《多采样率的系统》PPT课件.ppt

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1、数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science实际应用用时,各各种种数数字字系系统或或产品品的的采采样率率往往往往是是根根据据对象象而而定定的的、是是不不一一样的的、是是多多样化化的的,而而且且系系统之之间经常常需需要要相相互互交交换信信号号和和处理理对方方的的信信号号;但但是是,在在处理理数数字字信信号号时,信信号号的的采采样率率和和系系统的的采采样率率必必须相同。相同。现现实实中中我我们们希希望望一一种种通通讯讯网网络络能能够够有有效效地地传传输输各各种种采采样样率率的的数数据据,希希望望一一种种存存储储媒媒介介能能够够尽尽可可能能多多地地保保存存信信息息,希

2、希望望一一种种播播放放器器能能够够正正确确地地发发出出各各种种制制式式的的信信号。号。第第9章章 多采多采样率的系率的系统1数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science9.1 多采多采样率的概念率的概念多多采采样样率率是是指指数数字字信信号号处处理理系系统统中中存存在在多多种种采采样样频频率率的的情情况况,简简称称多多速速率率,它它是是面面对对不不同同的的应应用用选选择择不不同同的采的采样样率的策略,目的是降低数字信号率的策略,目的是降低数字信号处处理器的成本。理器的成本。多多采采样率率技技术主主要要解解决决多多速速率率信信号号处理理的的问题,它它的的宗宗旨旨是

3、是尽尽量量让一一种种速速率率的的数数字字系系统能能够处理理多多种种速速率率的的信信号号。如如何何提提高高多多速速率率信信号号的的处理理效效率率呢呢?答答案案是是:改改变数数字字信信号号的的采采样率率,使使数数字字信信号号主主动地地适适应加加工工处它的数字系它的数字系统。多多采采样率率的的应用用非非常常广广泛泛,在在现代代的的数数字字信信号号处理理应用用中中,要要求求系系统能能够处理理不不同同采采样率率的的信信号号。这种种有有多种采多种采样率的系率的系统叫做多速率系叫做多速率系统。2数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science9.2 整数倍降低采整数倍降低采样样率

4、率在在数数字字域域中中降降低低采采样率率的的方方法法是是对原原序序列列x(n)重重新新采采样,也也就就是是对x(n)按按固固定定的的间隔隔或或距距离离提提取取样本本,形形成一个新的序列成一个新的序列y(m),这种种做做法法叫叫做做抽抽取取,也也叫叫下下采采样。例例如如时序序间隔隔D=2的抽取,的抽取,(9.1)图图3数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science9.2.1 抽取前后的抽取前后的频谱频谱抽取的概念很像模抽取的概念很像模拟信号的采信号的采样概念。概念。(1)从数字域的角度)从数字域的角度观看看根据根据z变换变换的定的定义义(4.31),抽取的序列抽取的

5、序列y(m)的的z变换为了得到了得到Y(z)和和X(z)之之间的关系,引入一个的关系,引入一个临时序列序列(9.5)(9.6)4数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science这这么一来,么一来,x(n)、w(n)和和y(m)三个序列的关系就是三个序列的关系就是将将这这个关系个关系应应用到公式用到公式(9.5),得到,得到它它是是Y(z)通通向向X(z)的的桥桥梁梁。剩剩下下的的任任务务是是找找到到W(z)和和X(z)的的关关系系。为为了了建建立立w(n)和和x(n)的的采采样样关关系系,我我们们制制作一个周期是作一个周期是D的脉冲序列,即的脉冲序列,即(9.7)(

6、9.8)5数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science根根据据离离散散傅傅里里叶叶级级数数的的定定义义(3.79),这个个周周期期脉脉冲冲序序列列可以表示可以表示为让脉脉冲冲序序列列s(n)与与被被抽抽取取序序列列x(n)相相乘乘,就就得得到到w(n)和和x(n)的采的采样关系关系(9.9)(9.10)(9.11)6数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science它它是是一一种种等等间间隔隔的的数数字字采采样样关关系系。利利用用这这个个关关系系(9.11)和公式和公式(9.10),临时临时序列序列w(n)的的z变换变换是是将它代入公式

7、将它代入公式(9.8),就可以得到,就可以得到X(z)和和Y(z)的关系的关系(9.12)(9.13)7数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science只要将只要将z=ej代入代入上式上式,就可以得到抽取的,就可以得到抽取的频谱频谱关系关系借借鉴鉴X(ej)=X()的的关关系系,还还能能将将抽抽取取的的频频谱谱关关系系(9.14)变为简单变为简单的形式的形式该式式说明明:按按照照时序序间隔隔D对x(n)抽抽取取后后得得到到序序列列y(m),它的,它的频谱Y()是是D个个X()变形后相加的形后相加的结果。果。(9.14)(9.15)8数字信号处理数字信号处理Enjoy

8、 ScienceEnjoy Science(2)从模)从模拟拟域的角度域的角度观观看看考考虑虑用用两两种种周周期期的的脉脉冲冲函函数数(4.4)对对模模拟拟信信号号xa(t)进进行行理理想想采采样样(4.5)。根根据据公公式式(4.9)计计算算第第一一种种采采样样信信号号xs1(t)的的频谱频谱,得到,得到同理,第二种采同理,第二种采样样信号信号xs2(t)的的频谱频谱是是高采高采样样率率fs1和低采和低采样样率率fs2的关系是的关系是fs2=fs1/D。(9.16)(9.17)9数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science为为了了获获得得两两种种采采样样信信号

9、号xs1(t)和和xs2(t)之之间间的的频频谱谱关关系系,设设j=Di+k,k=0、1、D-1,并并将将这这个个关关系系代代入入xs2(t)的的频谱频谱(9.17),得到,得到它它显显示两种采示两种采样样率的信号率的信号xs1(t)和和xs2(t)的的频谱频谱关系。关系。(9.18)10数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science无无论论是是从从数数字字域域的的角角度度还还是是从从模模拟拟域域的的角角度度观观察察抽抽取取,它它们们的的结结论论(9.15)和和(9.18)都都是是低低采采样样率率频频谱谱是是高高采采样样率率频谱频谱位移的位移的组组合。合。9.2.

10、2 防止抽取的失真防止抽取的失真完整的抽取器由数字低通完整的抽取器由数字低通滤滤波器和抽取器波器和抽取器组组成,成,为为了了避避免免在在抽抽取取时时发发生生混混叠叠失失真真,在在抽抽取取前前必必须须用用数数字字低低通通滤滤波波器器对对被被抽抽取取的的序序列列x(n)进进行行滤滤波波。低低通通滤波器的理想波器的理想频率特性是率特性是图图11数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science截截止止频频率率D的的选选择择要要求求尽尽可可能能多多地地保保留留有有用用的的低低频频成成分分和和防防止止高高频频成成分分混混叠叠失失真真。截截止止频频率率D的的选取取可可参参考抽取的

11、考抽取的频谱关系关系该式式显示示:抽抽取取序序列列y(m)的的频谱Y()是是D个个X()的的频谱扩展并且移位的展并且移位的组合。合。当当频谱扩展展D倍倍时,X()在在主主值区区间-,)的的=/D成成分分将将进入入=D的的范范围。这些些进入入其其它它周周期期的的成成分都会引起混叠失真,必分都会引起混叠失真,必须在抽取前将它在抽取前将它们消除掉。消除掉。(9.21)(9.22)12数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science抽抽取取滤滤波波器器就就是是完完成成这这项项任任务务的的,它它应应该该保保护护被被抽抽取取信信号号的的=0/D低低频频成成分分,同同时时消消除除

12、那那些些会会引引起起混混叠叠失失真真的的=/D高高频频成成分分。所所以以,抽抽取取滤滤波波器器截截止止频频率率的的最最佳佳选选择择是是D=/D。当当然然,选选择择D/D也也能能防防止止抽抽取取的的混混叠叠失失真真,但但是是,这这么么做做会会失失掉掉更更多多的的原原序序列高列高频频成分。成分。让让我我们观们观看几种抽取的看几种抽取的频谱频谱移位移位组组合。合。当当D=1时时,k=0,X(/D)=X(),没有,没有X()移位。移位。当当D=2时时,k=0和和1,X(/D)=X(/2),有有一一个个X(/2)向向右右移移动动2;这这时时抽抽取取序序列列的的频频谱谱是是X(/2)和和X(-2)/2的的

13、组组合合,移移位位的的频频谱谱正正好好填填补补X()扩扩展展2倍倍造造成成的的相相邻邻频频谱谱的的2长长度度的的空空白白区区;由由于于x(n)抽抽取取前前经经过过截截止止频频率率D=/2的的低低通通滤滤波波,所所以以两两个个频频谱谱相相加加时时没没有混叠失真。有混叠失真。13数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science当当D=2时时,两个,两个扩扩展展频谱频谱合成的新合成的新频谱还频谱还是周期是周期频谱频谱。图图14数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science为为了了保保证证滤滤波波后后的的信信号号不不失失真真,抗抗折折叠叠滤滤波

14、波器器应应该该采采用用FIR线线性相位性相位滤滤波器。波器。如果如果抽取抽取滤滤波器按照卷波器按照卷积积公式公式处处理理信信号号x(n),就就能能得得到到输输出出信信号号w(n)。不不过其其效效率率并并不不高高,因因为抽抽取取时只只需需要要w(n)的的D分分之之一一样本本。你你可比可比较下面两种方法的区下面两种方法的区别(9.24)15数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science抽取抽取滤滤波器按照卷波器按照卷积积公式公式处理理信信号号x(n)并并不不是是好好事事。因因为抽抽取取时只只需需要要w(n)的的D分之一分之一样本。本。以以N点点长长的的FIR抽取抽取滤

15、滤波器波器为为例,例,(9.24)图图图图16数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science左左图表表示示先先滤滤波波后后抽抽取取的的方方法法。这这种种方方法法的的滤滤波波器器工工作作在在高高速速率率fx的的状状态态,每每输输入入一一个个x(n)样样本本,抽抽取取滤滤波波器器都都要要计计算算N次次乘乘法法,而而该该滤滤波波器器每每输输出出D个个w(n)样样本本中只有一个中只有一个样样本本获获得得应应用。用。右右图图表表示示混混合合抽抽取取的的方方法法。将将抽抽取取操操作作放放在在乘乘法法运运算算之之前前,就就能能让让乘乘法法器器工工作作在在低低速速率率fy的的状状

16、态态,即即每每输输入入D个个x(n)样样本本,抽抽取取器器后后面面的的乘乘法法器器才才做做一一次次乘乘法法运运算。算。相相比比之之下下,混混合合抽抽取取法法的的计计算算量量约约为为先先滤滤波波后后抽抽取取的的方法的方法的计计算量的算量的1/D倍。倍。17数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science9.2.3 抽取的用途抽取的用途抽抽取取的的主主要要用用途途是是减减轻数数字字产品品对模模拟前前置置滤波波器器的的苛刻要求。苛刻要求。因因为为按按采采样样定定理理所所说说的的,以以奈奈奎奎斯斯特特速速率率fs=2fa的的名名义义采采样样一一个个模模拟拟信信号号时时,需需

17、要要一一个个过过渡渡带带陡陡峭峭的的模模拟拟前前置置滤滤波波器器,将将输输入入信信号号的的频频谱谱限限制制在在有有用用成成分分的的最最高高频频率率fa内。内。如如果果应用用过采采样和和抽抽取取相相结合合的的先先进技技术,模模拟前前置置滤波波器器的的苛苛刻刻过渡渡带就就可可以以得得到到缓解解。过采采样就就是是采采样率率fx大大于于有有用用信信号号最最高高频率率fa两两倍倍的的采采样。这种种先先进技技术的的原原理理如如图所所示示,首首先先用用简单的的模模拟前前置置滤波波器器粗粗略略地地排排除除无无用用的的高高频成成分分,然然后后对这种种模模拟信信号号xa(t)以以很很高高的的速速率率fx=Dfs进

18、行行采采样,得得到到的的离离散散时间信信号号x(n)再再经过D倍的抽取,倍的抽取,18数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science变变成成低低速速率率f fy y的的数数字字信信号号y(m)。过过采采样样的的前前置置滤滤波波器器的的频频谱谱H(f)情情况况如如图图所所示示,它它的的过过渡渡带带f=fpassfstop可可以以很很宽宽,图图图图19数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science9.3 整数倍提高采整数倍提高采样样率率采采样率率的的提提高高是是由由内内插插来来完完成成的的。内内插插是是指指在在毗毗邻的的的的低低采采样率率

19、样本本之之间插插入入额外外的的样本本,插插入入的的样本本数数值是是经过FIR滤波器波器计算得到的。算得到的。事事物物的的变化化总是是有有过程程的的,按按照照这个个规律律,内内插插滤波波器器的的工工作作似似乎乎应该是是平平滑滑内内插插0值的的序序列列w(m),合合理理的的平平滑滑内内插插值值似似乎乎是是它它们们前前后后两两个个样样本本的的平平均均值值。让让我我们们从从频谱频谱的角度来看的角度来看这这些些问题问题。图图20数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science9.3.1 内插前后的内插前后的频谱频谱根根据据图图推推理理,等等间间隔隔I倍倍内内插插的的过过程程是

20、是:首首先先,在在x(n)的的样样本本之之间间等等间间隔隔地地插插入入I-1个个0值值样样本本;然然后后,对对w(m)进进行低通行低通滤滤波,使波,使w(m)的跳的跳跃跃波形波形变变得光滑自然。得光滑自然。根据根据z变换变换的定的定义义知道,知道,低速率的序列低速率的序列x(n)的的z变换是是如如果果按按照照内内插插倍倍数数I对序序列列x(n)的的样本本均均匀匀地地插插入入0值,则上采上采样器的器的输出序列出序列(9.35)(9.36)21数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science按照按照z变换变换的定的定义义(4.31),高速率序列高速率序列w(m)的的z变

21、换变换是是将将z=ej代代入入上上式式,就就可可以以知知道道I倍倍上上采采样样器器的的输输入入输输出出的数字的数字频谱频谱关系,关系,这说明明简单内内插插的的序序列列w(m)的的频谱是是原原序序列列x(n)频谱的的I倍倍压缩。(9.37)(9.38)22数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science例例题题9.3 假假设设序列序列x(n)的的频谱是是X(),如,如图所示,所示,请你你画画出出内内插插倍倍数数I=2的的内内插插0值的的序序列列w(m)的的频谱W(),并分析,并分析X()和和W()的区的区别。解解 根根据据内内插插的的频谱关关系系(9.39),按按内内

22、插插因因子子I=2上上采采样的的w(m)的数字的数字频谱W()如如图所示,所示,图图23数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science因因为为序序列列的的频频谱谱都都是是周周期期为为2的的周周期期函函数数,所所以以频频谱谱X()和和W()的的周周期期都都是是2。从从主主值值区区间间=02来来观观察察,X()的的形形状状和和W()的的形形状状完完全全不不同同,但但W()在在的的部部分分与与X()在在=0的的部部分分形形状状相相同同,W()的的的的部部分是分是2倍上采倍上采样样造成的造成的频谱频谱影像。影像。例例题题说说明明一一个个道道理理:铲铲除除W()的的的的成成

23、分分,这这是是2倍倍内内插的内插插的内插滤滤波器的任波器的任务务,也是它的,也是它的计计算准算准则则。图图24数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science9.3.2 防止内插的失真防止内插的失真为了了使使内内插插序序列列忠忠实于于原原序序列列的的变化化规律律,完完整整的的内内插系插系统应该配置低通配置低通滤波器,波器,如如图图所示,所示,合理地消除跳合理地消除跳跃的的0 0值。为了了更更好好地地运运用用内内插插,我我们最最好好弄弄清清楚楚两两个个问题:一一个个是是怎怎样选择内内插插滤波波器器的的截截止止频率率I,另另一一个个是是如如何安排内插何安排内插滤波器的波

24、器的计算方式?算方式?图图25数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science(1)内插)内插滤滤波器的截止波器的截止频频率率由由于于I倍倍内内插插的的频频谱谱W()是是被被内内插插序序列列的的频频谱谱X()压压缩缩I倍的倍的结结果,例如果,例如3倍内插的倍内插的频谱频谱关系关系图图,实实际际应应用用中中,往往往往希希望望内内插插序序列列能能够够代代表表原原序序列列的的模模拟拟信信号号。从从频频谱谱关关系系(9.39)推推敲敲,只只要要彻彻底底消消除除W()在在|=/I的的高高频频成成分分,就就能能让让内内插插序序列列的的频频谱谱和和原原序序列列的的频频谱谱相相同同

25、,就就能能使使内内插插的的数数据据忠忠实实于于原原序序列列的的变变化化规规律。律。图图26数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science根根据据这这些些分分析析,我我们们应应该该选选择择内内插插滤滤波波器器的的截截止止频频率率I=/I。设计设计内插内插滤滤波器的准波器的准则则是理想是理想频谱频谱滤滤波波器器的的通通带带幅幅度度为为何何选选择择HI()=I,这这个个问问题题可可以以从从频频域域的的角角度度看看。如如果果滤滤除除内内插插频频谱谱W()中中的的I-1个个压压缩缩频频谱谱,那那么么,得得到到的的频频谱谱Y()的的幅幅度度面面积积将将变变为为W()的的1/I

26、。选选择择内内插插滤滤波波器器HI()在在通通带带的的幅幅度度等等于于I,就就能能够够抵抵消消这这种种频频谱谱能能量量的的下下降降,保保证证y(m)的的幅幅度度与与x(n)的相等。的相等。(9.40)27数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science从从时时域域的的角角度度来来看看它它们们数数模模转转换换的的情情形形。对对采采样样率率是是fx的的数数字字信信号号x(n)进进行行数数模模转转换换,它它的的零零阶阶保保持持器器维维持持每每个个样样本本电电压压x(n)不不变变的的时时间间是是一一个个采采样样周周期期Tx,得得到的到的阶阶梯状模梯状模拟电压拟电压x(t)如

27、如图图所示。所示。如如果果内内插插倍倍数数I=3,内内插插0值值样样本本的的序序列列w(n)的的数数模模转转换换将按照速率将按照速率fw=Ifx=3fx进进行,行,图图28数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science它它的的零零阶阶保保持持器器维维持持每每个个样样本本电电压压w(m)不不变变的的时时间间是是一一个个采采样样周周期期Tw=Tx/I=Tx/3,得得到到的的阶阶梯梯状状模模拟拟电电压压w(t)如如图图所示;所示;这样这样一来,一来,每每次次插插入入x(n)样样本本之之间间的的2个个0值值样样本本在在数数模模转转换换后后都都变变成成了了两两个个0值值的的

28、阶阶梯梯脉脉冲冲。当当w(t)经经过过平平均均处处理理,其其轮轮廓幅度将廓幅度将为阶为阶梯信号梯信号x(t)轮轮廓幅度的廓幅度的1/3。所以,低通所以,低通滤滤波器的通波器的通带带幅度幅度应该选择应该选择HI()=I。图图29数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science简简单单的的I倍倍内内插插的的特特点点是是:内内插插序序列列w(m)的的每每I个个样样本本中中有有(I-1)个个是是零零值值样样本本,零零乘乘以以任任何何数数都都等等于于零零。这这个个特特点点意意味味着着不不用用计计算算。例例如如I=4的的内内插插,如如果果它它的的内内插插滤滤波波器器采采用用N=

29、12点点长长的的FIR滤滤波波器器,则则滤滤波波器器h(m)处处理序列理序列w(m)的基本方式是的基本方式是不不过过这这种种方方法法并并不不可可取取,因因为为每每4个个输输入入样样本本w(n)中中有有3个个零零值值样样本本,它它们们的的乘乘法法和和累累加加都都可可以以不不做做。可可是是,计计算算机机是是机机器器而而不不是是人人,它它不不知知道道哪哪些些乘乘法法和和加加法法是是不必不必计计算的。算的。(9.41)30数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science根根据据内内插插的的特特点点和和参参考考公公式式(9.41),每每个个x(n)对对应应4个个y(n),可以

30、,可以这这么安排么安排输输出的每出的每4个个样样本的本的计计算方式,算方式,则则按按公公式式(9.41)进进行行的的12点点长长的的计计算算将将降降低低为为3点点长长的的计计算。算。这这是个可喜的改是个可喜的改进进。利利用用内内插插公公式式w(4n)=x(n),公公式式(9.42)可可以以变变成成直直接接对对低速率的低速率的x(n)进进行行滤滤波,即波,即(9.42)31数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science该该方方程程组组说说明明,每每输输入入一一个个低低速速率率样样本本x(n),这这四四个个子公式将子公式将轮轮流流应应用一次,共用一次,共输输出四个合理

31、的出四个合理的样样本本y(m)。这么么安安排排的的滤波波计算算,既既消消除除了了那那些些不不该做做的的乘乘法法和和加加法法,提提高高计算算机机的的使使用用效效率率,又又达达到到了了提提高高采采样率率的目的。的目的。执行内插的行内插的DSP的的计算效率也因此得到提高。算效率也因此得到提高。(9.43)32数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science9.3.3 内插的用途内插的用途内内插插技技术主主要要应用用在在激激光光唱唱片片、数数字字声声音音磁磁带、数数字字播播放放器器、数数字字电视等等数数码产品品上上,应用用在在它它们的的数数字字信号重放的数模信号重放的数模转

32、换。低低速速率率的的数数字字信信号号在在数数模模转转换换时时,对对模模拟拟的的抗抗镜镜像像后后置置滤滤波波器器的的要要求求十十分分严严格格。由由于于模模拟拟电电路路的的性性能能直直接接受受元元件件的的精精度度、环环境境的的温温度度、电电路路周周围围的的物物质质等等因因素素的的影影响响,所所以以,制制作作过过渡渡带带陡陡峭峭的的模模拟拟后后置置滤滤波波器器很很困困难难,会增加数,会增加数码产码产品在品在这这方面的制作成本。方面的制作成本。内内插插的的优势在在于于用用计算算的的方方法法提提高高数数字字信信号号的的采采样率率。依依靠靠这个个优势制制作作的的数数码产品品,可可以以在在数数模模转换前前,

33、轻松松地地提提高高数数字字信信号号的的采采样率率,这样就就可可以以放放宽模模拟后后置置滤波波器器的的苛苛刻刻要要求求,降降低低数数码产品品在在这方方面面的的制制作成本,作成本,产品的体品的体积也随之也随之缩小。小。33数字信号处理数字信号处理Enjoy ScienceEnjoy Science例如例如4倍内插的模倍内插的模拟信号重建,信号重建,内内插插用用计算算的的方方法法提提高高数数字字信信号号的的采采样率率,使使y(m)的的基基带带频频谱谱和和影影像像频频谱谱之之间间的的距距离离很很宽宽,为为简简化化后后续续的的数模数模转换创转换创造了良好条件。造了良好条件。这样就就可可以以放放宽模模拟后后置置滤波波器器的的苛苛刻刻要要求求,降降低低数数码产品在品在这方面的制作成本。方面的制作成本。图图34

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