数字信号基带传输系统的仿真

摘要

基带系统是不经过调制解调的系统，理想的基带系统是不存在码间干扰的，从理论上讲应当是满足奈奎斯特准则的系统，在实际中可以利用眼图的观测来判断基带系统的抗码间干扰能力，本文在SIMULINK下对基带系统进行设计仿真，利用眼图分析了噪声对系统性能的影响。虽然在实际使用的数字通信系统中基带传输不如频带传输那样广泛，但是，对于基带传输系统的研究仍然是十分有意义的。1) 在频带传输制式里同样存在基带传输的问题(如码间干扰等)，因为信道的含义是相对的，若把调制解调器包括在信道中(如广义信道)，则频带传输就变成了基带传输。可以说基带传输是频带传输的基础。2) 随着数字通信技术的发展，基带传输这种方式也有迅速发展的趋势。目前,它不仅用于低速数据传输,而且还用于高速数据传输。3)理论上也可以证明，任何一个采用线性调制的频带传输系统，总是可以由一个等效的基带传输系统所替代。

本文的主要目的是对simulink的熟悉和对数字信号基带传输系统的仿真实现。

关键词：simulink调制;眼图;曼彻斯特码。

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目录

第1章 绪论 ...................................................................... 1

1.1 MATLAB/Simulink的简介 .................................................. 1 1.2 通信技术的历史和发展 .................................................... 1

1.2.1 通信的概念........................................................ 1 1.2.2 通信的发展史简介 ................................................. 2 1.3 通信技术的发展现状和趋势................................................ 3 第二章、基带系统的理论分析 ...................................................... 4

2.1原理 ..................................................................... 4

2.1.1 基带系统传输模型及工作原理如图2-1所示： ........................ 4 2.1.2 基带系统设计中的码间干扰及噪声干扰 .............................. 4 2.2 基带系统设计方案 ........................................................ 5

2.2.1 信源 .............................................................. 5 2.2.2发送滤波器和接收滤波器 ........................................... 6 2.2.3 信道 .............................................................. 6 2.2.4 抽样判决器........................................................ 6 2.2.5基带信号传输系统的典型模型，如图2-3所示。 ...................... 6

第三章、SIMULINK下基带系统的设计 ............................................... 8

3.1 信源的生成——曼彻斯特码................................................ 9 3.2 传输模块的实现 ......................................................... 10 3.3 抽样判决 ............................................................... 10 3.4 基带传输系统设计总图及各点输出波形 .................................... 11 3.5 眼图观测结果 ........................................................... 12 总结 ............................................................................ 13 致 谢 .......................................................................... 14 参考文献 ........................................................................ 15

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第1章 绪论

1.1 MATLAB/Simulink的简介

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，也是目前在动态系统的建模和仿真等方面应用最广泛的工具之一 。它的主要特点在于：1、建模方便、快捷；2、易于进行模型分析；3、优越的仿真性能。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。Simulink模块库（或函数库）包含有Sinks（输出方式）、Sources（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connection（连接与接口）和Extra（其他环节）等具有不同功能或函数运算的Simulink库模块（或库函数），而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户还可以根据需要定制和创建自己的模块。用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脱离MATLAB而独立工作[2]。 ，

1.2 通信技术的历史和发展

1.2.1 通信的概念

通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图像等都是消息(Message)。消息有模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。

相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的，如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的，如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。

通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收信道和信宿，如图1-1所示：

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[1]

信息源?发送设备?信道?接收设备?受信者

图1-1通信系统一般模型

通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-2-4所示，

信信源信道数字信数字信道信源受息?编?编?调? ?解?译?译?信源码器码器制器道调器码器码器者

?

噪声源

图1-2 数字通信系统模型

模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-3所示。

图1-3 模拟通信系统模型

数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。 1.2.2 通信的发展史简介

远古时代,远距离的传递消息是以书信的形式来完成的,这种通信方式明显具有传递时间长的缺点。为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息,人们不断地尝试所能找到的各种最新技术手段。1837年发明的莫尔斯电磁式电报机标志着电通信的开始,之后，利用电进行通信的研究取得了长足的进步。1866年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。1876年贝尔发明了电话,利用电信号实现了语音信号的有线传

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递，使信息的传递变的既迅速又准确，这标志着模拟通信的开始，由于它比电报更便于交流使用，所以直到20世纪前半叶这种采用模拟技术的电话通信技术比电报的到了更为迅速和广泛的发展。1937年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。20世纪60年代以后集成电路、电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。在70年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途[5]。

1.3 通信技术的发展现状和趋势

进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。特别是在20世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。

（1） 微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。

（2） 移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。 （3） 光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。

（4） 电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机

的融合，人们将世界变成了地球村。

（5） 微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来

越广。例如，2003年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户。根据国家信息产业部的统计数据，到2005年底移动电话用户近4亿[9]。

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第二章、基带系统的理论分析

2.1原理

2.1.1 基带系统传输模型及工作原理如图2-1所示：

图2-1 基带系统传输模型

1）系统总的传输特性为H(?)?GT(?)C(?)GR(?)，n(t)是信道中的噪声。 2）基带系统的工作原理：信源是不经过调制解调的数字基带信号，信源在发送端经过发送滤波器形成适合信道传输的码型，经过含有加性噪声的有线信道后，在接收端通过接收滤波器的滤波去噪，由抽样判决器进一步去噪恢复基带信号，从而完成基带信号的传输。

2.1.2 基带系统设计中的码间干扰及噪声干扰

码间干扰及噪声干扰将造成基带系统传输误码率的提升，影响基带系统工作性能。

1）码间干扰及解决方案

码间干扰：由于基带信号受信道传输时延的影响，信号波形将被延迟从而扩展到下一码元，形成码间干扰，造成系统误码。 解决方案：

①要求基带系统的传输函数H（ω）满足奈奎斯特第一准则：

?H(??i2?iTS)?TS,???TS (2.1)

若不能满足奈奎斯特第一准则，在接收端加入时域均衡，减小码间干扰。

②基带系统的系统函数H（ω）应具有升余弦滚降特性。如图2-2所示。

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图2-2 升余弦滚降特性

2）噪声干扰及解决方案

噪声干扰：基带信号没有经过调制就直接在含有加性噪声的信道中传输，加性噪声会叠加在信号上导致信号波形发生畸变。 解决方案：

①在接收端进行抽样判决；②匹配滤波，使得系统输出性噪比最大[8]。

2.2 基带系统设计方案

2.2.1 信源

信息传播过程简单地描述为：信源→信道→信宿。其中，“信源”是信息的发布者，即上载者；“信宿”是信息的接收者，即最终用户。在传统的信息传播过程中，对信源的资格有严格的限制，通常是广播电台、电视台等机构，采用的是有中心的结构。而在计算机网络中，对信源的资格并无特殊限制，任何一个上网者都可以成为信源

1）常见的基带信号波形有：单极性波形、双极性波形、单极性归零波形和双极性归零波形。双极性波形可用正负电平的脉冲分别表示二进制码“1”和“0”，故当“1”和“O”等概率出现时无直流分量，有利于在信道中传输，且在接收端恢复信号的判决电平为零，抗干扰能力较强。而单极性波形的极性单一，虽然易于用TTL，CMOS电路产生，但直流分量大，要求传输线路具有直流传输能力，不利于信道传输。 2）归零信号的占空比小于1，即：电脉冲宽度小于码元宽度，每个有电脉冲在小于码元长度内总要回到零电平，这样的波形有利于同步脉冲的提取。

3）基于以上考虑采用双极性归零码——曼彻斯特码作为基带信号。

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2.2.2发送滤波器和接收滤波器

滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。 2.2.3 信道

信道指通信的通道，是信号传输的媒介，通常为有线信道，如市话电缆、架空明线等。信道的传输特性通常不满足无失真传输条件，且含有加性噪声。因此本次系统仿真采用高斯白噪声信道。 2.2.4 抽样判决器

抽样判决器是在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。抽样判决关键在于判决门限的确定，由于本次设计采用双极性码，故判决门限为0。 2.2.5基带信号传输系统的典型模型，如图2-3所示。

图2-3 基带信号传输系统的典型模型

在发送端，数字基带信号X(t)经发送滤波器输入到信道，发送滤波器的作用是限制发送频带，阻止不必要的频率成分干扰相邻信道。传输信道在这里是广义的，它可以是传输介质（电缆、双绞线等等），也可以是带调制解调器的调制信道。基带信号在信道中传输时常混入噪声n(t)，同时由于信道一般不满足不失真传输条件，因此要引起传输波形的失真。

所以在接收端输入的波形与原始的基带信号X(t)差别较大，若直接进行抽样判决可能产生较大的误判。因此在抽样判决之前先经过一个接收滤波器，它一方面滤除带外噪声，另一方面对失真波形进行均衡。抽样和判决电路使数字信号得到再生，并改善输出信号的质量。

根据频谱分析的基本原理，任何信号的频域受限和时域受限不可能同时成立。

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因此基带信号要满足在频域上的无失真传输，信号其波形在时域上必定是无限延伸的，这就带来了各码元间相互串扰问题。造成判决错误的主要原因是噪声和由于传输特性（包括发、收滤波器和信道特性）不良引起的码间串扰。基带脉冲序列通过系统时，系统的滤波作用使脉冲拖宽，在时间上，它们重叠到邻近时隙中去。接收端在按约定的时隙对各点进行抽样，并以抽样时刻测定的信号幅度为依据进行判决，来导出原脉冲的消息。若重叠到邻接时隙内的信号太强，就可能发生错误判决。若相邻脉冲的拖尾相加超过判决门限，则会使发送的“0”判为“1”。实际中可能出现好几个邻近脉冲的拖尾叠加，这种脉冲重叠，并在接收端造成判决困难的现象叫做码间串扰。

因此可以看出，传输基带信号受到约束的主要因素是系统的频率特性。当然可以有意地加宽传输频带使这种干扰减小到任意程度。然而这会导致不必要地浪费带宽。如果展宽得太多还会将过大的噪声引入系统。因此应该探索另外的代替途径，即通过设计信号波形，或采用合适的传输滤波器，以便在最小传输带宽的条件下大大减小或消除这种干扰。

奈奎斯特第一准则解决了消除这种码间干扰的问题，并指出信道带宽与码速率的基本关系。即：

Rb?1Tb?2fN?2BNfN (2.2)

式中Rb为传码率，单位为比特/每秒（bps）。止频率和奈奎斯特带宽。

上式说明了理想信道的频带利用率为

和BN分别为理想信道的低通截

Rb/BN?2 (2.3)

实际上，具有理想低通特性的信道是难以实现的，而实际应用的是具有滚降特性的信道。其带宽较奈奎斯特带宽增加的程度——滚降系数α可以表示为

??B?fNfN,(0???1) (2.4)

其中B表示滚降信道的带宽。由于升余弦滚降滤波特性可使传输信号具有较大的功率，且收敛快而减小码间干扰，故已得到了广泛的应用[10]。 眼图原理如图2-4所示：

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图2-4 眼图

１．眼图张开的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样再生的时间间隔。显然，

最佳抽样时刻应选在眼睛张开最大的时刻。

２．眼图斜边的斜率，表示系统对定时抖动（或误差）的灵敏度，斜边越陡，系统对定时抖动越敏感。

３．眼图左（右）角阴影部分的水平宽度表示信号零点的变化范围，称为零点失真量，在许多接收设备中，定时信息是由信号零点位置来提取的，对于这种设备零点失真量很重要。

４．在抽样时刻，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量。

５．在抽样时刻上、下两阴影区间隔的一半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决； ６．横轴对应判决门限电平[5]。

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第三章、SIMULINK下基带系统的设计

3.1 信源的生成——曼彻斯特码

曼彻斯特码 Manchester code （又称裂相码、双向码），一种用电平跳变来表示1或0的编码，其变化规则很简单，即每个码元均用两个不同相位的电平信号表示，也就是一个周期的方波，但0码和1码的相位正好相反。

曼彻斯特的编码规则是这样的，即将二级制码“1”编成“10\，将“0”码编成“01”，在这里由于采用了二进制双极性码，则将“1”编成“+1-1”码，而将“0”码编成“-1+1”码。根据2.1小节的理论分析，采用SIMULINK中的bernoulli binary generator（不归零二进制码生成器）、pulse generator（脉冲生成器）、constant（常数源模块）、switch（开关电路）、scope（示波器）构成曼彻斯特码的生成电路。模型连接方法如图3-1所示。

图3-1 曼彻斯特码的生成电路

模块参数设置：bernoulli binary generator（不归零二进制码生成器）的Prpbability of a zero（零码概率）设为0.5，sample time（采样时间）设为0.5，Inital seed设为61，pulse generator（脉冲生成器）的pulse width（％of period）（脉冲宽度）设为50％，占空比为1／2，Attitude（幅度）设为1，phase delay（相位延迟）设为0，表示不经过延迟，起始时刻发10码，switch（开关电路）的threshold（门限）设为0.5。constant（常数源输出）设置为1，输出常数1，设置为-1，输出-1。

switch模块中3个输入分别接如图3所示的3个信号，当输入的第2个信号（二进制码）大于switch的门限值0.5时，输出为1，当输入的第2个信号（二进制码）小于switch的门限值0.5时，输出为0。此时，单极性不归零码经过switch电路后

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成为双极性不归零码（+1-1+1…），pulse generator用于产生占空比为1／2的单极性归零脉冲（10），经过switch开关电路后成为双极性归零脉冲（+1-1），两路双极性信号成为乘法器product的输入，相乘后的结果是：第1路不归零码的1码与第2路（+1-1）码相乘得到（+1-1），第1路-1码与第2路（+1-1）码相乘得到（-1+1）码，这就是曼彻斯特码。

3.2 传输模块的实现

为了减小码间干扰，在最大输出信噪比时刻输出信号，减小噪声干扰，传输模块由Square root Raised Cosine Transmit Filter（平方根升余弦传输滤波器）、AWGN Channel（高斯信道）、Square root Raised Cosine Receive Filter（平方根升余弦接收滤波器）模块组成，其设计框图如图3-2所示。

图3-2 传输模块

AWGN Channel（高斯信道）的Initial seed（起始速度）设为100，mode（模式）设为signal to noise ratio(SRN)，SNR(dB)设为20，Intut signai power,referenced to 1 ohm(watts)设为1。 发送端平方根升余弦传输滤波器用于对输入信号滤波成型，高斯信道中含有高斯白噪声，满足基带系统信道特征，接收端平方根升余弦接收滤波器用于匹配滤波，得到最大输出信噪比。

3.3 抽样判决

利用switch2、pulse generatorl、productl构成抽样判决电路，并对曼彻斯特码解码，其抽样判决电路及极性转换电路如图3-3所示：

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图3-3 判决电路及极性转换电路

模块参数设置：switch2的判决门限设为0，pulse generatorl的占空比为50％，相位延迟为0。

输入信号经switch2被抽样判决，当信号大于0时输出为1，当信号小于0时输出为-1，pulse Generatorl（脉冲生成器）的输出信号（101010 …）作为第2路信号与第1路switch2输出信号相乘，结果是：第1路为（+1-1）时与第2路（10）相乘得到（+10），第1路为（-1+1）时与第2路（10）相乘得到（-10），完成对曼彻斯特码的解码。

解码后的信号是占空比为50％的双极性归零码，经integer Delay（整数延迟）将占空比转换为100％，成为归零码，再经过switch3（开关电路）将双极性码转换成单极性码，得到与信源相同的码型。

3.4 基带传输系统设计总图及各点输出波形

基带传输系统的统计总图以及传输过程中的各点波形分别如图3-4，3-5所示：

图3-4 基带传输系统的统计总图

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图3-5 传输过程中的各点波形

从波形来看，传输是有效的。第1行波形是待传输的基带信号，第2行波形是经过曼彻斯特编码模块后产生的曼彻斯特码，第3行波形是经过接受滤波器后的波形，是一个连续信号，第4行波形是对第3行波形经过抽样判决后得到的双极性的二进制码，第5行波形是经极性转换后得到的二进制码，与第1行的基带信号比较，结果相同，只是延迟了2个码元，这说明所设计的基带系统没有产生误码，达到了抗码间干扰和抗噪声干扰的目的。

3.5 眼图观测结果

如图3-6所示为接收滤波器观察到的眼图，从图可看出，在信噪比为100 dB下观察眼图，“眼睛”睁开的角度很大，且没有“杂线”，说明系统在该信噪比下具有很好的抗码间干扰能力[7]。

图3-6 眼图观测结果

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总结

这段时间的综合训练在忙忙碌碌中一晃而过。刚开始，我们头绪不是很清楚，不知道从哪里入手，但通过老师的耐心指导并和同学认真研究设计课题，经历了一次次的体验，积累了很多宝贵的经验。在整个设计的过程中遇到的问题主要有以下三点，第一：基础知识掌握的不牢固，主要表现在对书上的内容理解不够透彻。第二：对一些常用的应用软件缺少应用，浪费了很多时间。第三：相关知识掌握的不够全面，缺少实践的经验。

这次训练进一步端正了我的学习态度，学会了实事求是，严谨的作风，提高了动手能力。对自己要严格要求，不能够一知半解，要力求明明白白。急于求成是不好的，我有所感受。如果省略了那些必要的步骤，急于求成，不仅会浪费时间，还会适得其反。我觉得动手之前，头脑里必须清楚该怎么做，这一点是很重要的。就目前来说，我的动手能力虽然差一点，但我想，通过我的不懈努力，在这方面，我总会得到提高。这一点，我坚信。因为别人能做到的，我也一定能做到。 在此次的综合训练中我最大的体会就是进一步认识到了理论联系实践的重要性。一份耕耘，一份收获。通过这段时间的设计，让我明白科学的思维方法和学习方法是多么重要，只有这样才能够有很高的效率，才能够让自己的工作更完美。 总而言之，此次毕业设计让我学到了好多平时在课堂上学不到的东西，增加了我的知识运用能力，增强我的实际操作能力。谢谢老师给我们提供这么好的机会，为我们之后走向社会奠定了一个好的基础。

本次训练有机地结合了理论与实践，让我对数字信号基带传输系统有了进一步的理解，使我对通信有了更实际的认识。同时还锻炼我们实际动手能力，更主要的是它激起我们创新思维，为今后的进一步学习创下良好条件，为以后的就业也打下一个根基，真可谓一举多得。

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致 谢

感谢我的指导老师，她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

在课题进行当中，我还得到了同学们的细心指导和诸多帮助。他们的无私帮助和耐心指导也是我得以完成本课题的关键。再此我向他们表示由衷的感谢和深切的问候。

另外，也感谢时时刻刻关心、爱护我的父亲母亲，他们对我的支持和鼓励。使我得以完成学业的支柱。

真诚的感谢所有的帮助过我的老师们，同学们、家人和朋友们。

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参考文献

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[4]吴玲达，李国辉，杨冰等. 计算机通信原理与技术[M]. 北京：国防科技大学出版社，2003. 187～192

[5]孙丽华. 信息论与纠错编码[M]. 北京：电子工业出版社，2005. 24～35 [6]潘新民. 计算机通信技术[M]. 北京：电子工业出版社，2003. 136～148 [7]张志涌, 刘瑞桢, 杨祖樱. 掌握和精通MATLAB. 北京: 航空航天大学出版社, 1997. 35～78

[8]樊昌信, 詹道庸, 徐炳祥, 吴成柯. 通信原理. 北京: 国防工业出版, 1995. 56～78

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