基于Nios的IP網(wǎng)絡(luò)電話終端設(shè)計

                             基于Nios的IP網(wǎng)絡(luò)電話終端設(shè)計

                                   楊玉峰，黃煒

              （電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，四川 成都 610054）

摘　要：本文介紹了如何在Altera開發(fā)平臺上應(yīng)用Quartus Ⅱ軟件平臺的SOPC Builder 設(shè)計工具,把Nios 軟核處理器、以太網(wǎng)芯片控制電路、其它外圍器件的控制電路及用戶邏輯電路都集成在了一片F(xiàn)PGA可編程邏輯芯片上。在這個系統(tǒng)硬件平臺上運行uc/OS 嵌入式操作系統(tǒng)、TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和應(yīng)用軟件,實現(xiàn)了基于Nios的IP網(wǎng)絡(luò)電話功能。
 
關(guān)鍵詞: FPGA  IP電話  TCP/IP協(xié)議  可編程片上系統(tǒng)  Nios
 
Design of LAN IP Telephone Based on Nios

Yang yufeng, Huang wei
 
(College of Communication & Information Enginnering,University of Electronic Science & Technology of China,Chengdu Sichuan 610054,China)

Abstract:This paper introduced how to integrate Nios soft MCU core、Ethernet MAC/PHY IC controller and other peripheral equipment`s controllers in FPGA by using Quartus Ⅱ and SOPC Builder.Based on the hardware platform,we can run uc/OS embedded system、TCP/IP network protocol and some applications. Thereby,we realized LAN IP Telephone based on Nios.

Key words:FPGA   IP telephon   TCP/IP protocol   SOPC   Nios

一．系統(tǒng)概述

　　隨著因特網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，IP網(wǎng)絡(luò)電話已經(jīng)得到廣泛使用。所謂IP網(wǎng)絡(luò)電話是指利用因特網(wǎng)以分組數(shù)據(jù)包形式傳輸語音/傳真等的新型電信業(yè)務(wù)，簡稱VoIP(Voice over IP:IP網(wǎng)絡(luò)承載語音業(yè)務(wù))。它以低廉的價格，靈活的應(yīng)用使傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)受到極大的挑戰(zhàn)，截止目前，已經(jīng)超過長途業(yè)務(wù)量的50%。當(dāng)然，這包括各大電信運營商推廣IP電話卡形式的IP電話長途業(yè)務(wù)，其特點是接入部分使用傳統(tǒng)電信終端（如電話機、手機），以特殊號碼形式識別（179XX），在主干線上以分組數(shù)據(jù)包的形式在因特網(wǎng)上傳輸話音。目前專家普遍認(rèn)為VOIP將代表電話未來的發(fā)展方向，甚至有這樣一句話：every thing is over IP（一切都將基于IP）。許多人相信IP電話時代即將到來，F(xiàn)rost&Sullivan調(diào)研公司的報告中預(yù)計，到2007年VOIP的通話量將占全部通話量的75%，甚至更高一些。因此，在未來的幾年內(nèi)，IP電話必將在電信市場占到舉足輕重的地位，對以太網(wǎng)電話終端的研究是符合市場需求并具有巨大的市場潛力和發(fā)展前景。
 
　　Nios是Altera 公司開發(fā)的一種采用流水線技術(shù)軟核處理器，專門針對可編程邏輯器件進行了優(yōu)化，因此是一種可配置的通用RSIC微處理器，可以與用戶自定義邏輯結(jié)合。構(gòu)成完整、功能強大的SOC系統(tǒng)，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中已成為趨勢。應(yīng)用SOPC 技術(shù)把Nios 配置進FPGA 芯片后,網(wǎng)絡(luò)電話終端設(shè)備不再需要外部處理器,用單一FPGA 芯片就可以實現(xiàn)以前需要FPGA + MCU 才能完成的功能。

    嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂，可以顯著提高軟件操作效率并進行軟件復(fù)用。針對當(dāng)前日益復(fù)雜的系統(tǒng)開發(fā)，應(yīng)用操作系統(tǒng)是保證產(chǎn)品上市時間的關(guān)鍵。嵌入式uc/OS操作系統(tǒng)是一種性能優(yōu)良、源碼公開的免費操作系統(tǒng)，具有高度靈活性。為此我們自行移植了uc/OS操作系統(tǒng)的Nios CPU版本，繼而在操作系統(tǒng)上完成了IP電話的設(shè)計。
 
二．系統(tǒng)功能說明

    基于Nios的IP電話分為接受方和呼叫方，發(fā)起通話請求的一端稱為呼叫方，另一端為接受方。根據(jù)不同的應(yīng)用場景，呼叫方和接受方可以調(diào)換角色，也就是說任意一方都可以發(fā)起通話請求。
 
    呼叫方發(fā)起通話請求，輸入接受方IP地址，兩方通過網(wǎng)絡(luò)連接成功后，利用麥克風(fēng)和聽筒，就可以進行談話了。
 
    本設(shè)計的實現(xiàn)分為硬件和軟件兩個部分。
 
    硬件部分由帶Nios 軟核CPU 的FPGA芯片、外部數(shù)據(jù)存儲器Flash RAM 和SRAM、帶AD 和DA 變換的PCM語音編解碼芯片電路、RS232 串行通信電路、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模塊及RJ45接口、JTAG配置接口電路組成，此外還有電源電路等。

    軟件實現(xiàn)主要包含以下幾個步驟：

1．    將嵌入式操作系統(tǒng)uc/OS移植到NIOS處理器上；
2．    開發(fā)語音采集編解碼芯片的接口驅(qū)動程序；
3．    開發(fā)操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序，實現(xiàn)IP電話功能。分別為呼叫方和接受方的應(yīng)用程序，提供IP電話的電話呼叫和等待通話功能。
 
三．性能參數(shù)

　　支持頻率范圍在300到3400HZ的單聲道模擬語音信號通話；

    系統(tǒng)將20ms的PCM語音數(shù)據(jù)直接打成語音數(shù)據(jù)包封裝傳輸?shù)揭蛱鼐W(wǎng)；

    工作電壓低，具有低功耗的特性。

四．系統(tǒng)構(gòu)成

    系統(tǒng)主要以內(nèi)嵌Nios軟核處理器的FPGA為核心處理單元，輔以以太網(wǎng)MAC/PHY控制器和PCM語音編解碼芯片完成整個系統(tǒng)中的信號處理工作。其主要工作是完成模擬語音信號到PCM語音信號的編解碼，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，協(xié)議處理，談話的呼叫建立和釋放等。
 
本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1所示：
 

 
系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖4.2所示：

圖4.2  系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)圖

五．設(shè)計描述

　　本系統(tǒng)的設(shè)計分為硬件和軟件兩個部分。硬件設(shè)計由于借助Altera的Stratix開發(fā)板，所以主要任務(wù)是擴展一塊語音板，用來實現(xiàn)語音信號的數(shù)模變換和PCM語音編解碼功能；軟件部分移植uc/OS操作系統(tǒng)，編寫驅(qū)動程序和上層應(yīng)用程序的開發(fā)。

1. 硬件部分

1.1 語音板電路設(shè)計

     該部分采用OKI公司的A律PCM語音信號編/解碼芯片MSM7702-3完成模擬語音到PCM信號的轉(zhuǎn)換。該芯片支持頻率范圍在300到3400HZ的單聲道模擬語音信號到PCM語音信號信號相互轉(zhuǎn)換。該芯片具有如下特點:

    1.工作電壓低(2. 7-3. 8V )，低功耗的特性。
 
    2.支持64/128/256/512/1024/2048 kHz等頻率的串行數(shù)據(jù)輸出。
 
    3.內(nèi)置PLL電路，低電壓運算放大器，具有可調(diào)的輸出增益。
 
    4.芯片模擬信號輸出引腳能直接驅(qū)動1.2k的負(fù)載。
 
    這部分的原理圖如圖5.1所示，該部分的輸入增益可調(diào)是通過調(diào)節(jié)圖中的電阻R4和R3的值來實現(xiàn)的。其增益的具體運算公式如式(5.1)所示。該增益的最大的增益值不能超過l0。

    增益:Gain=1-1-R4/R3 …………… 式(5. 1)

 
圖5.1  MSM7702-3原理圖

    FPGA接收和發(fā)送PCM語音數(shù)據(jù)時，按照MSM7702-3的接口時序進行。MSM7702-3提供了發(fā)送PCM信號接口(BCLK,XSYNC和PCMOUT引腳)和接收PCM信號接口(BCLK, RSYNC和PCMIN引腳)，其時序如圖5.2和圖5.3所示。
 
    BCLK:接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的時鐘，頻率為64KHz。
    XSYNC:用于同步PCMOUT引腳的數(shù)據(jù)輸出的同步信號。
    PCMOUT:為輸出的串行PCM語音數(shù)據(jù)引腳。
    RSYNC:用于同步PCMIN引腳的數(shù)據(jù)輸入的同步信號。
    PCMIN:為輸入的串行PCM語音數(shù)據(jù)引腳。
 
圖5.2  發(fā)送PCM數(shù)據(jù)時序

 
圖5.3  接收PCM數(shù)據(jù)時序
   

　　根據(jù)MSM7702-3芯片數(shù)據(jù)收發(fā)時序，設(shè)計FPGA和MSM7702-3的接口電路結(jié)構(gòu)如圖5.4所示。

 
1.2 用SOPC Builder設(shè)計系統(tǒng)模塊硬件

　　用SOPC Builder可以進行系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計和底層軟件生成。進行硬件模塊設(shè)計時,SOPC Builder提供圖形化配置界面,備有一些常用外設(shè)的IP ( Intellectual Property) 模塊,如SRAM、Flash RAM、UART、Ethernet Interface、Interval timer 、Parallel I/ O 等。這些已開發(fā)好并已經(jīng)引入到SOPC Builder 環(huán)境中的功能模塊被稱為部件(Component) ,打開SOPC Builder 的圖形界面時可以在左邊模塊池中看到這些功能部件。用戶還可以用“Interface to User Logic”加入自己的外設(shè)設(shè)計文件,或直接加外設(shè)接口?？梢圆捎玫耐庠O(shè)設(shè)計文件是用輸入的電路原理圖或HDL描述語言寫的. vhd 或. v 文件。對于本設(shè)計來說，就是將在前面提到的MSM7702-3 接口以用戶自定義接口的方式添加進來，SOPC Builder 可以進行系統(tǒng)配置以及生成,系統(tǒng)配置除了對外設(shè)設(shè)置外還包括啟動程序、中斷向量表、系統(tǒng)啟動地址等的設(shè)置。具體如圖5.5所示：

 
圖5.5  系統(tǒng)硬件模塊
2．軟件部分

    軟件設(shè)計包括嵌入式操作系統(tǒng)的移植、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、驅(qū)動設(shè)計及應(yīng)用級代碼編寫等部分，下面就對這幾部分作簡單介紹。
 
2.1  uc/OS 操作系統(tǒng)移植

    uc/OS 操作系統(tǒng)是美國人Jean Labrosse 于1992 年開始編寫的，它是一種適合于小型、微控制器的可剝奪實時操作系統(tǒng)。uc/OS 的內(nèi)核除了沒有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧之外，也沒有文件系統(tǒng)，但是本設(shè)計中并不需要對語音數(shù)據(jù)按文件方式保存，因而使用uc/OS 可以滿足需要。

　　uc/OS 在設(shè)計時就充分考慮到在不同平臺上移植的需求，將同平臺相關(guān)的部分局限在一個很小的范圍內(nèi)，對于不同的平臺只需對下面一些函數(shù)和宏進行重寫。
 
◆ OS_ENTER_CRITICAL 和OS_EXIT_CRITICAL ：這是兩個宏，用來進行臨界段保護。在本設(shè)計中使用匯編代碼開關(guān)中斷來實現(xiàn)。
 
◆ OS_TASK_SW ：這是一個用于進行任務(wù)切換的宏。本設(shè)計中利用C P U 的軟件中斷方式實現(xiàn)。也就是說調(diào)用此宏產(chǎn)生軟件中斷，然后由相應(yīng)的中斷處理程序來具體實現(xiàn)任務(wù)上下文保護和任務(wù)切換。
 
◆ OSIntCtxSw：實現(xiàn)中斷級任務(wù)切換，用純匯編實現(xiàn)。
 
◆ OSCtxSw：實現(xiàn)用戶級上下文切換，用純匯編實現(xiàn)。

◆ OSTickISR：為系統(tǒng)定時器中斷的處理函數(shù)，用純匯編實現(xiàn)。

◆ OSTaskStkInit：用來在創(chuàng)建任務(wù)時，對任務(wù)堆棧進行初始化。
 
　　OS_CFG.H 用來配置內(nèi)核，用戶根據(jù)需要對內(nèi)核進行定制，設(shè)置系統(tǒng)的基本情況；INCLUDES.H 為系統(tǒng)頭文件，包括了整個實時系統(tǒng)所需要的內(nèi)核以及用戶的頭文件。
2.2  網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

    本系統(tǒng)采用的是SOPC Builder 中包含針對Nios 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，該棧以名為Plugs 的函數(shù)庫的形式提供給設(shè)計者，該庫向軟件編寫者隱藏了底層硬件細(xì)節(jié)，以類似于unix 套接字的方式實現(xiàn)了一個精簡的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。它支持以下一些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：IP、ARP、ICMP 、UDP 、TCP 。

　　使用該庫在硬件上有四個要求：必須使用Nios CPU，需要20KB 的代碼存儲空間，需要4KB 的數(shù)據(jù)存儲空間，系統(tǒng)中需要有一個專供其使用的定時器。

2.3 驅(qū)動及應(yīng)用級代碼編寫設(shè)計

    語音板驅(qū)動程序設(shè)計主要由以下幾個部分組成：讀緩沖區(qū)內(nèi)容、寫入緩沖區(qū)數(shù)據(jù)、產(chǎn)生中斷信號等。

　　另外應(yīng)用級程序中的呼叫連接處理部分是系統(tǒng)中非常重要的部分，它主要完成通話前的呼叫建立過程及通話結(jié)束后的釋放過程。下面對其進行詳細(xì)描述，圖5.5是呼叫連接處理部分的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

    系統(tǒng)上電復(fù)位后，處于IDLE狀態(tài):如果檢測到用戶輸入的IP地址，系統(tǒng)進入MASTER CALL狀態(tài);如果此時系統(tǒng)接收到一個CALL消息后，系統(tǒng)產(chǎn)生一個Informuse信號，使指示燈工作亮，通知用戶有電話打進來，用戶拿起話筒時，系統(tǒng)將置Informuse信號無效，指示燈熄滅停止工作，系統(tǒng)進入SLAVE CONNECT狀態(tài)。
 
    系統(tǒng)處于MASTER CALL狀態(tài):系統(tǒng)產(chǎn)生一個發(fā)送CALL消息使能信號xmitC.allMessageEn，控制發(fā)送部分發(fā)送一個CALL呼叫信號，當(dāng)發(fā)送模塊發(fā)送完該信號后，產(chǎn)生一個SendMessageOk信號，系統(tǒng)檢測到該信號后，進入WAIT CONNECT狀態(tài)。

    系統(tǒng)處于WAIT CONNECT狀態(tài):系統(tǒng)等待接收CONNECT消息，同時設(shè)置一個定時器(最大值為4000)。定時接收CONNECT消息。該定時器是一個時鐘頻率8KHz計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)到最大值后，產(chǎn)生超時信號用于控制接收CONNECT消息是否超時。如果在規(guī)定時間內(nèi)正確收到CONNECT消息，系統(tǒng)發(fā)送一確認(rèn)消息ACK，然后進入TALK狀態(tài)，開始通話。如果系統(tǒng)超時未接收到CONNECT消息，系統(tǒng)置重發(fā)呼叫CALL信號寄存器有效，返回MASTER CALL狀態(tài)，重新發(fā)送呼叫請求CALL信號，同時將呼叫次數(shù)寄存器(calltimes)加1。一旦系統(tǒng)檢測到呼叫次數(shù)寄存器(calltimes)值大于3，即系統(tǒng)連續(xù)3次發(fā)送呼叫請求，都沒有完成，則本次呼叫連接過程失敗，系統(tǒng)返回IDLE狀態(tài)。如果系統(tǒng)沒收到CONNECT消息，收到被呼叫方發(fā)來的BUSY消息(說明被呼叫方正在通話)，系統(tǒng)無法建立呼叫連接，系統(tǒng)返回IDLE狀態(tài)。

    系統(tǒng)處于TALK狀態(tài):系統(tǒng)內(nèi)部的一個指示通話進行的狀態(tài)寄存器(StartTalk)的值為1表示系統(tǒng)處于通話。系統(tǒng)檢測用戶是否掛機，一旦檢測到用戶掛機，表示通話結(jié)束，系統(tǒng)將通話狀態(tài)寄存器((StartTalk)置為0，系統(tǒng)進入RELEAS COMPLETE狀態(tài)。系統(tǒng)如果檢測到呼叫方發(fā)來的release complete消息后，寄存器(StartTalk)置為0，同時系統(tǒng)進入IDLE狀態(tài)。如果系統(tǒng)收到另一呼叫方所發(fā)的CALL消息，系統(tǒng)由于已經(jīng)在和一個用戶在通話，不能接收另一個用戶的呼叫請求，系統(tǒng)進入BUSY狀態(tài)。

    系統(tǒng)處于RELEASE COMPLETE狀態(tài):系統(tǒng)發(fā)送一個release complete消息，該消息發(fā)送完畢后，系統(tǒng)進入IDLE狀態(tài)。
 
    系統(tǒng)處于SLAVE CONNECT狀態(tài):系統(tǒng)發(fā)送一個CONNECT消自，該消息發(fā)送完畢后，系統(tǒng)進入WAIT ACK狀態(tài)。

    系統(tǒng)處于WAIT ACK狀態(tài):系統(tǒng)等待接收ACK消息，同時啟動定時器工作(最大值為4000)，當(dāng)計數(shù)到最大值后，產(chǎn)生超時信號用于控制接收ACK消息是否超時。如果系統(tǒng)超時未收到ACK消息，系統(tǒng)則重發(fā)呼叫CALL信號寄存器有效，返回SLAVE CONNECT狀態(tài)，重新發(fā)送CONNECT信號，同時將呼叫次數(shù)寄存器 (calltimes)加1。一旦系統(tǒng)檢測到呼叫次數(shù)寄存器(calltimes)值大于3，即系統(tǒng)連續(xù)3次發(fā)送呼叫連接請求，都沒有收到確認(rèn)ACK消息，則本次呼叫連接過程失敗，系統(tǒng)返回IDLE狀態(tài)。如果系統(tǒng)正確收到確認(rèn)ACK消息，系統(tǒng)進入TALK狀態(tài)，可以開始通話。
 
    系統(tǒng)處于BUSY狀態(tài):該BUSY狀態(tài)是指，當(dāng)前系統(tǒng)正在通話階段，同時接收到另一呼叫方發(fā)來的呼叫請求CALL消息時所處的狀態(tài)。系統(tǒng)在此狀態(tài)時，發(fā)送一個BUSY消息給該呼叫方，拒絕本次呼叫請求。完畢后，系統(tǒng)返回TALK狀態(tài)。

2.4  數(shù)據(jù)的協(xié)議處理

    需要說明的是，在本系統(tǒng)中呼叫信息和語音信息采用不同的協(xié)議處理方式。呼叫消息用TCP報文封裝傳送，以確保呼叫信息傳輸?shù)目煽啃?；語音消息用UDP報文封裝傳送。呼叫前后的協(xié)議處理流程如圖5.6所示。
 

 
通話狀態(tài)時語音數(shù)據(jù)處理流程如圖5.7所示

  
    在本設(shè)計中沒有采用語音數(shù)據(jù)包沒有進行壓縮后傳輸，而是直接對G. 711標(biāo)準(zhǔn)的PCM語音信號直接打包，故圖中語音壓縮編/解碼未用到。

六.    系統(tǒng)特點

1．    在目前數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)中，傳統(tǒng)的MCU+FPGA的方式成本較高。本系統(tǒng)采用嵌入Nios軟核的FPGA芯片，并通過Avalon總線接口，將系統(tǒng)最大限度地集成在一塊芯片中實現(xiàn)，提高了穩(wěn)定性，同時簡化了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計。

2．    uc/OS 操作系統(tǒng)的移植。uc/OS 操作系統(tǒng)源代碼公開，便于自行開發(fā)各種應(yīng)用軟件程序，因此，進行Nios CPU的移植具有極其重要的意義和價值。
 
3．    編寫操作系統(tǒng)下的語音板的驅(qū)動程序。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，常需要根據(jù)數(shù)據(jù)或處理任務(wù)進行外設(shè)定制，從而提高整個系統(tǒng)性能，這也是SOPC Build的長處所在。只有為這些自定制的外設(shè)進行驅(qū)動程序開發(fā)，才能完成操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序開發(fā)。

4．    完成uc/OS 下的應(yīng)用程序。分別為呼叫方和接收方應(yīng)用程序提供IP電話的呼叫和等待通話功能。

5．    由于SOPC Builder 開發(fā)環(huán)境的完備功能， 可以把注意力集中在系統(tǒng)整體構(gòu)架和功能上來，而無需過多的考慮細(xì)節(jié)性的電路設(shè)計，縮短了產(chǎn)品面市周期；同時由于FPGA和Nios的靈活性，為系統(tǒng)的功能升級帶來方便。

七．總結(jié)

　　基于Nios 進行嵌入式IP電話系統(tǒng)設(shè)計有兩個突出優(yōu)點。首先，硬件設(shè)計快速靈活，可擴展性強。SOPC Builder 降低了硬件設(shè)計的難度，縮短了硬件開發(fā)周期，提高了設(shè)計的可靠性。CPU 本身是以軟核的方式實現(xiàn)，其功能可根據(jù)需要進行定制。其次，軟件開發(fā)容易。SOPC Builder 不但在硬件設(shè)計上提供了支持，在軟件上也為設(shè)計者提供了較好的支持，方便驅(qū)動程序和上層應(yīng)用軟件的編寫，并提供了現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

   由于本系統(tǒng)中是直接對PCM語音信號打包發(fā)送，因而要求的帶寬較大。系統(tǒng)的功能也相對簡單，下一步的工作可以將語音數(shù)據(jù)壓縮編/解碼引入到FPGA中，減小系統(tǒng)要求的帶寬。同時還可以將基于H. 263實時圖象傳輸系統(tǒng)引入FPGA中，構(gòu)建局域網(wǎng)IP可視電話。

參考文獻

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原創(chuàng)性聲明

    本人聲明所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。
                                                              楊玉峰
                                                            2006.03.18
作者簡介：楊玉峰（1983－ ），男，江蘇鹽城人，電子科技大學(xué)在讀碩士研究生，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用；黃煒（1952－ ），男，湖南寧鄉(xiāng)人，電子科技大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為現(xiàn)代通信中的信號處理、音頻及視頻數(shù)據(jù)通信、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用。

作者聯(lián)系方式：
 
楊玉峰：地址：電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院2004201050班

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