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你一定要看的NI射頻芯片測(cè)試方案隨著無(wú)線(xiàn)設(shè)備復(fù)雜性急劇增加,手機(jī)支持的頻段數(shù)量也在不斷增加。從最開(kāi)始的2個(gè)GSM頻段,到現(xiàn)在的4個(gè)GSM頻段,3個(gè)CDMA頻段,5個(gè)UMTS頻段和10個(gè)LTE頻段。未來(lái),諸如5GNewRadio等標(biāo)準(zhǔn)將繼續(xù)增加無(wú)線(xiàn)設(shè)備的復(fù)雜性。今天,我們將為各位介紹6個(gè)使用NIPXIe、STS、VTS等NI的軟硬件系統(tǒng)完成的測(cè)試方案。1、插入損耗InsertionLoss對(duì)于很多射頻無(wú)源器件來(lái)說(shuō),插入損耗是其中一個(gè)關(guān)鍵的測(cè)試項(xiàng)目。在一個(gè)系統(tǒng)之中,由于某個(gè)器件的插入而發(fā)生的功率的損耗便是插入損耗,通常插入損耗由dB來(lái)表示。一般來(lái)說(shuō),對(duì)于射頻器件來(lái)說(shuō),如果在器件插入之前傳輸給負(fù)載的功率是,插入之后負(fù)載接收到的功率是,則以dB為單位的插入損耗由下式給出公式:作為射頻開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)之一,每個(gè)開(kāi)關(guān)都會(huì)存在一些寄生電容、寄生電感、寄生電阻等。在開(kāi)關(guān)做信號(hào)路由的時(shí)候,這些寄生元件會(huì)直接將信號(hào)進(jìn)行衰減和降低。而這些寄生元件隨著輸入信號(hào)頻率的變化引起功率損耗,因此對(duì)于射頻開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)在不同頻率下進(jìn)行插入損耗測(cè)試是必要的一步。使用NIVST矢量信號(hào)收發(fā)儀測(cè)試插入損耗對(duì)于射頻開(kāi)關(guān)進(jìn)行插入損耗測(cè)試的時(shí)候,可以使用NIVST矢量信號(hào)收發(fā)儀進(jìn)行測(cè)試。NIVST矢量信號(hào)收發(fā)儀將矢量信號(hào)發(fā)生器VSG和矢量信號(hào)接收器VSA兩種儀器功能集合在儀器。并且VST的作用不僅僅在插入損耗測(cè)試上面,對(duì)于開(kāi)關(guān)芯片及其他類(lèi)型射頻前端芯片多種測(cè)試項(xiàng)也能良好地覆蓋,而不需要采用其他儀器即可完成,因此極大提升了測(cè)試項(xiàng)目的覆蓋率。在對(duì)某通道(如RF1)進(jìn)行插入損耗測(cè)試的時(shí)候,如圖3,在芯片進(jìn)入工作狀態(tài)后將RF1導(dǎo)通,已知由VST輸出功率,即芯片在Ant端口的輸入功率,測(cè)得RF1通道輸出的功率,因此即可以得出插入損耗功率值即:圖3:使用VST進(jìn)行插入損耗測(cè)試使用功率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)在進(jìn)行插損測(cè)試的時(shí)候?qū)τ诰€(xiàn)纜和其他元件(如在量產(chǎn)測(cè)試中加入的輔助開(kāi)關(guān))上的損耗需要進(jìn)行校準(zhǔn),可以使用功率計(jì)來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。我們可以將功率計(jì)連接至線(xiàn)纜與元件一端,通過(guò)VST的信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào),在各種頻率下測(cè)得信號(hào)發(fā)生器以及線(xiàn)纜和其他元件的總損耗。假設(shè)使用功率計(jì)進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果正確無(wú)誤,就可以確定信號(hào)分析儀裝置的測(cè)量偏移,即可對(duì)進(jìn)行插損測(cè)試中使用的儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。NI同樣提供高精度的功率計(jì),如需了解更多請(qǐng)?jiān)L問(wèn)。使用VNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試對(duì)于很多無(wú)源器件來(lái)說(shuō),使用VNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是進(jìn)行插入損耗的良好選擇。PXI矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有兩個(gè)端口,因此您可以選擇T/R測(cè)試集或全S參數(shù)功能。PXI矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀支持自動(dòng)精密校準(zhǔn)、完整矢量分析和參考平面擴(kuò)展,而且不像傳統(tǒng)臺(tái)式VNA那樣具有高成本和大尺寸。針對(duì)于插入損耗測(cè)試,即S21參數(shù),可直接利用VNA實(shí)現(xiàn)S21的測(cè)量。需要注意的是在使用VNA的時(shí)候?yàn)榱司_測(cè)量S參數(shù),應(yīng)考慮到外部所有的線(xiàn)纜及路徑中所有的連接件,無(wú)論是使用短路-開(kāi)路-負(fù)載-直通(SOLT)方法,還是使用VNA自帶的校準(zhǔn)套件,VNA需要進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。有關(guān)VNA校準(zhǔn)的更多信息,請(qǐng)?jiān)L問(wèn)。圖4:使用VNA進(jìn)行插入損耗測(cè)試在量產(chǎn)測(cè)試中使用STS快速測(cè)量S參數(shù)NI半導(dǎo)體測(cè)試系統(tǒng)(STS)是一款全自動(dòng)化生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng),采用全新的方法來(lái)測(cè)量生產(chǎn)測(cè)試中的S參數(shù)。該系統(tǒng)結(jié)合了端口模塊(portModule)與NI矢量信號(hào)收發(fā)器(VST)。除了開(kāi)關(guān)和預(yù)選功能之外,端口模塊包含的定向耦合器可以有效地將VST轉(zhuǎn)換成VNA。因此,可以在生產(chǎn)測(cè)試環(huán)境下快速測(cè)量S參數(shù),而不需要使用其他儀器。S參數(shù)測(cè)量使用多端口校準(zhǔn)模塊進(jìn)行校準(zhǔn),該模塊可以自動(dòng)校準(zhǔn)多達(dá)48個(gè)RF端口。有關(guān)NISTS的更多信息,請(qǐng)?jiān)L問(wèn)/semiconductor-test-system。2、隔離度Isolation隔離度是指的在待測(cè)端口檢測(cè)到無(wú)用信號(hào)的衰減度。一個(gè)高隔離度的開(kāi)關(guān)能夠大幅度減少其他通道對(duì)其的影響,這樣保證了信號(hào)的完整性。使用NIVST矢量信號(hào)收發(fā)儀測(cè)試隔離度對(duì)于隔離度的測(cè)試,與插入損耗測(cè)試方法相近,因此同樣可以使用NIVST矢量信號(hào)收發(fā)儀。但是在測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)上會(huì)再加入輔助開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)路由,如圖Figure2所示[1]。按照隔離度的定義,如針對(duì)RF1與RF2通道之間的隔離度,可將芯片進(jìn)入工作狀態(tài)后將RF1導(dǎo)通,即可測(cè)得芯片在Ant端口的輸入功率,同時(shí)可以測(cè)得在RF2處的輸出功率,因此即可計(jì)算處隔離度為:使用VST及輔助開(kāi)關(guān)進(jìn)行隔離度測(cè)試同樣在針對(duì)于隔離度的測(cè)試上,線(xiàn)纜和輔助開(kāi)關(guān)可以使用功率計(jì)來(lái)進(jìn)行儀器校準(zhǔn),并以此來(lái)設(shè)置儀器的偏移。使用NIPXI射頻開(kāi)關(guān)模塊在量產(chǎn)測(cè)試中進(jìn)行輔助開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)在之前提到的插入損耗和隔離度的量產(chǎn)測(cè)試中,射頻開(kāi)關(guān)芯片的多個(gè)通道之間測(cè)試進(jìn)行切換而需要最大化復(fù)用儀器,因此我們使用輔助開(kāi)關(guān)模塊對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。NI射頻開(kāi)關(guān)模塊PXI射頻多路開(kāi)關(guān)模塊是對(duì)于需要將儀器連接到DUT上進(jìn)行高通道數(shù)自動(dòng)化測(cè)試的理想選擇,開(kāi)關(guān)帶寬最高達(dá)40GHz。PXI射頻多路復(fù)用開(kāi)關(guān)模塊使用多種繼電器類(lèi)型,包括機(jī)電式電樞式、干簧管式、FET式和固態(tài)開(kāi)關(guān)式,每一種繼電器都有各自的優(yōu)點(diǎn),允許您選擇符合您要求的多路復(fù)用器。此外,NI開(kāi)關(guān)模塊提供了高級(jí)特性,如硬件觸發(fā)、板載繼電器使用計(jì)數(shù)跟蹤,并可根據(jù)需求進(jìn)行開(kāi)關(guān)拓?fù)涞男薷摹?、駐波比VSWRVSWR是反射波到入射波的比值,在射頻開(kāi)關(guān)芯片一些實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證測(cè)試中會(huì)進(jìn)行這個(gè)項(xiàng)目的測(cè)試。在高頻情況下,對(duì)于一個(gè)理想系統(tǒng),傳輸能量為100%;當(dāng)信號(hào)在不同的介質(zhì)(如一些阻抗不匹配的元件)上傳輸時(shí),如果能量未被全部吸收,反射就會(huì)發(fā)生。在射頻開(kāi)關(guān)芯片中,這種不匹配可能是由于連接器上的阻抗不匹配等。VSWR是反射波功率的一種測(cè)量方法,它也可以用來(lái)測(cè)量傳輸線(xiàn)上的功率損耗。反射波與輸入信號(hào)疊加形成駐波,反射引起相消干擾,沿著傳輸線(xiàn)在不同時(shí)間、距離產(chǎn)生電壓波峰、波谷,因此VSWR被定義為最高電壓與最低電壓之比。其中是輸入端口的反射系數(shù),即S11參數(shù),可使用VNA或者前文提到的STS端口模塊直接快速測(cè)量。4、開(kāi)關(guān)時(shí)間SwitchTime什么是開(kāi)關(guān)時(shí)間?開(kāi)關(guān)時(shí)間(SwitchTime)或切換時(shí)間指的是開(kāi)關(guān)從“導(dǎo)通”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖刂埂睜顟B(tài)或者從“截止”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩?dǎo)通”狀態(tài)所需要的時(shí)間。具體來(lái)講是指從DUT接收到通道切換命令,到在被切換到的通道上信號(hào)的功率達(dá)到滿(mǎn)幅度值的90%的時(shí)間。圖7:開(kāi)關(guān)時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證分析針對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試,根據(jù)通常會(huì)考慮使用高帶寬高速示波器來(lái)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方法是在兩個(gè)通道同時(shí)獲取DUT控制信號(hào)和射頻信號(hào),并測(cè)量DUT控制信號(hào)的跳變沿和射頻信號(hào)到達(dá)相應(yīng)功率值時(shí)刻的時(shí)間差。驗(yàn)證測(cè)試中示波器帶寬對(duì)于開(kāi)關(guān)時(shí)間測(cè)試的影響對(duì)于示波器而言,最關(guān)心的一個(gè)指標(biāo)就是帶寬。帶寬描述了從探針或測(cè)試夾具前端到ADC,輸入信號(hào)幅值損失最小時(shí),可以通過(guò)模擬前端的頻率范圍。帶寬被定義為一個(gè)正弦波輸入,通過(guò)示波器后測(cè)得其原始幅值70.7%的頻率,也稱(chēng)為-3dB點(diǎn)。在大多數(shù)情況下,我們建議示波器的帶寬是被測(cè)信號(hào)中最高頻率分量的2到5倍,將捕獲的信號(hào)幅度誤差影響降低到最小(帶寬要求=(2~5)*頻率)。對(duì)于射頻開(kāi)關(guān)的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)關(guān)時(shí)間驗(yàn)證測(cè)試,需要進(jìn)行DUT控制信號(hào)與射頻開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)達(dá)到對(duì)應(yīng)功率值時(shí)刻的時(shí)間差,因此對(duì)于兩者而言,上升時(shí)間測(cè)量是其中的關(guān)鍵。圖8顯示了一個(gè)500MHz范圍測(cè)量高斯模型的階躍響應(yīng)。當(dāng)階躍相應(yīng)的最高頻率是4倍于儀器帶寬時(shí)(紅色曲線(xiàn)),我們看到的基本上僅是示波器的階躍響應(yīng)而不是輸入信號(hào)的階躍響應(yīng)。因此在進(jìn)行上升時(shí)間測(cè)量中有相當(dāng)大的誤差(416%)。被測(cè)信號(hào)與示波器(黃色曲線(xiàn))具有相同帶寬時(shí),仍然會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的誤差(40%)。我們可以看到,在被測(cè)信號(hào)頻率是示波器帶寬的1/3(綠色曲線(xiàn))時(shí),上升時(shí)間測(cè)試結(jié)果將相對(duì)準(zhǔn)確(僅4.4%)。所以一個(gè)很好的經(jīng)驗(yàn)方法是選擇一個(gè)至少是最高頻率3倍的模擬帶寬的示波器。圖8:500MHz帶寬示波器對(duì)于不同階躍響應(yīng)的曲線(xiàn)NI提供從400MHz到高達(dá)5GHz帶寬、分辨率從8位到14位的多種示波器選擇,滿(mǎn)足不同應(yīng)用下的測(cè)試任務(wù)。配合功能強(qiáng)大的交互式面板,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證性測(cè)試進(jìn)行界面友好的調(diào)試,并同時(shí)搭配多種語(yǔ)言支持的API,如LabVIEW,C,Python等,實(shí)現(xiàn)快速實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)化測(cè)試開(kāi)發(fā)。利用PXI高精度同步機(jī)制實(shí)現(xiàn)高速量產(chǎn)測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證測(cè)試中使用高帶寬示波器可進(jìn)行快速的波形查看及上升時(shí)間計(jì)算,但是這個(gè)方法在量產(chǎn)測(cè)試中即使能夠滿(mǎn)足測(cè)試需求,但是面對(duì)量產(chǎn)中成本和測(cè)試時(shí)間上的要求,價(jià)格不菲的高帶寬的示波器在系統(tǒng)成本上是一個(gè)巨大的開(kāi)銷(xiāo);同時(shí)DUT的射頻輸出在系統(tǒng)連接線(xiàn)設(shè)計(jì)上,除了要接入射頻儀器外,還需要額外將輸出接入到示波器上,這樣將增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。因此,在量產(chǎn)測(cè)試中,我們會(huì)考慮其他設(shè)計(jì)方法。進(jìn)行開(kāi)關(guān)時(shí)間量產(chǎn)測(cè)試時(shí),我們使用帶PPMU功能的NIDigitalPattern基于向量的數(shù)字儀器PXIe-6570,并配合NIVST矢量信號(hào)收發(fā)儀進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。PXIe-6570包含具有觸發(fā)和Pattern排序的深度板載內(nèi)存。通過(guò)基于向量的Pattern,它可將芯片編程到已知狀態(tài)。而最重要的是,基于PXIe總線(xiàn)的測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)了高精度、低延時(shí)的定是同步機(jī)制,這樣的指標(biāo)對(duì)于兩個(gè)模塊之間同步觸發(fā)的問(wèn)題得到了很好的解決?;赑XI的高精度同步觸發(fā)NI為PXI和PXIExpress機(jī)箱提供了定時(shí)和同步解決方案。最新的PXIExpress對(duì)PXI平臺(tái)進(jìn)行了改革,在保留向后兼容的同時(shí),針對(duì)測(cè)量I/O設(shè)備,提供了比PXI-1更強(qiáng)大的同步功能。具體體現(xiàn)在:·PXIExpress保留了原始的PXI規(guī)范中的10MHz背板時(shí)鐘,以及單端PXI觸發(fā)總線(xiàn)和長(zhǎng)度匹配的PXI星形觸發(fā)信號(hào)?!XIExpress還在背板上增加了100MHz差分時(shí)鐘和差分星形觸發(fā),提供增強(qiáng)的抗噪音能力和業(yè)界領(lǐng)先的同步精度(分別為250ps和500ps的模塊間延遲差)。NI定時(shí)和同步模塊充分利用PXI和PXIExpress機(jī)箱中的高級(jí)定時(shí)和觸發(fā)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。圖9:基于PXI的定時(shí)同步機(jī)制在量產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)上,我們也充分利用了PXI平臺(tái)觸發(fā)總線(xiàn)的高準(zhǔn)確度、低延時(shí)特性。如圖10所示,基于向量的數(shù)字儀器PXIe-6570在給出控制命令的同時(shí),產(chǎn)生一個(gè)事件觸發(fā)脈沖,這個(gè)脈沖通過(guò)PXI總線(xiàn)傳送到VST,觸發(fā)VST開(kāi)始采集射頻信號(hào)。在系統(tǒng)中逐個(gè)檢查射頻信號(hào)采樣值的幅度,比較可得到第一個(gè)幅度滿(mǎn)足要求的采樣點(diǎn),并且由于射頻信號(hào)采集的開(kāi)始時(shí)刻就是開(kāi)關(guān)切換的時(shí)刻,與滿(mǎn)足要求采樣點(diǎn)時(shí)間差乘以采樣周期就可以得到切換時(shí)間。通過(guò)這樣的方式將極大提升儀器的復(fù)用率,而不需要額外示波器進(jìn)行測(cè)試,降低了測(cè)試成本,并且也減少了儀器間切換的時(shí)間,提升測(cè)試效率。圖10:基于向量的數(shù)字儀器及VST的開(kāi)關(guān)時(shí)間測(cè)試5、諧波Harmonic諧波行為由非線(xiàn)性器件引起,會(huì)導(dǎo)致在比發(fā)射頻率高數(shù)倍的頻率下產(chǎn)生輸出功率。由于許多無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)帶外輻射進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定,所以工程師會(huì)通過(guò)測(cè)量諧波來(lái)評(píng)估RF或FEM是否違反了這些輻射要求。測(cè)量諧波功率的具體方法通常取決于RF的預(yù)期用途。對(duì)于通用RF等器件備來(lái)說(shuō),諧波測(cè)量需要使用連續(xù)波信號(hào)來(lái)激勵(lì)DUT,并測(cè)量所生成的不同頻率的諧波的功率。另外,測(cè)量諧波功率通常需要特別注意信號(hào)的帶寬特性。使用連續(xù)波激勵(lì)測(cè)量諧波使用連續(xù)波激勵(lì)測(cè)量諧波需要使用信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)分析儀。對(duì)于激勵(lì)信號(hào),需要使用信號(hào)發(fā)生器生成具有所需輸出功率和頻率的連續(xù)波。信號(hào)發(fā)生器生成激勵(lì)信號(hào)后,信號(hào)分析儀在數(shù)倍于輸入頻率的頻率下測(cè)量輸出功率。常見(jiàn)的諧波測(cè)量有三次諧波和五次諧波,分別在3倍和5倍的激勵(lì)頻率下進(jìn)行測(cè)量。RF信號(hào)分析儀提供了多種測(cè)量方法來(lái)測(cè)量諧波的輸出功率。一個(gè)直截了當(dāng)?shù)姆椒ㄊ菍⒎治鰞x調(diào)至諧波的預(yù)期頻率,并進(jìn)行峰值搜索以找到諧波。例如,如果要測(cè)量生成1GHz信號(hào)時(shí)的三次諧波,則三次諧波的頻率就是3GHz。測(cè)量諧波功率的另一種方法是使用信號(hào)分析儀的零展頻(zerospan)模式在時(shí)域中進(jìn)行測(cè)量。配置為零展頻模式的信號(hào)分析儀可以有效地進(jìn)行一系列功率帶內(nèi)測(cè)量,并將結(jié)果以時(shí)間的函數(shù)形式表現(xiàn)出來(lái)。在此模式下,可以在時(shí)域上測(cè)量選通窗口中不同頻率的功率,并使用信號(hào)分析儀內(nèi)置的取平均功能進(jìn)行計(jì)算。除此之外,在射頻開(kāi)關(guān)芯片的測(cè)試條件中一般規(guī)定了較大的輸入功率,因此需要外加射頻功率放大器將信號(hào)發(fā)生器的功率進(jìn)行放大后給被測(cè)器件。使用高功率模塊及矢量信號(hào)收發(fā)儀VST進(jìn)行量產(chǎn)測(cè)試在量產(chǎn)測(cè)試中,信號(hào)分析儀相對(duì)較高,因此依然可以使用矢量信號(hào)收發(fā)儀搭配高功率模塊來(lái)實(shí)現(xiàn),最大化復(fù)用之前測(cè)試項(xiàng)所使用的儀器。VST生成的單音射頻信號(hào),經(jīng)NI的高功率模塊(NI5534)放大,輸出功率可達(dá)38dBm,放大后的信號(hào)經(jīng)低通濾波達(dá)到被測(cè)器件,被測(cè)器件的輸出信號(hào)濾除主頻成分后,剩下的諧波成分通過(guò)輔助開(kāi)關(guān)送入NI高功率模塊(NI5534)的接收路徑,經(jīng)衰減后送入VST。6、互調(diào)失真IMD互調(diào)失真理論為了理解IMD,我們需要回顧一下非線(xiàn)性系統(tǒng)的多音信號(hào)理論。雖然單音激勵(lì)信號(hào)會(huì)在該信號(hào)頻率的每個(gè)倍數(shù)處產(chǎn)生諧波行為,但是多音信號(hào)產(chǎn)生的非線(xiàn)性產(chǎn)物需要在更寬的頻率范圍才會(huì)出現(xiàn)。如圖11所示,DUT輸出端的二階失真產(chǎn)物出現(xiàn)在輸入信號(hào)頻率每個(gè)倍數(shù)的頻率處。f2-f1,2f1,f1+f2,和2f2處產(chǎn)生的失真產(chǎn)物包含每個(gè)輸入音的二次諧波以及兩個(gè)輸入音頻率相加和相減頻率處的失真產(chǎn)物。圖11:IMD理論三階失真描述的是一階基音信號(hào)和每個(gè)二階失真產(chǎn)物之間的相互作用。事實(shí)上,通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算,可以看到兩個(gè)特定的三階失真出現(xiàn)在接近基音頻率的頻率下。以一個(gè)實(shí)際應(yīng)用為例,當(dāng)DUT發(fā)送調(diào)制信號(hào)時(shí),三階失真作為帶內(nèi)失真出現(xiàn)在鄰近感興趣頻帶的地方。IMD測(cè)量描述的是基音和相鄰三階失真之間的功率差的比率,用dB表示。IMD測(cè)量的一個(gè)重要特征是一階和三階失真之間的功率比完全取決于每個(gè)音的絕對(duì)功率電平。在許多器件的線(xiàn)性工作區(qū)域中,一階音和三階失真產(chǎn)物的比率常常很高。然而,隨著基音輸入功率的增加,三階失真產(chǎn)物也隨之增加。實(shí)際上,基音的功率每增加1dB,互調(diào)失真產(chǎn)物會(huì)增加3dB。理論上,由于三階失真產(chǎn)物功率的增加速度會(huì)比基音功率增加的速

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