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第五章信號(hào)變換一:振幅調(diào)制、

解調(diào)與混頻電路5.1信號(hào)變換概述5.2振幅調(diào)制電路5.3振幅解調(diào)電路5.4混頻電路5.5自動(dòng)增益限制本章小結(jié)高頻電子線(xiàn)路

第五章信號(hào)變換一:振幅調(diào)制、

解調(diào)與混頻電路

5.1信號(hào)變換概述

5.1信號(hào)變換概述

在電子技術(shù)中,有時(shí)須要頻率變換,例如調(diào)幅、檢波、混頻等。在頻率變換,就是輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率不相同,而且滿(mǎn)足確定的變換關(guān)系。進(jìn)行頻率變換必需利用非線(xiàn)性器件。非線(xiàn)性器件可接受二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、差分對(duì)管及模擬乘法器。非線(xiàn)性特性的冪級(jí)數(shù)表示法i=a0+a1u+a2u2+···一、為什么要調(diào)制1.信號(hào)不調(diào)制進(jìn)行放射天線(xiàn)太長(zhǎng),無(wú)法架設(shè)。2.信號(hào)不調(diào)制進(jìn)行傳播會(huì)相互干擾,無(wú)法接收。

二、幾個(gè)基本概念

⒈載波:高頻振蕩波⒉載頻:載波的頻率⒊調(diào)制:將低頻信號(hào)“裝載”在載波上的過(guò)程。即用低頻信號(hào)去限制高頻振蕩波的某個(gè)參數(shù),使高頻信號(hào)具有低頻信號(hào)的特征的過(guò)程。⒋已調(diào)波:經(jīng)調(diào)制后的高頻振蕩波。⒌解調(diào):從已調(diào)信號(hào)中取出原來(lái)的信息。⒍調(diào)制信號(hào):低頻信號(hào)(需傳送的信息)。三、調(diào)制的方式模擬調(diào)制有以正弦波為載波的幅度調(diào)制和角度調(diào)制。幅度調(diào)制,調(diào)制后的信號(hào)頻譜和基帶信號(hào)頻譜之間保持線(xiàn)性平移關(guān)系,稱(chēng)為線(xiàn)性幅度調(diào)制。(振幅調(diào)制、解調(diào)、混頻)角度調(diào)制中,頻譜搬移時(shí)沒(méi)有線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系,稱(chēng)為非線(xiàn)性角度調(diào)制。(頻率調(diào)制與解調(diào)電路)

5.1.1振幅調(diào)制電路

一、一般調(diào)幅(AM)

⒈什么是調(diào)幅?——載波的振幅值隨調(diào)制信號(hào)的大小作線(xiàn)性變更,稱(chēng)為振幅調(diào)制,簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)幅(AM)2.一般調(diào)幅電路模型3.一般調(diào)幅信號(hào)的表達(dá)式

設(shè)載波uC=UCmcoswCt

調(diào)制信號(hào)uΩ=UΩmcosΩt則uo=A(uC+AmuCuΩ)=AUCm(1+AmUΩmcosΩt)coswCt=Uom(1+kaUΩm/UomcosΩt)coswCt

=Uom(1+macosΩt)coswCtUom=AUCm是未經(jīng)調(diào)制的輸出載波電壓振幅ma=AmUΩm=kaUΩm/Uom調(diào)幅系數(shù)ka是取決于調(diào)幅電路的比例常數(shù)。

4.調(diào)幅波的波形調(diào)幅系數(shù)不同時(shí)的已調(diào)波波形

0≤Ma≤15.調(diào)幅波的頻譜及其帶寬(1)單音頻調(diào)幅波uo=Uom(1+macosΩt)coswCt=UomcoswCt+maUom/2cos(wC+Ω)t+maUom/2cos(wC-Ω)tBW=(fc+F)-(fc-F)=2F

(2)多音頻調(diào)幅波

若uΩ=UΩ1mcosΩ1t+UΩ2mcosΩ2t+···+UΩnmcosΩnt則uo=Uom(1+ma1cosΩ1t+ma2cosΩ2t+···+mancosΩnt)coswCt帶寬BW=2Fmax6.調(diào)幅波的功率關(guān)系(1)載波功率Pc

=U2cm/(2RL)(2)上、下邊頻功率P上=P下=(maUCm/2)2

/(2RL)=m2aU2cm/(8RL)=m2aPc/4(3)總邊頻功率

PΩ=m2aPc/2(有用的功率)(4)總平均功率P∑a=Pc+PΩ

=(1+m2a/2)Pc例題設(shè)載波功率Pc為100W,問(wèn)調(diào)幅度為1及0.3時(shí),總邊頻功率、總平均功率各為多少?(ma=1時(shí),PΩ=50W、P∑a=150W、ma=0.3時(shí),PΩ=4.5W、P∑a=104.5W)7.調(diào)幅波的幾種調(diào)制方式一般調(diào)幅(AM):含載頻、上、下邊帶雙邊帶調(diào)幅(DSB):不含載頻單邊帶調(diào)幅(SSB):只含一個(gè)邊帶殘留單邊帶調(diào)幅(VSB):含載頻、一個(gè)邊帶二、雙邊帶調(diào)制和單邊帶調(diào)制

1.雙邊帶調(diào)制(1)雙邊帶調(diào)制電路的模型

(2)DSB信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式及頻譜寬度uo=AmuCuΩ

=AmUΩmcosΩtUCmcoswCt=1/2AmUΩmUCm〔cos(wC+Ω)t+cos(wC-Ω)t〕頻譜寬度BWDSB=2F

(3)DSB的波形(與AM比)包絡(luò)線(xiàn)不同DSB為半波、AM為全波相位不同DSB調(diào)幅波的高頻相位在調(diào)制信號(hào)正負(fù)交替處要突變而AM波則為連續(xù)變更。(3)DSB的波形2.單邊帶調(diào)制(SSB)(1)頻譜寬度BWSSB=F(2)單邊帶信號(hào)產(chǎn)生方法常用濾波法、移相法。

濾波法是在DSB調(diào)制后加一帶通濾波器,濾除一個(gè)邊帶,即可得到SSB已調(diào)波。

移相法調(diào)制電路由兩個(gè)乘法器、兩個(gè)90°相移器和一個(gè)加法器組成。移相法單邊帶產(chǎn)生器框圖

5.1.2振幅解調(diào)電路從已調(diào)波中提、復(fù)原調(diào)制信號(hào)的過(guò)程,稱(chēng)為解調(diào),通常也稱(chēng)為檢波。完成解調(diào)的電路稱(chēng)為解調(diào)器或檢波器。解調(diào)器的頻譜變換

5.1.3混頻電路

一、混頻的概念——將頻率為fc的高頻已調(diào)載波信號(hào)不失真地變換成頻率為fI的中頻已調(diào)信號(hào)。(調(diào)制規(guī)律不變)。fI、fc之間的關(guān)系為fI=fc+fLfc-fLfc>fLfI=fL-fcfL>fcfI>fC的混頻稱(chēng)為上混頻,fI<fC的混頻稱(chēng)為下混頻。調(diào)幅廣播收音機(jī)一般接受下混頻,它的中頻規(guī)定為465kHz。二、混頻器組成框圖及工作原理

⒈組成框圖

⒉工作原理

兩個(gè)不同頻率的高頻電壓作用于非線(xiàn)性器件時(shí),經(jīng)非線(xiàn)性變換,電流中包含直流重量、基波、諧波、和頻、差頻重量等。其中差頻重量fLo-fs就是混頻所須要的中頻成分,通過(guò)中頻帶通濾波器把其它不須要的頻率重量濾掉,取出差頻重量完成混頻。若同一個(gè)非線(xiàn)性器件既完成混頻、又作為本地振蕩,則這個(gè)混頻器通常稱(chēng)為變頻器。高頻電子線(xiàn)路第五章信號(hào)變換一:振幅調(diào)制、解調(diào)與混頻電路

5.2振幅調(diào)制電路5.2振幅調(diào)制電路振幅調(diào)制按其功率的凹凸可分為低電平調(diào)制和高電平調(diào)制。低電平調(diào)制主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)雙邊帶和單邊帶調(diào)制,目前應(yīng)用最廣泛的低電平調(diào)制電路有:雙差分對(duì)模擬乘法器調(diào)幅、二極管環(huán)形調(diào)幅器調(diào)幅。高電平調(diào)制主要用于實(shí)現(xiàn)一般調(diào)幅波調(diào)制,它主要用在調(diào)幅放射機(jī)的末端。5.2.1模擬乘法器

一、乘法器的電路符號(hào)二、恒流可變差分放大器的相乘特性

⒈恒流源差分放大器的相乘特性⒈恒流源差分放大器的相乘特性令

UT=kT/q為熱力學(xué)電壓Ui=Ube1-Ube2(T=300K時(shí),UT≈26mV)當(dāng)差模輸入電壓Ui遠(yuǎn)小于UT,即|Ui|﹤﹤UT△IC=Ic1-Ic2≈Iotanh(Ui/2UT)≈I0(Ui/2UT)∴Uo=△ICRC≈I0RC(Ui/2UT)⒉恒流可變差分放大器的相乘特性⒉恒流可變差分放大器的相乘特性

(兩象限相乘器)Io變成可變的,即由Uy限制Io,而Ui=Ux。當(dāng)Ux很小即Ux﹤﹤UT,Uy很大即Uy>>ube3,△IC≈I0(Ui/2UT)≈(Uy/Re)(Ux/2UT)Uo=△ICRC≈(RC/Re)(UxUy/2UT)Uy限制Io,也就限制了V1和V2的跨導(dǎo),也稱(chēng)跨導(dǎo)相乘器。三、雙差分模擬相乘器

(四象限變跨導(dǎo)相乘器)雙差分放大器的相乘特性當(dāng)Ux、Uy﹤﹤UT時(shí)△IC≈I0(Ux/2UT)(Uy/2UT)因此,對(duì)小信號(hào)而言,電路起模擬相乘作用??蓴U(kuò)大輸入電壓的線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍,見(jiàn)P109的圖5.21。四、好用集成模擬相乘器舉例

1.FZ4相乘器的簡(jiǎn)化電路圖2.FZ4相乘器的相乘特性

Uo≈4UxUyRC/(I3RxRy)=KUxUy其中K=4RC/(I3RxRy),稱(chēng)為相乘因子。在Uo的表達(dá)式中已不再有UT,這說(shuō)明在這種電路中,不再有Ux、Uy﹤﹤UT的要求,即擴(kuò)展了輸入電壓Ux、Uy的線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍。5.2.2低電平調(diào)制電路

一、模擬相乘器調(diào)幅原理⒈雙邊帶調(diào)幅相乘器uo=Amuxuy設(shè)ux為載波uC=UCmcoswCtuy為調(diào)制信號(hào)uΩ=UΩmcosΩt則uo=AmUCmcoswCtUΩmcosΩt=0.5AmUCmUΩm

[cos(wC+Ω)t+cos(wC-Ω)t]——實(shí)現(xiàn)DSB調(diào)制

⒉一般調(diào)幅相乘器uo=Amuxuy設(shè)ux為載波uC=UCmcoswCtuy為調(diào)制信號(hào)疊加直流信號(hào)即uy=Uo+UΩmcosΩt則uo=AmUCmcoswCt(Uo+UΩmcosΩt)=AmUCmUocoswCt+0.5AmUΩmUCmcos(wC+Ω)t+0.5AmUΩmUCmcos(wC-Ω)tma=UΩm/Uo即調(diào)整直流電壓Uo可變更ma二、集成模擬乘法器實(shí)現(xiàn)調(diào)幅

1.典型的調(diào)制解調(diào)器MC1596內(nèi)部電路圖2.MC1596實(shí)現(xiàn)一般調(diào)幅的電路為了獲得合適的直流電壓Uo,以調(diào)整ma的大小,在輸入端的1、4間接入了兩個(gè)750Ω的電阻,50kΩ的電位器(也稱(chēng)調(diào)零電路)。一般輸入載波信號(hào)在(100~400)mV,調(diào)制信號(hào)在(10~60)mV,已避開(kāi)已調(diào)信號(hào)失真。3.MC1596實(shí)現(xiàn)雙邊帶調(diào)幅見(jiàn)p112圖5.26。三、環(huán)形調(diào)幅器

——實(shí)現(xiàn)DSB調(diào)幅原理圖5.2.3高電平調(diào)制電路

一、基極調(diào)幅⒈原理圖——要實(shí)現(xiàn)基極調(diào)幅,應(yīng)工作在欠壓狀態(tài)各元件作用T1:高頻變壓器T2:低頻變壓器T3:輸出變壓器C1:低頻旁路C2:高頻旁路、低頻開(kāi)路CE:溝通旁路RE、RB1、RB2:偏置電阻EB0=RB2EC/(RB1+RB2)-IEREL、C回路:帶通濾波器把AM信號(hào)取出二、集電極調(diào)幅

⒈原理圖——為實(shí)現(xiàn)集電極調(diào)幅,應(yīng)工作在弱過(guò)壓狀態(tài)高頻電子線(xiàn)路5.3振幅解調(diào)電路5.3振幅解調(diào)電路按解調(diào)方法分有包絡(luò)檢波和同步檢波。包絡(luò)檢波是指檢波器輸出電壓與輸入已調(diào)波的包絡(luò)成正比的檢波方法。這種方法只適用于AM波。同步檢波是本地載波和發(fā)送載波必需保持同頻同相,即完全同步的檢波方法。它對(duì)于AM、DSB、SSB、VSB都適用,但解調(diào)AM信號(hào)比包絡(luò)檢波困難,所以很少接受。單頻調(diào)制時(shí)包絡(luò)檢波器的輸入與輸出波形

同步檢波器的框圖

5.3.1二極管包絡(luò)檢波電路

一、二極管包絡(luò)檢波電路的工作原理

⒈原理圖要求:1/wcCL﹤﹤RL濾去高頻1/ΩCL>>

RL取出低頻即低通濾波器⒉工作原理(輸入信號(hào)大于0.5v)

①檢波過(guò)程ui正半周時(shí),二極管導(dǎo)通,即輸入電壓ui對(duì)CL充電。由于二極管正向電阻很小,故充電時(shí)間常數(shù)小,很快充到輸入電壓峰值,充電電壓相對(duì)二極管是附加了反向偏置uo,當(dāng)ui下降到小于充電電壓uo時(shí),二極管截止,CL向RL放電,由于RL很大,放電時(shí)間常數(shù)大,故CL上電壓還沒(méi)下降多少,輸入信號(hào)ui下一個(gè)周期又來(lái)到,充電、放電······如此循環(huán),直到電容上的充放電達(dá)到平衡。②輸入等幅波時(shí)檢波器的工作過(guò)程③輸入AM信號(hào)時(shí)檢波器工作過(guò)程檢波過(guò)程以上檢波過(guò)程,事實(shí)上是二極管在端電壓ui-uo的作用下,依次導(dǎo)通、截止,使得流過(guò)的電流為尖頂余弦脈沖,其中含有直流重量、低頻調(diào)制重量、高頻基波重量及各次諧波重量。由低通濾波器濾除高頻基波和各次諧波重量,保留下與包絡(luò)變更規(guī)律相對(duì)應(yīng)的低頻電壓信號(hào)。結(jié)論:利用二極管的單向?qū)щ娦院蜋z波負(fù)載電阻、電容的充放電過(guò)程來(lái)完成檢波任務(wù)。二、主要技術(shù)指標(biāo)二、主要技術(shù)指標(biāo)⒈檢波效率——大直流傳輸系數(shù)Kd=UD/UCm溝通傳輸系數(shù)Ka=UΩm/maUCm⒉檢波器的輸入阻抗Ri=Ucm/Ic1m≈RL/2為了減小檢波器對(duì)諧振回路的影響,常接受三極管射極包絡(luò)檢波器(p116)。三、二極管包絡(luò)檢波電路中的失真1.對(duì)角線(xiàn)失真(惰性失真)——緣由:RLCL選得太大,放電太慢,跟不上輸入信號(hào)包絡(luò)線(xiàn)的變更2.底部切割失真(負(fù)峰切割失真)1.對(duì)角線(xiàn)失真(惰性失真)1.對(duì)角線(xiàn)失真(惰性失真)調(diào)制信號(hào)Ω越高、ma越大,則包絡(luò)下降速度越快,越易產(chǎn)生惰性失真為避開(kāi)產(chǎn)生惰性失真RLCL≤√1-m2a/(Ωmaxmma)2.底部切割失真(負(fù)峰切割失真)是指耦合電容Cc通過(guò)電阻RL放電,對(duì)二極管引入一附加偏置電壓,導(dǎo)致二極管截止而引入的失真。底部切割失真(負(fù)峰切割失真)

2.底部切割失真(負(fù)峰切割失真)為避開(kāi)負(fù)峰切割失真,應(yīng)滿(mǎn)足UCm(1-ma)≥RLUCm/(RL+R`L)即ma≤R`L/(RL+R`L)=RΩ/RLRΩ=R`L//RL為低頻溝通負(fù)載電阻,RL為檢波器的直流負(fù)載電阻。可見(jiàn)檢波器的負(fù)峰切割失真產(chǎn)生的緣由是檢波器交、直流負(fù)載電阻不等造成的。

減小交、直流負(fù)載電阻值差別的檢波電路5.3.2同步檢波電路

1.疊加型同步檢波電路工作原理將雙邊帶信號(hào)與同步信號(hào)疊加,疊加后的信號(hào)是一般調(diào)幅波,然后再經(jīng)包絡(luò)檢波器,解調(diào)出調(diào)制信號(hào)。環(huán)形調(diào)幅器實(shí)現(xiàn)檢波

2.MC1596模擬乘法器構(gòu)成的同步檢波

檢波原理本地載波必需與發(fā)送載波同頻同相,即完全同步。MC1596接成同步檢波器高頻電子線(xiàn)路

5.4混頻電路一、混頻器組成框圖及工作原理

⒈組成框圖

二、對(duì)混頻器的主要要求

⒈混頻增益高——混頻增益是指混頻器輸出中頻電壓振幅與輸入的高頻電壓振幅之比。A=20lg(UIUs)或G=20lg(PIPs)2.失真和干擾要?。ǜ鞣N組合頻率重量引起)3.噪聲系數(shù)NF小NF=10lg[(Ps/PN)/(PI/PN)]4.選擇性好、工作穩(wěn)定性好5.4.1混頻電路混頻電路按所用器件分:二極管混頻器、晶體三極管~、場(chǎng)效應(yīng)管~、差分對(duì)管~混頻電路按工作特點(diǎn)分:?jiǎn)喂芑祛l器、平衡~、環(huán)形~

一、晶體三極管混頻電路

1.混頻電路的基本形式(書(shū)中P123)

共e:b極輸入、b極注入/b極輸入、e極注入共b:e極輸入、e極注入/e極輸入、b極注入⒉工作原理信號(hào)電壓和本振電壓串聯(lián)后,加在管子放射結(jié)be上,利用ic和ube的非線(xiàn)性關(guān)系即ic=a0+a1(uLo+us)+a2(uLo+us)2+···進(jìn)行頻率變換,輸出電流中包含直流重量、基波重量、諧波、和頻、差頻重量,通過(guò)LC并聯(lián)諧振回路這一中頻帶通濾波器取出差頻重量,完成混頻。3.三極管混頻電路好用混頻電路

(1)自激式變頻電路(2)他激式混頻電路

(書(shū)中p123圖5.45)二、二極管平衡混頻電路

⒈原理圖及等效電路

⒉工作原理

u1=uLo+usi1=a0+a1u1

+a2u12+···u2=uLo-usi2=a0+a1u2

+a2u22+···i1=a0+a1(uLo+us)+a2(uLo+us)2+···i2=a0+a1(uLo-us)+a2(uLo-us)2+···i1-i2=2a1us+4a2usuLo+6a3usuLo2+2a3us3+···

三、二極管環(huán)形混頻器

⒈原理圖及等效電路⒉工作原理i=(i1-i2)-(i3-i4)=8a2usuLo+16a4us3uLo+16a4usuLo3+···為保證二極管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),本振信號(hào)的功率必需足夠大,且輸入信號(hào)功率必需遠(yuǎn)小于本振功率。⒊優(yōu)點(diǎn)靈敏度及抑制干擾方面比平衡混頻器更優(yōu)越四、模擬相乘器混頻電路5.4.2混頻干擾一、組合頻率干擾——有用輸入信號(hào)產(chǎn)生二、副波道干擾(寄生通道干擾)三、交調(diào)干擾——外來(lái)無(wú)用信號(hào)產(chǎn)生四、互調(diào)干擾一、組合頻率干擾——干擾哨聲⒈產(chǎn)生緣由有用信號(hào)頻率fs與本振信號(hào)頻率fLo的組合頻率接近于有用中頻而產(chǎn)生的干擾。即|±pfLo±qfs|=f`I=fI±F式中F為可聽(tīng)見(jiàn)的音頻頻率比如:fs=931kHz、fI=465kHz、fLo=1396kHz當(dāng)p=1、q=2時(shí)f`I=-1396+2×931=466kHz⒉抑制措施p、q越小,影響越大。措施:uLom取小些、usm取小些、合理選擇中頻。為避開(kāi)最強(qiáng)的干擾哨聲,應(yīng)將接收機(jī)中頻選在接收機(jī)頻段外。二、副波道干擾緣由:外來(lái)干擾信號(hào)與本振的組合頻率產(chǎn)生的干擾。即|±pfLo±qfN|=fI最強(qiáng)的兩種干擾⒈中頻干擾當(dāng)p=0、q=1時(shí),fN=fI⒉鏡像干擾當(dāng)p=1、q=1時(shí),fN=fLo+fI抑制副波道干擾的方法提高前級(jí)各電路的頻率選擇性。在混頻電路之前將這些干擾信號(hào)濾除。對(duì)中頻干擾也可在高放輸入回路接入中頻陷波器或高通濾波器。三、交叉調(diào)制干擾(交調(diào)干擾)緣由:一個(gè)已調(diào)的強(qiáng)干擾信號(hào)與有用信號(hào)(已調(diào)波)同時(shí)作用于混頻器,經(jīng)非線(xiàn)性作用,使輸出中頻信號(hào)的包絡(luò)上疊加有干擾電壓的包絡(luò),而形成對(duì)有用信號(hào)的干擾?,F(xiàn)象:有用信號(hào)與干擾信號(hào)同存亡。措施:提高前級(jí)電路的選擇性選擇合適的混頻器件及其工作狀態(tài),使混頻器工作在弱非線(xiàn)性區(qū)。四、互調(diào)干擾緣由:兩個(gè)干擾信號(hào)彼此混頻,產(chǎn)生頻率接近于有用信號(hào)頻率而造成的干擾?,F(xiàn)象:只接收到干擾信號(hào)。高頻電子線(xiàn)路5.5自動(dòng)增益限制復(fù)習(xí)提問(wèn)⒈該電路為何種檢波器?用于解調(diào)何種調(diào)幅波?⒉當(dāng)輸入AM波時(shí),uo為怎樣的波形?⒊當(dāng)把二極管反向,則uo又為怎樣的波形?結(jié)論⒈從檢波二極管陰極取出為正電壓⒉從檢波二極管陽(yáng)極取出為負(fù)電壓⒊檢波器輸出電壓的幅度與輸入調(diào)幅波幅度成正比

一、增益限制的必要性

⒈接收的信號(hào)為不同的功率、不同的距離。⒉接收機(jī)的環(huán)境會(huì)發(fā)生變更。⒊由于電離層的變更,使接收的信號(hào)有衰落。⒋接收機(jī)與放射機(jī)之間的相對(duì)距離發(fā)生變更。⒌電源電壓不穩(wěn)定?!捎谝陨暇売墒馆斎胄盘?hào)有強(qiáng)有弱,就必需運(yùn)用自動(dòng)增益限制(AGC)來(lái)限制接收機(jī)的增益使其隨輸入信號(hào)強(qiáng)弱變更。其目的是使接收機(jī)輸出電平保持確定。二、AGC的分類(lèi)1.簡(jiǎn)潔AGC(平均值型AGC)一有外來(lái)信號(hào),AGC馬上起作用。這對(duì)微弱信號(hào)的接收不利。2.延遲式AGC在小于檢波器的限制電壓U時(shí),AGC不起作用。無(wú)AGC延遲AGC簡(jiǎn)單AGCUoUi三、具有AGC限制的接收機(jī)方框圖四、AGC電壓的產(chǎn)生⒈產(chǎn)生方法(1)平均值型(2)延遲式⒉

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