CN114499687B - 一种调制格式可调的线性调频信号产生装置 - Google Patents

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Abstract

一种调制格式可调的线性调频信号产生装置，激光源输出的光载波经过光隔离器后，被光耦合器分为两路，在萨格纳克环结构中分别沿顺/逆时针方向传输；两路沿相反方向传输的光信号在不同的相位调制器中受到调制；调制后的两路光信号再次经过光耦合器合路后进入光电探测器拍频，可产生调制格式可调的线性调频信号；通过调节相位调制器的数字控制信号，即可实现在相位调制线性调频信号、频率调制线性调频信号、双波段相位调制线性调频信号、调频调相线性调频信号四种调制格式之间的切换。本发明方法控制灵活，结构简单，可应用于雷达通信一体化系统、电子战系统等重要领域。

Description

一种调制格式可调的线性调频信号产生装置
技术领域
本发明属于微波光子学、微波信号产生技术领域，具体为一种调制格式可调的线性调频信号产生装置。
背景技术
线性调频信号具有优越的脉冲压缩性能，在现代雷达系统中得到广泛应用；与此同时，作为一种扩频载波，在无线通信领域也蕴含应用前景。线性调频信号结合其他的数字调制格式将提高雷达探测的性能和赋予其无线通信的能力。例如对线性调频信号进行FSK调制，将提高其在雷达或通信应用中的抗干扰能力；对线性调频信号进行PSK调制，将提高其雷达探测的精度或者提高其通信的低截获概率。
与传统电子技术相比，微波光子技术利用光学手段实现微波信号的产生、传输、处理和控制，具有高频、宽带、低传输损耗、抗电磁干扰等优势。因此，利用微波光子技术产生线性调频信号受到了国内外科研机构的广泛研究，但针对结合其他数字调制格式的线性调频信号产生的研究相对较少。1)Rashidinejad A，Leaird D，Weiner A.“Ultrabroadbandradio-frequency arbitrary waveform generation with high-speed phase andamplitude modulation capability，”Opt Express.2015；23(9)：12265-12273中，超短光脉冲首先被分成两路，一路受到幅度和相位调制，另一路被光谱整形。随后两路光脉合为一路并进行频时映射(FTTM)和光电探测，产生可编程的相位和幅度调制线性调频信号；2)H.Deng，J.Zhang，X.Chen，and J.Yao，“Photonic Generation of a Phase-Coded ChirpMicrowave Waveform With lncreased TBWP，”IEEE Photon.Technol.Lett.，vol.29，no.17，pp.1420-1423，Sep.2017中，提出一种基于光电振荡器和偏振调制器的方案，利用光电振荡器产生两路频率间隔可调的偏振正交的光载波，随后在偏振调制器中受到电相位编码抛物线波形的调制，获得结合PSK调制的线性调频信号，最后实验验证该信号在雷达探测上的性能提高；3)X.Li，S.Zhao，G.Wang，and Y.Zhou，“Photonic Generation andApplication of a Bandwidth Multiplied Linearly Chirped Signal WithPhaseModulation Capability，”IEEE Access，vol.9，pp.82618-82629，2021中，提出一种基于双偏振正交相移键控调制器(DP-QPSKM)的倍频相位编码线性调频信号产生方案，产生信号的带宽提升了2～4倍，论文中讨论了该信号在雷达探测和隐蔽通信中的性能表现。
上述方案都存在着一定的局限性：方案(1)频时映射系统复杂，可调谐性差，并且由于使用空间分离的结构，系统具有低稳定性；方案(2)OEO链路搭建困难，振荡模式有限，难以产生高精度的LFM信号；方案(3)中的DP-QPSKM调制器受直流偏置点漂移影响较大，信号性能的稳定性不高。此外，上述方案皆无法实现多种调制格式之间的切换，应用场景受限。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种调制格式可调的线性调频信号产生装置，包括激光源1、光隔离器2、2×2光耦合器3、第一相位调制器4a、第二相位调制器4b、光电探测器7；2×2光耦合器3具有4个端口(3-1、3-2、3-3、3-4)，分别记为第一、二、三、四端口，其中，第一端口3-1和第二端口3-2为2×2光耦合器3的直通臂上的一对端口，第三端口3-3和第四端口3-4为2×2光耦合器3的耦合臂上的一对端口；激光源1输出端与光隔离器2连接；光隔离器2与2×2光耦合器3的第一端口3-1连接；2×2光耦合器3的第二端口3-2与第一相位调制器4a的输入端相连接，第一相位调制器4a的输出端与第二相位调制器4b的输出端相连接，第二相位调制器4b的输入端与2×2光耦合器3的第三端口3-3相连接，从而构成萨格纳克环结构；2×2光耦合器3的第四端口3-4与光电探测器7连接；第一相位调制器4a受到线性调频信号5的驱动，第二相位调制器4b受到数字控制信号6的驱动。
还提供一种调制格式可调的线性调频信号产生方法，其基于上述调制格式可调的线性调频信号产生装置，具体如下：
激光源1输出的线偏振光首先进入光隔离器2；光隔离器2输出的线偏振光随后经2×2光耦合器3的第一端口3-1均分为功率相等的两路，这两路线偏振光分别从2×2光耦合器3的第二端口3-2和第三端口3-3输出，并分别沿萨格纳克环的顺/逆时针方向传输；因为相位调制器的速率失配现象，顺时针传输的线偏振光只受到第一相位调制器4a的有效调制，而逆时针传输的线偏振光只受到第二相位调制器4b的有效调制，两路受调制后的线偏振光继续分别沿顺/逆时针方向传输，通过对其不起调制作用的另一个相位调制器后，再次在2×2光耦合器3中相遇，合为一路后从2×2光耦合器3的第四端口3-4输出；
假设激光源1输出的线偏振光为其中ωc表示线偏振光的角频率；假设数字控制信号6的表达式为s(t)；假设线性调频信号5是以T0为周期的重复信号；公式(1)和(2)分别表示线性调频信号5的单周期表达式以及2×2光耦合器3的第四端口3-4处的光信号表达式：
VLFM(t)＝Asin(ωt+πkt2)0≤t＜T0 (1)
其中，A和ω分别为线性调频信号5的幅度和载频，k为线性调频信号5的啁啾率；m＝πA/Vπ为第一相位调制器4a的调制指数，Vπ为第一相位调制器4a和第二相位调制器4b的半波电压；为第二相位调制器4b的调制指数，其大小受到数字控制信号6的控制；E(t)经过光电探测器7拍频后，得到的电信号如公式(3)所示：
其中，Jn(.)为n阶一类贝塞尔函数；从公式(3)能够看出，输出电信号包含有直流分量、基频分量和线性调频信号5的倍频分量；由于信号发射前端的带通特性，这里只需要考虑输出电信号中的线性调频信号5的基频分量和二倍频分量，即：
I(t)≈-J1(m)sin(ωt+πkt2)sin(θ(t))-J2(m)cos(2ωt+2πkt2)cos(θ(t)) (4)
从公式(4)知，当取不同的值时，I(t)会有不同的结果；具体总结如表1所示：
表1.I(t)的不同结果
根据表1，调整数字控制信号6的不同比特的幅度值，即可以实现输出电信号在不同的结果之间切换。
在本发明的一个实施例中，根据表1，调整数字控制信号6的不同比特的幅度值，即可以实现输出电信号在不同的结果之间切换，具体包括：
1)设置数字控制信号6为二进制比特流，令比特‘0’的幅值为0，对应于令比特‘1’的幅值为Vπ/2，对应于/>则输出电信号I(t)在线性调频信号5的基频和二倍频之间跳变，频率跳变规律受到数字控制信号6的控制，即能够在光电探测器7的输出端产生结合FSK调制的线性调频信号；
2)设置数字控制信号6为二进制比特流，令比特‘0’的幅值为0，对应于令比特‘1’的幅值为Vπ，对应于/>则输出电信号I(t)为相位存在180°跳变的二倍频线性调频信号，相位跳变规律受到数字控制信号6的控制，即能够在光电探测器7的输出端产生结合PSK调制的二倍频线性调频信号；
3)设置数字控制信号6为二进制比特流，令比特‘0’的幅值为-Vπ/4，对应于令比特‘1’的幅值为3Vπ/4，对应于/>则输出电信号I(t)为包含基频和二倍频的双波段线性调频信号，且两个波段的相位都存在180°跳变，相位跳变规律受到数字控制信号6的控制，即能够在光电探测器7的输出端产生结合PSK调制的双波段线性调频信号；
此外，令比特‘0’的幅值为-Vπ/4，令比特‘1’的幅值为Vπ/4，同样能够产生双波段线性调频信号，区别在于只有基频波段受到PSK调制，二倍频波段不受PSK调制；同理，令比特‘0’的幅值为Vπ/4，令比特‘1’的幅值为3Vπ/4，也能够产生双波段线性调频信号，区别在于基频波段不受到PSK调制，二倍频波段受到PSK调制；
4)设置数字控制信号6为四进制比特流，令比特‘0’的幅值为0，对应于令比特‘1’的幅值为Vπ/2，对应于/>令比特‘2’的幅值为Vπ，对应于/>令比特‘3’的幅值为-Vπ/2，对应于/>则输出电信号I(t)为相位存在180°跳变、频率在基频和二倍频之间跳变的线性调频信号，相位跳变和频率跳变规律受到数字控制信号6的控制，即能够在光电探测器7的输出端产生结合PSK、FSK调制的线性调频信号。
本发明利用光学方法实现调制格式可调的线性调频信号产生。相较于传统电学方法，该方案具有光学方法的一系列优势，如信号带宽大、调制速率高、抗电磁干扰等；相较于其他光学方案产生线性调频信号，该方案的主要结构仅为一个包含有两个相位调制器的萨格纳克环结构，结构简单，成本低，并且在萨格纳克环结构中相反方向传输的两路光信号经历相同的传输路径，可抵消轻微环境干扰，无传输时延差，相比于常见的平行结构的调制器稳定性更强。该产生装置可实现频率调制线性调频信号、相位调制线性调频信号、双波段相位调制线性调频信号、调频调相线性调频信号的产生，且通过调节数字控制信号的幅度值，可在几种调制格式之间灵活切换。本发明方法控制灵活，结构简单，可应用于雷达通信一体化系统、电子战系统等重要领域。
附图说明
图1为本发明的调制格式可调的线性调频信号产生装置结构示意图；
图2为结合FSK调制的线性调频信号，其中图2(a)示出时域波形图；图2(b)示出时频图；图2(c)示出解码图；
图3为结合PSK调制的二倍频线性调频信号，其中图3(a)示出时域波形图；图3(b)示出时频图；图3(c)示出解码图；
图4为结合PSK调制的双波段线性调频信号，其中图4(a)示出时域波形图；图4(b)示出时频图；图4(c)示出解码图；
图5为结合FSK调制和PSK调制的双波段线性调频信号，其中图5(a)示出时域波形图；示出(b)时频图；示出(c)解码图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
一种调制格式可调的线性调频信号产生装置，如图1所示，包括激光源1、光隔离器2、2×2光耦合器3、第一相位调制器4a、第二相位调制器4b、光电探测器7。附图标记3-1、3-2、3-3、3-4分别为2×2光耦合器3的4个端口，分别记为第一、二、三、四端口，其中，第一端口3-1和第二端口3-2为2×2光耦合器3的直通臂上的一对端口，第三端口3-3和第四端口3-4为2×2光耦合器3的耦合臂上的一对端口。激光源1输出端与光隔离器2连接；光隔离器2与2×2光耦合器3的第一端口3-1连接；2×2光耦合器3的第二端口3-2与第一相位调制器4a的输入端相连接，第一相位调制器4a的输出端与第二相位调制器4b的输出端相连接，第二相位调制器4b的输入端与2×2光耦合器3的第三端口3-3相连接，从而构成萨格纳克环结构(萨格纳克环包括2×2光耦合器3，第一相位调制器4a，第二相位调制器4b)；2×2光耦合器3的第四端口3-4与光电探测器7连接；第一相位调制器4a受到线性调频信号5的驱动，第二相位调制器4b受到数字控制信号6的驱动。
激光源1输出的线偏振光首先进入光隔离器2。光隔离器2的作用在于确保光传播的单向性，防止萨格纳克环结构中的光信号经2×2光耦合器3的第一端口3-1输出后反向进入激光源1从而对激光源1造成损害；光隔离器2输出的线偏振光随后经2×2光耦合器3的第一端口3-1均分为功率相等的两路，这两路线偏振光分别从2×2光耦合器3的第二端口3-2和第三端口3-3输出，并分别沿萨格纳克环的顺/逆时针方向传输。因为相位调制器的速率失配现象，顺时针传输的线偏振光只受到第一相位调制器4a的有效调制，而逆时针传输的线偏振光只受到第二相位调制器4b的有效调制，两路受调制后的线偏振光继续分别沿顺/逆时针方向传输，通过对其不起调制作用的另一个相位调制器后，再次在2×2光耦合器3中相遇，合为一路后从2×2光耦合器3的第四端口3-4输出。
假设激光源1输出的线偏振光为其中ωc表示线偏振光的角频率；假设数字控制信号6的表达式为s(t)；假设线性调频信号5是以T0为周期的重复信号。公式(1)和(2)分别表示线性调频信号5的单周期表达式以及2×2光耦合器3的第四端口3-4处的光信号表达式：
VLFM(t)＝Asin(ωt+πkt2)0≤t＜T0 (1)
其中，A和ω分别为线性调频信号5的幅度和载频，k为线性调频信号5的啁啾率；m＝πA/Vπ为第一相位调制器4a的调制指数，Vπ为第一相位调制器4a和第二相位调制器4b的半波电压；为第二相位调制器4b的调制指数，其大小受到数字控制信号6的控制。E(t)经过光电探测器7拍频后，得到的电信号如公式(3)所示：
其中，Jn(.)为n阶一类贝塞尔函数。从公式(3)可以看出，输出电信号包含有直流分量、基频分量和线性调频信号5的倍频分量。由于信号发射前端的带通特性，这里只需要考虑输出电信号中的线性调频信号5的基频分量和二倍频分量，即：
I(t)≈-J1(m)sin(ωt+πkt2)sin(θ(t))-J2(m)cos(2ωt+2πkt2)cos(θ(t)) (4)
从公式(4)可知，当取不同的值时，I(t)会有不同的结果。具体总结如表1所示：
表1.I(t)的不同结果
根据表1，调整数字控制信号6的不同比特的幅度值，即可以实现输出电信号在不同的结果之间切换。包括：
1)设置数字控制信号6为二进制比特流，令比特‘0’的幅值为0，对应于令比特‘1’的幅值为Vπ/2，对应于/>则输出电信号I(t)在线性调频信号5的基频和二倍频之间跳变，频率跳变规律受到数字控制信号6的控制，即可在光电探测器7的输出端(同时也是本发明装置的输出端)产生结合FSK调制的线性调频信号。
2)设置数字控制信号6为二进制比特流，令比特‘0’的幅值为0，对应于令比特‘1’的幅值为Vπ，对应于/>则输出电信号I(t)为相位存在180°跳变的二倍频线性调频信号，相位跳变规律受到数字控制信号6的控制，即可在光电探测器7的输出端产生结合PSK调制的二倍频线性调频信号。
3)设置数字控制信号6为二进制比特流，令比特‘0’的幅值为-Vπ/4，对应于令比特‘1’的幅值为3Vπ/4，对应于/>则输出电信号I(t)为包含基频和二倍频的双波段线性调频信号，且两个波段的相位都存在180°跳变，相位跳变规律受到数字控制信号6的控制，即可在光电探测器7的输出端产生结合PSK调制的双波段线性调频信号。
此外，令比特‘0’的幅值为-Vπ/4，令比特‘1’的幅值为Vπ/4，同样可产生双波段线性调频信号，区别在于只有基频波段受到PSK调制，二倍频波段不受PSK调制。同理，令比特‘0’的幅值为Vπ/4，令比特‘1’的幅值为3Vπ/4，也可产生双波段线性调频信号，区别在于基频波段不受到PSK调制，二倍频波段受到PSK调制。
4)设置数字控制信号6为四进制比特流，令比特‘0’的幅值为0，对应于令比特‘1’的幅值为Vπ/2，对应于/>令比特‘2’的幅值为Vπ，对应于/>令比特‘3’的幅值为-Vπ/2，对应于/>则输出电信号I(t)为相位存在180°跳变、频率在基频和二倍频之间跳变的线性调频信号，相位跳变和频率跳变规律受到数字控制信号6的控制，即可在光电探测器7的输出端产生结合PSK、FSK调制的线性调频信号。
为了验证本发明的有效性与可行性，结合optisystem光学仿真软件产生上述四种调制格式的线性调频信号：
设置激光源1输出的光载波频率为193.1THz，功率16dBm；设置第一、第二相位调制器4a和4b的半波电压为4V；设置线性调频信号5的载频为3GHz，啁啾率为200MHz/ns，重复周期为10ns，幅度为3.336V；设置数字控制信号6的码率为100Mbit/s；采用相干解调的方式进行解码。
将数字控制信号6设置为码型‘01001’的二进制比特流，比特‘0’的幅值为0V，比特‘1’的幅值为2V。则光电探测器7输出的电信号的时域波形图、时频图和解码图如图2(a)、(b)、(c)所示。可以看出，产生结合FSK调制的线性调频信号，在线性调频信号5的基频(3～5GHz)和二倍频(6～10GHz)之间跳变，时频图的跳变规律与数字控制信号6的码型一致。
将数字控制信号6设置为码型‘01001’的二进制比特流，比特‘0’的幅值为0V，比特‘1’的幅值为4V。则光电探测器7输出的电信号的时域波形图、时频图和解码图如图3(a)、(b)、(c)所示。可以看出，产生结合PSK调制的二倍频(6～10GHz)线性调频信号，解码图的跳变规律与数字控制信号6的码型一致。
将数字控制信号6设置为码型‘01001’的二进制比特流，比特‘0’的幅值为-1V，比特‘1’的幅值为3V。则光电探测器7输出的电信号的时域波形图、时频图和解码图如图4(a)、(b)、(c)所示。可以看出，产生结合PSK调制的双波段线性调频信号，基频和二倍频波段受到相同的相位调制，解码图的跳变规律与数字控制信号6的码型一致。
将数字控制信号6设置为码型‘01320312’的四进制比特流，比特‘0’的幅值为0V，比特‘1’的幅值为2V，比特‘2’的幅值为4V，比特‘3’的幅值为-2V。则光电探测器7输出的电信号的时域波形图、时频图和解码图如图5(a)、(b)、(c)所示。可以看出，产生结合FSK调制和PSK调制的双波段线性调频信号，解码图的跳变规律与数字控制信号6的码型一致。

Claims (3)

1.一种调制格式可调的线性调频信号产生装置，其特征在于，包括激光源(1)、光隔离器(2)、2×2光耦合器(3)、第一相位调制器(4a)、第二相位调制器(4b)、光电探测器(7)；2×2光耦合器(3)具有4个端口(3-1、3-2、3-3、3-4)，分别记为第一、二、三、四端口，其中，第一端口(3-1)和第二端口(3-2)为2×2光耦合器(3)的直通臂上的一对端口，第三端口(3-3)和第四端口(3-4)为2×2光耦合器(3)的耦合臂上的一对端口；激光源(1)输出端与光隔离器(2)连接；光隔离器(2)与2×2光耦合器(3)的第一端口(3-1)连接；2×2光耦合器(3)的第二端口(3-2)与第一相位调制器(4a)的输入端相连接，第一相位调制器(4a)的输出端与第二相位调制器(4b)的输出端相连接，第二相位调制器(4b)的输入端与2×2光耦合器(3)的第三端口(3-3)相连接，从而构成萨格纳克环结构；2×2光耦合器(3)的第四端口(3-4)与光电探测器(7)连接；第一相位调制器(4a)受到线性调频信号(5)的驱动，第二相位调制器(4b)受到数字控制信号(6)的驱动。
2.一种调制格式可调的线性调频信号产生方法，其基于权利要求1所述的调制格式可调的线性调频信号产生装置，其特征在于，具体如下：
激光源(1)输出的线偏振光首先进入光隔离器(2)；光隔离器(2)输出的线偏振光随后经2×2光耦合器(3)的第一端口(3-1)均分为功率相等的两路，这两路线偏振光分别从2×2光耦合器(3)的第二端口(3-2)和第三端口(3-3)输出，并分别沿萨格纳克环的顺/逆时针方向传输；因为相位调制器的速率失配现象，顺时针传输的线偏振光只受到第一相位调制器(4a)的有效调制，而逆时针传输的线偏振光只受到第二相位调制器(4b)的有效调制，两路受调制后的线偏振光继续分别沿顺/逆时针方向传输，通过对其不起调制作用的另一个相位调制器后，再次在2×2光耦合器(3)中相遇，合为一路后从2×2光耦合器(3)的第四端口(3-4)输出；
假设激光源(1)输出的线偏振光为其中ωc表示线偏振光的角频率；假设数字控制信号(6)的表达式为s(t)；假设线性调频信号(5)是以T0为周期的重复信号；公式(1)和(2)分别表示线性调频信号(5)的单周期表达式以及2×2光耦合器(3)的第四端口(3-4)处的光信号表达式：
VLFM(t)＝A sin(ωt+πkt2) 0≤t＜T0 (1)
其中，A和ω分别为线性调频信号(5)的幅度和载频，k为线性调频信号(5)的啁啾率；m＝πA/Vπ为第一相位调制器(4a)的调制指数，Vπ为第一相位调制器(4a)和第二相位调制器(4b)的半波电压；为第二相位调制器(4b)的调制指数，其大小受到数字控制信号(6)的控制；E(t)经过光电探测器(7)拍频后，得到的电信号如公式(3)所示：
其中，Jn(.)为n阶一类贝塞尔函数；从公式(3)能够看出，输出电信号包含有直流分量、基频分量和线性调频信号(5)的倍频分量；由于信号发射前端的带通特性，这里只需要考虑输出电信号中的线性调频信号(5)的基频分量和二倍频分量，即：
I(t)≈-J1(m)sin(ωt+πkt2)sin(θ(t))-J2(m)cos(2ωt+2πkt2)cos(θ(t)) (4)
从公式(4)知，当取不同的值时，I(t)会有不同的结果；具体总结如公式(5)所示：
根据公式(5)，调整数字控制信号(6)的不同比特的幅度值，即可以实现输出电信号在不同的结果之间切换。
3.如权利要求2所述的调制格式可调的线性调频信号产生方法，其特征在于，根据表1，调整数字控制信号(6)的不同比特的幅度值，即可以实现输出电信号在不同的结果之间切换，具体包括：
1)设置数字控制信号(6)为二进制比特流，令比特‘0’的幅值为0，对应于令比特‘1’的幅值为Vπ/2，对应于/>则输出电信号I(t)在线性调频信号(5)的基频和二倍频之间跳变，频率跳变规律受到数字控制信号(6)的控制，即能够在光电探测器(7)的输出端产生结合FSK调制的线性调频信号；
2)设置数字控制信号(6)为二进制比特流，令比特‘0’的幅值为0，对应于令比特‘1’的幅值为Vπ，对应于/>则输出电信号I(t)为相位存在180°跳变的二倍频线性调频信号，相位跳变规律受到数字控制信号(6)的控制，即能够在光电探测器(7)的输出端产生结合PSK调制的二倍频线性调频信号；
3)设置数字控制信号(6)为二进制比特流，令比特‘0’的幅值为-Vπ/4，对应于令比特‘1’的幅值为3Vπ/4，对应于/>则输出电信号I(t)为包含基频和二倍频的双波段线性调频信号，且两个波段的相位都存在180°跳变，相位跳变规律受到数字控制信号(6)的控制，即能够在光电探测器(7)的输出端产生结合PSK调制的双波段线性调频信号；
此外，令比特‘0’的幅值为-Vπ/4，令比特‘1’的幅值为Vπ/4，同样能够产生双波段线性调频信号，区别在于只有基频波段受到PSK调制，二倍频波段不受PSK调制；同理，令比特‘0’的幅值为Vπ/4，令比特‘1’的幅值为3Vπ/4，也能够产生双波段线性调频信号，区别在于基频波段不受到PSK调制，二倍频波段受到PSK调制；
4)设置数字控制信号(6)为四进制比特流，令比特‘0’的幅值为0，对应于令比特‘1’的幅值为Vπ/2，对应于/>令比特‘2’的幅值为Vπ，对应于/>令比特‘3’的幅值为-Vπ/2，对应于/>则输出电信号I(t)为相位存在180°跳变、频率在基频和二倍频之间跳变的线性调频信号，相位跳变和频率跳变规律受到数字控制信号(6)的控制，即能够在光电探测器(7)的输出端产生结合PSK、FSK调制的线性调频信号。
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