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文檔簡介
1、第一章:噪聲與干擾第一章:噪聲與干擾 鄧鄧 鋼鋼GG內(nèi)容提要內(nèi)容提要內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲( (噪聲噪聲) ):由電路內(nèi)部產(chǎn):由電路內(nèi)部產(chǎn)生生噪聲和干擾泛指除有用信號以外噪聲和干擾泛指除有用信號以外的其他一切無用信號,將極大影的其他一切無用信號,將極大影響電子設(shè)備的性能指標(biāo):響電子設(shè)備的性能指標(biāo):外部噪聲外部噪聲( (干擾干擾) ):來自電路外部:來自電路外部本章主要討論自然噪聲:本章主要討論自然噪聲:噪聲的來源和特點噪聲的來源和特點噪聲的表示和計算噪聲的表示和計算干擾和噪聲都具有隨機性干擾和噪聲都具有隨機性電阻熱噪聲的來源與特點電阻熱噪聲的來源與特點由電阻內(nèi)部的自由電子無規(guī)則的由電阻內(nèi)部的自由電子
2、無規(guī)則的熱運動產(chǎn)生,又稱為起伏噪聲:熱運動產(chǎn)生,又稱為起伏噪聲:是許多持續(xù)時間極短的脈沖電流疊是許多持續(xù)時間極短的脈沖電流疊加的結(jié)果加的結(jié)果長時看總和為零,但在每一瞬時電長時看總和為零,但在每一瞬時電流在某一方向都有一定數(shù)值流在某一方向都有一定數(shù)值頻率范圍很寬,可認(rèn)為是頻率范圍很寬,可認(rèn)為是“白白噪聲噪聲”電阻熱噪聲的大小電阻熱噪聲的大小( (一一) )噪聲電壓的均方值:噪聲電壓的均方值:2201lim( )TnnTee t dtT可看做是噪聲電壓在單位電阻上消耗的可看做是噪聲電壓在單位電阻上消耗的平均功率平均功率功率譜密度功率譜密度 :單位頻帶內(nèi)的功:單位頻帶內(nèi)的功率率( )S f電阻熱噪聲
3、電壓的功率譜密度:電阻熱噪聲電壓的功率譜密度:( )4(/)S fkTR WHz231.38 10/kJK波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù)T T為熱力學(xué)溫度為熱力學(xué)溫度R R為電阻的阻值為電阻的阻值11()( )fffPfS f df電阻熱噪聲的大小電阻熱噪聲的大小( (二二) )( )4(/)S fkTR WHz若系統(tǒng)工作頻帶若系統(tǒng)工作頻帶( (或測量噪聲功率或測量噪聲功率時的頻帶寬度時的頻帶寬度) )為為 ,則電阻熱噪,則電阻熱噪聲的均方值為:聲的均方值為:f24nekTR f有效值為:有效值為:24nnEekTR f實際電路中實際電路中的電阻建模的電阻建模形式:形式:24/nikT fR例題例題
4、放大器的工作帶寬為放大器的工作帶寬為2MHz2MHz,信號源,信號源電阻為電阻為 ,當(dāng)工作溫度為,當(dāng)工作溫度為 ,電,電壓增益為壓增益為 ,輸入信號有效值為,輸入信號有效值為 時,試計算輸出信號中有用信號和噪時,試計算輸出信號中有用信號和噪聲的有效值,假定放大器所產(chǎn)生的噪聲的有效值,假定放大器所產(chǎn)生的噪聲及其它噪聲可以忽略聲及其它噪聲可以忽略20027 C2005 V23644 1.38 10300 2 102002.57niVkTR fV 200 51200 2.570.514oinoniVA VmVVA VmV關(guān)于關(guān)于dBdB、dBmdBm等的說明等的說明( )10( )10()20log
5、()10logv iv ippAdBAA dBAdBdB代表相對大小代表相對大小10(,)10log1,1APA dBm dBWmW WdBmdBm等代表等代表絕對大小絕對大小1030mWdBmdBW 3_, 13_mWdBmdBWdBmmW010_dBmdB10_1mWdBmW電阻熱噪聲的電阻熱噪聲的額定噪聲功率額定噪聲功率當(dāng)噪聲源的負(fù)載與其當(dāng)噪聲源的負(fù)載與其內(nèi)阻匹配時,噪聲源內(nèi)阻匹配時,噪聲源能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率傳能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率傳輸輸LRR對于實數(shù)阻抗網(wǎng)絡(luò)來對于實數(shù)阻抗網(wǎng)絡(luò)來說,當(dāng)說,當(dāng) 時,時,nPkT f額定噪聲功率:額定噪聲功率:僅與噪聲源本身有關(guān),與負(fù)載無關(guān),表僅與噪聲源本身有關(guān),與
6、負(fù)載無關(guān),表示噪聲源輸出功率的最大能力示噪聲源輸出功率的最大能力與電阻本身的大小無關(guān),僅與溫度和系與電阻本身的大小無關(guān),僅與溫度和系統(tǒng)帶寬有關(guān)統(tǒng)帶寬有關(guān)2/ 4MSSPVR例題例題以下關(guān)于電阻額定噪聲功率的描述中正確的為以下關(guān)于電阻額定噪聲功率的描述中正確的為_。A.A.電阻的額定噪聲功率受到其溫度的影響電阻的額定噪聲功率受到其溫度的影響B(tài).B.電阻的額定噪聲功率受到其阻值的影響電阻的額定噪聲功率受到其阻值的影響C.C.電阻的額定噪聲功率僅由其負(fù)載值大小決定電阻的額定噪聲功率僅由其負(fù)載值大小決定D.D.電阻的額定噪聲功率僅由測量帶寬大小決定電阻的額定噪聲功率僅由測量帶寬大小決定A A設(shè)設(shè)溫度為
7、溫度為2727,測量帶寬為測量帶寬為2MHz2MHz,則,則1M1M電阻電阻的的額定噪聲功率為額定噪聲功率為_W=_mW _W=_mW =_dBm=_dBm;若其他條件不變而將電阻值;若其他條件不變而將電阻值改為改為10M10M,此時的此時的額定噪聲功率為額定噪聲功率為_W=_mW =_dBm_W=_mW =_dBm。(k=1.38k=1.38* *1010-23-23J/KJ/K)8.288.28* *1010-15-158.288.28* *1010-12-12-110.8-110.8等效噪聲帶寬等效噪聲帶寬請自行閱讀課本請自行閱讀課本電抗元件的熱噪聲?電抗元件的熱噪聲?理想電抗元件不產(chǎn)生
8、熱噪聲理想電抗元件不產(chǎn)生熱噪聲實際的電感和電容,由于存在一實際的電感和電容,由于存在一定的損耗電阻或漏電導(dǎo),而被認(rèn)定的損耗電阻或漏電導(dǎo),而被認(rèn)為是有噪元件為是有噪元件電感的損耗電阻一般不能忽略電感的損耗電阻一般不能忽略電容的損耗電阻通??梢院雎噪娙莸膿p耗電阻通常可以忽略晶體管的噪聲晶體管的噪聲( (一一) )晶體管噪聲的來源有如下四種:晶體管噪聲的來源有如下四種:熱噪聲熱噪聲晶體管三個區(qū)的體電阻和引線電阻均會晶體管三個區(qū)的體電阻和引線電阻均會產(chǎn)生熱噪聲。其中產(chǎn)生熱噪聲。其中 為主要噪聲源為主要噪聲源bbr散粒噪聲散粒噪聲( (散彈噪聲散彈噪聲) )由于載流子隨機通過由于載流子隨機通過PNPN結(jié)
9、,使得不同的結(jié),使得不同的瞬間發(fā)射極或集電極電流在平均值上下瞬間發(fā)射極或集電極電流在平均值上下作不規(guī)則的起伏變化而形成作不規(guī)則的起伏變化而形成0( )2ISfqI其電流功率譜密度為:其電流功率譜密度為:散粒噪聲也是與頻率無關(guān)的白噪聲,但散粒噪聲也是與頻率無關(guān)的白噪聲,但其大小與平均電流值其大小與平均電流值 成正比。故在低成正比。故在低噪聲放大器中,第一級的工作電流設(shè)計噪聲放大器中,第一級的工作電流設(shè)計得較小得較小0I b er ?晶體管的噪聲晶體管的噪聲( (二二) )分配噪聲分配噪聲由于載流子在基區(qū)復(fù)合的隨機性,造成由于載流子在基區(qū)復(fù)合的隨機性,造成集電極電流和基極電流的隨機波動而引集電極電
10、流和基極電流的隨機波動而引起的噪聲,也是電流噪聲起的噪聲,也是電流噪聲低頻噪聲低頻噪聲包括閃爍噪聲包括閃爍噪聲( ( 噪聲噪聲) )及爆裂噪聲,及爆裂噪聲,通常與晶體管表面狀態(tài)或內(nèi)部缺陷有關(guān)通常與晶體管表面狀態(tài)或內(nèi)部缺陷有關(guān)1/ f閃爍噪聲的特點是在低頻閃爍噪聲的特點是在低頻( (幾千赫以下幾千赫以下) )區(qū)域,其噪聲強度顯著增加,且隨頻率區(qū)域,其噪聲強度顯著增加,且隨頻率降低而升高,大體上與頻率成反比降低而升高,大體上與頻率成反比工作頻率越高,分配噪聲越大工作頻率越高,分配噪聲越大閃爍噪聲是低頻電子線路的主要噪聲源,閃爍噪聲是低頻電子線路的主要噪聲源,也存在于其它元器件中也存在于其它元器件中
11、場效應(yīng)管的噪聲場效應(yīng)管的噪聲溝道熱噪聲溝道熱噪聲由導(dǎo)電溝道中多子不規(guī)則的熱運動而產(chǎn)由導(dǎo)電溝道中多子不規(guī)則的熱運動而產(chǎn)生,是場效應(yīng)管的主要噪聲源生,是場效應(yīng)管的主要噪聲源柵極感應(yīng)噪聲柵極感應(yīng)噪聲產(chǎn)生原因與雙極型晶體管大致相同產(chǎn)生原因與雙極型晶體管大致相同24ndmikTgf溝道熱噪聲通過柵極電容溝道熱噪聲通過柵極電容 的耦合,在的耦合,在柵極上感應(yīng)而產(chǎn)生噪聲,其值隨功率頻柵極上感應(yīng)而產(chǎn)生噪聲,其值隨功率頻率及率及 的增高而變大的增高而變大gsCgsC閃爍噪聲閃爍噪聲( ( 噪聲噪聲) )1/ f柵極散粒噪聲柵極散粒噪聲由柵極內(nèi)電荷的不規(guī)則起伏引起由柵極內(nèi)電荷的不規(guī)則起伏引起二極管的噪聲二極管的噪
12、聲二極管正偏狀態(tài)二極管正偏狀態(tài)正偏狀態(tài)下的二極管也存在散彈噪聲電流,正偏狀態(tài)下的二極管也存在散彈噪聲電流,在低頻范圍內(nèi)還需要考慮其閃爍噪聲在低頻范圍內(nèi)還需要考慮其閃爍噪聲二極管反偏狀態(tài)二極管反偏狀態(tài)由于反向飽和電流較小,故散彈噪聲較小由于反向飽和電流較小,故散彈噪聲較小反偏工作狀態(tài)下主要針對穩(wěn)壓二極管反偏工作狀態(tài)下主要針對穩(wěn)壓二極管齊納型穩(wěn)壓管主要呈現(xiàn)的是散彈噪聲,齊納型穩(wěn)壓管主要呈現(xiàn)的是散彈噪聲,在頻率較低時也有閃爍噪聲在頻率較低時也有閃爍噪聲雪崩型穩(wěn)壓管的噪聲較大,除散彈噪雪崩型穩(wěn)壓管的噪聲較大,除散彈噪聲外還有由于聲外還有由于PNPN結(jié)內(nèi)的缺陷和不均勻性結(jié)內(nèi)的缺陷和不均勻性而造成的多態(tài)噪
13、聲而造成的多態(tài)噪聲天線噪聲天線噪聲天線歐姆電阻產(chǎn)生的噪聲,通常可忽略天線歐姆電阻產(chǎn)生的噪聲,通??珊雎越邮胀鈦碓肼暷芰拷邮胀鈦碓肼暷芰恐饕ń邮罩車橘|(zhì)輻射的噪聲能量主要包括接收周圍介質(zhì)輻射的噪聲能量和各種外界環(huán)境噪聲,與其周圍的介質(zhì)和各種外界環(huán)境噪聲,與其周圍的介質(zhì)溫度、天線的指向及頻率有關(guān)溫度、天線的指向及頻率有關(guān)接收天線端口噪聲的兩個來源:接收天線端口噪聲的兩個來源:用天線的輻射電阻用天線的輻射電阻 在溫度在溫度 產(chǎn)生的熱產(chǎn)生的熱噪聲來表示天線的噪聲性能:噪聲來表示天線的噪聲性能:ARaT24naAnekT R BWaT :天線的等效噪聲溫度,:天線的等效噪聲溫度,不一定等于天線周圍的
14、溫度不一定等于天線周圍的溫度當(dāng)天線與接收機輸入端匹配時,額定噪當(dāng)天線與接收機輸入端匹配時,額定噪聲功率為:聲功率為:24nninimanAePPkT BWR多個噪聲源作用于電路時的計算多個噪聲源作用于電路時的計算若各噪聲源是若各噪聲源是互不相關(guān)互不相關(guān)的,即各噪的,即各噪聲源中任一噪聲源在某特定時間上的聲源中任一噪聲源在某特定時間上的噪聲電壓的瞬時值與另一噪聲源在該噪聲電壓的瞬時值與另一噪聲源在該時間上的數(shù)值大小無關(guān),則時間上的數(shù)值大小無關(guān),則總輸出噪總輸出噪聲功率等于各自輸出功率之和聲功率等于各自輸出功率之和222212nnnnkeeee否則需要考慮噪聲源之間的相關(guān)系否則需要考慮噪聲源之間的
15、相關(guān)系數(shù)數(shù)信噪比的定義信噪比的定義從噪聲對信號影響的效果來看,不從噪聲對信號影響的效果來看,不在于噪聲電平的絕對值的大小,而在在于噪聲電平的絕對值的大小,而在于信號功率與噪聲功率的于信號功率與噪聲功率的相對值相對值所以在電路的某一點所以在電路的某一點上,常用信號功率與噪上,常用信號功率與噪聲功率的比值聲功率的比值( (即即信噪信噪比比 ) )來表示噪聲對有來表示噪聲對有用信號的影響用信號的影響/S N信噪比不能表示從輸入到輸出電路信噪比不能表示從輸入到輸出電路在信號中注入了多少噪聲在信號中注入了多少噪聲噪聲系數(shù)的定義噪聲系數(shù)的定義線性網(wǎng)絡(luò)輸入端信噪比線性網(wǎng)絡(luò)輸入端信噪比和輸出端信噪比的比值和輸
16、出端信噪比的比值/sinisonoPPFPP10lg()NFF dB/sininononosononisosinipnioPPPPPFPPPPPPAPpA:電路對信號的功率增益:電路對信號的功率增益nioP:輸入噪聲經(jīng)過電路后,在電路輸出:輸入噪聲經(jīng)過電路后,在電路輸出端產(chǎn)生的噪聲功率端產(chǎn)生的噪聲功率nonaopninaonioPPAPPPnaoP :電路內(nèi)部噪聲在:電路內(nèi)部噪聲在輸出端產(chǎn)生的噪聲功輸出端產(chǎn)生的噪聲功率率11naonionaonaonioniopniPPPPFPPAP 例題例題設(shè)某放大器的功率增益設(shè)某放大器的功率增益 ,其固有噪聲功率其固有噪聲功率 。分別計算。分別計算 和和
17、時的噪聲系數(shù)之時的噪聲系數(shù)之值值10lg20pAdB10naoPW1niPW10niPW解:解:10111.1100 1naopniPFA P (1)niif PW100pA (10)niif PW10111.01100 10naopniPFA P 故為使噪聲系數(shù)有一個確切的定義,故為使噪聲系數(shù)有一個確切的定義,輸入噪聲功率一般規(guī)定為信號源內(nèi)阻輸入噪聲功率一般規(guī)定為信號源內(nèi)阻產(chǎn)生的熱噪聲功率產(chǎn)生的熱噪聲功率級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)32111212(1)111npppppp nFFFFFAAAAAA影響級聯(lián)放影響級聯(lián)放大器噪聲性大器噪聲性能的主要因能的主要因素是第一級素是第一級的噪聲
18、系數(shù)的噪聲系數(shù)及其功率增及其功率增益益注意:若注意:若A0dBA0dB呢?呢?噪聲系數(shù)的計算方法噪聲系數(shù)的計算方法( (一一) )按定義計算按定義計算/sininononosononisosinipnioPPPPPFPPPPPPAP11naonionaonaonioniopniPPPPFPPAP 信噪比與負(fù)載的關(guān)系信噪比與負(fù)載的關(guān)系2202220()sLsLsosononnLsLVRRRPVSNPeeRRR即負(fù)載上的信噪比與負(fù)即負(fù)載上的信噪比與負(fù)載大小無關(guān)載大小無關(guān)噪聲系數(shù)的計算方法噪聲系數(shù)的計算方法( (二二) )開路電壓法和短路電流法開路電壓法和短路電流法噪聲系數(shù)也可表示成輸出端開噪聲系數(shù)
19、也可表示成輸出端開路時的兩均方電壓之比或輸出路時的兩均方電壓之比或輸出端短路時的兩均方電流之比端短路時的兩均方電流之比/sinisonoPPFPP2222nononionioviFFvi或22,nonovi:分別為網(wǎng)絡(luò)輸出端:分別為網(wǎng)絡(luò)輸出端開開路路和和短路短路時總的輸出噪聲均時總的輸出噪聲均方方電壓電壓和均方和均方電流電流22,nioniovi:分別為網(wǎng)絡(luò)輸出端:分別為網(wǎng)絡(luò)輸出端開開路路和和短路短路時時理想理想網(wǎng)絡(luò)的輸出網(wǎng)絡(luò)的輸出噪聲均方噪聲均方電壓電壓和均方和均方電流電流/sininononosononisosinipnioPPPPPFPPPPPPAP例題例題開路電壓法開路電壓法204()
20、nosvkT f RR22044naoniosvkT fRvkT fR2222011nonaosnioniovvRFRvv 短路電流法短路電流法204noskT fiRR22020204()4()naossnioskTR fiRRkTRfiRR2222011nonaosnionioiiRFRii 噪聲系數(shù)的計算方法噪聲系數(shù)的計算方法( (三三) )額定功率法額定功率法由信噪比與負(fù)載的關(guān)系可知,由信噪比與負(fù)載的關(guān)系可知,可用額定功率表示實際功率可用額定功率表示實際功率/sinisonoPPFPP所謂額定功率是指網(wǎng)絡(luò)的輸入、所謂額定功率是指網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出端都達到阻抗匹配,輸入輸出端都達到阻抗匹配
21、,輸入和輸出功率達到最大和輸出功率達到最大/1/simnimnomnaomsomnompmnimpmnimPPPPFPPAPAP 式中各參數(shù)均為匹配條件下的式中各參數(shù)均為匹配條件下的取值取值例題例題額定功率法額定功率法000/1simnimsimsomnomsomsssPPPFPPPRRRRR 輸出端的等效戴維南輸出端的等效戴維南電路參數(shù)為:電路參數(shù)為:0,ssosVV RRR20220444()ssimssssomosVPRVVPRRRnimnomPPkT f噪聲系數(shù)的計算方法噪聲系數(shù)的計算方法( (四四) )無源有耗網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)無源有耗網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)/sinisonoPPFPP使用額定功
22、率法:使用額定功率法:/simnimnomsomnompmnimPPPFPPAP對于輸入、輸出端均匹配的無源有耗網(wǎng)對于輸入、輸出端均匹配的無源有耗網(wǎng)絡(luò),其絡(luò),其nomnimPPkT f1nompmnimpmPFLAPA例題例題totalAtotalNF圖中,圖中,A A為衰減器(無源有耗網(wǎng)絡(luò)),為衰減器(無源有耗網(wǎng)絡(luò)),B B為為放大器,假定放大器,假定A A、B B均處于匹配狀態(tài),試計均處于匹配狀態(tài),試計算該級聯(lián)電路的增益算該級聯(lián)電路的增益 及噪聲系數(shù)及噪聲系數(shù) 噪聲系數(shù)的計算方法噪聲系數(shù)的計算方法( (五五) )噪聲系數(shù)與以下因素有關(guān):噪聲系數(shù)與以下因素有關(guān):測量網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)時,規(guī)定信測
23、量網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)時,規(guī)定信號源內(nèi)阻取標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度,即:號源內(nèi)阻取標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度,即:0290TK信號源內(nèi)阻信號源內(nèi)阻存在使網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)最小的最佳存在使網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)最小的最佳源阻抗源阻抗輸入噪聲輸入噪聲 ( (信號源噪聲溫度信號源噪聲溫度) )nioP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲naoP噪聲系數(shù)的概念僅適用于線性網(wǎng)噪聲系數(shù)的概念僅適用于線性網(wǎng)絡(luò)絡(luò)噪聲系數(shù)的計算方法噪聲系數(shù)的計算方法( (六六) )在進行計算時,無論是電壓與電流轉(zhuǎn)在進行計算時,無論是電壓與電流轉(zhuǎn)換,還是分壓系數(shù)與分流系數(shù),都要換,還是分壓系數(shù)與分流系數(shù),都要是是平方關(guān)系平方關(guān)系一般情況下:一般情況下:串聯(lián)形式的電路用開路電壓法串聯(lián)形式的
24、電路用開路電壓法并聯(lián)形式的電路用短路電流法并聯(lián)形式的電路用短路電流法當(dāng)電路較復(fù)雜時,用額定功率法較當(dāng)電路較復(fù)雜時,用額定功率法較為簡便,但需注意本法只適用于無為簡便,但需注意本法只適用于無源網(wǎng)絡(luò)源網(wǎng)絡(luò)等效噪聲溫度等效噪聲溫度( (一一) )將有噪聲線性網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部噪聲折算到將有噪聲線性網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部噪聲折算到電路輸入端,此內(nèi)部噪聲可以用提高電路輸入端,此內(nèi)部噪聲可以用提高信號源內(nèi)阻上的溫度來等效,即將其信號源內(nèi)阻上的溫度來等效,即將其視為信號源內(nèi)阻視為信號源內(nèi)阻 處于溫度處于溫度 時產(chǎn)生時產(chǎn)生的噪聲,而將原網(wǎng)絡(luò)看做理想無噪聲的噪聲,而將原網(wǎng)絡(luò)看做理想無噪聲網(wǎng)絡(luò),這個網(wǎng)絡(luò),這個 就稱為等效噪聲溫度就稱
25、為等效噪聲溫度0sReTeT00(1)1/eeTFTFTT 推導(dǎo)可得:推導(dǎo)可得:多級級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的等效多級級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度公式請自行噪聲溫度公式請自行查看課本查看課本等效噪聲溫度等效噪聲溫度( (二二) )當(dāng)系統(tǒng)與前端匹配時,可將等效噪聲當(dāng)系統(tǒng)與前端匹配時,可將等效噪聲溫度與信號源內(nèi)阻的噪聲溫度疊加,溫度與信號源內(nèi)阻的噪聲溫度疊加,從而實際處理時比較方便,此時有:從而實際處理時比較方便,此時有:()ninimaePPk TTf其中其中 為信號源噪聲的等效噪聲溫度為信號源噪聲的等效噪聲溫度aT等效噪聲溫度比較適合描述噪聲系數(shù)等效噪聲溫度比較適合描述噪聲系數(shù)接近接近1 1的部件,原因在于其提供了比的部件,原因在于其提供了比較高的分辨率較高的分辨率噪聲系數(shù)與靈敏度噪聲系數(shù)與靈敏度( (一一) )靈敏度:在給定接收機要求的輸
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