回路對信號角頻率的失諧量決定,即第六十四頁,共七十五頁,2022年,8月28日當(dāng)時,即與輸入調(diào)頻波的瞬時頻偏成正比,回路實現(xiàn)了頻相轉(zhuǎn)換的功能。實際上,的幅度也將隨輸入調(diào)頻波的瞬時頻率變化,只是這種變化可以通過限幅器限幅掉。第六十五頁,共七十五頁,2022年,8月28日三.相位鑒頻電路例如電視接收機伴音的集成電路是采用雙差分對相乘器實現(xiàn)鑒頻的,乘積型相位鑒頻器的實現(xiàn)電路如圖5.6.32所示。根據(jù)鑒相器的不同,相位鑒頻器分為乘積型和疊加型兩種。1、乘積型相位鑒頻器乘積型相位鑒頻器又稱為集成差分峰值鑒頻器,或正交移相型鑒頻器。第六十六頁,共七十五頁,2022年,8月28日圖5.6.32乘積型相位鑒頻器的實用電路第六十七頁,共七十五頁,2022年,8月28日設(shè)經(jīng)后,

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