CN1135119A - 高功率射频放大器功率共享系统 - Google Patents

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谢尔登·肯特·梅雷迪斯
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Abstract

陆地移动无线系统(110)，包括许多无线信道(112)，可与N个混合器(114)中任意一个互连(115)，每个混合器对应一个发送天线(120)。混合器输出信号被传给变换矩阵(133)，它把每个该信号分成数量为N的变换信号。每个变换信号包括相等功率成分，1/N，并由放大器(135)放大，提供给逆变换矩阵(138)，它把每个放大的变换信号的相等部分重新混合成放大的混合器输出信号，提供给天线(120)发送。换矩阵(133)是用十取一在频域算法的付立叶变换矩阵，逆变换矩阵是用十取一在时域算法的付立叶逆变换矩阵。

Description

高功率射频放大器功率共享系统
本发明涉及射频(RF)放大器的功率共享系统。
为了与远距离的移动站通信，陆地移动无线系统必须要产生无线频率(RF)功率，许多年，这样的通信是用如图1所示的系统10来完成的，参照图1，这个现有技术系统，使用独立的放大器13，放大由无线信道单元12提供的RF信号(每一个都与相应的移动站通信)，然后，用放大的无线信号与高一Q调谐混合器15(空腔混合器)相混合。这个混合信号被送到带通滤波器19，输出又联到了天线20，以便传送到远距离移动站(没有表示)。
使用静态空腔混合器存在的问题是：这样的混合器不能在宽频范围实现功能，因此，也不能具有现行移动通信系统所需频率灵活的特性，参照图2。为克服使用图1表示空腔混合器系统的限制，一次新技术被现行系统25使用，在那里通过有损耗混合器30混合无线信号，它能在复盖很宽频率范围内混合信号。例如869到894MHz。由于在频率范围内使用宽带线性放大器35，系统25具有操作很高频率灵敏度的输入信号能力。
在图2所示的系统中，使用的放大器具有很好的线性放大特性是很重要的。如果放大器不是高度线性，在放大器的输出端，将会产生附加的不期望得到的交调(互调)信号，降低通信质量。
我们都知道，用线性放大器的“输出第三次截止点(IP30)”描述放大器的线性，对于一个给定的放大的装置状态，由下面的等式1给出了对放大器的IP30要求：
IP30=151logPo-IM/2+5log(n2-3N/2) 其中：Po＝用毫瓦表示每个无线信道的功率输出
N＝被放大的无线信道数
IM＝用dBm表示允许最大的交调电平(交调失真)
对于必需在几毫瓦级上产生功率输出的放大器，例如，10毫瓦；对于数量少的无线信道，如：4个信道；以及用相对低的交调电平，如：-13dBm，可以使用相当小的和相对便宜的放大器。但是，当需要产生的功率电平数量级比较高，如：每个信道5瓦，对于一个信道数很大，如：20个信道，而需要保持相同的交调电平，所需的放大器的尺寸和成本都会大大地增加。
在典型的陆地移动无线系统中，可能会有60个信道联结到12个天线上，每个天线平均有5个无线信道通过一个有损耗混合器和一个线性功率放大器与它相连。如上所述，如果每个信道为保持较低的交调失真，而放大器必须为每个信道上生成几瓦的功率。另一个问题是，在这样的陆地移动无线系统中，涉及到由统计确定，将有多少无线用户同时联接到任意天线，来确定放大器尺寸。平均只能有5个用户，但是有时存在特例，可能有8或10个用户要求的业务通过一个放大器，在这种情况下，放大器的线性需求增加到5log(N2－3N/2)。例如：当用户数从5变到10时，IP30截止点增加了3DBM以上，用下例表示：
5log(52－3×5/2)＝6.22dBm
5log(102－3×10/2)＝9.65dBm当要保持很低的交调失真时，为控制这样大功率而设计的放大器，实际上是很大的，而且消耗大量的功率，容易发生故障，还十分昂贵。
解决这个问题的一个方法是利用很大的线性放大器，离散的把少量的信道分配给每个放大器。例如：一个陆地移动无线系统，如蜂窝基础地段站，可能适合6个线性放大器。每个线性放大器都很大，接近2′×2′×2′(·6m×·6m×·9m)，而且特别贵。对于60个信道地段站，每个放大器必须放大10个无线信道，如10基站无线信号，以及近似1500瓦静态直流电源功耗。可以相信所有初始硬件成本以及与功率消耗相应的操作成本都会很大。另外，因为无线输出是静态分配给指定的放大器，这个系统不具有动态的把任意无线信道连结到天线的内在能力。
本发明提供了这些问题的解决方法，它是一个功率共享系统，与传统的方法不同，它用统计信道装入消除这个相关问题。
本发明的一个目的是：提供一个放大器共享系统，它把大量信道以任意次序传送给大量的天线。消除了放大可变化的信道数对任何放大器的必需的要求。
本发明的另一个目的是提供了这样一个放大器功率共享系统，它消除了连结到任意一个与发送天线相应放大器的无线信道数的统计峰值。
本发明的另一个目的是提供了用于陆地移动无线系统的电源共享系统。
本发明的进一步目的是提供一个陆地移动无线系统，它降代了硬件的成本，提高了可靠性。由于提高了放大器的特性，从而提高了信号传输质量，动态地把任意用户信道连到任意发送天线，以便使用最适合发送相应位号的发送天线，改善了信号的发送质量。
本发明还有一个目的是提供了这样一个放大器功率共享系统，它把许多输入信号平均分配给这个系统放大器，然后，重新恢复这个被放大的输入信号。
根据本发明，大量的输入信号被提供给一个变换矩阵。这个矩阵把每个输入信号分成N个变换信号，每个变换信号包含每个输入信号功率的相等部分(1/N)；为每个被变换的信号提供了用于放大的放大器；被放大的变换信号提供给逆变换矩阵，逆矩阵重新组合每个被放大的变换的信号部分，变换成被放大的输入信号。
另外，根据本发明，被放大的输入信号是放大了输入信号的复制品。
根据本发明，在具有大量的无线信道陆地移动无线系统中，每个无线信道都可能互连到N个混合器中的任意一个，每个混合器都与相应的发送天线相结合，天线输入信号由混合器的输出提供，并且发送天线发送这个被放大的输入信号。
另外，根据本发明，任何无线信道都可以动态地连结到任何一个放大器。
根据本发明，还有另外一方面，这个变换矩阵是付立叶变换矩阵，反变换矩阵是一个付立叶逆变换矩阵。
根据本发明，陆地移动无线系统包括N个天线，N是m的功率，例如：N＝mr，当这个变换矩阵是用基数为m，十取一在频域算法有r级付立叶变换矩阵时，逆变换矩阵是用一个基数为m，十取一在时域算法有r级的付立叶逆变换矩阵。
因为陆地移动无线系统可能不要求提供统计峰值容差的线性放大器，本发明在现有技术上提供了很大的改进，利用本发明的系统，每个放大器都可以被所有用户信道等效地使用。这样既使所有信道都处在工作状态下，每个放大器要求的功率的最大值，也只是所有信道总数的1/N，这个N等于放大器的总量。另外，利用本发明的这个系统，不要求一个无线信道离散地分配一个指定的放大器和天线。更确切地说，系统允许任何用户信道对任意一个天线的动态变换，不会影响所分配放大器的功率需求。因此，本发明提供了这样一个改进的陆地移动无线系统，它降低设备成本，减少了操作费用，提高了可靠性和信号传送质量。
本发明的上述及其它目的、特性和优点将在下面对实际例子的具体描述中以及附图的说明中变得更清晰。
图1是一个现有技术的陆地移动无线系统的图解框图。
图2是一个现有技术的陆地移动无线系统选择的具体设备图解框图。
图3是与本发明相符合具备功率共享的陆地移动无线系统图解框图。
图4是表示的与图3有关的16个线性功率放大器系统的付立叶变换矩阵和付立叶逆变换矩阵的操作。付立叶变换矩阵是用一个基数为2，十取一在频域算法具有4级，付立叶逆变换是利用基数为2，十取一在时域算法具有4级。
图5是应用于图4的付立叶变换矩阵和付立叶逆变换矩阵90度混合网络分解器。
图6是图4的付立叶变换矩阵的90度混合网络分解器选择具体装置的表示图。
图7是图4的付立叶逆变换矩阵的90度混合网络分解器选择具体装置的表示图。
实现本发明的最好的方式。
本发明的功率共享系统特别适用于陆地移动无线系统。因为通过每个系统放大器等量分配输入信号装载，所以这个系统消除了连结到分配给系统天线的任何放大器信道(用户)数目的统计峰值。因此，每个系统放大器所需的尺寸是最小的，并且是安全和平均使用，减少了硬件成本，提高了可靠性。另外，本发明的这个系统允许把任何系统的无线信道动态连结到任何一个系统天线。
参照图3，陆地移动无线系统110包括大量无线信道单元112。在本发明的例子中，系统110包括60个无线信道单元。无线信道单元112的每一个信道单元可以由单极N掷开关115，连结到大量有损耗混合器114的任意一个。为了说明本发明，这里用了16个有损耗混合器114，每一个都用单极16掷的开关115，连结到任意一个无线信道单元112。因此，可以了解本技术的技巧了每个有损耗混合器114有至多60个可以在任意时间用60个单极16掷的开关115连结到60个无线信道单元112。每个无线信道单元112配有一个移动站(没有显示出来)，例如：一个蜂窝电话用户，每个信道赋予了一个唯一的操作频率。
当陆地移动无线系统110的接收部分(未显示)接收到了与各种的无线信道112有关的通信信号时，这个通信信号被唯一无线信道单元112的一个信道识别，并且由系统110向那里提供。之后，无线信道单元112执行适当的信号处理，例如：信号的滤波和放大，并把提供的这个信号通过下文描述的系统，传送到被分配的用户。
每个有损耗混合器114都对应一个相应的天线120，以便把信号传送给系统110的用户。混合器114的输出经过本发明的功率共享系统130，提供给了相应的天线120。
功率共享系统130包括一个接收混合器114输出的N×N的付立叶变换矩阵(快速付立叶变换矩阵)133，并且提供变换输出信号给大量线性功率放大器135中的一个。线性功率放大器135的输出提供给一个N×N付立叶逆变换矩阵(快速付立叶逆变换矩阵)138。在本发明的例子中，有16个损耗混合器114和16个天线120，因此有16个相应的线性功率放大器135。付立叶变换矩阵133和付立叶逆变换矩阵138是16×16的矩阵。
也参照图4，会更详细地表示功率共享系统130。付立叶变换矩阵133把16个有损耗混合器的输出平均地离散地分布在16个线性功率放大器135上。通过利用基数为2，十取一在频域算法有4级来实现。基数为2，十取一在频域算法参照在Kranianskas，Peter“Aplain Man’s Guide to the EFT”的28到30页，图8到14；IEEE信号处理杂志1994年8月24到35页的揭示。正如将从本技术中了解到的，基数为2，十取一在频域算法的每一级都包括许多90度混合分解器，更详细的表示如图5。
参照图5，每个90度的混合分解器145可以是对称型4端口分支线性耦合器。在付立叶变换矩阵的第一级，从16个有损耗混合器的两个输出，由一对具有相同特性阻抗Y1(如50Ω)的输入端口(线)501、502耦合到分解器。分解器的输出在一对输出端口(线)503、504上提供。这个输出端口(线)503、504有与输入端口501、502相同的特性阻抗Y1。输入端口501、502通过一对主线510、511连结到输出端口503、504。另外，输入端口501、502和输出端口503、504由一对辅助线(分支线)514、515被分路连结。根据输入信号到输出信号所需的分配比例，提供选择的主线510、511和附线514、515的长度和阻抗。
为实现本发明所需的90度混合分解器，选择的主线510、511的特性阻抗Y2，等于输入输出端口的特性阻抗的2-1/2倍，如：Y2＝(Y1)(2-1/2)＝·707Y1。附线的特性阻抗与输入输出端口的特性阻抗相同如Y1。选择的主线和附线的长度是输入信号波长的四分之一(1/4)。因为基线和附线特性阻抗的不同，所以在主线和附线上相位速度不同，因此，必须用不同长度的线提供四分之一的波长。
如图6所说明的，混合分解器145也可以“十取一在频域蝶式”(decimation-in-frequency butterfly)参照图6，一个十取一在频域蝶式包括标准化功能150、代数功能152和作为“旋转因子”的乘法器153。在每个十取一级上不需要这个标准化功能150，无论是对付立叶变换矩阵133的输入序列还是输出序列，能被采集到的仅用一次。正如在技术上所知道的，每个分解器145移动它的输入1/2个周期，相当于90度。一个十取一级的输出可以被解释为两个半长级的输入序列。因此，通过递归地在4级上使用十取一处理过程，16个有损耗混合器的每一个输出信号展开成均匀地在16个矩阵上输出，例如：24＝16，以便每个放大器放大每个通道的1/16。
如图3、4所示，付立叶变换矩阵133的输出作为每个功率放大器135的输入。在这种情况下，利用上文描述的付立叶变换矩阵，所有60个输入通道都以最小的功率利用每个放大器。因此，即使所有信道都是同时工作的，任何放大器要求的最大功率恰好是对所有的信道总功率的1/N(1/16)。对于少于4个(60÷16＝3.75)无线信道，这里为每个放大器给定一个有效的合适峰值功率，对已设计好地具有60个信道现有一技术系统，必须要用8到10个无线信道统计峰值功率代替。因此，在本发明的放大系统中，不要求统计峰值的允许值。另外，在现有技术系统中，如果一个放大器发生故障，就没有放大信号提供给相应的天线。与此比较，使用本发明的功率共享系统，如果一个放大器出故障，放大的信号从仍在工作的放大器，提供给所有的天线。
下面我们还将了解利用本发明的功率共享系统技术的一些技巧，它不需要离散地把任意一个通道赋予一个相应的天线和放大器。被代替的是一个单极十六掷的开关，可以用它把相应无线信道单元的输出指向最适合发送信号的天线。由这个系统的所有的放大器均等地放大每个无线信道单地的输出，这些都是很容易看出的。
在分配有损耗混合器信号的放大之后，原有损耗混合器信号由付立叶逆变换矩阵138恢复。付立叶逆变换矩阵利用一个具有4级的基数为2的十取一在时域算法，以便把16个放大器的输出变换成16个有损耗混合器输出的放大的复制器。基数为2，十取一在时域算法的操作参考上面的Kraniauskas文章的31到32页和图15到19，以及通过参考揭示的内容中得以描述。一个90度的混合分离器146，如图5所示的类型及上文描述，被应用在基数为2的十取一在时域算法。
另外，在图7中所示的类型的“十取一在时域上蝶式”可以被用来完成付立叶逆变换矩阵。这个十取一在时域蝶式146基本上是十取一在步域蝶式145(图6)的逆变换。以最后的十取一级开始，每个级结合相应的半长序列，朝着输入级反向传播自变量。如上面提到的，最后的输出是有损耗混合器输出信号放大的复制信号。此后，付立叶逆变换矩阵的输出提供给不同的相应天线20(图3)，以便传送给相应的移动用户。
正如上面所讨论的，在付立叶变换矩阵中每个分离器145，为了生成两个分解器输入的半长序列，引入了一个90度相偏移到分解10的输入。同样，在付立叶逆变换矩阵中，每个分解器把两个半长序列结合成原始的本源序列。无论是付立叶变换矩阵的放大期间，还是在放大器135的输入和输出信号线136和137上传送期间，如果把不同的相位偏移引入到信号中，这个信号可能在付立叶逆变换矩阵中错误的再现。因此，信号线136、137和放大器135彼此间相位平衡是很重要的，以便在付立叶变换矩阵和付立叶逆变换矩阵之间的放大和传送期间，每个信号经过相同的相位偏移。相位平衡可以通过控制信号线136、137的长度、和/或通过调整由放大器135引入的相位偏移完成。
本发明比起已有技术具有的巨大优点，通过例子更好地了解。在下面的例子中，将要对具有相同数量的信道、放大器、天线和内部交调要求的现有技术的图2系统和本发明的系统比较。为了达到本例子的目的，假定陆地移动无线系统包括60个信道、16个天线和16个放大器。在不具备本发明的相位网络的情况下，16个天线的每一个需要可能管理平均加载(近似4个信道)加上一个统计峰值量(接近附加4个信道)。因此，每个放大器可以同时放大8个信道。当本发明的相位网络被使用时，这60个信道的每个功率被16除，分配到16个放大器。因此，每个放大器被所有60个信道使用，每个信道基本在低功率上使用，来代替8个信道使用一个放大器。甚至当所有60个信道都同时工作时，任意一个放大器要求的最大功率也仅是所有60个信道总功率的1/16。这里给出有效峰值功率需要的平均值近似4(60/16≈3.75)无线信道，而不是8个信道。不需要峰值的允许值。等式1用来比较对两个系统的IP30需求。
情况1：无功率共享系统(现有技术)
在放大器输出端每个信道要求功率＝10瓦
每个放大器的信道数＝峰值为8
IM技术要求＝-13dBm
IP30＝15log10,000－(-13/2)＋5log(64－12)
IP30＝60＋6.5＋8.58＝75.08dBm
这是一个用很高工作成本的一个很大的放大器。在这例子中，使用-13dBm IM技术要求是由Fcc对放大器交调失真电平的电平管理。
情况2：利用本发明的功率共享系统
每个信道要求放大器输出功率＝10/16瓦＝625毫瓦
每个放大器的信道数＝60
IM技术要求＝-13dBm
IP30＝15log625－(-13/2)＋5log(3600－90)
IP30＝4194＋6.5＋17.73＝66.17dBm
这种情况下，每个放大器可以有更多的用户(信道)，因此，就有了更多的交调失真的机会；但是，每个信道功率被信号展开到的放大数目除。因此，每个放大器的每个信道的功率，如625毫瓦，比起现有技术系统的10瓦要低得多。从上面比较可以看出，本发明要求的放大器IP30截止点比现有技术要求放大器IP30截止点低近似9兆。这表明由放大器获得的有关成本降低近似80％，这样的放大器工作大量减少功率电平，并且在工作期间，在功率的消耗上也相应减少。
现有技术情况1中提到了，每个放大器的信道数假设具有一个统计峰值8。实际上，当信道的实际数超过8时，会出现成倍的情况，如果对实例和具有75.08dBm的IP30设计的放大器，在同一瞬间具有9个通道输入，在信道之间Fcc交调间隙要求将不能满足。
在上面的情况中，交调的间隙是：
IM＝30logPo＋10log(N2－3N/2)－2IP30    (式2)
IM＝30log10,000＋10log(81－13.5)－150.16
IM＝120＋18.29－150.16＝-11.87dBm
交调间隙由于它比-13dBm要求小，因此，在Fcc技术要求之外。
虽然，用一个基数为2的4级快速付立叶变换(FFT)具体说明了本发明为了实现本发明，在本技术中用到一些技巧，在付立叶变换矩阵133(图3)和付立叶逆变换矩阵138(图4)中，可以使用基数变量。对于给定的天线和相应的放大器的数量，N，N是m的权，例如：N＝mr，付立叶变换矩阵利用r级的基数为m的十取一频域算法。在上面给定的例子中，N是16，m是2。因此有4级，即r＝4。但是，如果使用基数为4的十取一频域算法，仅需要两级。正如在技术上用的这些技巧被理解，依赖在系统中使用的放大器数，可能会选择其它的基数和相应的级数，满足这个执行过程的需求。在前面提到参考Kraniauskas文章的32到35页揭示中，提供了基数为3和基数为4的例子。
这里描述的功率共享系统在陆地移动无线系统中得以使用。但是，本发明的原理可以应用到任何系统，被放大的信道数量和提供给输出数量(例子中的天线)能够动态改变。
尽管这个发明就实施例而论已进行了描述和图解，在技术上理解这些技巧，如果不违背本发明的精神和范围，前述事项和许多方面可以在这里和那里进行省略和附加。

Claims (19)

1.一种功率共享系统(110)，在大量放大装置(135)中，用于放大许多输入信号其特征在于：变换矩阵装置(133)，对上述大量输入信号，提供被变换的信号(136)，上述每一个被变换信号包括上述大量输入信号的每一个的一部分，上述被变换信号(136)的每一个被提供给上述放大装置(135)相应的一个装置，以便提供被放大的变换信号(137)；
逆变换矩阵装置(138)对应上述被放大的变换信号(137)，提供被放大的输入信号，上述被放大的输入信号的每一个对应着上述大量输入信号的一个。
2.根据权利要求1的功率共享系统，其特征在于：上述变换矩阵装置(133)中是付立叶变换矩阵，逆变换矩阵装置(138)是付立叶逆变换矩阵。
3.根据权利要求2的功率共享系统，其特征在于：功率共享系统包括N个上述放大装置(135)，其中N是m的一个权(r)，它们的关系是N＝mr，
上述付立叶变换矩阵(133)，用基数为m的十取一频域算法有r级实现，
上述付立叶逆变换矩阵(138)，用基数为m的十取一在时域算法有r级实现。
4.根据权利要求1的功率共享系统，其特征在于：
功率共享系统包括N个上述放大装置，
N是m的一个权r，它们的关系是N＝mr，
上述变换矩阵部分(133)是用基数为m的十取一在频域算法有r级的付立叶变换矩阵，
上述逆变换矩阵部分(138)是用基数为m的十取一在时域算法有r级的付立叶逆变换矩阵。
5.根据权利要求4的功率共享系统，其特征在于：
为提供无线信号的大量的无线信道(112)，
数量为N的混合器装置(114)，用于混合无线信号，并在混合器输出表现上述被混合无线信号，生成上述输入信号，
提供无线电信号从上述无线信道(112)的每一个到上述混合器装置(114)的任何一个的开关装置(115)。
6.根据权利要求5的功率共享系统，其特征在于：
从上述无线信道(112)的一个无线信号，在某一时刻仅提供给上述混合器装置(114)中的一个。
7.根据权利要求6的功率共享系统其特征在于：
上述被变换信号的第一个包含每个无线信号的一部分1/N。
8.根据权利要求5的功率共享系统，其特征在于：
天线(120)的数目为N；其中，上述付立叶逆变换装置(138)，把上述被放大的输入信号的每一个提供到相应的上述天线(120)中的一个。
9.根据权利要求7的功率共享系统，特征在于：
天线(120)的数目为N；其中，上述付立叶逆变换装置(138)，提供把上述被放大的输入信号的每一个到相应的上述天线(120)中的一个。
10.根据权利要求5的功率共享系统，其特征在于：
上述混合器装置(114)的每一个对应着上述天线(120)中的一个，并且上述开关装置(115)能动态地从上述无线信道(112)的任意一个，把无线信号连结到上述混合器装置(114)的任意一个。
11.根据权利要求9的功率共享系统，其特征在于：
上述混合器装置(114)的每一个对应着上述天线(120)中的一个，
上述开关装置(115)能动态地从上述无线信道(120)的任意一个，把无线信号连结到上述混合器装置(114)的任意一个。
12.根据权利要求5的功率共享系统，其特征在于：
上述无线信道(112)的每一个信道以唯一的频率提供上述无线信号。
13.根据权利要求11的功率共享系统，其特征在于：
上述无线信道(112)的每一个信道以唯一的频率提供上述无线信号。
14.根据权利要求1的功率共享系统，其特征在于：
每个上述的放大装置(135)是彼此相位平衡，以便由放大装置(135)放大时，每个上述被放大的变换信号经相同的相位偏移。
15，根据权利要求1的功率共享系统，其特征在于：
上述变换矩阵装置(133)是快速付立叶变换矩阵，上述逆变换矩阵装置(138)是快速付立叶逆变换矩阵。
16.根据权利要求2的功率共享系统，其特征在于：功率共享系统由N个上述放大装置(135)组成，
N是m的一个权r，它们的关系是N＝mr，
上述付立叶变换矩阵(133)，用基数为m的十取一在频域算法有r级实现，
上述快速付立叶逆变换矩阵(138)，用基数为m的十取一在时域算法吸r级实现。
17.根据权利要求13的功率共享系统，其特征在于：
上述功率共享系统用于陆地移地无线系统。
18.根据权利要求17的功率共享系统，其特征在于：
上述放大装置(135)是高功率无线频率(RF)放大器。
19.一种利用权利要求1功率共享系统，由许多放大装置(135)放大大量输入信号的方法，这个方法特征为包括如下几步：
在上述变换矩阵装置(133)中，把上述大量的输入信号变换成已变换的大量信号(136)，上述变换信号的每一个包含上述大量输入信号的每一个的一部分，
为提供放大的转换信号(137)，把每一个上述变换信号(136)提供给相应的放大装置(135)，
在上述逆变换矩阵装置(138)中，把上述放大的变换信号(137)逆变换成大量被放大的输入信号，上述被放大的输入信号的每一个对应大量上述输入信号中的一个。
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