CN104871505A - 用于改进can总线系统中的消息的接收质量的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于总线系统的用户站和用于改进总线系统的用户站中的消息的接收质量的方法。所述用户站包括估计装置和修正装置，该估计装置用于当该总线系统的仅另外的用户站向该总线系统上发送消息时和/或之后估计通道脉冲响应，或者用于直接从由该用户站接收的信号确定滤波器所需的功能，该修正装置用于根据由估计装置估计的通道脉冲响应修正由该用户站接收的信号。

Description

用于改进CAN总线系统中的消息的接收质量的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于总线系统的用户站和用于改进总线系统的用户站中的消息的接收质量的方法，其中特别是在CAN总线系统上的信息传输中的接收质量即使在例如由于分支、故障终端负载、失配、压伤的电缆敷设而在总线系统内所存在的不利的条件下也被改进。
背景技术
CAN总线系统广泛流行于传感器和控制设备之间的通信。在CAN总线系统中消息借助CAN协议传输，如在ISO11898中的CAN规范中所说明的那样。另外近来为此提出以下技术，例如CAN-FD，其中消息根据规范“具有灵活的数据率的CAN，规范版本1.0”(来源http：//www.semiconductord.de)传输，等等。在这样的技术中，最大可能的数据率通过在数据区的范围内使用超过1MBit/s的值的较高的时钟来提高。这通常对传输质量产生负荷，例如以较高的位错率的形式，只要以实际存在的总线拓扑为基础的话。
实际存在的总线拓扑通常与理论如下偏离，即在总线线路上在总线线路具有与理论偏离的波阻抗的位置上产生反射。这样的位置例如是分支、故障终端负载、失配、压伤的电缆敷设，其在实际的实施中经常可以在例如支线、无源的星形接点等处见到。由此产生的反射导致总线线路上的状态的时间的串扰，使得发送的符号或者位串扰到时间上后继的符号上并且所述时间上后继的符号的检测可能失真。
根据ISO11898中的CAN规范，总线线路应该在两端用线路阻抗终止，使得用于所规定的最大的电缆长度的振荡过程在发送的符号内衰减并且在符号间隔结束时产生明确的状态。然而，在现实中经常不可避免在两个或者更多个CAN符号之间的串扰。
CAN总线系统的接收器由大多在微控制器内集成的通信处理器和发送器/接收器组成，该发送器/接收器也称为收发器并且大多作为具有到总线线路的直接的连接的单独的芯片来实施。在这样的收发器中，接收路径大多仅包括具有前置的用于总线电平的偏压匹配(Bias-Anpassung)的分压器的比较器。该比较器直接从支配的和衰退的位状态分析总线电平并且在输出端上形成决定。
然而，信号决定的直接的形成和输出具有以下缺点：总线线路上的反射的效果负面影响该决定并且能够在信号传输中导致错误决定。这特别是在数据区的范围内超过1MBit/s的值的较高的时钟的情况下是这种情况，例如这在CAN-FD中得出。在此，由于位持续时间缩短，反射已经起负面的作用，所述反射在具有低时钟频率的常规的CAN总线系统中还对决定做出有利的贡献。
通常，电缆过渡处朝向较高阻抗的反射导致具有正号的反射。相反，电缆过渡处朝向较低阻抗的反射导致具有负号的反射。由于两种反射在不同的距离上因此产生时间的移动。
所观察的反射强烈地限制当前观察的具有较高的数据传输时钟的技术、例如CAN-FD等的例如涉及可能的拓扑、电缆长度等的使用领域。
尽管在通信技术的领域中一般公知用于改进接收器中的检测质量的较正方法，但是迄今未知针对CAN通信系统的应用。此外，为CAN通信系统使用已知的较正方法需要特别的措施，因为所述校正方法在系统设计中未考虑。
发明内容
因此本发明的任务是，提供一种用于总线系统的用户站和一种方法，所述用户站和方法解决上面提到的问题。特别应该提供一种用于总线系统的用户站和一种方法，所述用户站和方法在特别是CAN总线系统的总线系统上即使在实际的总线线路的所述不利的条件下也改进信息传输时的接收质量。
该任务通过具有权利要求1的特征的用于总线系统的用户站解决。所述用户站包括估计装置和修正装置，该估计装置用于当该总线系统的仅另外的用户站向该总线系统上发送消息时和/或之后估计通道脉冲响应，或者用于直接从由该用户站接收的信号确定滤波器所需的功能，该修正装置用于根据由估计装置估计的通道脉冲响应修正由该用户站接收的信号。
所述用户站也适合在更高时钟的系统中、例如CAN-FD等中使用。用户站的关于接收的信号的功能在一种实施方式中也能够特别作为前处理在发送器/接收器或者收发器或者CAN收发器或者收发器芯片组或者CAN收发器芯片组中实现。特别可以把考虑的功能或者作为单独的电子构件(芯片)嵌入收发器内，或者嵌入在集成的整体解决方案中，在该整体解决方案中仅存在电子构件(芯片)。
用户站能够用于改进CAN通信系统中的接收并且因此提供更高的可靠性。在此，总线信号不像迄今为止那样直接通过比较器或者类似器件来决定，而是例如(事先)通过对先前决定的接收值的附加的滤波和反馈来修正。还可以通过假设表示决定并且还继续处理决定的接收值。
用户站的另外的有利的设计方案在从属权利要求中说明。
估计装置可以被构造，使得其根据LMS算法或者RLS算法执行通道脉冲响应的估计，或者使得其直接确定通道脉冲响应。
估计装置可以被构造，使得其在估计通道脉冲响应时使用先前接收的消息的参数和/或系数，所述参数和/或系数通过消息标识符被分配给相应的发送站。
估计装置还可以被构造，使得其事先通过假设表示其估计的结果。修正装置可以被构造用于继续处理根据例如DDFSE算法决定的接收值。
另外，可以构造修正装置用于根据DFE算法或者BCJR算法或者DDFSE算法修正由用户站接收的信号。
修正装置也可以包括用于修正由用户站接收的信号的滤波器，其中在滤波器的输入端上例如信号对干扰功率比在相应的决定时间点被最大化或者如下进行优化。在此，可以使用另一个滤波器，用于对先前根据DDFSE算法决定的接收值进行滤波，并且修正装置可以被构造用于反馈滤波器的输出。
优选地，用户站另外包括发送/接收装置，以用于直接连接到总线系统的总线线路上；和通信控制装置，以用于处理由发送/接收装置接收的信号和用于以信号的形式提供要由发送/接收装置发送的消息，其中估计装置和/或修正装置是发送/接收装置或者通信控制装置的部分。
上面说明的用户站可以是总线系统的部分，该总线系统另外包括总线线路和至少两个用户站，所述用户站通过总线线路互相连接，使得所述用户站能够互相通信。在此，至少两个用户站中的至少一个是上面说明的用户站。
此外，上面所述的任务通过用于改进在根据权利要求9所述的总线系统的用户站中的消息的接收质量的方法解决。该方法包括以下步骤，用于影响总线系统的用户站中的消息的接收质量的方法，具有以下步骤：当所述总线系统的仅还有另外的用户站向该总线系统发送消息时和/或之后使用估计装置估计通道脉冲响应，或者使用估计装置直接从由用户站接收的信号确定滤波器所需的功能，和使用修正装置根据由估计装置估计的通道脉冲响应修正由用户站接收的信号。
本方法也特别适合在更高时钟的系统、例如CAN-FD等中使用并且能够在一种实施方式中特别作为前处理在用户站内实现。此外，本方法也能够在具有相似结构的其他的系统中、例如FlexRay等中应用。
本方法提供和在前面关于用户站所述的同样的优点。
本发明的另外的可能的实施方案还包括先前或者后面关于实施例说明的特征或者实施方式的未明确所述的组合。在此，专业人员还添加单个方面作为对本发明的相应基本形式的改进或者补充。
附图说明
下面参照附图并且根据实施例详细说明本发明。其中：
图1示出根据第一实施例的总线系统的简化的方框电路图；
图2示出根据第一实施例的总线系统的发送/接收装置的电路图；
图3示出一个发送信号的信号变化，该发送信号通过根据第一实施例的总线系统传输；
图4示出对图3中示出的信号变化的通道脉冲响应的第一实例；
图5示出一个接收信号的信号变化，该接收信号由图2的发送/接收装置在根据图4的通道脉冲响应的情况下接收；
图6示出对图3中示出的信号变化的通道脉冲响应的第二实例；
图7示出一个接收信号的信号变化，该接收信号由图2的发送/接收装置在根据图6的通道脉冲响应的情况下接收；
图8示出根据第一实施例的方法的流程图；
图9示出根据第二实施例的总线系统的简化的方框电路图；
图10示出用于说明根据第二实施例的总线系统的估计装置和修正装置的功能的方框电路图。
只要未另外说明，在附图中相同的或者功能相同的元件设置有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出一个总线系统1，其例如可以是CAN总线系统、CAN-FD总线系统等。该总线系统1可以在车辆、特别是在机动车、飞机等内或者医院等内使用。
在图1中，总线系统1具有多个用户站10、20、30，所述用户站分别连接到总线线路40上。通过总线线路40能够以信号的形式在各个用户站10、20、30之间传输消息41、42、43。消息41、42、43各具有一个消息标识符(Nachrichten-identifier)411、421、431。用户站10、20、30例如可以是机动车的控制设备或者显示设备。
如在图1中所示，用户站10具有通信控制装置11、估计装置12、修正装置13和发送/接收装置14。而用户站20具有通信控制装置11和发送/接收装置14。用户站30和用户站10一样，具有通信控制装置11、估计装置12、修正装置13和发送/接收装置14。用户站10、20、30的发送/接收装置14分别直接连接到总线线路40上，尽管这在图1中未示出。
通信控制装置11用于控制各用户站10、20、30通过总线线路40与连接到总线线路40上的用户站10、20、30的另外的用户站的通信。估计装置12和修正装置13用于改进由发送/接收装置14接收的消息41、42、43的接收质量，如后面还将更详细地说明。通信控制装置11可以如常规的CAN控制器那样实施。发送/接收装置14可以关于其发送功能如常规的CAN收发器一样实施。因此可以利用两个用户站10、30改进由发送/接收装置14接收的基于消息41、42、43之一的信号的质量。而用户站20既关于其发送功能又关于其接收功能都相应于常规的CAN用户站。
图2作为实例较详细地示出用户站20的发送/接收装置14的结构。发送/接收装置14具有接收路径140，用于接收基于消息41、42、43之一的信号。在该接收路径中设置有第一和第二输入端子141、142、两个电阻143、144、比较器145、处理元件146、和输出端子147。电阻143布置在比较器145的位于正电位上的第一输入端和第一输入端子141之间。电阻144布置在比较器143的位于负电位上的第二输入端和第二输入端子142之间。
图3到图7示出发送/接收装置14的发送/接收信号的实例。在这些实例中，分别从用户站10、20、30的发送/接收装置14之一将消息41、42、43之一以如在图3中所说明的信号形式馈送到总线线路40上。在此，在图示3到图7中的竖轴分别表示消息的电平差，该电平差在时间(横轴)上以μs绘制。
如果通道脉冲响应根据第一实例如在图4中示出的那样，那么用户站20的通信控制装置11接收如在图5中示出的信号。
而如果通道脉冲响应根据第二实例如在图6中示出的那样，那么用户站20的通信控制装置11接收如在图7中示出的信号。
与此相对，用户站10、30的通信控制装置11在图3到图7中示出的第一实例的情况下由于其估计装置12和修正装置13而接收与图3的发送信号非常相似或者几乎与其相同的信号。
图8示出一种在总线系统1的用户站10、30中用于改进基于消息41、42、43之一的信号的接收质量的方法。该方法根据一个实例说明，在该实例中用户站10向用户站30发送消息41。
因此用户站30的估计装置12在图8中的步骤S1中估计通常在为两个用户的传输通道(通道脉冲响应)实际敷设的总线线路40的情况下可以期待的通道脉冲响应120。为此估计装置12提出一种基于经验的假设，所述经验在作为发送器的用户站10和作为接收器的用户站30之间的传输的过程中所获得。因此估计装置12的假设也可以称为一个学习过程的结果。
在CAN总线系统中，多个用户站10、20、30是活跃的，所述用户站发射其具有消息标识符(Nachrichten-identifier)411、421、431的消息41、42、43。这些消息标识符411、421、431为仲裁在仲裁阶段中使用。仲裁后，用户站10、20、30的仅还有一个用户站向总线线路40上发送形式为一个或者多个消息41、42、43的信号。从此刻起，每一个倾听的用户站10、20、30能够观察总线信号或者消息41、42、43并且基于所述总线信号或者消息41、42、43借助所述用户站的估计装置12来估计通道脉冲响应120。这也可以自适应地并且在探测或者检测期间发生。在这种情况下存在一种学习系统。
然后用户站30的估计装置12给修正装置13提供估计的通道脉冲响应120。
接着，修正装置13在步骤S2中根据由估计装置12估计的通道脉冲响应120修正由用户站30接收的基于消息41的信号。之后该方法结束。
原理上没有给出信号或者消息41、42、43的延迟，因为延迟位于由CAN协议容忍的时间范围内，但是可以通过优化措施例如在具有假设和延迟的决定的方法中使用，只要这能够被应用容忍。在此1-2个符号时钟的延迟已经能够是足够的。
当用户站20向用户站30发送消息41、42、43之一时，用户站30的估计装置12以相似的方式工作。此外，当用户站10从用户站20、30之一接收消息41、42、43之一时，用户站10的估计装置12以相似的方式工作。
因此在总线系统1上的信息传输中的接收质量可以在不利的条件下、例如总线系统1内的分支、故障终端负载、失配、压伤的电缆敷设也被改进。
图9示出根据第二实施例的总线系统2。除了至少一个如在第一实施例中构造的用户站10之外，总线系统2包括至少一个用户站50和至少一个用户站60。用户站10、50、60分别连接到总线线路40上，如在第一实施例中那样。通过总线线路40消息41、42、43能够以信号的形式在各个用户站10、50、60之间传输，如在第一实施例中那样。在此，消息41、42、43也各自具有一个消息标识符411、421、431。用户站50、60例如也可以是机动车的控制设备或者显示设备等。
如在图9中所示，用户站10、50、60中的每个都具有估计装置12和修正装置13。然而，在用户站50中估计装置12和修正装置13是发送/接收装置54的部分。然而，在用户站60中估计装置12和修正装置13是通信控制装置61的部分。此外，用户站50的通信控制装置11和用户站10的通信控制装置11相同。另外，用户站50的发送/接收装置54则与用户站10的发送/接收装置14相同。
图10示出发送/接收装置54的估计装置12和修正装置13的结构，所述估计装置12和修正装置13代替比较器145(图2)来使用。在此，修正装置13例如构成结果反馈均衡结构，该结果反馈均衡结构在下面也称为DFE结构，如在图10中所示。在此，估计装置12提供为修正所需要的通道脉冲响应120，该通道脉冲响应可以通过信号b(k)来表示。
图10示出具有前置的通道模型的DFE结构的原理结构。通道或者总线线路40上的干扰通过信号n(k)和具有传递函数G(z)的滤波器541来表示，该传递函数G(z)相应于时间离散的序列g(k)的z变换。用户站10、50、60上的接收信号由发送信号a(k)经过通道后得出，该通道通过具有传递函数H(z)的滤波器542模型化。在点543处所得出的信号相加，之后被输送给滤波器544。即滤波器544在其输入端上接收由用户站50接收的信号。滤波器544是发送/接收装置54中的可能的附加的具有传递函数F(z)的滤波器，该滤波器可以为集中信号能量使用，然而为了简化研究可以假定具有恒定的传递函数，例如F(z)＝1。接着，从由滤波器544输出的信号中在点545处减去模型化的干扰。被标准化的通道脉冲响应120作为合成的总通道由利用滤波器542调制的通道和滤波器544的输出组成。运行时间补偿的总通道通过图10中的B(z)、b(k)的z变换来表示。位置k＝0处的值代表被考虑用于决定的主接头(Haupttap)，并且在位置k＞0处的随后的值相应于前面的符号的接头。对此，通道脉冲响应120的系数b(k)适用b(k)＝0，使得滤波器547的主接头被消除，这通过由B(z)-1给出的滤波器547的项-1来表示。然后向决定器546上给出由通过修正信号的补偿在相加级545后产生的信号，该决定器546相应于第一实施例的比较器145。接着，由修正装置13修正的接收信号为了继续处理而可供通信装置11使用。在图10中，项k0表示决定延迟，具有按照滤波器544来滤波的信号的延迟k0，该延迟能够利用具有传递函数F(z)的滤波器544来优化并且在此为了简化研究假定具有k0＝0。
例如适用：
-示例通道脉冲响应h(k)＝δ(k)+0.5δ(k-1)+0.2δ(k-2)
-前置滤波器脉冲响应f(k)＝δ(k)＝＞F(z)＝常数
-决定延迟k0＝0
对于这种情况，b(k)＝h(k)是合适的解，并且B(z)-1相应于通道脉冲响应b(k)-δ(k)＝h(k)-δ(k)＝0.5δ(k-1)+0.2δ(k-2)。在此能够容易地看出，仅已经决定的和已知的符号被用于反馈，因为当前的决定时间点对应于k并且该脉冲响应仅考虑涉及在过去存在的接收值(k-1、k-2)的项。
即使估计装置12和修正装置13在发送/接收装置54中能够非常简单地实现，其实现也能够在通信控制装置11中实现，如通过通信控制装置61所示。
根据该实施例的方法在传输期间观察CAN总线信号并且借助上面示出的DFE结构修正该信号。在此了解通道脉冲响应是有利的，该通道脉冲响应依赖于发送器和接收器对，如在第一实施例中说明的那样。该通道脉冲响应能够被确定，如在第一实施例中说明的那样。
总线系统1、用户站10、20、30和方法的所有先前说明的设计方案能够单独地或者以所有可能的组合使用。另外，特别可以想到下面的修改方案。
先前说明的根据第一和第二实施例的总线系统1、2根据基于CAN协议的总线系统来说明。然而，根据第一和第二实施例的总线系统1也可以是其他类型的通信网络。有利的、但并非强制的前提是：在总线系统1、2中至少在确定的时间段内保证用户站10、20、30、50、60对公共通道的排他的、无冲突的访问。
根据第一和第二实施例的总线系统1、2特别是CAN网络或者TTCAN网络或者CANFD网络。
在第一和第二实施例的总线系统1、2中的用户站10、20、30、50、60的数量和布置是任意的。特别是在第一和第二实施例的总线系统1、2中也可以仅存在用户站10或者用户站50或者用户站60。
代替在第一实施例中说明的用于估计装置12和修正装置13的结果反馈均衡结构(DFE结构)，也可以使用任意的基于格子(Trellis)的较正方法，例如BCJR算法(在BCJR中各个字母代表开发者的首字母：B代表L.Bahl，C代表J.Cocke，J代表F.Jelinek，R代表J.Raviv)和/或DDFSE算法(DDFSE＝延迟结果反馈序列估计)。
可以设想用户站和由所述用户站来实施的方法的各种使用领域。特别是除为CAN和CAN-FD使用外也可以设想在FlexRay中的应用。所述系统迄今在进行接收的用户站的接收器中没有使用校正方法。
所述方法可以为每一种专门的应用、例如CAN-FD、FlexRay等单独优化。对于多个使用领域，该应用也可以自动识别和相应地适配。例如该方法在CAN-FD中可以比在CAN中更快地执行，使得不产生比由相应的协议容忍的更长的延迟。
所述方法的基础是通道脉冲响应120的确定，其被用于校正。该确定能够通过对总线线路40的传输通道的通道脉冲响应120的估计获得。替代地，也可以以信号b(k)的形式直接确定或者优化通道脉冲响应120。通道脉冲响应120的估计可以使用所有适宜的方法执行。因为没有训练序列可供使用，所以自适应的方法、例如LMS算法(LMS＝least mean squares(最小二乘法))和/或RLS算法(RLS＝recursive least squares filter(递推最小二乘滤波))特别合适。
为了稳定通道脉冲响应120的估计和提高通道脉冲响应120的精确度，可以给消息标识符或者发送的用户站分配先前接收的消息41、42、43或者消息41、42、43的也可以称为接收脉冲串(Empfangsbursts)的包的参数和系数，并且为在时间上随后接收的消息41、42、43或者消息41、42、43的包使用。
附加或替代于分析通道或者其通道脉冲响应120，可以在发送/接收装置14、54、61内优化滤波器541、542、544。为此观察滤波器544(传递函数F(z))和547(传递函数B(z)-1)以及决定延迟k0。为了优化可以使用不同的标准，例如在决定器546的输入端上的信号对干扰功率比的最大化。
替代地，所需要的滤波器系数544、547不由估计装置明确地估计通道脉冲响应120来设定，而直接从由用户站10、50、60接收的信号确定。
用户站10、30、50特别为CAN-FD示出一种可能性：在通常的CAN传输的范围中在使用显著更高的数据率的情况下提高CAN-FD的接收质量。
该方法能够关于涉及接收信号的功能例如在收发器或者发送/接收装置14、54内、在通信控制装置61内等实现。附加地或者替代地，该方法可以在已有的产品内集成。

Claims (10)

1.用于总线系统(1；2)的用户站(10、30、50、60)，具有：
估计装置(12)，用于当总线系统(1、2)的仅另外的用户站(10、20、30、50、60)发送消息(41、42、43)到所述总线系统(1、2)上时和/或之后估计通道脉冲响应(120)，或者用于直接从由所述用户站(10、50、60)接收的信号确定滤波器(544、547)所需的功能，和
修正装置(13)，用于根据由所述估计装置(12)估计的通道脉冲响应(120)修正由所述用户站(10、50、60)接收的信号。
2.根据权利要求1所述的用户站(10、30、50、60)，其中所述估计装置(12)被构造，使得所述估计装置根据LMS算法或者RLS算法执行通道脉冲响应(120)的估计，或者使得所述估计装置直接从发送信号确定所述通道脉冲响应(120)。
3.根据权利要求1或2所述的用户站(10、30、50、60)，其中所述估计装置(12)被构造，使得所述估计装置在估计通道脉冲响应(120)时使用先前接收的消息(41、42、43)的参数和/或系数，所述参数和/或系数通过消息标识符(411、421、431)被分配给已经发送所述接收的消息(41、42、43)的用户站。
4.根据上述权利要求之一所述的用户站(10、30、50、60)，其中所述估计装置(12)被构造，使得所述估计装置事先通过假设表示其估计的结果，并且所述修正装置(13)被构造用于继续处理根据DDFSE算法决定的接收值。
5.根据上述权利要求之一所述的用户站(10、30、50、60)，其中所述修正装置(13)另外被构造用于根据DFE算法或者BCJR算法或者DDFSE算法修正由所述用户站(10、30、50、60)接收的信号。
6.根据上述权利要求之一所述的用户站(10、30、50、60)，其中所述修正装置(13)包括用于修正由所述用户站(10、30、50、60)接收的信号的滤波器(546)，并且其中在滤波器(546)的输入端上使信号对干扰功率比在相应的接收时间点最大化。
7.根据权利要求6所述的用户站(10、30、50、60)，其中可以使用另一个滤波器，以用于对先前根据DDFSE算法决定的接收值进行滤波，并且其中所述修正装置(13)被构造用于反馈滤波器(546)的输出。
8.根据上述权利要求之一所述的用户站(10、30、50、60)，此外具有：
发送/接收装置(14)，用于直接连接到总线系统(1、2)的总线线路(4)上，和
通信控制装置(11)，用于处理由所述发送/接收装置(14)接收的信号和用于以信号的形式提供要由所述发送/接收装置(14)发送的消息(41、42、43)，
其中所述估计装置(12)和/或所述修正装置(13)是所述发送/接收装置(14)或者所述通信控制装置(11)的部分。
9.总线系统(1、2)，具有：
总线线路(4)，和
至少两个用户站(10、29、30、50、60)，所述用户站通过所述总线线路(4)互相连接，使得所述用户站能够互相通信，
其中至少两个用户站(10、20、30、50、60)中的至少一个是根据上述权利要求之一所述的用户站(10、30、50、60)。
10.用于改进在总线系统(1、2)的用户站(10、30、50、60)中的消息(41、42、43)的接收质量的方法，具有以下步骤：
当总线系统(1、2)的仅还有另外的用户站(10、20、30、50、60)向所述总线系统(1、2)发送消息(41、42、43)时和/或之后使用估计装置(12)估计通道脉冲响应(120)，或者使用所述估计装置(12)直接从由所述用户站(10、50、60)接收的信号确定滤波器(544、547)所需的功能，和
使用修正装置(13)根据由所述估计装置(12)估计的通道脉冲响应(120)修正由所述用户站(10、30、50、60)接收的信号。
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