CN111277525A - 一种合频信号的水声通信调制解调模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种合频信号的水声通信调制解调模块,属于水下通信与电子技术领域。本发明以嵌入式处理器控制一种有线通信专用的合频信号与单频信号编解码芯片CMX865A,作为水声信号的硬件调制解调器。信号发送部分采用CMX865A产生的合频或单频基带信号与处理器的本振载波混频调制,经过开关电容滤波器选频、功率放大后驱动换能器,实现编码信号的调制发射。接收电路输入的水声信号经过增益控制芯片前置放大、开关电容滤波器选频、开关混频、低通滤波后恢复的基带信号由CMX865A硬件解调送给处理器。调制解调过程采用专用芯片完成,使整个电路功耗低、速度快、结构简单、抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明属于水声通信与水声电子技术领域,涉及一种合频信号的水声通信调制解调模块。
背景技术
水声通信技术原本重点用于军事和国防,随着人们对海洋、湖泊等水下资源开发领域的重视,各种民用水下养殖、水下探测及水下机器人涉及的信息传输技术需求猛增。水中通信主要以水声作为信息载体,技术门槛较高,为了降低应用成本被民用市场接受,需要不断研发新的水下通信技术产品。
目前水声通信的方式主要有以下几种:
1.多进制频移键控(MFSK):MFSK发送方将发送数字信息调制成多个单频率,直接经过功放及换能器进行发送。解调采用锁相环或鉴频技术,将对应频率进行解调,从而还原出原始发送信息。该方法采用单频发送,对于信道的利用率低,同时解调装置需要对发射信号进行鉴频及判决,因此传输速度慢,并且干扰大。
2.振幅键控(ASK):ASK与FSK相反,将二进制编码与单一频率信号相乘,通过信号幅度的变化来传输信息,这种方式对信号的质量要求高,并且抗码间干扰和多径能力弱,适合于定点,定距离通信,并且与FSK的传输速率大致相同,并没有提升传输速率。
综上所述,目前现阶段大多采用单频方式进行水下数据传输,并且采用软件解调较多,要求运算能力强,功耗高。目前更加需要一种低功耗,低成本并且传输速率较高的水下通信方式。
发明内容
为了增大水声信号的发送信息量,降低功耗和成本,本设计旨在设计一种合频信号的水声通信调制解调模块。
本发明以嵌入式处理器控制芯片控制一种有线通信专用的合频信号与单频信号编解码芯片CMX865A,作为水声信号的硬件调制解调器。本发明的信号发送部分采用CMX865A产生的合频或单频基带信号与处理器的本振载波混频调制,经过开关电容滤波器选频、功率放大后驱动换能器,实现编码信号的调制发射。接收电路输入的水声信号经过增益控制芯片前置放大、开关电容滤波器选频、开关混频、低通滤波后恢复的基带信号由CMX865A硬件解调送给处理器。由于整个调制解调过程采用专用芯片完成,降低了微处理器的运算速度要求与软件解调难度,使整个电路功耗低、速度快、结构简单、抗干扰能力强。
为了实现上述目的,采用了以下技术方案:
一种合频信号的水声通信调制解调模块,以嵌入式处理器核心控制单元(1)作为主控,编解码芯片CMX865A(2)作为信号处理芯片;发送模块包括开关调制电路(3)、发射带通滤波电路(4)和功率放大电路(5);接收模块包括前置放大电路(7)、自动增益电路(8)、接收带通滤波电路(9)、后级放大电路(10)、开关解调电路(11)和低通滤波电路(12),发送电路和接收电路采用收发切换电路(6)进行切换,保证双向收发工作;
嵌入式处理器核心控制单元(1)与编解码芯片CMX865A(2)相连,控制编解码芯片CMX865A(2)产生合频或单频信号,或者读取经过控制编解码芯片CMX865A(2)解码后的合频或单频接收信息;同时嵌入式处理器核心控制单元(1)与发射带通滤波电路(4)和接收带通滤波电路(9)相连,产生发送和接收时带通滤波器所用的工作时钟;嵌入式处理器核心控制单元(1)还与开关调制电路(3)和开关解调电路(11)相连,提供开关混频电路的开关信号;嵌入式处理器核心控制单元(1)还与功率放大电路(5)相连,控制功率放大电路,选择合适的功率进行传输,达到节能的目的;嵌入式处理器核心控制单元(1)还与收发切换电路(6)相连,切换整个电路的收发工作状态;嵌入式处理器核心控制单元(1)还与低通滤波电路(12)相连,产生接收时低通滤波器所用的工作时钟;
发送模块由依次相连的开关调制电路(3)、发射带通滤波电路(4)和功率放大电路(5) 组成,接收模块由依次相连的前置放大电路(7)、自动增益电路(8)、接收带通滤波电路(9)、后级放大电路(10)、开关解调电路(11)和低通滤波电路(12)组成;
功率放大电路(5)、前置放大电路(7)和换能器与收发切换电路(6)相连,收发切换电路(6)可根据嵌入式处理器核心控制单元(1)提供的控制信号进行发送和接收状态的切换。
发送状态时,嵌入式处理器核心控制单元(1)控制编解码芯片CMX865A(2)产生某频率范围内的合频信号;同时控制开关调制电路(3),通过产生的开关信号将合频信号搬移到换能器的通带频率上;同时控制发射带通滤波电路(4),通过控制器产生的方波时钟信号确定带通滤波器的工作中心频率;同时控制功率放大电路(5)的增益,选择合适的增益进行放大,避免接收方接收信号过大或过小导致的失真或信号淹没,还可控制功耗;同时控制收发切换电路(6)将换能器接入整个发送模块中,并且断开接收电路的输入,完成整个调制过程;
接收状态时,嵌入式处理器核心控制单元(1)控制收发切换电路(6)将换能器接入接收模块;同时控制接收带通滤波电路(9)的时钟频率,确定滤波器的中心频率,使有用信号进入;同时控制开关解调电路(11)的开关信号,将频谱从换能器的频率搬移到编解码芯片CMX865A(2)能接受的频率范围;同时控制低通滤波电路(12)的时钟频率,提取基带合频信号;同时控制编解码芯片CMX865A(2)将接收到的合频信号进行解码,获取接收到的数据,送给上位机处理,完成整个解调过程。
进一步的,一种合频信号的水声通信调制解调模块,可以通过串口与上位机进行通信,同时模块输出接换能器实现水声信号的双向收发。上位机将欲发送信息通过串口传输给模块,模块通过换能器在水中发送信息,对方换能器接收到信息后通过模块解调,将收到的信息通过串口传输给上位机,完成通信过程。
进一步的,所述编解码芯片CMX865A(2)产生的合频信号或单频信号,通过嵌入式处理器核心控制单元(1)在合频信号与单频信号之间进行切换,合频信号为多个单频率正弦波信号线性叠加,单频信号为单频率正弦波信号。
进一步的,所述开关调制电路(3)和开关解调电路(11),采用开关混频芯片将合频信号进行频谱搬移,从而满足换能器所需发射频率;嵌入式处理器核心控制单元(1)可以改变开关调制电路(3)和开关解调电路(11)的频谱搬移中心频率。
进一步的,所述发射带通滤波电路(4)和接收带通滤波电路(9),采用开关电容滤波器芯片进行滤波,提取出有效信号,嵌入式处理器核心控制单元(1)可对滤波器的中心频率进行调整。
进一步的,所述功率放大电路(5),采用模拟输入的D类功放芯片进行功率放大,驱动水声换能器,嵌入式处理器核心控制单元(1)可对输出功率进行调节。
进一步的,所述自动增益电路(8),采用自动增益放大器芯片,防止输入信号过大造成的失真。
进一步的,所述低通滤波电路(12),采用低通开关电容滤波器,提取基带信号,嵌入式处理器核心控制单元(1)可对低通滤波器的截止频率进行调节。
有益效果
本发明合频信号的调制、解调均由硬件产生进行调制发送,接收信号通过硬件接收解调;上位机仅需与嵌入式处理器核心控制单元通过串口相连即可通过本发明模块收发水声通信数据,模块化的应用设计,为用户提供了一种全透明的应用协议。本发明采用硬件方式实现合频信号的调制与解调,充分利用了频谱资源,具有功耗低,成本低的优点;可通过控制命令对模块工作方式进行调换,满足水下通信需求,实现水下信息传输,水下监测、探测等多需求的使用。
编解码芯片产生的合频信号通过开关调制电路改变中心频率,与换能器的工作频率相匹配,充分利用换能器的频带特性;同时接收采用自动增益电路,使接收端不会因为信号幅度过大而阻塞或过小而被噪声淹没;接收过程中的带通滤波电路、开关解调电路、低通滤波电路的中心频率与发送过程的开关调制电路、发射带通滤波电路的中心频率皆可程控,满足信号的选择和减小噪声干扰。
实用表明,本发明能够满足数字遥控、数据回传的水下通信要求,因制造成本低,适用于水下远距离、多目标测控技术的民用系统领域。
附图说明
附图1为本发明系统框图;
附图2a为本发明的嵌入式处理器核心控制单元电路原理图
附图2b编解码芯片CMX865A电路原理图
附图3为本发明的开关调制电路电路原理图
附图4为本发明的发射带通滤波电路电路原理图
附图5为本发明的自动增益电路电路原理图
附图6为本发明的工作流程框图
附图7为本发明的一个应用场景实例。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述,以下作为优选实施方式,但不构成对本发明的限制。
如附图1,一种合频信号的水声通信调制解调模块以嵌入式处理器核心控制单元(1) 作为主控,编解码芯片CMX865A(2)作为信号处理芯片;发送模块包括,开关调制电路(3)、发射带通滤波电路(4)和功率放大电路(5);接收模块包括,前置放大电路(7)、自动增益电路(8)、接收带通滤波电路(9)、后级放大电路(10)、开关解调电路(11)和低通滤波电路(12),发送电路和接收电路采用收发切换电路(6)进行切换,保证双向收发工作;
嵌入式处理器核心控制单元(1)与编解码芯片CMX865A(2)相连,控制编解码芯片CMX865A(2)产生合频或单频信号,以及读取接收到的合频或单频信号经过控制编解码芯片CMX865A(2)解码后的接收信息;同时嵌入式处理器核心控制单元(1)与发射带通滤波电路(4)和接收带通滤波电路(9)相连,产生发送和接收时带通滤波器所用的工作时钟;嵌入式处理器核心控制单元(1)还与开关调制电路(3)和开关解调电路(11)相连,提供开关混频电路的开关信号;嵌入式处理器核心控制单元(1)还与功率放大电路(5)相连,控制功率放大电路,选择合适的功率进行传输,达到节能的目的;嵌入式处理器核心控制单元(1)还与收发切换电路(6)相连,切换整个电路的收发工作状态;嵌入式处理器核心控制单元(1)还与低通滤波电路(12)相连,产生接收时低通滤波器所用的工作时钟;
开关调制电路(3)、发射带通滤波电路(4)和功率放大电路(5)依次相连构成发送模块,前置放大电路(7)、自动增益电路(8)、接收带通滤波电路(9)、后级放大电路(10)、开关解调电路(11)和低通滤波电路(12)依次相连构成接收模块,编解码芯片CMX865A(2)的信号输出引脚与发送模块中的开关调制电路(3)信号输入引脚相连,编解码芯片 CMX865A(2)的信号输入引脚与接收模块中的低通滤波电路(12)的输出引脚相连;
功率放大电路(5)、前置放大电路(7)和换能器与收发切换电路(6)相连,收发切换电路(6)可根据嵌入式处理器核心控制单元(1)提供的控制信号进行发送和接收状态的切换。
进一步的,一种合频信号的水声通信调制解调模块,可以通过串口与上位机进行通信,同时输出接换能器实现水声信号的双向收发。上位机将欲发送信息通过串口传输给模块,模块通过换能器在水中发送信息,对方换能器接收到信息后通过模块解调,将收到的信息通过串行接口传输给上位机,完成通信过程。
附图2,嵌入式处理器核心控制单元(1)与编解码芯片CMX865A(2)电路原理图。包括嵌入式处理器核心控制单元(1)、编解码芯片CMX865A(2)及外围电路,外围电路为芯片技术手册中典型应用电路;所述嵌入式处理器核心控制单元(1)优选32位MCU,但不局限于此,嵌入式处理器核心控制单元(1)的串口与上位机相连,嵌入式处理器核心控制单元(1)的串行接口引脚与编解码芯片CMX865A(2)相连接,嵌入式处理器核心控制单元 (1)的方波输出引脚与开关调制电路(3)、发射带通滤波电路(4)、接收带通滤波电路(9)、开关解调电路(11)、低通滤波电路(12)相连接,嵌入式处理器核心控制单元(1)的控制输出引脚与功率放大电路(5)和收发切换电路(6)相连接;所述编解码芯片CMX865A(2)为编解码芯片,嵌入式处理器核心控制单元(1)通过RDATA、CLK、CDATA、CSN、IRQ引脚控制编解码芯片CMX865A(2)编码与解码合频信号;编解码芯片CMX865A(2)的TXA、 TXAN引脚为发送信号输出引脚,RXAN为接收信号输入引脚。
所述开关调制电路(3)采用NLAS4599模拟开关芯片,所使用电路为芯片技术手册中典型应用电路,附图3为开关调制电路(3)的电路原理图,NLAS4599模拟开关芯片的 NO、NC引脚为信号输入引脚,编解码芯片CMX865A的TXA、TXAN引脚连接 NLAS4599模拟开关芯片的NO、NC引脚;NLAS4599模拟开关芯片的SELECT引脚为选择输入引脚,嵌入式处理器核心控制单元(1)的方波输出引脚与NLAS4599模拟开关芯片的SELECT引脚连接;NLAS4599模拟开关芯片的COM引脚为信号输出引脚,用于输出频谱搬移后的合频信号;通过调整嵌入式处理器核心控制单元(1)的输出方波频率,可以对频谱搬移后的中心频率进行调整。
所述发射带通滤波电路(4)采用LTC1068时钟可调、四通道二阶滤波器单元式部件滤波器芯片,所用电路为数据手册中八阶带通滤波典型电路,附图4为发射带通滤波电路(4)电路原理图,采用LTC1068时钟可调、四通道二阶滤波器单元式部件滤波器芯片,发射带通滤波电路(4)的信号输入引脚为MOD_OUT,信号输出引脚为SEND_SIGNAL,时钟输入引脚为CLK;所构成的带通滤波器的通带中心频率可以根据发射带通滤波电路 (4)的CLK时钟输入引脚的频率确定,嵌入式处理器核心控制单元(1)方波输出引脚与发射带通滤波电路(4)的时钟输入引脚相连,提供发射带通滤波电路(4)的通带中心频率,通带中心频率与换能器的中心频率相同。
所述功率放大电路(5)采用TPA3221高清模拟输入D类功放芯片,所用电路为数据手册中平行桥式推挽电路,发射带通滤波电路(4)的输出引脚与功率放大电路(5)的输入引脚相连,将发射带通滤波电路(4)滤波完成的信号进行功率放大,驱动换能器将电能转换为声能,嵌入式处理器核心控制单元(1)的控制输出引脚与功率放大电路(5)的控制输入引脚相连,能够程控调整放大倍数。
所述前置放大电路(7)采用TLC2262运算放大器芯片,所用电路采用典型放大电路,收发切换电路(6)与前置放大电路(7)相连;
所述自动增益电路(8)采用SSM2166麦克风前置自动增益放大器芯片,所用电路为数据手册中自动增益放大典型电路,
附图5为自动增益电路(8)电路原理图,采用SSM2166麦克风前置自动增益放大器芯片,自动增益电路(8)的PREAMP_OUT引脚为信号输入引脚,AUTOAMP_OUT引脚为信号输出引脚;前置放大电路(7)的输出引脚与自动增益电路(8)的输入引脚相连,当输入信号幅度超过芯片内部设定值时,自动增益电路(8)会降低增益,保持波形完整。
所述接收带通滤波电路(9)采用LTC1068时钟可调、四通道二阶滤波器单元式部件滤波器芯片,所用电路为数据手册中八阶带通滤波典型电路,自动增益电路(8)的输出引脚与接收带通滤波电路(9)的输入引脚相连,接收带通滤波电路(9)将信号进行滤波,除去无用信号,嵌入式处理器核心控制单元(1)的方波输出引脚与接收带通滤波电路(9)的时钟输入引脚相连,提供接收带通滤波电路(9)的通带中心频率;
所述后级放大电路(10)采用TLC2262运算放大器芯片,所用电路为典型反向放大电路,接收带通滤波电路(9)的输出引脚与后级放大电路(10)的输入引脚相连;
所述开关解调电路(11)采用NLAS4599模拟开关芯片,所使用电路为芯片技术手册中典型应用电路,后级放大电路(10)的输出引脚与开关解调电路(11)的常开输入引脚相连,接收带通滤波电路(9)的输出引脚与开关解调电路(11)的常闭输入引脚相连,嵌入式处理器核心控制单元(1)的方波输出引脚与开关解调电路(11)的选择引脚相连,将接收信号频谱进行搬移,满足编解码芯片CMX865A(2)的解码需求;
所述低通滤波电路(12)采用MAX7400 8阶椭圆低通开关电容滤波器,所用电路为数据手册中典型低通滤波电路,开关解调电路(11)的输出引脚与低通滤波电路(12)的输入引脚相连,滤除无用信号,嵌入式处理器核心控制单元(1)的方波输出引脚与低通滤波电路(12)的时钟输入引脚相连,可根据编解码芯片CMX865A(2)的解码需求调整截止频率;
所述低通滤波电路(12)的输出引脚与编解码芯片CMX865A(2)的信号输入引脚相连,编解码芯片CMX865A(2)将低通滤波电路(12)输出的信号进行解码,得到接收信息,编解码芯片CMX865A(2)通过串行接口与嵌入式处理器核心控制单元(1)相连,将解码完成的信息传输给嵌入式处理器核心控制单元(1)。
附图6为嵌入式处理器核心控制单元(1)程序流程图,所述程序流程包括以下步骤:
(1)嵌入式处理器核心控制单元(1)首先对外围电路进行初始化,初始化包括:对编解码芯片CMX865A(2)初始化;产生开关调制电路(3)、发射带通滤波电路(4)、功率放大电路(5)、接收带通滤波电路(9)、开关解调电路(11)和低通滤波电路(12)所需要的方波,该方波频率与换能器的中心频率相同;控制收发切换电路(6)切换为接收状态,控制功率放大电路(5)的输出功率;
(2)判断上位机是否通过串口发送信息,如果上位机发送了信息,控制收发切换电路(6)将电路切换为发送状态,然后将欲发送信息通过串行接口传输给编解码芯片CMX865A(2),编解码芯片CMX865A(2)发送完毕后,嵌入式处理器核心控制单元(1)控制收发切换电路(6)切换为接收状态;
(3)同时嵌入式处理器核心控制单元(1)判断编解码芯片CMX865A(2)是否接收到了信息,如果收到信息将接收信息传输给上位机;
进而,本发明通过嵌入式处理器核心控制单元(1)、编解码芯片CMX865A(2)、发送模块、接收模块、收发切换电路(6)的结合,完成水声合频信号的调制与解调,实现水声通信速率的提升,并且充分利用频谱资源;通过改变嵌入式处理器核心控制单元(1)中的程序,能根据实际情况在合频和单频之间进行切换,完成收发过程,将传统通信方式与水声通信方式进行结合。
附图7所示,本发明模块可以根据需要利用软件设置成为主工作模式或从工作模式,作为一对一或一对多的测控设施数据连接。分别安放在主设备和从设备中;
本发明的一个应用实例,包括但不限于在监测船上通过控制设备发送测控指令,主设备中的上位机接收到控制设备的命令,通过一种合频信号的水声调制解调模块,再通过换能器将命令以水声形式发送;从设备的换能器接收到水声信号,通过一种合频信号的水声调制解调模块将接收到的命令发送给上位机,上位机唤醒水下测控机构,获取监测设备的状态数据或者驱动执行机构完成某种操作;完成控制设备发送的测控指令后,上位机将回复数据通过一种合频信号的水声调制解调模块,再通过换能器以水声形式发送;主设备换能器接收到水声信号,通过一种合频信号的水声调制解调模块,再通过上位机将接收到回复数据传输给监测船上的控制设备,完成整个测控过程。
以上所述的具体实施方式仅仅是对本发明的优选实施方案进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权力要求说所确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种合频信号的水声通信调制解调模块,其特征在于:所述合频信号的水声通信调制解调模块包括:
作为主控的嵌入式处理器核心控制单元(1),
作为信号处理单元的编解码芯片CMX865A(2),
由开关调制电路(3)、发射带通滤波电路(4)、功率放大电路(5)顺次连接构成的发送模块,
其中,开关调制电路(3)采用开关混频芯片,通过调整嵌入式处理器核心控制单元(1)的输出方波频率,用于将合频信号进行频谱搬移,从而满足换能器所需的发射频率;
发射带通滤波电路(4)采用开关电容滤波器芯片进行滤波,对开关混频后的信号进行滤波,通过调整嵌入式处理器核心控制单元(1)的输出方波频率对滤波器的中心频率进行调整,提取出有效信号;
功率放大电路(5)用于将发射带通滤波电路(4)滤波完成的信号进行功率放大,驱动换能器将电能转换为声能,嵌入式处理器核心控制单元(1)程控调整放大倍数;
由前置放大电路(7)、自动增益电路(8)、接收带通滤波电路(9)、后级放大电路(10)、开关解调电路(11)和低通滤波电路(12)顺次连接构成的接收模块,
其中,接收带通滤波电路(9)通过调整嵌入式处理器核心控制单元(1)的输出方波频率对滤波器的中心频率进行调整,提取出有效信号,
开关解调电路(11)采用开关混频芯片,通过调整嵌入式处理器核心控制单元(1)的输出方波频率,将接收信号频谱进行搬移,满足编解码芯片CMX865A(2)的解码需求,
低通滤波电路(12),采用低通开关电容滤波器,通过调整嵌入式处理器核心控制单元(1)的输出方波频率可对低通滤波器的截止频率进行调节,提取基带信号;
用于双向收发切换的收发切换电路(6),收发切换电路(6)根据嵌入式处理器核心控制单元(1)提供的控制信号进行发送和接收状态的切换;
嵌入式处理器核心控制单元(1)通过串行接口与编解码芯片CMX865A(2)相连,控制编解码芯片CMX865A(2)产生合频或单频信号,或者读取经过控制编解码芯片CMX865A(2)解码后的合频或单频接收信息;嵌入式处理器核心控制单元(1)与发射带通滤波电路(4)和接收带通滤波电路(9)相连,产生发送和接收时带通滤波器所用的工作时钟;嵌入式处理器核心控制单元(1)还与开关调制电路(3)和开关解调电路(11)相连,提供开关混频电路的开关信号;嵌入式处理器核心控制单元(1)还与功率放大电路(5)相连,控制功率放大电路,选择合适的功率进行传输,达到节能的目的;嵌入式处理器核心控制单元(1)还与收发切换电路(6)相连,切换整个电路的收发工作状态;嵌入式处理器核心控制单元(1)还与低通滤波电路(12)相连,产生接收时低通滤波器所用的工作时钟;编解码芯片CMX865A(2)分别与发送模块和接收模块相连。
2.根据权利要求1所述的一种合频信号的水声通信调制解调模块,其特征在于:所述的开关调制电路(3)和开关解调电路(11)采用NLAS4599模拟开关芯片,但不限于此芯片。
3.根据权利要求1所述的一种合频信号的水声通信调制解调模块,其特征在于:所述发射带通滤波电路(4)和接收带通滤波电路(9)采用LTC1068开关电容滤波器芯片,但不限于此芯片。
4.根据权利要求1所述的一种合频信号的水声通信调制解调模块,其特征在于:所述功率放大电路(5)采用TPA3221高清模拟输入D类功放芯片。
5.根据权利要求1所述的一种合频信号的水声通信调制解调模块,其特征在于:所述自动增益电路(8)采用SSM2166自动增益放大器芯片,但不限于此芯片。
6.根据权利要求1所述的一种合频信号的水声通信调制解调模块,其特征在于:所述低通滤波电路(12)采用MAX7400低通开关电容滤波器芯片,但不限于此芯片。
7.根据权利要求1所述的一种合频信号的水声通信调制解调模块,其特征在于:所述的编解码芯片CMX865A(2)通过嵌入式处理器核心控制单元(1)在合频信号与单频信号之间进行切换,合频信号为多个单频率正弦波信号线性叠加,单频信号为单频率正弦波信号。
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2020
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