TW293968B - - Google Patents
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Description
A7 93968 B7 五、發明説明G ) 技術領域: (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明係關於射頻(RF)放大器的功率分享系統。 本發明的背景: 地面行動射頻系統必須在射頻範圍內產生功率以便與 遠端行動站台通訊,此外,地面行動射頻系統必須能透過 接收天線以自遠端的行動站台接收射頻信號。 用以接收來自遠端行動站台發出之射頻信號的接收天 線一般而言係座落在髙塔或建築物頂端,如此天線才可不 受干擾且有效地接收射頻信號,由遠端行動站台發射出來 的信號一般而言具有極低的功率,因此由接收天線的接收 到的射頻信號强度極低,所以,在地面行動射頻系統的接 收機進行處理之前,由接收天線所接收到的射頻信號必須 先予以放大。 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 由於接收天線所接收到的射頻信號具有極低的功率準 位,吾人希望在信號接收之#以及經由電纜,例如同軸電 纜傳送出去之前,儘快地放大這些信號如此可將信號的干 擾和失眞降至最低,熟悉本技術領域的人士均知道應將放 大接收射頻信號的放大器設置在儘可能接近接收天線的高 塔或建築物頂端,藉由此種設施,可在經電纜傳輸時引入 任何干擾或失眞之前,將接收到的射頻信號先予以放大, 另外,接收用的放大器可設置在方便取用的位置,例如是 在一天線高塔的基部,在此種狀況下,會由於傳輸時的損 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS )八4規格(210X 297公釐) 233968 A7 B7 五、發明説明6 ) 失,而影響到信號品質。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 在現有已知的地面行動射頻系統中,各個接收天線配 合一個接收放大器使用,一般而言,可使用線性放大器來 放大接收到的射頻信號,由於接收射頻信號的動態範圍頗 大,故使用線性放大器。精通本技術領域的人士均明瞭, 對於一個接近接收天線之遠端行動站台所發射出的射頻信 號而言,所接收到的信號强度遠强過於接收自較遠距之行 動站台發射的射頻信號信號强度,例如,接收射頻信號的 平均信號强度均爲一 4 0 d Bm,對於較遠距的行動站台 而言,接收的信號强度可低至一1 2 2 dBm,因此,値 得重視的是,使用在此系統中的放大器應具有非常線性的 放大特性,若這個放大器不夠線性,則在放大器的輸出處 ,會出現其他不必要的交互調變信號,進而劣化通訊的品 質。 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 一般人均了解到欲描述一個放大器的線性度,係藉其 "輸出三次交點(IP30)^",對於一組已知的放大條 件而言,一放大器的I P 3 0需求可由下述的方程式1求 出: IP3 0 = 15^ogP〇— Im/2 + 5j?og ( N 2- 3 N / 2 )(式 1) 其中po =每個射頻通道的功率輸出,以 mi 1 1〗wa t t表示,N=待放大的射頻通道數目: 以及I M =最大可允許的交互調變準位(交互調變失眞) 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 223868 A7 B7 .------------- 玉、發明説明6 ) 以d B m表示。 在一般的地面行動射頻系統中,可具備6至12個接 收天線以接收多達6 0個頻道的射頻信號,在這種地面行 動射頻系統中,存在著如何決定接收放大器之大小的問題 ,這個問題渉及到任何一個接收天線將同時接收多少頻道 (使用者)的統計性決定。平均而言,可能只有5個使用 者,但極有可能在某一特定的時間點上,有2 0個使用者 提出透過單一放大器提供服務的需求,在此狀況下,放大 器的線性需求將增加5$og (N2— 3N/2),例如 ,當使用者數目由5增加爲1 0時,則IP3 0交點將有 超過3 d B m的增加,如以下的實例所示: 5j?og (52-3*5/2)=6. 2 2 d B m 5 芡 og (10 2- 3*10/2) = 9 . 6 5 d B m 經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 因此,問題在於選取一個適當大小的放大器,以確保 能滿足最差情況下統計峰値的放大需求,若該放大器太小 ,則在放大處理期間,所有接收RF信號的信號品質將發 生劣化。 另一個與此種接收放大器相關的問題是可靠度,因爲 各個接收天線係與一個放大器配合,所以一旦此放大器故 障,則天線亦無法使用,如此對應於該天線線束的相關區 域(地理區域)將發生服務中斷的情況。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210 X 297公釐)c 經濟部中央橾準局貞工消費合作社印策 A7 B7 五、發明説明(4 ) 本發明之揭露: 本發明目的之一在提供一種放大器功率分享系統,用 以均等地將多個輸入信號分派給系統中的放大器,然後再 將放大後的輸入信號回復過來。 本發明另一個目的在提供一種功率分享系統,能針對 由任一放大器予以放大之某一數目的信號,消除其統計峰 値。 本發明的另一個目的是提供一種能將所有输入信號作 放大的功率分享系統,即使當功率分享系統中的一個或多 個放大器發生故障。 本發明的另一個目的是提供一種使用在一地面行動射 頻系統中的功率分享系統。 本發明的另一個目的是提供一種地面行動射頻系統, 其可降低硬體成本,且由於改良的放大器特性,而具有更 優異的可靠度和信號品質。 依據本發明,可將多個輸入信號提供給一個轉換矩陣 ,這個轉換矩陣能將各個輸入信號分割爲某一數目N的轉 換信號,各個轉換信號包含有各輸入信號之功率的1 /N ,且爲相等的N個部份;各個轉換信號傳送至一個放大器 以進行信號放大;且放大後的轉換信號被傳送至一個反轉 換矩陣,這個反轉換矩陣能將各個放大轉換信號的所有部 份結合起來而成爲放大的輸入信號。 再依據本發明,放大的輸入信號爲輸入信號的放大複 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝. 訂 經濟部中央標準局員工消费合作杜印裂 A7 B7 五、發明説明(5 ) 製信號。 再依據本發明,在一個具有多個接收天線的地面行動 射頻系統中,输入信號是由接收天線的輸出端所提供,而 放大的输入信號再傳送至接收器。 再依據本發明,該轉換矩陣是一個傅利葉轉換矩陣, 而反轉換矩陣則是一個反傅利葉轉換矩陣。 再依據本發明,地面行動射頻系統包含有N個天線, 而N爲m的指數,亦即Nsm1·,故轉換矩陣使用的是具 有r級基數m頻率減量演算法的傅利葉轉換矩陣,而反轉 換矩陣則是一個使用r級基數m時間減量演算法的反傅利 葉轉換矩陣。 本發明優於習知技術之處在於地面行動射頻系統中, 接收信號的放大處理具有更佳的可靠度。所有的接收信號 均被放大,即使接收放大器發生故障,在使用本發明的系 統時,所有的接收天線均等地使用各個放大器’因此’可 消除統計性峰値造成的問題。 藉由以下實施例的詳細說明和附圖,可更清楚地明白 本發明的各項目的和優點。 附圖之簡述: 圖1中的方塊圖係依據本發明,顯示一個具有功率分 享的地面行動射頻系統; 圖2顯示一個傅利葉轉換矩陣和一個反傅利葉轉換矩 陣的操作,這二個矩陣係與圖1系統中的16個線性功率 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 裝. 訂 293968 A7 ___B7_ 五、發明説明(6 ) 放大器配合使用,其中,傅利葉轉換矩陣使用具4級的2 基數頻率減量演算法,而反傅利葉轉換矩陣使用具4級的 2基數時間減量演算法; 圖3顯示一個九十度的混合分離器,其使用在圖2中 的傅利葉轉換矩陣和反傅利葉轉換矩陣; 圖4顯示另一個九十度混合分離器的實施例,這個分 離器亦使用在圖2中的傅利葉轉換矩陣:以及 圖5顯示另一個九十度混合分離器的實施例,這個分 離器亦使用在圖2中的傅利葉轉換矩陣中; 實現本發明的最佳方式 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明所提出的功率分享系統特別適用於一種地面行 動射頻系統,由於接收到的射頻信號(輸入信號)係均等 地分佈在各個系統的放大器中,故可消除由任何放大器所 接收之頻道(使用者)數目的統計性峰値,而其中的放大 器係與系統中的接收天線配合使用,因此,可減少各個系 統放大器所需的大小,但是卻可完全且均等地予以使用, 如此可降低硬體的成本且增進其可靠度,此外,本發明所 提出的系統即使在有任何一個放大器發生故障時,亦具有 較佳的可靠度,所有接收到的射頻信號均可由其餘的放大 器加以放大。 本發明用以實現一功率分享系統的原理,這個系統適 用於射頻頻道單元所傳送的射頻信號,且利用高功率的線 性放大器加以放大,該系統的說明可見同靥本文發明者提 本紙張尺度適用中國國家樣準(CNS ) Μ规格(210X297公釐) 經濟部中央橾率局員工消费合作社印裝 A7 _B7___ 五、發明説明(7 ) 出,且在審査中的美國專利申請No. 08/ 314,896 (於1994年9月29曰提出申請)一 文,該發明申請文件在此亦作爲參考文獻。 參見圖1 ,一種地面行動射頻系統11〇包含多個接 收天線1 2 0,此天線以接收由行動台(未顯示)所傳送 出的射頻信號。接收到的射頻信號在帶通濾波器(B P F )1 2 2中予以濾波,再透過本發明的功率分享系統 1 3 0,傳送至一個射頻信號處理部1 2 5,此射頻信號 處理部1 2 5包含有分離器、路由器,交換處理,信號處 理及其他可用於將各個接收射頻信號傳送至一適當無線射 頻單元1 2 7的設備,各個無線頻單元1 2 7就是一個 頻道# ,系統110可使用於大量的頻道,例如6 0個頻 道。 此功率分享系統1 3 0包含一個NXN的傅利葉轉換 矩陣(快速傅利葉轉換矩陣)1 3 3,這個矩陣能接收帶 通濾波器1 2 2的输出,轉換後的輸出信號被傳送至多個 線性功率放大器1 3 5中的各個放大器,線性功率放大器 1 3 5的輸出則傳送至一個NXN的反傅利葉轉換矩陣( 快速反傅利葉轉換矩陣1 3 8 ),在本發明的實例中,存 在有1 6個線性功率放大器1 3 5,傅利葉轉換矩陣 1 3 3和反傅利葉轉換矩陣1 3 8均爲1 6 X 1 6的矩陣 ,然而,精通本技術領域的人士均明白,任何數目的線性 功率放大器1 3 5均可使用,如下述說明,若使用本發明 所敘述的1 6X1 6矩陣,則多達1 6個接收天線1 2 〇 本紙張尺度逋用中國國家橾準(CNS ) _A4规格(210X297公釐> ~ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝. 訂 293968 at _B7__ 五、發明説明(8 ) 的射頻信號均可利用本功率分享系統1 3 0予以放大。 參見圖2,圖中更詳細說明了功率分享系統1 3 0, 傅利葉轉換矩陣1 3 3平均地將帶通濾波器1 2 2的输出 分佈在1 6個線性功率放大器1 3 5中,此可藉由基數2 且具有4級的頻率減量演算法來達成,在 Krani anskas,Peter 所著 ’APlain Man’s Guide to the FFT)' — 文中’第 2 8 至 3 0 頁有 提及基數2頻率減量演算法,該文發表在IEEE Signal Proussing Magazina , Page 24-35, April 1994中,在 此亦作爲參考文獻,如精通本技術領域的人士所知悉,2 基數頻率減量演算法中的各級包含有多個9 0度的混合分 離器1 4 5 ,在圖3中有詳細的說明。 參見圖3,各個9 0度混合分離器1 4 5可以是一般 使用的一種對稱式四準分線耦合器。在傅利葉轉換矩陣的 第1級中,1 6個有耗損結合器中,二個結合器的輸出係 利用一對輸入埠(線)5 0 1 ,5 0 2來與分離器相連接 ,輸入埠(線)5 0 1 ,5 0 2具有相同的特性阻抗Yi 經濟部中央標準局貝工消費合作社印褽 {請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) ,亦即5 0 Ω,由分離器送出的輸出信號係出現在一對輸 出埠(線)503,504 ,輸出埠503,504具有 相同的特性阻抗Υι,如同輸入埠5 0 1 ,5 0 2。輸入 埠5 0 1 ,5 0 2係藉由一對主線5 1 0,5 1 1與輸出 埠503,504相連,此外,輸入埠501,502和 輸出埠5 0 3,5 0 4係藉由一對次線(分線)5 1 4, 5 1 5而予以連通,主線5 1 0,5 1 1和次線5 1 4, 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 經濟部中央橾準局員工消費合作社印装 A7 B7五、發明説明(9 ) 515的長度和阻抗在經過選擇後,傳送出所需的比値, 這個比値爲輸入信號對輸出信號之比。 爲實現本發明中所需的9 0度混合分離器,主線 5 1 0,5 1 1的特性阻抗Y2在選擇上是等於輸入和輸 出埠的特性阻抗乘上2 _1/2,亦即Y 2= ( Υ , ) ( 2 -1/2 )=〇 · 7 0 7Υι,次線的特性阻抗是等於輸入及輸出 埠的特性阻抗,亦即Yx。主線及次線的長度在選擇上是 等於輸入信號波長的四分之一。在主線及次線中,信號的 相位速度是不同的,此乃因爲線的特性阻抗不同,所以, 不同長度的線必須用以提供四分之一的波長。 混合式分離器1 4 5亦可使用圖4中所示之*蝴蝶式 頻率減量^來實現。參見圖4,一個蝴蝶式頻率減量包含 有定比例功能1 5 0,代數功能1 5 2和稱爲'^旋轉因子 #的乘法器1 5 3。在每一個減量級中,並不需要定比例 因子1 5 0,且可收集起來並僅作一次地傳送給傅利葉轉 換矩陣1 3 3的输入序列或输出序列。在已知的技術中, 各個分離器1 4 5將其輸入移動其週期的1/2,在本實 例中爲9 0度。一個減量級的输出可解釋爲該級输入的二 個半長序列,因此,以遞迴的方式,針對四級進行減量處 理,則1 6個耗損結合器輸出信號中的各個信號則平均地 分佈在1 6個矩陣输出中,亦即24=1 6,如此各個放 大器將針對各頻道的十六分之一進行放大。 如圖1和2所示,傅利葉轉換矩陣1 3 3中的输出將 提供作爲各個功率放大器1 3 5的輸入,在此例中,因爲 ---------^ -装--1----訂------{.VJ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家榡準(CNS ) Α4規格(210X297公釐) 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明(10 ) 使用了上述的傅利葉轉換矩陣,在各個頻道中,所有接收 到的射頻信號可以較低的功率來使用各個放大器,因此, 即使所有的頻道同時啓動,任何一個放大器所需的最大功 率只是所有頻道中總功率的1/N(1/16),在一個 具有6 0個頻道的系統1 1 〇中,可使得各個放大器的有 效峰値功率需求等於不到4個(6 0 + 1 6 = 3 . 7 5 ) 頻道所需的功率,因此,對於本發明的放大系統而言,並 不需要統計峰値的認可,此外,在習知的系統中,若其中 有一個放大器故障,則對應之接收天線1 2 0將無法接收 到射頻信號而予以放大,反之,若使用本發明的功率分享 系統,即使其中有一個放大器故障,所有的射頻信號仍然 可藉其他正常工作的放大器加以放大,因此,可大大減少 放大器的維護問題,如此可以不必很急迫地去修護或更換 一個故障的放大器,因爲所有的射頻信號可藉由其餘的放 大器進行放大。 這些被分配的接收射頻信號在放大之後,可利用反傅 利葉轉換矩陣1 3 8重建出原有的接收射頻信號,這個反 傅利葉轉換矩陣使用一種具有4級的基數2時間減量演算 法,以便將1 6個放大器的輸出轉換爲接收射頻信號的放 大複製信號,基數2時間減量.演算法的原理在上述 Kran i auskas所著論文中第3 1至3 2頁以及 圖1 5至1 9有所說明,該論文在此作爲參考文獻,在基 數2時間減量演算法所使用的是圊3中所顯示且說明過的 一個9 0度混合式分離器1 4 6,另外,在圖5中所示之 ^紙張尺度逋用中國國家標準(€师)八4規格(2丨0\297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央橾準局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明¢1 ) '"蝴蝶式時間減量"方法可用以實現反傅利葉轉換矩陣, 蝴蝶式時間減量1 4 6基本上是蝴蝶式頻率減量1 4 5 ( 圖4 )的反向操作,各級將對應的半長序列結合起來,起 始於最終的減量級,且由後向前地將引數傳遞至輸入級, 如上述,最後的输出就是接收射頻信號的放大複製信號, 之後,反傅利葉轉換矩陣的输出則傳送至射頻信號處理部 12 5 (圖 1 )。 如上述的討論,在傅利葉轉換矩陣中的各個分離器 1 4 5將一個9 0度的相位移引入分離器的輸入端,以產 生二個分離器输入的半長序列,同樣的,在反傅利葉轉換 矩陣中,各個分離器將二個半長序列結合成爲一個原有的 序列。假使,不管是在傅利葉轉換矩陣輸出的放大期間或 是放大器1 3 5的輸入和輸出信號在信號線1 3 6和 1 3 7上進行傳輸期間,在這些信號中引入了不同的相位 移,則在反傅利葉轉換矩陣中將無法正確地重建出所需的 信號,因此很重要的是,信號線1 3 6,1 3 7和放大器 1 3 5彼此爲相位平衡,如此,在傅利葉轉換矩陣和反傅 利葉轉換矩陣之間進行放大和傳輸期間,各個信號將具有 相同的相位移。達成相位平衡的方法是控制信號線1 3 6 ,1 3 7的長度,以及/或調整由放大器1 3 5所引入的 相位。 雖然本發明的實施例是使用具有4級的基數2快速傅 利葉轉換(FFT),但熟知本技術領域的人士均了解, 不同的基數可使用在傅利葉轉換矩陣1 3 3 (圖1 )以及 本紙張尺度ΐΐ用中國國家橾準(CNS ) A4規格(210X297公釐)~Γ" -14 - ^^1 1^1 m I 1^1 n^i In HI In、一n^i n m "N (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 A7 B7 _ 五、發明説明(2 ) 反傅利葉轉換矩陣1 3 8 (圖2 )中以實現本發明,若已 知天線及相關放大器的數目,N,其中N是m的乘方數, 亦即N=mr,則傅利葉轉換矩陣使用一個具有r級的基 數m頻率減量演算法,而反傅利葉轉換矩陣使用的是具r 級的基數m時間減量演算法。在上述的實例中,N爲1 6 而m爲2 ,因此共有4級,亦即r = 4。然而,若使用的 是基數4頻率減量演算法時,僅需要二級,如同精通本技 術領域之人士所知悉,是與該系統中所使用的放大器數目 有關,亦可選取其他基數及相關的級數,以滿足在實現上 的需求,在前面所提及Kr a an i au s k a s的論文 中,第3 2至3 5頁的內容有提及基數3和基數4的實例 ,該論文在此作爲參考文獻。 在此所敘述的功率分享系統係應用在一個地面行動射 頻系統中,然而,本發明的原理亦可適用於有多個信號須 以多個放大器加以放大且出現在一特定輸出(例如天線或 接收器)的任何系統中。 熟悉本技術領域的人士均明白,所謂的 ' 傅利葉'和 a快速傅利葉'一詞是可以互換的。本發明的操作原理可 同等地適用於使用各型轉換矩陣的功率分享系統,另外, 若欲完成所需的功率分享和相位移功能時,亦可使用其他 型式的矩陣實現方式,例如,可利用一個B u t 1 e !·轉 換矩陣來實現本發明。 雖然本發明已配合相關的實施例加以說明,熟悉本技 術領域的人士應明白,可在不超出本發明精神及範圍的情 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐)~~ " -15 ~ --------f ι· C請先W讀背面之注意事項再填寫本頁〕 訂· A7 B7 五、發明説明¢3 ) 況下,針對本發明作出上述已提及和其他增減的修改。 --------^ I裝--„-----訂------{冰 (請先閱讀背面之注意Ϋ項再填寫本頁) 經濟部中央橾準局員工消费合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐)
Claims (1)
- A8 B8 C8 D8 293968 六、申請專利範圍 1 . 一種用以放大多個輪入信號的功率分享系統,包 含: 多個放大裝置 配合上述多個输入信號的轉換矩陣裝置1¾¾中各個轉 換信號包含有各個 11 卜二ta. 送至一個對應的放 及 输入信號的一部份 大裝置,以输出放大後的 各個寧僧號被傳 ϋιίΐ 信號:以矩陣裝置0 _其中各 入信號 μ 放大轉換信號以輪出放大输入信號的反轉換 個放大输入信號係對應於一個上述的输 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝_2. 如申請專利範園第1項中的功率分享系統,其中 的轉換矩陣裝置是一個傅利葉轉換矩陣,且其中的反轉換 矩陣裝置是一個反傅利葉轉換矩陣。 3. 如申請專利範園第2項中的功率分享系統,其中 功率分享系統包含某數目,Ν個放大裝匿, 其中Ν爲m的乘方數,r爲指數,具以下的關係 N = m r 上述的傅利葉轉換矩陣是以一個r級的基數τη頻率減 置演算法來實現,且 其中的反傅利葉轉換矩陣是利用具r級的基數m頻率 減置演算法來實現。 4.如申請專利範圓第1項中的功率分享系統,其中 本紙張尺度適用中國囷家標準(CNS)A4規格( 210x297公釐} 17 - 訂 A---- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 293968_£5_ 六、申請專利範園 該功率分享系統包含一數目,N個的放大裝置,其中 N爲m的一個乘方數,指數爲r,具以下的關係 N = m r 其中的轉換矩陣裝置是一個反傅利葉轉換矩陣,其使 用具r級的基數m時間減董演算法。 5 .如申請專利範園第4項中的功率分享系統,亦包 含多個用以接收射頻信號,且將此射頻倌號提供作爲输入 信號的接收天線。 6. 如申請專利範園第5項中的功率分享系統,其中 的各個轉換信號包含各個射頻信號的一部份,1/N。 7. 如申請專利範園第1項中的功率分享系統,其中 的各個放大裝置相對應於其他的放大裝置爲相位平衡,如 此在放大裝置在進行放大期間,各個放大的轉換僧號則具 有相同的相位移。 8. 如申請專利範圍第1項中的功率分享系統,其中 的轉換矩陣裝置是一個快速傅利葉轉換矩陣,而反轉換矩 陣裝置是一個反快速傅利葉轉換矩陣。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 9 .如申請專利範園第2項中的功率分享系統,其中 功率分享系統包含一數目,N個放大裝置, 其中N爲m的乘方數,r爲指數,具以下的關係 N = m r 上述的快速傅利葉轉換矩陣是使用一個r級的基數m 頻率減置演算法來實現,以及 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Λ4現格(210X297公釐J _ 293968 A8 1)0 C8 D8 々、申請專利範圍 上述的反快速傅利葉轉換矩陣是使用一個r級的基數 m時間減置演算法來實現。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -----{裝. 、-° 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公赛)19 -
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