CN1642027A - 400m 公共频段数字对讲机及其实现通讯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种400MHz公共频段数字对讲机,包括语音收发电路、射频收发电路、控制电路、电源电路、数字语音处理模块,所述数字语音处理模块分别与控制电路、语音收发电路、电源电路相连接,并通过模数转换电路与射频收发电路相连接。利用前述数字对讲机实现通讯的方法,主要是利用数字语音处理模块对基带模拟语音信号进行数字处理,产生数字基带发射信号,再经数模转换产生输出模拟调制信号提供给射频收发电路;以及对基带解调信号进行模数转换,产生数字基带接收信号,对其处理得到数字语音信号,再经数模转换成模拟基带语音信号,提供给扬声器。本发明具有抗干扰性强、通话质量好、频谱利用率高、功耗低、集成程度高、功能升级扩展容易等优点。
Description
技术领域
本发明涉及通信和信号处理以及软件无线电技术领域,特别涉及一种工作于400MHz公共频段(409.75MHz~409.9875MHz)的数字对讲机及其实现通讯的方法。
背景技术
目前,我国的对讲机市场仍然是模拟式对讲机占主导地位。现有的模拟对讲机存在许多缺点与不足:其一,模拟对讲机传送的是模拟信号,信号处理方式简单,消耗功率较大,不能有效地消除干扰及噪声的影响,导致许多情况下通话质量不能令人满意;其二,模拟对讲机的频率利用率不高,信道容量低。我国信息产业部无线电管理局在2001年规定的公众对讲机业务公共频段为409.75MHz~409.9875MHz,在此范围之间有20对频率,每个信道占用的频带宽度为12.5kHz。目前市场上的模拟对讲机除了400M频段的,还有150M,430M等,但后面的这些频段都容易对其它系统形成干扰,使用范围有所限制;其三,模拟对讲机保密性差,容易被窃听。
我国目前还没有真正的数字对讲机标准。相关的数字对讲(集群)标准主要有美国的IDEN及欧洲的TETRA等。这些标准都占用新的无线频率资源,工作频率较高(800MHz),而且都需要基站的支持。与常规的对讲机系统相比,这些数字系统更复杂,成本也更高,适合于一些高端的应用,并且它们的核心技术都掌握在外国公司手中,所以较难应用于国内数字对讲机,特别是中、低端产品的研发、生产、制造中。为此,开发一种通话质量高、抗干扰性好、制造成本低,适合大规模推广应用的数字对讲机具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点,用数字软件无线电技术代替现有模拟对讲机的核心处理部分,提供一种工作于400M公共频段的数字对讲机。本发明的通话质量、抗干扰性等指标大大优于现有模拟对讲机,成本上也只是略有增加,是现有模拟对讲机很好的升级,甚至是它们的替代产品。
本发明的另一目的在于提供一种上述数字对讲机的实现通讯的方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现:本400MHz公共频段(409.75MHz~409.9875MHz)数字对讲机包括语音收发电路,射频收发电路、控制电路、CTCSS(Continuous Tone Controlled Squelch System,连续语音控制静噪系统,简称“亚音频”)电路、接口电路、显示电路、键盘输入电路、电源电路,其特征在于:还包括数字语音处理模块(Digital SpeechProcessor,简称“DSP”),所述数字语音处理模块分别与控制电路、电源电路相连接,并通过模数、数模转换电路分别与射频收发电路、语音收发电路相连接。本数字语音处理模块用软件实现语音编码/解码、纠错编码/解码电路、数字调制/解调等核心处理算法,是实现本发明目的的最重要的软件无线电技术。
所述数字语音处理模块由核心芯片(DSP Code Chip,简称“DSPCC”)及相应外围配置电路连接组成。
所述控制电路由微控制器芯片(Micro Control Unit,简称“MCU”或“单片机”)与相应外围配置电路相连接组成。
所述射频收发电路由射频芯片与相应外围配置电路相连接组成,其芯片内的频率合成器可由MCU进行控制调节以实现信道的选取转接。
所述语音收发电路由语音收发芯片连接相应外围配置电路组成,主要负责完成语音的模数转换和数模转换。
所述数字语音处理模块与控制电路、语音收发电路、接口电路、模数转换电路、电源电路的具体连接方式为:1)DSP与控制电路的MCU的数据通信口和中断口相连实现DSP和MCU的通信和控制;2)DSP通过数据线和控制线与语音收发电路的数据通信口及控制口相连,实现两者之间的数据通信以及DSP控制语音收发芯片;3)DSP通过数据线和控制线与接口芯片的数据通信口和控制口相连,实现两者的通信以及DSP控制接口芯片;4)DSP通过数据线和控制线与显示器芯片的数据通信口和控制口相连,实现DSP输出数据到显示器芯片以及控制显示器芯片;5)DSP通过数据线和控制线与模数转换/数模转换芯片的数据通信口和控制口相连,实现两者的通信以及DSP控制模数转换/数模转换芯片;6)DSP通过电源线与电源电路相连。
利用上述400MHz公共频段数字对讲机实现通讯的方法包括下述步骤:利用数字语音处理模块对基带信号进行数字处理,其一是对从来自麦克风的300~400Hz的模拟基带语音信号进行模数转换,产生数字语音信号,对其进行压缩编码、信道编码、数字调制产生数字基带发射信号,再经数模转换产生输出为0~4750Hz的模拟调制信号提供给射频收发电路;其二是对由射频收发电路进行射频解调后得到的基带解调信号进行模数转换,产生数字基带接收信号,对其进行数字信道均衡、数字解调、信道解码及信源解码,得到数字语音信号,再经数模转换产生300~3400Hz的模拟基带语音信号,提供给扬声器。
所述数字语音处理模块对输入的300~3400Hz语音模拟信号进行采样,采样频率为8000/秒;每个采样点用12~16位二进制数表示;所述数字语音处理模块采用改进型代数码激励线性预测技术对采样后的数字语音进行压缩编码,编码后的语音信号码率为4.75kbps。
所述数字语音处理模块采用信号、信令复用技术,把压缩后的4.75kbps语音数字信号与对讲机之间所有的信令信号组合成一个单一的数字信号,组合后的数字信号码率为5.15kbps;其复用方式的特征如下:语音信号占用4.75k的带宽,其他信号占用0.4k的带宽,其中:训练序列占用0.1的带宽,用于估计信道状况和协助同步;对讲机相互通信所需的信令占用0.2k的带宽;其他的0.1k带宽被保留,以备以后功能扩展的需要。
所述数字语音处理模块采用线性分组码技术,对组合后的5.15kbps数字信号进行信道编码;编码方式特征如下:组合后的二进制序列首先被映射成六进制序列,每258个二进制符号为一组,被转换成43个六进制符号,利用RS(63,43)信道编码技术得到63个六进制符号,再转换成378个二进制符号。最终编码后的码率为7.545kbps。
所述数字语音处理模块对信道编码后的数字信号进行正交频分复用调制(Orthogonal Frequency Division Multiplex,简称“OFDM”),把该数字信号调制成低频模拟信号。其调制方式特征如下:OFDM的目标频带是8kHz,子载波间隔是250Hz,子载波数为8K/250=32;信道编码后的二进制序列经四相相移键控(Quaternary Phase Shift Keying,简称“QPSK”)映射变成四进制序列,每189个四进制符号加一个0符号组成190个符号,这190个符号分10次进行OFDM调制,每次调制占用19个子载波,调制后的模拟信号带宽为0~4750Hz。
所述数字语音处理模块把调制后的低频模拟信号送到射频收发电路。
所述射频收发电路,可以兼容现有的工作于400MHz频段的模拟对讲机的射频收发电路;即对讲机之间的无线工作频点是409.75MHz~409.9875MHz,信道间隔为12.5kHz,共20个信道。
特别地,可对现有模拟对讲机的电路进行改造得到本发明数字对讲机(现有模拟对讲机一般由语音收发电路,射频收发电路、控制电路、存储电路、CTCSS电路、LCD显示电路、键盘输入电路,电源电路组成);其改造的特征如下:(1)在现有模拟对讲机的语音收发电路和射频收发电路中间加入数字语音处理模块。该模块把语音收发电路产生的模拟语音信号经数字处理后产生模拟调制信号发送到射频收发电路,同时把射频收发电路产生的调制信号经数字处理后产生语音模拟信号送到语音收发电路。(2)该数字语音处理模块和控制电路相连接,控制电路产生的信令被送到该数字语音处理模块,并与数字语音组合成单一的数字信号。经改造后得到的数字对讲机之间传输的基带信号不是原始的语音信号,而是经过数字处理后的基带调制信号。
本发明的作用过程如下:(1)当对讲机系统加电启动时,对讲机的控制电路控制各个电路进行初始化然后进入初始待机检测控制状态,检测外部中断,准备呼叫其它对讲机或接听其它对讲机的呼叫。(2)当接收到外部中断(呼叫命令)时,准备建立起通信链路。(3)当通信链路成功建立并进入通话工作状态后,相应的电路也开始工作,控制电路控制通信的维持和完成其他一些控制功能,而专用数字语音处理模块则在控制电路的控制下进行数字语音收发和处理。(4)当接收到终止发送的中断后,控制电路将控制其他电路一起结束发送,然后进入最初的初始待机检测控制状态,开始收听操作或者进入下一轮通信循环。
本发明相对现有技术具有如下的优点及效果:(1)本发明采用了我国2001年信息产业部无线电管理局规定的对讲机业务公共频带,可节约宝贵的频谱资源;同时,由于是工作于公共频段,只要发射功率等技术参数符合无线电管理局的相关要求,免交频率占用费,降低了系统的成本;同时本发明对所需元器件及生产测试设备的要求也大大降低,生产成本亦较低。
2、本发明综合语音编码、信道编码、数字调制解调、数字信道估计和均衡等最新数字信号处理技术于一体,并采用了自主开发的将信源编码、信道编码和调制均衡结合起来的新理论和联合算法,且采用单片集成电路芯片实现,具有抗干扰性强、通话质量好、保密性好、频谱利用率高、体积小、功耗低、集成程度高、功能升级扩展容易等优点。
3、本发明采用帧结构的信号形式,每帧数据中包括语音及少量的数字信令,方便实现系统定时、同步等。
附图说明
图1是本发明的电路方框图。
图2、图3、图4是本发明的电路原理图。
图5是本发明的MCU芯片工作控制的软件处理流程图。
图6是本发明的数字语音处理模块的软件处理流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1~图4所示,本发明一种工作于400M公共频段的数字对讲机的电路部分由控制电路、专用数字语音处理模块、射频收发电路、CTCSS电路、语音收发电路、存储电路、显示电路、键盘输入电路、模数转换电路、接口电路以及电源电路相互电气连接组成。
其中,控制电路分别与专用数字语音处理模块、射频收发电路、键盘输入电路、存储电路、显示电路、CTCSS电路、电源电路相互电气连接:1)控制电路通过数据线和控制线分别将MCU与数字语音处理模块的数据通信口和中断口相连,实现MCU和DSCM的通信和控制;2)控制电路通过收发控制单元将MCU的数据通信口与射频芯片的编程输入控制口相连,实现MCU输入控制射频芯片调制收发频率以及发送还是接收的选择;3)控制电路通过数据线将MCU的数据通信口与矩形键盘输入电路各个按点相连,实现MCU接收键盘输入数据;4)控制电路接受键盘的输入,并将一些系统状态通过LCD显示;5)通过地址线和数据线与存储器芯片的地址口和数据读写口相连,实现两者的数据交换;6)控制电路通过电源线与电源电路相连。
DSP分别与控制电路、语音收发电路、接口电路、模数转换电路、电源电路相互电气连接:1)DSP与MCU的数据通信口和中断口相连,实现DSP和MCU的通信和控制;2)DSP通过数据线和控制线与语音收发电路的数据通信口及控制口相连,实现两者之间的数据通信以及DSP控制语音收发芯片;3)DSP通过数据线和控制线与接口芯片的数据通信口和控制口相连,实现两者的通信以及DSP控制接口芯片;4)DSP通过数据线和控制线与显示器芯片的数据通信口和控制口相连,实现DSP输出数据到显示器芯片以及控制显示器芯片;5)DSP通过数据线和控制线与模数转换/数模转换芯片的数据通信口和控制口相连,实现两者的通信以及DSP控制模数转换/数模转换芯片;6)DSP通过电源线与电源电路相连。
射频收发电路分别与控制电路、模数转换电路、电源电路相互电气连接,并与天线连接:1)射频收发电路通过数据线将射频芯片的编程输入控制口与MCU的数据通信口相连,实现MCU输入控制射频芯片选取收发信道;2)射频收发电路通过数据线将射频芯片与模数转换/数模转换芯片的数据通信口相连,实现两者数据交换;3)射频收发电路通过电源线与电源电路相连。
图1中所述的控制电路可由微控制器芯片MCU及相应外围配置电路组成,本发明中采用的是PIC16C73B;PIC16C73B是一款8bit精简指令集的低功耗微处理器,它采用了高速CMOS技术,片内集成了:看门狗(WDT)、8K的片内ROM、1.1K的片内RAM、可编程的实时时钟/计数器、有非常快的运行速度;并有多种工作模式,支持省电模式;有9个中断源,包括4个外部中断以及5个内部中断。在本发明中,MCU主要完成的功能包括:接受键盘阵列的输入、控制LCD的输出及控制通过过程(发送、接收)。
数字语音处理模块所采用的主要芯片是TI公司的TMS320C549数字信号处理器(DSP);TMS320C549是一款采用了静态CMOS技术的16-bit高性能DSP。它采用的是哈佛总线构架,能快速响应中断并做相应的处理,内部时钟达100MHz,内部嵌有128K字的RAM,支持SPI、McBSP等接口,外部存储器寻址的空间达1M。在本发明中,该DSP主要用来完成基带语音的数字处理:发送时,对采样量后的语音进行通过信源编码、信道编码、基带调制、打包装帧等;接收时,进行解帧解调、信道解码、信源解码等处理,然后送入到语音收发电路。
射频收发电路一方面将天线接收到的高频信号处理得到低频基带语音信号;另一方面,将输入的低频语音信号调制到400MHz的载波上发射出去。接收时,采用二次变频超外差方式,从天线输入的信号经过收发转换电路和带通滤波器后进行射频放大,再经过带通滤波器,进入一混频,将来自射频的放大信号与来自锁相环频率合成器电路的第一本振信号在第一混频器处混频并生成第一中频信号。第一中频信号通过晶体滤波器进一步消除邻道的杂波信号。滤波后的第一中频信号进入中频处理芯片,与第二本振信号再次混频生成第二中频信号,第二中频信号通过一个陶瓷滤波器滤除无用杂散信号后,被放大和鉴频,产生音频信号。发送时,通过锁相环和压控振荡器(VCO)产生发射的射频载波信号,经过缓冲放大、激励放大、功放,产生额定的射频功率,经过天线低通滤波器,抑制谐波成分,然后通过天线发射出去。
CTCSS(Continuous Tone Controlled Squelch System,连续语音控制静噪系统,简称“亚音频”)是一种将低于音频频率的频率(67Hz~250.3Hz)附加在音频信号中一起传输的技术,因其频率范围在标准音频以下故称为亚音频。当对讲机对接收信号进行解调后,亚音频信号经过滤波、整形,输入到MCU中,与本机设定的CTCSS进行比较,从而决定是否开启静音。本发明中采用的是软解码CTCSS,即:结合运放电路,通过软件来实现CTCSS编解码。
电源电路部分用分立元件组合构成,产生各个所需的电压以使得整个系统正常工作。
MCU芯片工作控制的软件处理流程如图5所示,左边描述了发送时的处理流程,而右边描述的是接收时的处理流程。
发送时,首先要预设置:主要是选择通信的信道(发送的频率)及相应的CTCSS码字(从1~38个码字中选择一个),在这过程中,MCU根据用户的操作做相应的选择及处理。当用户按下发送(呼出)按钮后,系统将按选定的信道向外呼出(发送语音)。在通话的过程中,数字语音处理模块进行语音的基带处理,而MCU模块控制整个系统的运行。当用户松开发送(呼出)按钮后,系统退出发送状态,准备接收(收听)对方发过来的语音或者结束整个通话过程。
在某次通信过程中的第一次接收时,首先要进行频道搜索:可以按事先通信双方的约定,直接将对讲机设置为约定好的信道;若不知道,也可以由对讲机来搜索信道,搜索过程在MCU的控制下完成。之后,开始接听对方的通话。本方要说话时,则要按下发送(呼出)按钮,开始发送的过程。要注意的是,由于采用的是单工通信的方式,一次通话过程中,只采用了一个信道,双方轮流发送,因此任意时刻只允许一方发送。某一时刻是发送还是接收,同样是由MCU来控制的。
数字语音处理模块的软件处理流程如图6所示,左边是信号发的流程图,右边是信号收的流程图。从左图可看出:基带数字信号后进入DSP,在DSP里将依次进行信源压缩编码、信道纠错编码、加扰加密、组包成帧、基带调制(由于采用软件无线电技术,基带调制也是由DSP完成);将基带调制后的数字信号通过DAC变成模拟信号,再送至射频模块进行载波调制,然后发射出去。从右图可看出:天线接收到的高频信号经射频接收电路去载波后送入到ADC进行抽样量化得到基带数字信号,将此数字信号送入DSP里依次进行基带解调(包括纠错判决反馈自适应均衡处理)、解包卸帧、去扰解密、信道纠错解码、信源语音解码;将最后得到的数字语音信号送入到语音发送电路(内含DAC),转换成模拟信号送往话筒发出语音。
在本发明的数字语音通信处理程序算法里,对输入的300~3400Hz语音模拟信号进行采样,采样频率为8000/秒;每个采样点用12~16位二进制数表示。所述数字语音处理模块采用改进型代数码激励线性预测技术对采样后的数字语音进行压缩编码,编码后的语音信号码率为4.75kbps。
接下来,采用信号、信令复用技术,把压缩后的4.75kbps语音数字信号和对讲机之间所有的信令信号组合成一个单一的数字信号,组合后的数字信号码率为5.15kbps;其复用方式的特征如下:语音信号占用4.75k的带宽,其他信号占用0.4k的带宽,其中:训练序列占用0.1的带宽,用于估计信道状况和协助同步;对讲机相互通信所需的信令占用0.2k的带宽;其他的0.1k带宽被保留,以备以后功能扩展的需要。
信道纠错编码采用线性分组码,对组合后的5.15kbps数字信号进行信道编码。编码方式特征如下:组合后的二进制序列首先被映射成六进制序列。每258个二进制符号为一组,被转换成43个六进制符号,利用RS(63,43)信道编码技术得到63个六进制符号,再转换成378个二进制符号;最终编码后的码率为7.545kbps。
而调制方式则采用了正交频分复用(OFDM)技术,对信道编码后的数字信号进行调制,把该数字信号调制成低频模拟信号。其调制方式特征如下:OFDM的目标频带是8kHz,子载波间隔是250Hz,子载波数为8K/250=32。信道编码后的二进制序列经QPSK映射变成四进制序列,每189个四进制符号加一个0符号组成190个符号,这190个符号分10次进行OFDM调制,每次调制占用19个子载波,调制后的模拟信号带宽为0~4750Hz。
信道均衡自适应算法采用了递归最小二乘法(RLS)。
本发明由于是基于数字化设计,具有通话质量好、频谱利用率高、抗干扰性强、保密性好、体积小、功耗低、集成程度高、产品更新换代及功能扩展容易等优点,是目前400MHZ公共频段模拟对讲机很好的替代产品。本发明集语音压缩、信道纠错编码、数字调制解调、信道估计和均衡、错误隐藏、软件无线电等多种数字信息处理技术于一体,能够在我国400MHZ公共频段范围内达到较高的通话质量。
Claims (10)
1、一种400MHz公共频段数字对讲机,包括语音收发电路,射频收发电路、控制电路、CTCSS电路、接口电路、显示电路、键盘输入电路、电源电路,其特征在于:包含数字语音处理模块,所述数字语音处理模块分别与控制电路、电源电路相连接,并通过模数、数模转换电路分别与射频收发电路、语音收发电路相连接。
2、根据权利要求1所述的400MHz公共频段数字对讲机,其特征在于:所述数字语音处理模块由核心芯片与相应外围配置电路连接组成。
3、根据权利要求1所述的400MHz公共频段数字对讲机,其特征在于:所述控制电路由微控制器芯片与相应外围配置电路相连接组成;所述射频收发电路由射频芯片与相应外围配置电路相连接组成;所述语音收发电路由语音收发芯片连接相应外围配置电路组成。
4、根据权利要求1所述的400MHz公共频段数字对讲机,其特征在于:所述数字语音处理模块与控制电路、语音收发电路、接口电路、模数转换电路、电源电路的具体连接方式为:1)DSP与控制电路的MCU的数据通信口和中断口相连实现DSP和MCU的通信和控制;2)DSP通过数据线和控制线与语音收发电路的数据通信口及控制口相连,实现两者之间的数据通信以及DSP控制语音收发芯片;3)DSP通过数据线和控制线与接口芯片的数据通信口和控制口相连,实现两者的通信以及DSP控制接口芯片;4)DSP通过数据线和控制线与显示器芯片的数据通信口和控制口相连,实现DSP输出数据到显示器芯片以及控制显示器芯片;5)DSP通过数据线和控制线与模数转换/数模转换芯片的数据通信口和控制口相连,实现两者的通信以及DSP控制模数转换/数模转换芯片;6)DSP通过电源线与电源电路相连。
5、根据权利要求1~4任一项所述的400MHz公共频段数字对讲机实现通讯的方法,其特征在于:利用数字语音处理模块对基带信号进行数字处理,其一是对从来自麦克风的300~400Hz的模拟基带语音信号进行模数转换,产生数字语音信号,对其进行压缩编码、信道编码、数字调制产生数字基带发射信号,再经数模转换产生输出为0~4750Hz的模拟调制信号提供给射频收发电路;其二是对由射频收发电路进行射频解调后得到的基带解调信号进行模数转换,产生数字基带接收信号,对其进行数字信道均衡、数字解调、信道解码及信源解码,得到数字语音信号,再经数模转换产生300~3400Hz的模拟基带语音信号,提供给扬声器。
6、根据权利要求5所述的400MHz公共频段数字对讲机实现通讯的方法,其特征在于:所述数字语音处理模块对输入的300~3400Hz语音模拟信号进行采样,采样频率为8000/秒;每个采样点用12~16位二进制数表示;所述数字语音处理模块采用改进型代数码激励线性预测技术对采样后的数字语音进行压缩编码,编码后的语音信号码率为4.75kbps。
7、根据权利要求6所述的400MHz公共频段数字对讲机实现通讯的方法,其特征在于:所述数字语音处理模块采用信号、信令复用技术,把压缩后的4.75kbps语音数字信号与对讲机之间所有的信令信号组合成一个单一的数字信号,组合后的数字信号码率为5.15kbps;其复用方式的特征如下:语音信号占用4.75k的带宽,其他信号占用0.4k的带宽,其中:训练序列占用0.1的带宽,用于估计信道状况和协助同步;对讲机相互通信所需的信令占用0.2k的带宽;其他的0.1k带宽被保留,以备以后功能扩展的需要。
8、根据权利要求7所述的400MHz公共频段数字对讲机实现通讯的方法,其特征在于:所述数字语音处理模块采用线性分组码技术,对组合后的5.15kbps数字信号进行信道编码;编码方式特征如下:组合后的二进制序列首先被映射成六进制序列,每258个二进制符号为一组,被转换成43个六进制符号,利用RS(63,43)信道编码技术得到63个六进制符号,再转换成378个二进制符号。最终编码后的码率为7.545kbps。
9、根据权利要求8所述的400MHz公共频段数字对讲机实现通讯的方法,其特征在于:所述数字语音处理模块对信道编码后的数字信号进行正交频分复用调制,把该数字信号调制成低频模拟信号;其调制方式特征如下:OFDM的目标频带是8kHz,子载波间隔是250Hz,子载波数为8K/250=32;信道编码后的二进制序列经QPSK映射变成四进制序列,每189个四进制符号加一个0符号组成190个符号,这190个符号分10次进行OFDM调制,每次调制占用19个子载波,调制后的模拟信号带宽为0~4750Hz;所述数字语音处理模块把调制后的低频模拟信号送到射频收发电路。
10、根据权利要求5所述的400MHz公共频段数字对讲机实现通讯的方法,其特征在于:所述射频收发电路兼容现有的工作于400MHz频段的模拟对讲机的射频收发电路,对讲机之间的无线工作频点是409.75MHz~409.9875MHz,信道间隔为12.5kHz,共20个信道。
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