CN113411275A - 一种ftn/oqam系统设计方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种FTN/OQAM系统设计方法及设备,用以解决常见的通信系统在引入FTN技术后,需要通过额外引入CP信号去抵消由FTN引起的符号间干扰,从而降低了系统频谱利用率的技术问题。方法包括:基于OFDM/OQAM系统,构建OFDM/OQAM基带发送信号模型;基于OFDM/OQAM基带发送信号模型,对时频格点进行奇偶分组,确定时频格点具有正交性;确定指定的若干滤波器在OFDM/OQAM系统中运行时对应的性能参数;根据性能参数,从若干滤波器中选择标准滤波器,作为OFDM/OQAM系统中的接收机;将FTN信号和OFDM/OQAM系统相结合,构建FTN/OQAM系统。本申请通过OFDM/OQAM系统和扩展高斯滤波器的特性,在未引入冗余信号的同时,有效提高了信号传输性能,保证了信号接收的可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及通信技术领域,尤其涉及一种FTN/OQAM系统设计方法及设备。
背景技术
随着通信领域的不断发展和用户需求的不断提高,如今对无线传输速率提出了更高的要求。
在频谱资源稀缺的情况下,为了进一步提高频谱利用率和通信系统容量,通信领域中引入了超奈奎斯特(Faster Than Nyquist,FTN)技术,极大提升了信号传输效率。然而,FTN信号在调制后违背了奈奎斯特速率准则,造成了符号间干扰(Inter SymbolInterference,ISI)。常规的通信系统在引入FTN信号后,一般是通过引入额外的循环前缀(Cyclic Prefix,CP)信号来抵消ISI,增大了系统开销,降低了频带利用率。
发明内容
本申请实施例提供了一种FTN/OQAM系统设计方法及设备,用以解决用以解决常见的通信系统在引入FTN技术后,需要通过额外引入CP信号去抵消由FTN引起的符号间干扰,从而降低了系统频谱利用率的技术问题。
一方面,本申请提供了一种FTN/OQAM系统设计方法,包括:基于OFDM/OQAM系统,构建OFDM/OQAM基带发送信号模型;基于所述OFDM/OQAM基带发送信号模型,对时频格点进行奇偶分组,确定所述时频格点具有正交性;确定指定的若干滤波器在所述OFDM/OQAM系统中运行时对应的性能参数;根据所述性能参数,从所述若干滤波器中选择标准滤波器,作为所述OFDM/OQAM系统中的接收机;将FTN信号和所述OFDM/OQAM系统相结合,构建FTN/OQAM系统。
在本申请的一种实现方式中,基于OFDM/OQAM系统,构建OFDM/OQAM基带发送信号模型,具体包括:
通过以下公式,构建OFDM/OQAM基带发送信号模型:
其中,N表示子载波数量,am,n表示第n个OFDM/OQAM符号中第m个子载波上所发送的实值数据符号,gm,n(t)表示时频格点坐标在(m,n)处对应的基函数。
在本申请的一种实现方式中,构建OFDM/OQAM基带发送信号模型,具体包括:
通过以下公式,确定OFDM/OQAM基带发送信号模型中的基函数:
其中,v0表示子载波之间的间隔,τ0表示相邻OFDM/OQAM符号之间实部和虚部在时域上的偏移量。
在本申请的一种实现方式中,基于所述OFDM/OQAM基带发送信号模型,对时频格点进行奇偶分组,具体包括:根据所述OFDM/OQAM基带发送信号模型中的基函数,确定各时频格点坐标;根据所述时频格点的横坐标和纵坐标的奇偶性是否相同,对所述时频格点进行类型划分。
在本申请的一种实现方式中,确定所述时频格点具有正交性,具体包括:确定相同类型的所述时频格点具有正交性;针对不同类型的时频格点,根据高斯滤波器模糊函数确定各时频格点的正交性。
在本申请的一种实现方式中,对时频格点进行奇偶分组之前,所述方法还包括:分别确定所述OFDM/OQAM系统中任意两个时频格点对应的基函数;
通过以下公式,计算所述时频格点对应的基函数实数域内积:
其中,Ag(τ,v)为高斯滤波器模糊函数。
在本申请的一种实现方式中,根据所述性能参数,从所述若干滤波器中选择标准滤波器,具体包括:根据所述性能参数和时频聚焦性,确定将所述若干滤波器中的扩展高斯滤波器,作为所述OFDM/OQAM系统对应的接收机。
在本申请的一种实现方式中,将FTN信号和所述OFDM/OQAM系统相结合,构建FTN/OQAM系统,具体包括:确定接收机为所述扩展高斯滤波器的所述OFDM/OQAM系统;在所述OFDM/OQAM系统中的时频格点信号经过逆快速傅里叶变换,并完成了所述时频格点信号的并串转换之后,将FTN信号引入至传输信道中,构建FTN/OQAM系统。
在本申请的一种实现方式中,从所述若干滤波器中选择标准滤波器,作为所述OFDM/OQAM系统中的接收机之后,所述方法还包括:在预设范围内调整所述扩展高斯滤波器的参数;针对不同参数的扩展高斯滤波器,对相应的接收机性能进行分析,并根据分析结果确定标准参数值。
另一方面,本申请实施例还提供了一种FTN/OQAM系统设计设备,设备包括:处理器;及存储器,其上存储有可执行代码,当可执行代码被执行时,使得处理器执行如上述的一种FTN/OQAM系统设计方法。
本申请实施例提供的一种FTN/OQAM系统设计方法及设备,至少具备以下有益效果:
根据时频格点坐标的奇偶性,对其进行类型划分,进而根据分组类型及时频格点内积公式确定各时频格点是否具有正交性,这样,通过确保任一时频格点均与其他格点正交,可以防止在信号接收端进行时频信号采样时产生额外干扰,影响通信系统的接收性能;
通过对滤波器性能进行评估,从而选择出性能最佳的滤波器作为多径衰落信道下的接收机,能够在将FTN运用于OFDM/OQAM系统的情况下,基于该滤波器良好的时频聚焦性,在不引入冗余信号的同时,且抵消信号传输过程中产生的ISI干扰,极大节省了开销;
通过在通信系统中引入FTN信号,构建FTN/OQAM系统,不仅具备频谱效率高、抗脉冲噪声等优点,还有效提升了信号传输效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解,构成本申请的一部分,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
图1为本申请实施例提供的一种FTN/OQAM系统设计方法流程图;
图2为本申请实施例提供的一种不同参数值下的扩展高斯函数波形示意图;
图3为本申请实施例提供的一种FTN/OQAM系统框图;
图4为本申请实施例提供的一种FTN/OQAM系统误码性能仿真图;
图5为本申请实施例提供的一种FTN/OQAM系统设计设备结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种FTN/OQAM系统设计方法及设备,用以解决常见的通信系统在引入FTN技术后,需要通过额外引入CP信号去抵消由FTN引起的符号间干扰,,从而降低了系统频谱利用率的技术问题。
下面通过附图对本申请实施例提出的技术方案进行详细的说明。
图1为本申请实施例提供的一种FTN/OQAM系统设计方法流程图。如图1所示,本申请实施例提供的一种FTN/OQAM系统设计方法主要包括以下步骤:
S101、基于OFDM/OQAM系统,构建OFDM/OQAM基带发送信号模型。
OFDM/OQAM系统是采用偏置正交幅度调制(Offset Quadrature AmplitudeModulation,OQAM)的一种正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing,OFDM)系统。服务器会根据OFDM/OQAM发送信号的特点,对OFDM/OQAM系统进行基带发送信号建模。
具体的,服务器可通过以下公式,将OFDM/OQAM基带等效发送信号可以表示为以下形式,构建对应的OFDM/OQAM基带发送信号模型:
其中,N表示子载波数量,am,n表示第n个OFDM/OQAM符号中第m个子载波上所发送的实值数据符号,gm,n(t)表示时频格点坐标在(m,n)处对应的基函数。
进一步的,gm,n(t)可通过以下时频变换公式得出:
其中,v0表示子载波之间的间隔,τ0表示相邻OFDM/OQAM符号之间实部和虚部在时域上的偏移量。
OFDM/OQAM系统将经过正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modula,QAM)调制后的复数信号实部和虚部分开,然后进行交替传输,并取实部与子载波调制,这样通过确保实数域满足正交条件,即可以降低信号间的干扰。
S102、基于OFDM/OQAM基带发送信号模型,对时频格点进行奇偶分组,确定时频格点具有正交性。
为确保各时频格点均正交,实现信号的正常接收,服务器会在时频信号经过OFDM/OQAM系统脉冲原型滤波器前,通过分析各时频信号的奇偶性确定它们是否都具有正交性。
在本申请的一个实施例中,服务器对时频信号进行奇偶分组之前,会基于OFDM/OQAM基带发送信号模型,计算出时频格点信号实数域对应的内积,以便根据内积确定滤波器的模糊函数及各时频格点之间的正交性。
具体的,服务器首先确定任意两个时频格点信号(m,n)和(m0,n0)对应的基函数gm,n(t)和gm0,n0(t)。
然后,基于以下公式,计算得出上述基函数实数域的内积:
其中,Ag(τ,v)为高斯滤波器模糊函数。
需要说明的是,高斯滤波器表达式为a>0,其模糊函数表达式为由模糊函数表达式可知,其随τ和v按平方关系衰落,据此可知,高斯滤波器有利于抵抗ISI和载波间干扰(Inter Carrier Interference,ICI)。
在本申请的一个实施例中,各时频格点之间坐标不同,因此分别对应不同的基函数。服务器会根据预先构建的OFDM/OQAM基带发送信号模型中的基函数,确定各时频格点坐标(m,n),并通过横坐标和纵坐标奇偶性的不同,将各时频格点信号分为以下四种类型:偶偶、奇奇、偶奇、奇偶。
进一步的,服务器根据上述实数域内积公式及两个时频格点坐标,判断任意两个时频格点之间是否具有正交性。
更进一步的,若两个时频格点所属类型相同,则可确定彼此之间正交;若所属类型不同,还需通过高斯滤波器模糊函数判断它们是否正交,即通过
来确定,其中,n0-n=p,m-m0=q。
例如,如果两个时频格点坐标类型不同,一个为奇偶类型(3,1),一个为偶偶类型(4,6),则可计算出(m-m0,n-n0)mod2≠(0,0),那么根据内积公式可得出对应基函数内积为0,这样即确定了这两个时频格点之间正交;如果类型相同,都为偶偶类型,那么(m-m0,n-n0)mod2=(0,0),则根据模糊函数±Ag=((n0-n)τ0,(m-m0)v0)来进一步确定正交性。
只有在确定各时频格点之间均具有正交性的情况下,才能确保接收端在接收信号时不受干扰,完成信号的无失真恢复,这也是设计OFDM/OQAM系统接收机的先决条件。
S103、确定指定的若干滤波器在OFDM/OQAM系统中运行时对应的性能参数。
设计合适的原型脉冲滤波器是提高OFDM/OQAM系统传输性能的关键问题,因此服务器会通过对预先指定的滤波器性能进行分析,确定各自的优势和适用场景,从而选择出最优滤波器作为OFDM/OQAM系统中的接收机。
在本申请的一个实施例中,本申请实施例所指的若干滤波器包括平方根升余弦脉冲(RRC)、扩展高斯函数(EGF)和各向同性正交变换函数(IOTA),服务器通过计算上述滤波器在OFDM/OQAM系统运行时的误差能量和计算复杂度,来分析各自的性能。
S104、根据性能参数,从若干滤波器中选择标准滤波器,作为OFDM/OQAM系统中的接收机。
服务器在确定各原型脉冲滤波器对应的性能参数后,会选择出具有最佳性能参数,且兼顾时频聚焦性和正交性的滤波器作为标准滤波器。在本申请中,即使扩展高斯滤波器的时频聚焦性较之于IOTA差一些,但是由于其采用了与系统模型匹配的参数值,反而使误差能量达到了最小,所以将扩展高斯滤波器作为OFDM/OQAM系统中的接收机。
在本申请的一个实施例中,服务器在选择出标准滤波器后,还会对该滤波器的性能进行进一步验证,也就是将时频信号通过该OFDM/OQAM系统调制后,并通过性能参数计算其传输性能,以确保滤波器性能的确是最佳的,减小误选的可能性。
需要说明的是,扩展高斯滤波器是由高斯滤波器变换而来的,它在保留了高斯滤波器时频聚焦性的同时,还克服了其无法得到正交基的缺点。扩展高斯滤波器表达式如下所示:
其中,v0τ0=1/2,0.528v0 2≤a≤7.568v0 2,ga(t)为高斯滤波器。本申请采用扩展高斯滤波器为标准滤波器,为偶函数,而只要脉冲原型滤波器为偶函数,就可根据内积公式确定时频格点是否具有正交性。
并且,扩展高斯滤波器是无数项之和,在实际应用中一般需要截取部分扩展高斯函数来使用,即使在截断后也可以保持良好的正交性和时频聚焦性。
在本申请的一个实施例中,服务器在选定标准滤波器作为接收机后,会不断调整标准滤波器参量,以便于能够确定出在具体某一参量下,接收机的接收性能可以达到最佳。
首先,根据以往经验或系统模型需要,确定参数值调整的范围值;然后,在该范围内不断调整扩展高斯滤波器的参数值,并对不同参数值下的接收机性能进行仿真验证;最后,根据仿真验证结果找出最佳参数,作为标准参数值。由于时频信号本身造成的ISI和衰落信道相互作用后会造成更加严重的衰落,通过调整扩展高斯滤波器的参数值,也是为了确保系统能够达到最好的干扰抵消效果。
图2为本申请实施例提供的一种不同参数值下的扩展高斯函数波形示意图。
如图2所示,左边的波形图表示在a=2时的扩展高斯函数波形,右边的波形图表示在a=0.5时的扩展高斯函数波形。波形图的横坐标表示时间轴,纵坐标表示扩展高斯函数对应的峰值。a值越大,扩展高斯函数旁瓣衰落越快,时频聚焦性越强。
S105、将FTN信号和OFDM/OQAM系统相结合,构建FTN/OQAM系统。
在本申请的一个实施例中,为进一步提高频谱利用率,OFDM/OQAM系统在选定扩展高斯滤波器作为接收机后,会将FTN信号引入至系统中,形成FTN/OQAM系统。其中,FTN/OQAM系统表示在OFDM/OQAM系统中引入FTN信号后所形成的通信系统。
图3为本申请实施例提供的一种FTN/OQAM系统框图。
如图3所示,FTN/OQAM系统对时频格点信号分别进行两路传输,在各自的传输过程中,通过逆快速傅里叶变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFI)变换,并通过滤波器组的处理后,进行信号合并并转换成串行信号。然后将FTN信号引入至传输信道中,对串行信号进行FTN处理。经过串并转换后,分别通过逆滤波器进行傅里叶变换(Fast FourierTransform,FFT)变换,并进行信道均衡处理,最终取实部再进行时频信号组合接收获取基带信号。
可以清楚的是,与传统通信系统相比,OFDM/OQAM系统将原始复数信号转化为两个时刻的实数信号发送,因此,信号发射时间间隔也就会缩短为传统通信系统的一半。在实际应用中,传统通信系统往往通过引入CP信号来消除多径效应带来的ISI和ICI,因此OFDM/OQAM系统的频谱利用率是要高于传统通信系统的。
而FTN信号之所以能够有效提升信号传输效率,是因为其缩短了码元间的传输间隔,使传输速率超过了奈奎斯特速率,但是这就违背了奈奎斯特速率准则,因此在改善信号传输性能的同时,自身也引入了ISI。本申请实施例提供的FTN/OQAM系统,它基于OFDM/OQAM系统及扩展高斯滤波器良好的时频聚焦性,能够在不引入CP信号的情况下就可抵消信号传输过程中的ISI。相较于在相同衰落信道下的CP-OFDM/QAM系统来说,FTN/OQAM系统不再需要CP来抵抗多径,这样在确保信号接收性能的同时,还能减少额外开销,提高了频带利用率。
需要说明的是,CP-OFDM/QAM系统指的是通过引入CP信号来抵抗ISI的传统通信系统。
图4为本申请实施例提供的一种FTN/OQAM系统误码性能仿真图。
如图4所示,横坐标表示比特信号能量/噪声功率谱密度,可以简单认为信号和噪声功率比的另一种换算形式,体现信号和噪声能量比值;纵坐标表示误码率,即误码/全部发送码元,是为了衡量传输可靠性。右上角标记中的τ表示加速因子,λ为衰落因子。
由图4可知,在衰落因子和加速因子相同的情况下,FTN/OQAM信号能够比通过QAM调制的信号误码性能更好,传输可靠性更高。
由此可知,传统的基于QAM调制的通信系统在引入FTN后,需要加入CP来抵消干扰,而FTN/OQAM系统利用了脉冲原型滤波器的特性,这样在保持正交性的同时还具有更高的频谱利用率,并且,通过脉冲原型滤波器来消除ISI和衰落信道的影响,进一步提高了通信系统的性能。
本申请实施例提供的一种FTN/OQAM系统设计方法,根据时频格点坐标的奇偶性,对其进行类型划分,进而根据分组类型及时频格点内积公式确定各时频格点是否具有正交性,这样,通过确保任一时频格点均与其他格点正交,可以防止在信号接收端进行时频信号采样时产生额外干扰,影响通信系统的接收性能;
通过对滤波器性能进行评估,从而选择出性能最佳的滤波器作为多径衰落信道下的接收机,能够在将FTN运用于OFDM/OQAM系统的情况下,基于该滤波器良好的时频聚焦性,在不引入冗余信号的同时,且抵消信号传输过程中产生的ISI干扰,极大节省了开销;
通过在通信系统中引入FTN信号,构建FTN/OQAM系统,不仅具备频谱效率高、抗脉冲噪声等优点,还有效提升了信号传输效率。
以上为本申请提出的方法实施例。基于同样的发明构思,本申请实施例还提供了一种FTN/OQAM系统设计设备,其结构示意图如图5所示。
图5为本申请实施例提供的一种FTN/OQAM系统设计设备结构示意图。如图5所示,设备包括处理器501、及存储器502,其上存储有可执行代码,当可执行代码被执行时,使得处理器501执行如上的一种FTN/OQAM系统设计方法。
在本申请的一个实施例中,处理器501用于基于OFDM/OQAM系统,构建OFDM/OQAM基带发送信号模型;基于OFDM/OQAM基带发送信号模型,对时频格点进行奇偶分组,确定时频格点具有正交性;确定指定的若干滤波器在OFDM/OQAM系统中运行时对应的性能参数;根据性能参数,从若干滤波器中选择标准滤波器,作为OFDM/OQAM系统中的接收机;将FTN信号和OFDM/OQAM系统相结合,构建FTN/OQAM系统。
本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其,对于设备实施例而言,由于其基本相似于方法实施例,所以描述的比较简单,相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种FTN/OQAM系统设计方法,其特征在于,所述方法包括:
基于OFDM/OQAM系统,构建OFDM/OQAM基带发送信号模型;
基于所述OFDM/OQAM基带发送信号模型,对时频格点进行奇偶分组,确定所述时频格点具有正交性;
确定指定的若干滤波器在所述OFDM/OQAM系统中运行时对应的性能参数;
根据所述性能参数,从所述若干滤波器中选择标准滤波器,作为所述OFDM/OQAM系统中的接收机;
将FTN信号和所述OFDM/OQAM系统相结合,构建FTN/OQAM系统。
4.根据权利要求3所述的一种FTN/OQAM系统设计方法,其特征在于,基于所述OFDM/OQAM基带发送信号模型,对时频格点进行奇偶分组,具体包括:
根据所述OFDM/OQAM基带发送信号模型中的基函数,确定各时频格点坐标;
根据所述时频格点的横坐标和纵坐标的奇偶性是否相同,对所述时频格点进行类型划分。
5.根据权利要求4所述的一种FTN/OQAM系统设计方法,其特征在于,确定所述时频格点具有正交性,具体包括:
确定相同类型的所述时频格点具有正交性;
针对不同类型的时频格点,根据高斯滤波器模糊函数确定各时频格点的正交性。
7.根据权利要求1所述的一种FTN/OQAM系统设计方法,其特征在于,根据所述性能参数,从所述若干滤波器中选择标准滤波器,具体包括:
根据所述性能参数和时频聚焦性,确定将所述若干滤波器中的扩展高斯滤波器,作为所述OFDM/OQAM系统对应的接收机。
8.根据权利要求7所述的一种FTN/OQAM系统设计方法,其特征在于,将FTN信号和所述OFDM/OQAM系统相结合,构建FTN/OQAM系统,具体包括:
确定接收机为所述扩展高斯滤波器的所述OFDM/OQAM系统;
在所述OFDM/OQAM系统中的时频格点信号经过逆快速傅里叶变换,并完成了所述时频格点信号的并串转换之后,将FTN信号引入至传输信道中,构建FTN/OQAM系统。
9.根据权利要求7所述的一种FTN/OQAM系统设计方法,其特征在于,从所述若干滤波器中选择标准滤波器,作为所述OFDM/OQAM系统中的接收机之后,所述方法还包括:
在预设范围内调整所述扩展高斯滤波器的参数;
针对不同参数的扩展高斯滤波器,对相应的接收机性能进行分析,并根据分析结果确定标准参数值。
10.一种FTN/OQAM系统设计设备,其特征在于,所述设备包括:
处理器;
及存储器,其上存储有可执行代码,当所述可执行代码被执行时,使得所述处理器执行如权利要求1-9任一项所述的一种FTN/OQAM系统设计方法。
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CN202110535114.6A CN113411275A (zh) | 2021-05-17 | 2021-05-17 | 一种ftn/oqam系统设计方法及设备 |
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FR2916116A1 (fr) * | 2007-05-11 | 2008-11-14 | France Telecom | Procedes d'emission et de reception d'un signal a porteuses multiples et a etalement de spectre,signal,produits programme d'ordinateur,et dispositifs d'emission et de reception correspondants. |
CN101783782A (zh) * | 2010-02-08 | 2010-07-21 | 电子科技大学 | 一种自动适应信道特性变化的上行多址接入技术 |
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2021
- 2021-05-17 CN CN202110535114.6A patent/CN113411275A/zh active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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FR2916116A1 (fr) * | 2007-05-11 | 2008-11-14 | France Telecom | Procedes d'emission et de reception d'un signal a porteuses multiples et a etalement de spectre,signal,produits programme d'ordinateur,et dispositifs d'emission et de reception correspondants. |
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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张将: "超奈奎斯特信号关键技术研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)-信息科技辑》 * |
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