CDMA通信系统语音转换及压缩编码设计实验报告

电 子 信 息 与 电 气 工 程 系

设计类型：设计题目：系 别：年级专业：学 号：学生姓名：指导教师：

课程设计报告

工程技术

CDMA通信系统语音转换及压缩编码设计与实现

电子信息与电气工程系

08通信工程（2）班

0805070120/0805070117/0805070112

余凯 文孝天 蒋文君 胡 国 华

2011

年12月3日

《通信技术综合课程设计》任务书

设计 CDMA通信系统语音转换及压缩编码设计设计导师工程技术 胡国华 题目 与实现 类型 姓名 设计一个CDMA通信系统语音转换及压缩编码过程，并测试过程中探测点的波形，要求： 主1、了解A/D，D/A信号转换过程；了解PCM的编译码原理； 要2、了解语音信号压缩的性质和特点，熟悉语音信号压缩的方法； 内3、熟悉AMBE2000完成语音压缩和解压实现方法，并测试AMBE2000语音压缩和容及解压的波形； 目4、通过麦克风和耳机来观测语音压缩和解压之后的语音； 标5、通过测量和观测A/D转换前后及D/A转换前后的波形； 6、通过改变输入模拟信号，观测A/D波形的变换。

具有的设计条件计划学生数及任务 根据设计要求提供相关的实验环境，需要RZ6001试验箱及示波器。 计划需要3人 1人主要进行CDMA系统语音转换及压缩编码设计； 1人主要进行测量和观测A/D转换前后及D/A转换前后的波形； 1人主要进行测量和测试AMBE2000语音压缩和解压的波形。 计划设计进程1、从接题开始收集资料、准备设计 2、第1周 画出设计CDMA系统语音转换及压缩编码过程，画出电路原理图，制定设计测量方案； 3、第2周 系统调试和完善，同时编写设计报告 1、《移动通信》（第四版） 李建东 郭梯云 邬国杨 西安电子科技大学出版社，年月； 参考文献 2、《移动通信》 实验指导书 胡国华 合肥学院电子信息与电气工程系； 3、《通信原理简明教程》（第二版） 南利平 李学华 张晨燕 王亚飞 清华大学出版社。 2

目 录

1 摘要 ............................................................................................................................. 4 2 语音模数转换 ............................................................................................................... 4

2.1模数转换的基本原理 ............................................................................................ 4

2.1.1抽样定理及其应用...................................................................................... 5 2.1.2量化........................................................................................................... 5 2.1.3编码........................................................................................................... 5 2.1.4数模转换.................................................................................................... 5 2.2 A/D和D/A转换芯片AD73311 ............................................................................. 5 3语音压缩 ....................................................................................................................... 6

3.1 语音压缩基本概念 .............................................................................................. 6 3.2 AMBE-2000TM声码器芯片的性能介绍 ................................................................ 7

3.2.1 AMBE-2000TM简介................................................................................... 7

3.2.2 AMBE-2000TM与主机的接口..................................................................... 8 3.2.3 AMBE-2000TM压缩速率............................................................................ 9 3.3 AMBE-2000TM声码器芯片的应用 ..................................................................... 10

3.3.1声码器和语音接口设计............................................................................. 10 3.3.2 声码器和主机接口设计 ............................................................................ 10 4 语音模数转换和压缩编码实验......................................................................................11

4.1实验目的 ............................................................................................................11

4.2实验内容 ............................................................................................................11 4.3实现框图 ........................................................................................................... 12 4.4实验准备 ........................................................................................................... 12 4.5模数转换实验步骤及对应波形 ............................................................................ 12 4.6语音压缩实验步骤及对应波形 ............................................................................ 14 5 小结 ........................................................................................................................... 16 6 参考文献 .................................................................................................................... 16

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CDMA通信系统语音转换及压缩编码

1 摘要

本设计中，采用了具有线性A/D和D/A转换功能的AD73311，其特点是具有大信噪比、输入输出可编程控制、低工作电压等优点，在实际应用中取得了良好的效果。本设计使用AD73311转换后，再送给AMBE2000TM进行语音编码，采用PCM编码，包括抽样、量化、编码三个步棸。在本系统设计中共有以下二个模块组成：语音转换模块、语音压缩编码器模块。

关键字：AD73311、AMBE2000、PCM编码

2 语音模数转换

2.1模数转换的基本原理

在现代数字通信系统中，传输的信号都是数字信号，而我们通信的主要业务——语音是模拟信号，要想在数字通信的网络中传输，必须进行信号的模数转换，将模拟信号转换为数字信号。

在现代通信系统中以PCM为代表的编码调制技术被广泛应用于模拟信号的数字传输。PCM的主要优点是：抗干扰能力强；失真小；传输特性稳定，尤其是远距离信号再生中继时噪声不累积，而且可以采用压缩编码、纠错编码和保密编码等来提高系统的有效性、可靠性和保密性。另外，PCM还可以在一个信道上将多路信号进行时分复用传输。

脉冲编码调制（PCM）是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，其最大的特点是把连续输入的模拟信号变换为在时间和振幅上都离散的量，然后将其转化为代码形式传输。

PCM编码通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。为便于用数字电路实现，其量化电平数一般为2的整数次幂，有利于采用二进制编码表示。采用均匀量化时，其抗噪声性能与量化级数有关，每增加一位编码，其信噪比增加约6dB，但实现的电路复杂程度也随之增加，占用带宽也越宽。因此实际采用的量化方式多为非均匀量化，通常使用信号压缩与扩张技术来实现非均匀量化。在保持信号固有的动态范围前提下，在量化前将小信号进行放大而对大信号进行压缩。通常的压缩方法有13折线A律和μ律两种标准，国际通信中多采用A律。采用信号压缩后，用8位编码实际可以表示均匀量化11位编码时才能表示的动态范围，能有效提高小信号时的信噪比。图1-2-1示为脉冲编码调制的原理框图。

信道抽样量化编码?脉冲再现f'(x)译码LPFA/D变换噪声定时D/A变换

图1-2-1脉冲编码调制原理框图。

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2.1.1抽样定理及其应用

一个频带限制在0到fx以内的低通信号，如果以fs?2fx的抽样速率进行均匀抽样，则x(t)可以由抽样后的信号xs(t)完全地确定[指xs(t) 包含有x(t)的成分，可以通过适当地理想低通滤波器不失真地恢复x(t)]。而最小抽样速率fs?2fx称为奈奎斯特速率，1/(2fx)称为奈奎斯特间隔。

2.1.2量化

量化的过程是指模拟信号f(t)按照适当抽样速率fs进行均匀抽样，抽样周期第k个抽样值为f(kTs)。抽样值在量化时转换为Q个规定电平m1、m2、Ts?1/fs。???、mn中的一个。量化后的信号是对原来信号的近似。当抽样速率一定时，量化级数目增加和量化电平选择适当，可以使与f(t)近似程度提高。

量化过程分为均匀量化和非均匀量化。在均匀量化中，量化噪声与信号电平大小无关。量化误差的最大瞬时值等于量化阶距的一半。所以信号电平越低，信噪比越小。当信号的振幅动态范围越宽，需要的量化电平数就越多。为了克服均匀量化的缺点，需要量化阶距跟随输入信号电平的大小而改变。在低电平时分层细一些，用小的量化阶去近似，对大信号则用大的量化阶去近似。这样就使输入信号与量化噪声之比在小信号到大信号的整个范围内基本一致。因此，就要使用压扩技术来实现非均匀量化。

2.1.3编码

信号经过抽样、量化以后成为可以编码的量化信号。量化信号经过模/数变换可以转换成各种各样的编码信号，然后就可以将它们送到信道中去传输，这就是基带信号。代码的形式通常采用二进制，而多进制代码只是用在线路的信噪比较好，可以利用的频带比较窄的情形。

2.1.4数模转换

数模转换为模数的反过程，通过将模数转换的数据通过内插和低通滤波来完成。

2.2 A/D和D/A转换芯片AD73311

在语音变换实验中，我们采用了Analog Device公司的芯片—AD73311。AD73311具有线性A/D和D/A转换功能，采样频率为8kHZ～64kHZ，可以编程控制，采样字长为16位。具有大信噪比、输入输出增益可编程控制、低工作电压(2.7V～5.5V)，并且一片两用的特点，是一种很受欢迎的芯片。

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AD公司的AD73311用起来非常灵活，内部有五个控制寄存器(CRA,CRB,CRC, CRD,CRE)，工作时先对其进行一些必要的参数设置。前两个控制寄存器（CRA和CRB）是用来进行参数设置的，例如设置内部计数器、序列时钟分频率和主时钟分频率。其他三个寄存器用来设置模数、数模控制以及设备的电源控制等。这些寄存器的配置是由和AD73311直接相连的语音压缩芯片AMBE2000来自动完成的。AD73311的主时钟频率是16.384MHZ，采样频率是经过主时钟分频得到的，是AD73311的输出信号。A/D转换电路如图1-2-2所示。

图1-2-2 AD73311电路外围电路设计

模拟语音信号通过麦克分到达AD73311的模拟输入端口VIN，经过内部的A/D转换，完成采样量化和编码，通过SDO端口串行数字输出，每个采样点16比特，同时芯片的SDI端口可以接收数字化后的语音信号，进行D/A转换，通过VOUT端口，到达喇叭。可以听到相应的声音。其中SDOFS和SDIFS分别为发送和接收数据的帧同步信号。

3语音压缩

3.1 语音压缩基本概念

语音编码技术可分为两大类：波形编码和参量编码。波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码，其特点是再建信号的质量，即信号的信噪比高，而其变换的比特率在64kb/s－16kb/s范围，PCM、△M等均属于这一类。参量编码，又叫变换域编码，是在信源信号的频率域或其它正交域抽取其特征参量变换为数字代码进行传输。在接收端从数字代码恢复特征参量，再从参量重建语音信号。这种方法的特点是质量较前者低，但可大大压缩比特速率，多用于窄带信道，如在移动通信、卫星通信、军事通信中应用日益广泛。

通用的PCM数码率为64kb/s，语音质量可达到长途通信网的标准要求。ADPCM在数码率为32kb/s，可达到64kb/s的PCM系统的通话质量，而且压缩了数码率。△M系统虽然也压缩了数码率，可工作在32kb/s或16kb/s，但其话音质量不如PCM和ADPCM。理论和实践证明，采用上述语音编码方法，若进一步降低数码率，语音质量会明显下降，达不到电话通信的质量要求，在很低码率时，甚至无法实现通话。通常，降低数码率的语音编码方法，叫语音压缩编码。

压缩编码共分为两大类：一类叫中速率压缩编码，指数码率4.8kb/s－16kb/s范围的语

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音编码。其语音质量较好，达到常用数字电话通信中等质量要求，清晰度很高、自然度能达到基本要求，通信质量有少许失真，且与语音特征有一定程度关系。谐波压扩ADPCM、子带编码、自适应变换域编码(ATC)、多脉冲预测编码和矢量编码等均属于这一类。另一类叫低速率压缩编码，其数码率从100b/s左右到4.8kb/s。这种编码技术又叫声码器技术，其语音质量比前者差，尤其时自然度较差，较难从声音辨认出讲话人声音的特点；同时，它和语音特征有较大关系，不同人讲话，其质量不同。研究表明：语音编码的极限压缩率为80－100b/s。这是只能传送句子内容，讲话人的音质，情绪等信息就丧失了。

广泛应用的早期声码器形式是通道声码器。发端对输入语音进行粗略的频谱分析，而收端产生一信号，其频谱与发端规定的频谱相匹配。目前较常采用的是线性预测声码器，它们不仅语音质量大为提高，同时数码率也得到充分降低。发端包括两个子系统：一个是线性预测编码滤波器；另一个是提取基音和判决清浊音系统。由发端传输清浊音参数，在收端利用这些参数控制激励源。和通道声码器一样，收端激励源或者产生随机噪声，或者产生基音周期脉冲序列，激励幅度取决于输入增益。然后通过合成恢复语音信号。也可以用语音激励来取代基音提取和清浊音判决，构成声激励线性预测(VELP)声码器。多脉冲激励声码器模型是用一串脉冲来代替LPC声码器中的周期脉冲和白噪声序列。用于中速(9.6－16kb/s)语音编码得到了质量很好的合成语音，其优点之一是不必象LPC声码器那样需要精确提取基音信息和清浊音判决信息。多脉冲激励编码要传送脉冲位置和幅度信息，故编码速率不能压得太低。通常用于中速编码，进一步压低比特率，一般要采用矢量量化(VQ)技术。

3.2 AMBE-2000TM声码器芯片的性能介绍

3.2.1 AMBE-2000TM简介

本实验采用的语音压缩编码芯片为Digital Voice Systems, Inc公司的AMBE2000TM语音编码芯片。该芯片是一种灵活性好，高性能，低功耗的单片实时全双工语音压缩解压芯片。它能在低速率下提供良好的语音质量，并且提供实时，全双向的标准AMBE语音压缩算法。经过证明该语音压缩技术在性能上已经超过了CELP，RELP，VSELP，MELP，ECELP，MP-MLQ，LPC-10和其它的一些压缩技术。

AMBE2000语音压缩解压芯片具有以下特点： ? 语音品质优良 ? 低开销

? 不需要外部存储器

? 有效抑止比特误码和背景噪声

? 数据速率在2.0kbps－9.6kbps之间可变 ? 前向纠错数据率可在50bps到7.2kbps之间变化 ? 低功耗

AMBE2000TM语音编码芯片在语音速率和前向纠错数据率的选择上具有很高的灵活性。在总的速率从2.0kbps到9.6kbps之间用户可以以50bps为单位任意的进行这些参数的选择。且具有FEC（前向纠错）、VAD（语音激活检测）和DTMF（双音多频信号检测）等功能。该芯片可以保持自然语音的质量甚至在2.0kbps的低速率下也可以保证会话内容的可理解

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性。AMBE算法的低复杂度使得该算法可以集成到低功耗，低价格的集成电路中。

3.2.2 AMBE-2000TM与主机的接口

AMBE2000TM与主机的接口有两种模式：主动模式和被动模式。在主动模式下，数据选通信号由AMBE2000TM声码器芯片内部产生；而在被动模式下，数据选通信号由外部提供。

AMBE2000TM声码器与主机接口的数据格式分为两种：一种是有格式，另一种是无格式。有格式形式在每20ms输出一帧数据，每帧由24个16bit的字组成，总共为48字节或384位。同时解码器接收到24个字。其中前12个16bit字组成头，包括ID状态和控制信息。格式字0固定为0x13EC；格式字1用于芯片功率控制；格式字2～6用于指定和表示芯片的压缩数据率；格式字12～23为压缩数据信息。根据数据率的不同，其数据位数也不相同。在信道上只传输格式字12～23。在大多数语音传输系统中，从编码器输出的语音帧系统头信息被抽去，把真正的语音编码数据送到传输信道，接收时，再把头信息、控制信息和语音编码信息进行重新组合，然后再送给解码器，这样输入解码器的语音帧就和编码器输出的就一样了。

图1-2-3为每20ms的有格式数据输出包。每个数据包包含24个字，每个字16比特。

图1-2-3 AMBE2000有格式数据输出的压缩包格式

第1个字的后8比特和第11个字，都是表示一些控制比特，具体意义见AMBE2000手册说明。图1-2-4为AMBE2000接收的数据包格式。

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图1-2-4 AMBE2000有格式数据输入的压缩包格式

3.2.3 AMBE-2000TM压缩速率

AMBE2000压缩的语音数据速率是可以选择的，在2.0kbps－9.6kbps之间可变。可以通过两种方式来选择，一是在硬件设计中将AMBE2000的RATE_SEL0~RATE_SEL4的引脚接不同的电平，这样在AMBE2000工作时会测试这些值，根据这些值设置为相应的数据速率，具体如图1-2-5所示。用户也可以在工作过程中通过改变AMBE2000接收数据包中第2～5个字内容，来修改AMBE2000的语音压缩速率。具体见ABME2000数据手册。

图1-2-5 AMBE2000的速率选择引脚和压缩速率的关系

通过修改AMBE2000的引脚VAD_EN、ECHOCAN_EN和SLIP_EN的电平值也可以改变语音信号的压缩性能。AMBE2000在启动过程中，会检测这些引脚的值，来设置压缩编码的性能。

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同时用户也可以在工作过程中通过改变AMBE2000接收数据包中第11个字（控制字2）的内容，来完成上述的工作。具体见ABME2000数据手册。

3.3 AMBE-2000TM声码器芯片的应用

3.3.1声码器和语音接口设计

AMBE-2000 TM可以看作由两个分立元件编码器和解码器组成。编码器接收8KHz的语音采样数据流（16位线性，8位A律，8位μ率），并且在给定速率下输出通道数据流。解码器接收通道数据流，然后合成语音数据流。AMBE-2000TM编码器和解码器接口时序是完全异步的。

语音接口是外置的A/D-D/A芯片，流入和流出的语音数据流格式应该匹配。也就是说，它们必须具有统一的格式。在我们做设计的时候，首先考虑的就是A/D-D/A芯片选择、通道接口选择、语音和FEC速率。本设计中所使用的是上个实验介绍的AD公司生产的AD73311。图1-2-6为AMBE2000和AD73311的接口电路。其中CO_RX_DATA从AD73311接收待压缩的语音数据，CO_TX_DATA将解压缩后的语音数据交给AD73311完成D/A转换。

图1-2-6 AMBE2000和AD73311的接口电路

3.3.2 声码器和主机接口设计

AMBE2000将AD73311的数据以20ms分段，每20ms将压缩的数据输出。压缩和解压的输入和输出数据可以有两种选择：有格式数据和无格式数据。AMBE2000可以工作于主动方式和被动方式。本实验台采用了有格式数据和主动方式，由AMBE2000产生压缩数据传输的帧同步信号。

本设计中，使用了TI公司的C55X系列的DSP—TMS320VC5509作为主机和AMBE2000之间进行通信。是利用了DSP的MCBSP0进行串行通信。接口电路设计如图1-2-7所示。

TM

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AMBE2000CH_RX_DATACH_TX_DATACH_RX_CLKCH_TX_CLKCH_RX_STRBCH_TX_STRBEPRTMS320VC5509DX0DR0CLKX0CLKR0FSX0FSR0INT

图1-2-7 AMBE2000和主机之间的接口电路

从上图可以看出，AMBE2000工作于有格式的主动模式，数据传输接口的时钟由DSP提供，数据选通信号CH_TX_STRB由AMBE2000产生，传输给DSP的FSR0、FSX0以及AMBE2000自身的CH_RX_STRB。每隔20ms数据转换结束，EPR都会向DSP发送中断，来通知DSP来读取要传输的语音数据和发送接收的语音数据。

4 语音模数转换和压缩编码实验

4.1实验目的

1. 了解模拟/数字,数字/模拟信号的转换过程； 2. 了解PCM的编译码原理；

3．通过观测A/D、D/A波形，加深对模数转换的理解； 4．了解语音信号压缩的性质和特点； 5．熟悉语音信号压缩的方法；

6．了解AMBE2000完成语音压缩和解压实现方法。

4.2实验内容

1．观测A/D转换前后及D/A转换前后的波形； 2．通过改变输入模拟信号，观测A/D波形的变换； 3．熟悉语音压缩和解压的过程；

4．测试AMBE2000语音压缩和解压的波形；

5．通过麦克风和耳机来观测语音压缩和解压之后的语音。

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4.3实现框图

TP501TP506语音输入语音输出TP505D/A输入TP602压缩帧同步DSPCPLDTP601时钟AMBE2000TP504A/D输出PCM帧同步TP503AD73311时钟TP502TP603压缩输出数据TP604待解压缩数据

4.4实验准备

1. 给实验箱加电，通过键盘和液晶选择“菜单”中的“二 语音变换”。 2. 在语音变换实验中选择“1. 语音变换与压缩”。 3. 按下AMBE2000的复位按钮，对AMBE2000进行复位。

4.5模数转换实验步骤及对应波形

1. 将K501拨到“SIN”， 将输入的模拟信号设置为2kHZ的正弦信号，通过测试点TP501可以观测到输入给AD73311的模拟信号。调节面板上的W501，可以改变输入信号的幅度； 实验测得波形

调节W501改变幅度后的波形 12

2. 通过测试点TP502观测AD73311中A/D和D/A变换的时钟输出，为1024kHZ；

3. 通过测试点TP503观测AD73311中数字输出和输入的帧同步信号；

4. 通过测试点TP504观测AD73311的A/D转换后的数字输出信号；

5. 通过测试点TP505观测AD73311的D/A转换前的数字输入信号；

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6. 通过测试点TP506观测AD73311完成D/A转换后的模拟信号，可以通过调节面板上的W502改变输出信号的幅度； 下面两个图形为幅度不同的波形： 7. 将K501拨到“MIC”， 将输入的模拟信号设置为麦克风输入的语音信号，插入麦克风和耳机，对着麦克风说话，观测TP501、TP504、TP505和TP506的信号变换，可以从耳机中听到麦克风的声音。

4.6语音压缩实验步骤及对应波形

1. 将K501拨到“SIN”， 将输入的模拟信号设置为2kHZ的正弦信号，调节面板上的W501，改变输入信号的幅度； 2. 通过测试点TP601观测AMBE2000的语音数据传输的时钟信号；

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3．通过测试点TP602观测AMBE2000的语音数据传输的帧同步信号；

4．通过测试点TP603观测AMBE2000发送的语音压缩数据的波形；

5．通过测试点TP604观测AMBE2000接收的语音压缩数据的波形；

上面的黄色波形为TP604接受波形，下面对应的为TP603发送波形

6．通过测试点TP506观测AD73311完成D/A转换后的模拟信号，并可以通过调节面板上的W502改变输出信号的幅度； 下面的两个波形分别对应不同幅度

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7．将K501拨到“MIC”， 将输入的模拟信号设置为麦克风输入的语音信号，插入麦克风和耳机，对着麦克风说话，观测TP603、TP504和TP506的信号变换，可以从耳机中听到麦克风的声音。

5 小结

在波形测量观察过程中，有部分波形出现了一些失真，经多次尝试发现是由于试验箱的

模块性能不稳定，经过换试验箱得以纠正。

经过二周时间的设计，我们的设计完成了所有设计要求，正确测得了CDMA系统的语音转换及压缩编码的各测试点的波形。此次课程设计，让我正确的认识到理论与实践相结合的必要性，只有通过实践才能更深刻的了解所学过的内容，并结合理论判断所测得波形是否正确，能否反映其真实情况，并解决出现的一系列的问题。更重要的是让我明白扎实的基础是多么重要。本次设计使我们了解了模拟/数字,数字/模拟信号的转换过程及PCM的编译码原理，通过观测A/D、D/A波形，加深对模数转换的理解，了解了语音信号压缩的性质和特点； 熟悉了语音信号压缩的方法及AMBE2000完成语音压缩和解压实现方法。另外要想成功的完成一次设计，还必须十分清楚硬件电路中所用芯片的工作原理以及使用它们的一些注意事项，比如这次设计中所用的AD73311是完成线性数模转换的芯片，AMBE2000是完成语音压缩编码。

本次设计过程中，和两位同学的合作加强了我的团队合作能力。课程设计指导老师胡老师给了我循序渐进地指导，在此特别感谢胡老师精心地栽培！

6 参考文献

1、《移动通信》（第四版） 李建东 郭梯云 邬国杨 西安电子科技大学出版社； 2、《通信原理简明教程》（第二版） 南利平 李学华 张晨燕 王亚飞 清华大学出版社； 3、《移动通信》 实验指导书 胡国华 合肥学院电子信息与电气工程系。

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《通信技术综合课程设计》

课程设计评语

指 导 教 师 评 语 设 计 成 绩 备 注

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