實時頻譜分析在EMI診斷中的應用
發布時間:2011-08-09
中心議題:
- 實時頻譜分析在EMI診斷中的應用
解決方案:
- 診斷、預一致性和一致性測試
- EMI濾波器、檢波器和平均算法的數字實現方案
- 測量速度和實時頻譜分析儀
- 查找當前的EMI問題
頻譜分析儀是電磁幹擾(EMI)的測試、診斷和故障檢修中用途最廣的一種工具。本篇文章將重點突出頻譜分析儀在EMI應用的廣闊範圍內作為診斷測試儀器的多用性。頻譜分析儀對於一個電磁兼容(EMC)工程師來說就象一位數字電路設計工程師手中的邏輯分析儀一樣重要。頻譜分析儀的寬頻率範圍、帶寬可選性和寬範圍掃描CRT顯示使得它在幾乎每一個EMC測試應用中都可大顯身手。隨著數字調製數據傳輸和超寬帶(UWB)傳輸方法出現,加上高速數字時鍾形式的非預計輻射裝置的頻率日益提高,當前EMI規範標準已經不能全麵解決目前存在的所有幹擾類型及其對通信係統的影響。
突tu發fa在zai消xiao費fei電dian子zi和he通tong信xin中zhong偶ou發fa的de短duan高gao頻pin幹gan擾rao正zheng變bian得de越yue來lai越yue常chang見jian,例li如ru,計ji算suan機ji中zhong使shi用yong的de與yu模mo式shi相xiang關guan的de擴kuo頻pin時shi鍾zhong,以yi及ji嵌qian入ru式shi係xi統tong設she計ji中zhong運yun行xing有you噪zao聲sheng的de定ding期qi硬ying盤pan訪fang問wen周zhou期qi的de硬ying盤pan驅qu動dong器qi。這zhe些xie複fu雜za的de數shu字zi設she備bei正zheng日ri益yi接jie近jin以yi頻pin率lv捷jie變bian、基於分組模式運行的無線通信係統。
suizhetongxinxitongdeganraotedianfashengbianhua,ceshishebeiyezaibianhua。monidianluyiqianshixiandegongneng,xianzaikeyiyishuzifangshishixian,celiangsudubuduantigao,womenkeyigengkuaidihuodeceliangjieguo。taikegongsituichudeshishipinpufenxiyikeyijishizhakanfeichangkuandepinpukuadu,erbuhuidiushipinduanzhongdexinxi,congerkeyifaxian、捕獲並測量對傳統技術極具挑戰性的瞬態峰值。
診斷、預一致性和一致性測試
在電磁兼容性(EMC)領域中,設計和檢驗的不同階段會使用不同的設備和技術。在開發的早期階段,EMC設計技術與診斷相結合導致較低的EMI特征,對外部幹擾和內部幹擾的靈敏度低。通常使用帶有相應濾波器和檢波器的通用頻譜分析儀,確定設計優化對EMC的影響。通常直接在電路板上完成探測,或使用E場和H場探頭,確定設計優化的影響和屏蔽效果。當然,診斷在保證優秀的EMC性能方麵沒有限製;通常要求對係統集成進行全麵診斷和調試,為保證所有RFzixitongdadaoyaoqiudexingnengshuiping,bingqiebuhuibeijichengxitongdeqitabufenliehua。zaixitongjichenghoujinxingyuyizhixingceshi,yiquedingshejizhongdewentiquyu。manzuguojibiaozhunbingbuyaoqiujinxingyuyizhixingceshi,yuyizhixingceshidemubiaoshifaxianqianzaiwenti,jiangdiyizhixingceshijieduanfashengguzhangdefengxian。shiyongdeshebeikeyishifeibiaozhunshebei,ruguozaiceshijieguozhongzengjiachongzudeyuliang,qijingduhedongtaifanweikeyidiyubiaozhunjieshouji。yuyizhixingceshikeyizairenzhengshiyanshizhongshiyongkuaisuceliangjishuwancheng,zhexieceliangjishuzhizai"迅速查看"問題區域;預(yu)一(yi)致(zhi)性(xing)測(ce)試(shi)也(ye)可(ke)以(yi)在(zai)臨(lin)時(shi)地(di)點(dian)由(you)工(gong)程(cheng)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)完(wan)成(cheng)。預(yu)認(ren)證(zheng)通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)包(bao)含(han)相(xiang)應(ying)濾(lv)波(bo)器(qi)和(he)檢(jian)波(bo)器(qi)的(de)通(tong)用(yong)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi),因(yin)為(wei)它(ta)們(men)提(ti)供(gong)了(le)快(kuai)速(su)測(ce)量(liang)工(gong)具(ju),這(zhe)些(xie)工(gong)具(ju)通(tong)常(chang)已(yi)經(jing)用(yong)於(yu)設(she)計(ji)流(liu)程(cheng)中(zhong),不(bu)要(yao)求(qiu)額(e)外(wai)的(de)資(zi)本(ben)開(kai)支(zhi)。如(ru)果(guo)在(zai)這(zhe)個(ge)階(jie)段(duan)發(fa)現(xian)問(wen)題(ti),那(na)麼(me)要(yao)求(qiu)進(jin)行(xing)進(jin)一(yi)步(bu)診(zhen)斷(duan)和(he)設(she)計(ji)改(gai)動(dong)。RSA6100A上提供的功能除診斷外,還可以進行某些預一致性測量。圖5是預一致性掃描實例,它把CISPR QP檢波的軌跡與天線因子表格和雜散信號搜索功能結合在一起。在本例中,軌跡是"環境掃描",考察的是在沒有被測設備時存在的背景信號。
一致性測試要求符合國際標準規定的方法、設備和測量地點。一致性測試通常作為設備生產前設計檢驗的一部分完成。一致性測試是窮盡型測試,耗時長,產品開發這一階段的EMC故障可能會導致昂貴的重新設計,耽誤產品推出。
濾波器、檢測器和平均
濾波器(filter),是(shi)一(yi)種(zhong)用(yong)來(lai)消(xiao)除(chu)幹(gan)擾(rao)雜(za)訊(xun)的(de)器(qi)件(jian),將(jiang)輸(shu)入(ru)或(huo)輸(shu)出(chu)經(jing)過(guo)過(guo)濾(lv)而(er)得(de)到(dao)純(chun)淨(jing)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)。對(dui)特(te)定(ding)頻(pin)率(lv)的(de)頻(pin)點(dian)或(huo)該(gai)頻(pin)點(dian)以(yi)外(wai)的(de)頻(pin)率(lv)進(jin)行(xing)有(you)效(xiao)濾(lv)除(chu)的(de)電(dian)路(lu),就(jiu)是(shi)濾(lv)波(bo)器(qi),其(qi)功(gong)能(neng)就(jiu)是(shi)得(de)到(dao)一(yi)個(ge)特(te)定(ding)頻(pin)率(lv)或(huo)消(xiao)除(chu)一(yi)個(ge)特(te)定(ding)頻(pin)率(lv)。濾(lv)波(bo)器(qi)是(shi)由(you)電(dian)感(gan)器(qi)和(he)電(dian)容(rong)器(qi)構(gou)成(cheng)的(de)網(wang)路(lu),可(ke)使(shi)混(hun)合(he)的(de)交(jiao)直(zhi)流(liu)電(dian)流(liu)分(fen)開(kai)。電(dian)源(yuan)整(zheng)流(liu)器(qi)中(zhong),即(ji)借(jie)助(zhu)此(ci)網(wang)路(lu)濾(lv)淨(jing)脈(mai)動(dong)直(zhi)流(liu)中(zhong)的(de)漣(lian)波(bo),而(er)獲(huo)得(de)比(bi)較(jiao)純(chun)淨(jing)的(de)直(zhi)流(liu)輸(shu)出(chu)。
能檢測色譜柱流出組分及其量的變化的器件。指機械的、電子的或化學器件,用於區分、記錄或指示環境中某一變量的變化,如溫度、壓力、電荷、電磁輻射、核輻射、粒子或分子等。如紫外檢測器是將通過待測物質後的光強變化轉化為電信號的器件,這類信號轉換器英文中又稱為transducer 又稱鑒定器。是檢測色譜分離組分物理或化學性質或含量變化(多數情況是將其轉化為相應的電壓、電流信號)的一種儀器裝置。它是色譜係統中的關鍵部件,色譜分離過程的眼睛。
在許多商用EMI測量中,這些測量單元由Comite International Special des PerturbationsRadioelectriques (CISPR)規定,CISPR是國際標準機構--國際電氣技術委員會(IEC)下屬的一家技術機構。其他標準和認證機構,例如日本的TELEC,也對測量方法和認證技術提出了要求。美國國防部已經開發了MIL-STD 461E標準,對軍事設備提出了特殊要求。
測量帶寬由接收機帶寬形狀或頻譜儀的分辨率帶寬(RBW)濾波器決定。測試帶寬通常是頻譜中可能存在幹擾的頻段,而隨著頻率的不同測試帶寬也不盡相同。
檢波器用來計算在某個時點上代表信號的單個點。檢波方法可以計算正峰值或負峰值、電壓的RMS或均值,或在許多EMI測量中,計算準峰值(QP)。
在測量期間,對檢測到的信號使用平均方法。CISPR標biao準zhun定ding義yi的de平ping均jun算suan法fa旨zhi在zai複fu現xian使shi用yong擁yong有you規gui定ding響xiang應ying時shi間jian的de電dian壓ya表biao讀du取qu信xin號hao值zhi所suo產chan生sheng的de影ying響xiang。通tong過guo對dui檢jian測ce到dao的de輸shu出chu應ying用yong指zhi定ding帶dai寬kuan,還hai可ke以yi使shi用yong"視頻濾波器"進行平均。對EMI測試,TELEC標準中規定了視頻濾波。
檢測方法
盡管許多EMI測量可以使用簡單的峰值檢波器完成,但EMI測量標準規定了一種專用測量方法,即準峰值(QP)檢波器。QP檢波器用來檢測信號包絡加權後的峰值(準峰值)。它根據信號時長和重複率加權多個信號。QP檢波器的特點是響應快、衰減慢,包含一個表示臨界阻尼表的時間常數。發生頻次較高的信號,其QP測量值要高於偶發的脈衝。
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準峰值檢波器在傳統上一直用於模擬設計中,如圖1所示。

圖1 模擬實現方案中的準峰值檢測器。準峰值檢波器的響應快(充電時間)、衰減慢(放電時間)特點源於該電路中的R-C常數
在圖1中,隻要Sin高於S1,那麼信號Sin的包絡就會對電容器C到電阻器R1充電。如果輸入信號Sin小於S1,那麼電阻R2會對電壓S1放電。
為幫助查看準峰值檢波器與相關儀表組合的響應,圖2把輸入響應(重複脈衝,用藍色表示)、得到的準峰值檢波器響應(具有響應快、衰減慢的特點,用綠色表示)及檢波器與儀表的綜合響應(用紅色表示)分開。
對於帶有QP檢波器的接收機上的常數指標,圖3表明了CISPR 16-1-1標準描述的幅度和重複頻率之間的關係。

圖2 對重複信號的準峰值響應

圖3 準峰值檢波器的脈衝響應曲線
圖4是峰值檢波和QP檢波實例。這裏,峰值檢波和QP檢波中查看了8μs脈寬和10ms重複率的信號。得到的QP值比峰值低10.1dB.在測量被測設備的EMI時(shi),通(tong)常(chang)會(hui)先(xian)測(ce)量(liang)峰(feng)值(zhi),找(zhao)到(dao)超(chao)過(guo)或(huo)接(jie)近(jin)規(gui)定(ding)極(ji)限(xian)的(de)問(wen)題(ti)區(qu)域(yu)。然(ran)後(hou)隻(zhi)在(zai)接(jie)近(jin)或(huo)超(chao)過(guo)限(xian)製(zhi)的(de)信(xin)號(hao)上(shang)進(jin)行(xing)速(su)度(du)較(jiao)慢(man)的(de)準(zhun)峰(feng)值(zhi)測(ce)量(liang)。通(tong)常(chang)使(shi)用(yong)帶(dai)有(you)標(biao)準(zhun)峰(feng)值(zhi)檢(jian)波(bo)器(qi)的(de)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi),迅(xun)速(su)評(ping)估(gu)任(ren)何(he)問(wen)題(ti)區(qu)域(yu)。

圖4 峰值和準峰值檢波對8μs脈寬和10ms重複率的信號的影響,準峰值比峰值低10.1dB
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平均和視頻濾波器
除QP檢波外,實時頻譜分析儀還支持CISPRguifanzhongguidingdefengzhihejunzhijianboqi。fengzhijianboqijiancexinhaobaoluodefengzhi,junzhijianboqijisuanbaoluodepingjunzhi。shishipinpufenxiyinenggoucongtongyishuruxinhaozhongtongshiceliangQP、峰值和均值,以獨一無二的方式了解DUT的信號特點。某些EMI測(ce)量(liang)指(zhi)定(ding)了(le)視(shi)頻(pin)濾(lv)波(bo)器(qi),視(shi)頻(pin)濾(lv)波(bo)器(qi)是(shi)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi)中(zhong)最(zui)早(zao)采(cai)用(yong)的(de)方(fang)法(fa),以(yi)降(jiang)低(di)測(ce)量(liang)噪(zao)聲(sheng)變(bian)化(hua)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)影(ying)響(xiang)。視(shi)頻(pin)濾(lv)波(bo)器(qi)一(yi)詞(ci)源(yuan)於(yu)最(zui)早(zao)的(de)實(shi)現(xian)方(fang)案(an),即(ji)低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)被(bei)放(fang)在(zai)檢(jian)測(ce)到(dao)的(de)輸(shu)出(chu)與(yu)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi)CRT的Y軸模擬驅動輸入之間。實時頻譜分析儀和部分現代頻譜分析儀采用數字技術來平滑信號上的噪聲。
在大多數EMI測量中,視頻濾波器指定為關閉,或視頻濾波器指定為至少比測量的指定RBW高出三倍(參見表1)。

指定視頻濾波器關閉(或不小於3倍RBW)的目的,是為了消除視頻濾波器對檢測到的信號的影響。圖4是視頻帶寬(VBW)與RBW之比變化時視頻帶寬的影響。在VBW≥3*RBW或10*RBW(或失效)時,噪聲標準偏差保持在5.4dB.在VBW=RBW時,例如在TELEC規範部分章節中,噪聲變化降低到大約4.7dB.
EMI濾波器、檢波器和平均算法的數字實現方案
標準的EMIlvboqitongchangyouchuanliandiankangqihebingliandianrongqizuchengdeditonglvbodianlu,qizuoyongshiyunxushebeizhengchanggongzuoshidepinlvxinhaojinrushebei,erduigaopindeganraoxinhaoyoujiaodadezuaizuoyong。dianyuanxianshiganraochuanrushebeihechuanchushebeidezhuyaotujing,tongguodianyuanxian,dianwangdeganraokeyichuanrushebei,ganraoshebeidezhengchanggongzuo,tongyangshebeichanshengdeganraoyekenengtongguodianyuanxianchuandaodianwangshang,ganraoqitashebeidezhengchanggongzuo。
檢波器,是檢出波動信號中某種有用信息的裝置。用於識別波、zhendanghuoxinhaocunzaihuobianhuadeqijian。jianboqitongchangyonglaitiqusuoxiedaidexinxi。jianboqifenweibaoluojianboqihetongbujianboqi。qianzhedeshuchuxinhaoyushuruxinhaobaoluochengduiyingguanxi,zhuyaoyongyubiaozhuntiaofuxinhaodejietiao。houzheshijishangshiyigemonixiangchengqi,weilededaojietiaozuoyong,xuyaolingwaijiaruyigeyushuruxinhaodezaibowanquanyizhidezhendangxinhao(相幹信號)。同步檢波器主要用於單邊帶調幅信號的解調或殘留邊帶調幅信號的解調。
對基於離散傅裏葉變換(DFT)jishudepinpufenxiyi,tongguoduilisancaijishujuyingyongchuangkougongneng,keyiyishuzifangshizhixinglvbo。caiyanglvqujueyuyaoqiudelvboqidedaikuan。zaicaiyangpinlvxiangtongshi,yaoqiugengduodeyangdianlaishixiangengxiaodelvbodaikuan。
實時頻譜分析儀采用Kaiser窗口仿真EMI濾波器。窗口功能的頻響幅度決定著IF濾波器形狀,必須滿足CISPR 16-1-1中規定的帶通選擇限製。
在實時頻譜分析儀中,準峰值檢波器使用數字濾波器實現。可以使用數字濾波器,如無窮脈衝響應(IIR)濾波器,仿真傳統EMI接收機使用的RC充電電路和放電電路。這種臨界阻尼表還可以建模為二階數字IIR濾波器。儀表上顯示的最大值取為準峰值檢波器器值。
在實時頻譜分析儀上,視頻濾波器采用平均技術實現。使用的平均數量取決於選擇的視頻帶寬及測量時使用的RBW.在使用VBW時,得到的測量分析長度取決於選擇的VBW,如果在沒有視頻帶寬時使用RBW,那麼會比較長。實時頻譜分析儀選擇平均數量,實現與噪聲變化對VBW/RBW曲線的良好相關性,如圖5所示。

圖5 VBW/RBW之比對隨機噪聲信號標準偏差的影響。在VBW不小於3倍的分辨率帶寬時,其對VBW的信號偏差沒有實際影響
測量速度和實時頻譜分析儀
QP和均值的測量速度一直是測量接收機和頻譜分析儀所麵臨的一項挑戰。QP檢jian波bo器qi和he儀yi表biao響xiang應ying時shi間jian長chang,因yin此ci在zai很hen寬kuan的de頻pin率lv中zhong一yi次ci掃sao描miao一yi個ge頻pin率lv並bing不bu現xian實shi。為wei解jie決jue這zhe個ge問wen題ti,測ce量liang使shi用yong峰feng值zhi檢jian波bo器qi完wan成cheng,可ke以yi迅xun速su確que定ding被bei測ce設she備bei中zhong最zui高gao的deEMIfengzhi。ranhouzaisuoyouwentiquyushiyongdanpinlvceliang,zhongfuzhixingceliang。zuijin,shichangshangchuxianlenenggouchulidadexinhaokuadudejieshoujiheshishipinpufenxiyi,qiyingyongQP檢(jian)波(bo)和(he)平(ping)均(jun)功(gong)能(neng)的(de)速(su)度(du)要(yao)比(bi)單(dan)頻(pin)率(lv)測(ce)量(liang)技(ji)術(shu)高(gao)出(chu)幾(ji)個(ge)量(liang)級(ji)。這(zhe)種(zhong)計(ji)算(suan)頻(pin)寬(kuan)中(zhong)所(suo)有(you)頻(pin)率(lv)點(dian)的(de)方(fang)法(fa)產(chan)生(sheng)了(le)明(ming)顯(xian)的(de)速(su)度(du)優(you)勢(shi),與(yu)掃(sao)描(miao)技(ji)術(shu)相(xiang)比(bi),還(hai)有(you)另(ling)一(yi)個(ge)優(you)勢(shi):keyiyigaodeduodezhentinggailvzhakanpinduanzhongdeshuntaixinhao。zheyidianzaidangqiandeshejihuanjingzhongyouweizhongyao,yinweixinhaosuishijianbianhuaheyidong,danpinlvceliangbunengbiaoshizhexiedongtaibianhuadexinhao。
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查找當前的EMI問題
盡管上麵介紹的基於標準的測量方法對法定的一致性測試必不可少,但它們通常不能解決、甚至不能檢測到當前係統中EMI設計所麵臨的問題。
幸運的是,測量技術的發展已經可以滿足這些需求。上麵介紹了如何使用實時頻譜分析儀發現瞬態信號和EMI隱yin患huan。在zai下xia麵mian的de實shi例li中zhong,單dan個ge的de瞬shun態tai信xin號hao會hui產chan生sheng一yi串chuan瞬shun態tai信xin號hao,這zhe些xie信xin號hao每mei次ci隻zhi持chi續xu很hen短duan的de時shi間jian。在zai本ben例li中zhong,該gai設she備bei是shi一yi種zhong嵌qian入ru式shi係xi統tong,在zai把ba數shu據ju緩huan存cun到dao硬ying盤pan時shi導dao致zhi了le瞬shun態taiEMI.在使用掃頻分析儀的峰值檢波器簡單檢查後(黃色軌跡,如圖6所示),似乎隻有一個連續信號;把儀器保持Max-hold幾分鍾,同時循環DUT工作模式,會指明問題(藍色軌跡)。但在峰值檢波模式下進行快速掃描會得到黃色軌跡,沒有檢測到問題。

圖6 掃頻分析儀峰值掃描(黃色軌跡)中漏掉的瞬態EMI,在DUT循環通過磁盤高速緩存操作、保持Max-hold模式一分鍾後被發現
圖7使用數字熒光處理(DPX)技術考察DUT的EMI特性,立即發現問題。泰克公司實時頻譜分析儀獨有的DPX頻譜顯示技術每秒可以處理超過48000個頻譜,保證能瞬時捕獲和顯示持續時間超過幾十微秒的信號。在圖6zhong,fashengpincijiaogaodexinhaoyonghongsebiaoshi,fashengpincijiaodidexinhaoyonglansehelvsebiaoshi。zheyang,keyilijikandaonaxiexinhaoshilianxude,naxiexinhaoshishuntaide。shuntaixinhaoouerchuxian,danqidianpingyaobilianxuxinhaogao。

圖7 使用DPX在5s後發現的偶發瞬態信號。紅色區域是頻繁發生的信號,藍色部分和綠色部分是瞬態信號
在使用DPXfaxianqianzaiwentihou,haiyaochufahebuhuoxinhao,yibianjinyibujinxingfenxi。tongguogenjulianxuxinhaoquxiandingyipinlvmobanchufa,ranhouzaipinpuzhongbuhuooufadeshuntaixinhao,keyiqingsongchufahebuhuoxinhao。chixushijianchaoguo10.3μs、高出頻率模板門限的任何信號都會導致觸發,並把觸發前和觸發後的信號存儲到存儲器中。圖8左側的三維頻譜圖顯示了瞬態信號觸發的4個采集結果。

圖8 使用頻率模板觸發技術捕獲以1s重複率發生的瞬態信號
現在可以全麵分析信號了。圖8中的標記顯示了瞬態信號的重複率是1.0s,但瞬態信號的長度並不是一直相同的,而是在5次采集過程中在752μs到200μs之zhi間jian變bian化hua。這zhe種zhong重zhong複fu頻pin率lv和he變bian化hua的de脈mai寬kuan提ti供gong了le重zhong要yao線xian索suo,以yi確que定ding電dian路lu中zhong瞬shun態tai信xin號hao的de來lai源yuan,在zai本ben例li中zhong是shi磁ci盤pan高gao速su緩huan存cun操cao作zuo,這zhe種zhong操cao作zuo隻zhi在zai被bei測ce設she備bei的de特te殊shu工gong作zuo條tiao件jian下xia才cai發fa生sheng。
總結
進行基於標準的EMI測量要求使用標準機構規定的專用濾波器和檢波器。接收機、傳統頻譜分析儀和實時頻譜分析儀提供了這些專用濾波器和檢波器。實時頻譜分析儀和某些接收機使用的DSP技術的測量速度要比掃頻方法快幾個量級,因為其可以同時分析整個實時帶寬(高達110MHz)。
與掃頻技術相比,實時分析技術大大縮短了保證100%瞬態信號偵聽概率所需的最低信號時長。通過使用擁有DPX頻(pin)譜(pu)處(chu)理(li)技(ji)術(shu)的(de)實(shi)時(shi)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi),可(ke)以(yi)簡(jian)便(bian)地(di)調(tiao)試(shi)產(chan)生(sheng)各(ge)種(zhong)瞬(shun)態(tai)信(xin)號(hao)的(de)係(xi)統(tong),保(bao)證(zheng)在(zai)分(fen)析(xi)過(guo)程(cheng)中(zhong)不(bu)會(hui)漏(lou)掉(diao)瞬(shun)態(tai)信(xin)號(hao)。這(zhe)縮(suo)短(duan)了(le)獲(huo)得(de)信(xin)息(xi)的(de)時(shi)間(jian),提(ti)高(gao)了(le)確(que)定(ding)被(bei)測(ce)設(she)備(bei)質(zhi)量(liang)的(de)信(xin)心(xin)。
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