MP3原理及电路分析.docx
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MP3原理及电路分析
广西机电职业技术学院
数字音视频技术实训报告
课题类型：
技术应用设计（论文）类
课题名称：
MP3播放机原理及电路分析
系部：
电气工程系
专业：
电子信息工程专业
班级：
电信060
学生姓名：
指导教师：
日期：
2009.2-2009.5
MP3播放机原理及电路分析
关键词mp3；原理；电路
1设计目的
1.进一步掌握数字数字电子技术课程所学的理论知识。
2.熟悉几种常用集成数字芯片，并掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计。
3.了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题。
4.培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。
2设计要求
1．MPEGLayerIII的编解码原理：
（1）MPEG标准简介；
（2）MPEGLayerIII编码原理（思路）；（3）MPEGLayerIII解码原理（思路）。
2．MP3播放机：
（1）研究MP3播放机的发展历史；
（2）MP3播放机的功能；（3）MP3产品的常用解决方案。
3．一种典型MP3播放机的整机电路分析。
3前言
随着数字音视频技术和微电子技术的发展，各种数字音视频产品在当今消费性电子市场中大量涌现，其中MP3播放机深受人们特别是年轻一代的欢迎。
各地区特别是珠江三角洲地区出现了大量的MP3播放机生产厂家。
根据国内知名的ICT市场研究与咨询机构赛迪顾问最新发布的《2006年第二季度中国MP3播放机市场分析报告》显示，2006年第二季度，中国MP3播放机销量为163.29万台，销售额为8.59亿元。
赛迪顾问预测，2006年中国MP3播放机市场销量将突破730万台。
深入研究MP3播放机的原理和详细分析MP3播放机的整机电路对MP3播放机的制造和维修将起到重要的指导作用。
4MP3播放机的概述
4.1MPEGLayerIII的编解码原理
4.1.1MPEG标准简介
MPEG是活动图像专家组（Moving?
Picture?
Exports?
Group）英文的缩写，于1988年成立，是为数字视/音频制定压缩标准的专家组。
MPEG组织最初得到的授权是制定用于“活动图像”编码的各种标准，随后扩充为“及其伴随的音频”及其组合编码。
后来针对不同的应用需求，解除了“用于数字存储媒体”的限制，成为现在制定“活动图像和音频编码”标准的组织。
目前为止，在视频压缩领域MPEG成为最热也是应用最多的压缩技术。
随着互联网和宽带的发展，MPEG技术越来越多的在各个领域得到应用。
MPEG的任务是开发运动图像及其声音的数字编码标准，目前已提出MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21标准。
MPEG-1：
数字电视标准，1992年正式发布。
MPEG-2：
数字电视标准。
MPEG-3：
已于1992年7月合并到高清晰度电视（High-DefinitionTV，HDTV）工作组。
MPEG-4：
多媒体应用标准（1999年发布）。
MPEG-7：
多媒体内容描述接口标准（正在研究）。
4.1.2MPEGLayerIII编码解码原理（思路）
①MP3是一个数据压缩格式。
它丢弃掉脉冲编码调制（PCM）音频数据中对人类听觉不重要的数据（类似于JPEG是一个有损图像压缩），从而达到了小得多的文件大小。
在MP3中使用了许多技术其中包括心理声学以确定音频的哪一部分可以丢弃。
MP3音频可以按照不同的位速进行压缩，提供了在数据大小和声音质量之间进行权衡的一个范围。
MP3格式使用了混合的转换机制将时域信号转换成频域信号：
*32波段多相积分滤波器（PQF）
*36或者12tap改良离散余弦滤波器（MDCT）；每个子波段大小可以在0...1和2...31之间独立选择
*混叠衰减后处理
②Mp3本身采用的解码芯片是取决其音质好坏的关键。
质量上乘的解码芯片所表现出来的音质是那些比较差的难以比拟的。
听过赫赫有名的iriver系列的mp3的朋友就知道，其音质的特质非常明显，低音强劲，有力，人声还原真实，高频领域宽广，上扬足，很是取悦耳朵。
该系列的mp3采用的就是目前市场最高端的解码芯片Philips的SAA7750，其质量性能都非常出色。
同样采用这个解码芯片的还有韩国的顶级厂家MPIPO（帝伟科技），这两个品牌的mp3音质表现的口碑和市场反映都非常的不错，业内业外都倍加推崇，也曾经一度是mp3发烧友论证mp3音质好于md的王牌武器。
由于该芯片成本比较高，还要加上一块控制芯片，所以除了少数品牌之外，其他的都很少采用。
成本高了，售价当然不菲，这个也是限制众多mp3爱好者享受优美音质的门槛。
4.2MP3播放机
4.2.1MP3播放机的发展历史
MPEG-1AudioLayer2编码开始时是德国DeutscheForschungs-undVersuchsanstaltfürLuft-undRaumfahrt（后来称为DeutschesZentrumfürLuft-undRaumfahrt，德国太空中心）EgonMeier-Engelen管理的数字音频广播（DAB）项目。
这个项目是欧盟作为EUREKA研究项目资助的，它的名字通常称为EU-147。
EU-147的研究期间是1987年到1994年。
到了1991年，就已经出现了两个提案：
Musicam（称为Layer2）和ASPEC（自适应频谱感知熵编码）。
荷兰飞利浦公司、法国CCETT和德国InstitutfürRundfunktechnik提出的Musicam方法由于它的简单、出错时的健壮性以及在高质量压缩时较少的计算量而被选中。
基于子带编码的Musicam格式是确定MPEG音频压缩格式（采样率、帧结构、数据头、每帧采样点）的一个关键因素。
这项技术和它的设计思路完全融合到了ISOMPEGAudioLayerI、II以及后来的LayerIII（MP3）格式的定义中。
在Mussmann教授（UniversityofHannover）的主持下，标准的制定由LeonvandeKerkhof（LayerI）和GerhardStoll（LayerII）完成。
一个由荷兰LeonVandeKerkhof、德国GerhardStoll、法国Yves-FrançoisDehery和德国KarlheinzBrandenburg组成的工作小组吸收了Musicam和ASPEC的设计思想，并添加了他们自己的设计思想从而开发出了MP3，MP3能够在128kbit/s达到MP2192kbit/s音质
4.2.2MP3播放机的功能
（跟cd播放机或md播放机所播放的音乐效果一样）。
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（1）机身迷你、轻巧、便携。
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（2）机内无任何活动部件，完全防震、防磨损。
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（3）支持mp3/adpcm二种格式。
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（4）支持windows95/98/2000/me/nt/xp等操作系统，即插即用。
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（5）内置大容量闪存体，最大可达256mb，可作为活动电子硬盘来贮存各种类型的电脑资料。
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（6）高速usb接口，大于500kbps的传输率，可快速与计算机进行各种文件的数据传送。
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（7）内置全方位高保真麦克风，可进行实时录音，128m可录音9小时以上。
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（8）点阵lcd显示。
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（9）32级数字音量控制。
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（10）六种音效均衡模式：
normal、ddb、rock、pop、classic、jazz。
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（11）文件删除功能。
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（12）播放模式：
正常播放、单曲重复播放、所有曲目重复播放、10秒简介播放、复读对比播放。
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（13）支持id3文件
4.2.3MP3产品的常用解决方案
1．MP3播放机容量减少、无法在电脑上格式化、不能开机的解决办法。
解决办法：
先把本机SW1置于OFF起始状态（U盘状态），然后按住大圆键不放，在按住大圆键KYE2的同时再将SW1推至播放状态，并一直按住大圆键10秒以上不放，此时LED灯显示为双色灯同时亮，放开大圆键，等待大约2分钟后，绿灯熄灭后表示低格结束。
再重新拷入歌曲，即可恢复听歌。
（适用于金点甲壳虫、子弹头系列）
2．MP3播放机中有歌曲，但是全部不能播放。
解决办法：
请在电脑上选择用FAT格式来格式化MP3播放机。
如果误采用FAT32或者NTFS格式来格式化MP3播放机，就可造成MP3播放机无法播放歌曲的故障。
3．MP3播放机播放歌曲不正常，程序混乱。
解决办法：
请安装随机应用软件，然后使用随机软件提供的UPDATE功能重写一下MP3播放机的芯片，然后用随机软件提供的FORMAT功能格式化一下MP3播放机的内存。
（适用于京华系列）
4．MP3歌曲播放次序乱跳，或者播放时突然中断0.5秒，然后又继续播放。
解决办法：
请格式化MP3播放机，重新复制歌曲进去。
5．MP3播放机连接电脑有时候可以找到，有时候不能找到。
解决办法：
MP3播放机从电脑上拔出的时候，WIN98下请使用“弹出”功能再拔出，WINME/2000下请使用右下角的“拔下或弹出硬件”功能再拔出。
XP中为“安全删除硬件”。
mp3格式化的方法
把MP3接到电脑上，然后在MP3中建立一个名字叫@erase的目录，然后重新拨出和插入MP3到电脑的接口，这时，MP3就会自动格式化，可以看到，MP3的指示灯在不停的闪烁，等闪烁停止，表示格式化完成。
MP3播放机容量减少，不能开机听歌的解决办法。
（金点系列）
先把本机SW1置于OFF起始状态（U盘状态），然后按住大圆键不放，在按住大圆键KYE2的同时再将SW1推至播放状态，并一直按住大圆键10秒以上不放，此时LED灯显示为双色灯同时亮，大约2分钟后，绿灯熄灭后表示低格结束。
再重新拷入歌曲，即可恢复听歌。
（适用于金点甲壳虫、子弹头系列）
5MP3播放机的工作原理
5.1MP3播放机的硬件结构
一个完整MP3播放机要分几个部分：
中央处理器、解码器、存储设备、主机通讯端口、音频DAC和功放、显示界面和控制键。
如上图。
其中中央处理器和解码器是整个系统的核心，这两个部分集成在一个芯片中。
这里的中央处理器我们通常称为MCU（单片微处理器），简称单片机。
它运行MP3的整个控制程序，也称为fireware。
控制MP3的各个部件的工作：
从存储设备读取数据送到解码器解码；与主机连接时完成与主机的数据交换；接收控制按键的操作，显示系统运行状态等任务。
解码器是芯片中的一个硬件模块，或者说是硬件解码（有的MP3播放机是软件解码，由高速中央处理器完成）。
它可以直接完成各种格式MP3数据流的解码操作，并输出PCM或I2S格式的数字音频信号。
存储设备是MP3播放机的重要部分，通常的MP3随身听都是采用半导体存储器（FLASHMEMORY）,
它通过主机通讯端口传来的数据（通常以文件形式），回放的时候MCU读取存储器中的数据并送到解码器。
数据的存储是要有一定格式的，众所周知，PC管理磁盘数据是以文件形式，MP3也不例外，最常用的办法就是直接利用PC的文件系统来管理存储器，微软操作系统采用的是FAT文件系统，这也是最广泛使用的一种。
播放机其中一个任务就是要实现FAT文件系统，即可以从FAT文件系统的磁盘中按文件名访问并读出其中的数据。
主机通讯端口是MP3播放机与PC机交换数据的途径，PC通过该端口操作MP3播放机存储设备中的数据，拷贝、删除、复制文件等操作。
目前最广泛使用的是USB总线，并且遵循微软定义的大容量移动存储协议规范，将MP3播放机作为主机的一个移动存储设备。
这里需要遵循几个规范：
USB通信协议、大容量移动存储器规范和SCSI协议
音频DAC是将数字音频信号转换成模拟音频信号，以推动耳机、功放等模拟音响设备。
这里要介绍一下数字音频信号。
数字音频信号是相对模拟音频信号来说的。
我们知道声音的本质是波，人说能听到的声音的频率在20Hz到20kHz之间，称为声波。
模拟信号对波的表示是连续的函数特性，基本的原理是不同频率和振幅的波叠加在一起。
数字音频信号是对模拟信号的一种量化（如下图），典型方法是对时间坐标按相等的时间间隔做采样，对振幅做量化。
单位时间内的采样次数称为采样频率。
这样一段声波就可以被数字化后变成一串数值，每个数值对应相应抽样点的振幅值，按顺序将这些数字排列起来就是数字音频信号了。
这是ADC（模拟-数字转换）过程,DAC（数字-模拟转换）过程相反，将连续的数字按采样时候的频率顺序转换成对应的电压。
MP3解码器解码后的信息属于数字音频信号（数字音频信号有不同的格式，最常用的是PCM和I2S两种），需要通过DAC转换器变成模拟信号才能推动功放，被人耳所识别。
MP3播放机的显示设备通常采用LCD或者LED发光二极管。
显示系统的工作状态。
5.2MP3播放机的软件结构
MP3播放机的软件结构跟硬件是相对应的，即每一个硬件部分都有相应的软件代码，这是因为大多数的硬件部分都是数字可编程控制的。
最简化的MP3软件处理任务只有两个操作：
1．读取存储器上的数据，送到解码器，解码器的输出送到音频DAC；
2．分析USB主机控制器发的指令，完成对存储器的操作，将操作结果送回USB主机。
前一个处理过程完成了MP3数据的回放，后一个处理过程实现了USB移动存储器。
这两个过程也是整个软件部分最复杂的。
除此之外的部分都是为了实现主要功能设计的，由于篇幅限制，不能对每个模块详细说明。
至此,一个简单的MP3就完成了
6.ATJ2085MP3电路分析及原理电路图
（一）、ATJ2085MP3重要电路功能和特点.
现今市场上，最为我们熟悉的MP3芯片是炬力ATJ2085。
ATJ2085于2004年9月推出，历经一年的发展，成为目前中低端市场占有率最大的解码芯片之一，唯一可以与之抗衡的只有Sigmatel的STM3502。
ATJ2085为LQFP封装，64针脚，采用内嵌式的MCU和24-bitDSP双处理器体系结构，分别完成针对操作事件控制和多媒体数据编/解码算法的系统级优化，通过数模混合信号技术，在单一硅片上集成了高精度ADC/DAC转换器、USB控制器，实时时钟RTC等。
支持USB2.0（FULLSPEED），支援MP3/WMA/WAV/WMV/ASF等格式媒体播放；支持MTV电影播放；支持JPG、GIF、BMP图片浏览。
其系统集成度高，外围应用电路简单，拥有功能完善而成熟的开发工具和环境，降低了开发者整体研发成本，非常利于生产，可谓价格便宜量又足。
采用ATJ2085的M3产品功能都相当丰富，而且拥有三大特征：
第一，支持异度空间功能，所谓异度空间，即可以将磁盘进行任意两部分的分区，然后加密，保护文件的秘密性；第二，兼具AB复读、对比跟读、16级速度调节、LRC歌词显示等强大的学习功能；第三，录音格式可选择ACT以及WAV两种，并且支持电话本存储功能。
兼具以上三个要素，则十有八九是采用ATJ2085的产品。
而基于ATJ2085芯片的彩屏MP3还可以播放视频，格式多数为MTV，菜单结构为典型的旋转轮盘式，非常容易辨认。
普遍的观念认为ATJ2085的音质不及价位相近的STMP3502，事实上，只要开发得当，技术有保证，基于ATJ2085的产品音质上并不逊色于3502甚至某些3520的产品
（二）、矩力ATJ2085MP3整机原理框图及原理图
（三）、主芯片模块
矩力ATJ2085主控IC的引脚资料:
ATJ2085引脚功能：
1、一般用途输入／输出的
2、复位-SCUH系统重设输入（有电源开关的话就不用再接复位键，没有电源开关就要接此复位键）
3、VCCPWR//数字电源
4、接地PWR//数字地
5、USBD-A/H万用串列总线数据减
6、USBD+A/H万用串列总线数据加
7、PAVCCPWR//为功率放大器的电源（二个旁路电容器是47或100uF和0.1uF）
8、AOUTR音频R输出
9、AOUTL音频L输出
10、PAGNDPWR//功率放大器地
11、VRDA旁路电容器（0.47uF-1UF）
12、MICIN录音前置放大器输入经224电容（0.8V-2.2V）
13、VMIC电源对于前置放大器,2.2V输出，经2.2K或4.7K电阻
14、FMINLFM音频L输入经104-105电容
15、FMINRFM音频R输入经104-105电容
16、AGNDPWR音频地
17、AVCCPWR音频电源经104电容接地
18、VREFI电压基准输入（1.5V）
19、AVDDPWR输出经152稳压在1.5V输入到18脚
20、VDDIOPWR功率输出（连接到VDD）
21、VPPWR（当有2个电源时连接，其他的连接到VCC）
22、LRADC数位转换器输入,0.8--2.2V,8Bit数位转换器（空）
23、HOSCI高频晶体振荡输入
24、HOSCO高频晶体振荡输出
25、第一BATSEL设备组选择。
L：
一个设备组，H：
二个电源
26、第一DCDIS/L直流-直流控制。
H:
直流-直流。
L:
直流的准许-直流。
一般用途输入／输出的GPIO_B0BIZBit0移植B（现在25和26是连接的，接3VVCC）
27、第一KEYI01.9驱动器/主要精检电路输入的Bit0
28、一般用途输入／输出的GPIO_C2BI1.9madriverLBit2移植C一般用途输入／输出的GPIO_B1BIZBit1移植B
29、第一KEYI11.9驱动器/主要精检电路输入的Bit1
30、接地PWR//地（27、29和35、40、41、vcc组成按键功能）
31、电池电压检测
32LXVDDVDD直流-直流（空）
33、NGNDPWR//N通路的地
34、LXVCC//VCC直流-直流（空）
35、第一KEYI21.9驱动器/主要精检电路输入的Bit2
36、CE3-O/H8080接口LCM芯片（接LCMCE）
37、CE2-O/H（可选择的）（接第一片的10脚和第二片FLASH的9脚）
38、CE1-O/H（接第一片FLASH的9脚）
39、VDDPWR
40、一般用途输入／输出的GPIO_B4主要精检电路输出的KEYO0O/Bit0
41、KEYO1O一般用途输入／输出的GPIO_B6
42、KEYO2O一般用途输出的GPO_A1（BN接USB5V经过了一个100K电阻）
43、（LCM-RST）GPO_A1
44、GPO_A2（ELENA,背光输出控制）
45、GPO_A0（LCM-A0）第一ICEDI3.5驱动器/数据为检测输入到DSU
46、ICEEN（ICEEN-主SCUHDSU）（空）
47、ICERST-主SCUHDSU复置（空）
48、VCCPWR//数传电源
49、接地PWR//地
50、存储器数据流的D7BI/LBit7（接FLASH的44脚）
51、存储器数据流的D6BI/LBit6（接FLASH的43脚）
52、存储器数据流的D5BI/LBit5（接FLASH的42脚）
53、存储器数据流的D4BI/LBit4（接FLASH的41脚）
54、存储器数据流的D3BI/LBit3（接FLASH的32脚）
55、存储器数据流的D2BI/LBit2（接FLASH的31脚）
56、存储器数据流的D1BI/LBit1（接FLASH的30脚）
57、存储器数据流的D0BI/LBit0（接FLASH的29脚）
58、MWR-O/H存储器写（接FLASH的18脚，两片都要接）
59、MRD-O/H存储器读（接FLASH的8脚，两片都要接）
60、CLEO/L（接FLASH的16脚，两片都要接）
61、O/L输入／输出的GPIO_C1BIHBit1集成电路连载数据（接FLASH的17脚）
62、FMDATA（收音FM数据）
63、FMCLK（收音FM时钟）
64、VDDPWR//电源
（三）、电源模块
由USB接口充电，电源流经U22、U23锂离子电池保护电路实现充放电过程中过度充电保护、过电流／短路保护和过放电保护，电池放电时经电容滤波再由U17、U9稳压管得出AVDD、AVCC较稳定的电压，控制芯片工作。
锂电池保护：
由于锂离子电池能量密度高，因此难以确保电池的安全性。
在过度充电状态下，电池温度上升后能量将过剩，于是电解液分解而产生气体，因内压上升而产生自燃或破裂的危险；反之，在过度放电状态下，电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化，因而降低可充电次数。
锂离子电池的保护电路就是要确保这样的过度充电及放电状态时的安全性，并防止特性劣化。
锂离子电池的保护电路是由保护IC及两颗功率MOSFET所构成，其中保护IC监视电池电压，当有过度充电及放电状态时切换到以外挂的功率MOSFET来保护电池，保护IC的功能有过度充电保护、过度放电保护和过电流／短路保护。
1、过度充电保护
过度充电保护IC的原理为：
当外部充电器对锂电池充电时，为防止因温度上升所导致的内压上升，需终止充电状态。
此时，保护IC需检测电池电压，当到达4.25V时（假设电池过充点为4.25V）即激活过度充电保护，将功率MOSFET由开转为切断，进而截止充电。
另外，还必须注意因噪音所产生的过度充电检出误动作，以免判定为过充保护。
因此，需要设定延迟时间，并且延迟时间不能短于噪音的持续时间。
2、过度放电保护
在过度放电的情况下，电解液因分解而导致电池特性劣化，并造成充电次数的降低。
采用锂电池保护IC可以避免过度放电现象产生，实现电池保护功能。
过度放电保护IC原理：
为了防止锂电池的过度放电状态，假设锂电池接上负载，当锂电池电压低于其过度放电电压检测点（假定为2.3V）时将激活过度放电保护，使功率MOSFET由开转变为切断而截止放电，以避免电池过度放电现象产生，并将电池保持在低静态电流的待机模式，此时的电流仅0.1μA。
当锂电池接上充电器，且此时锂电池电压高于过度放电电压时，过度放电保护功能方可解除。
另外，考虑到脉冲放电的情况，过放电检测电路设有延迟时间以避免产生误动作。
3、过电流及短路电流
因为不明原因（放电时或正负极遭金属物误触）造成过电流或短路，为确保安全，必须使其立即停止放电。
过电流保护IC原理为，当放电电流过大或短路情况产生时，保护IC将激活过（短路）电流保护，此时过电流的检测是将功率MOSFET的Rds（on）当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形，如果比所定的过电流检测电压还高则停止放电，运算公式为:
V-=I×Rds（on）×2（V-为过电流检测电压，I为放电电流）
假设V-=0.2V，Rds（on）=25mΩ，则保护电流的大小为I=4A
同样地，过电流检测也必须设有延迟时间以防有突发电流流入时产生误动作。
通常在过电流产生后，若能去除过电流因素（例如马上与负载脱离），将会恢复其正常状态，可以再进行正常的充放电动作。
（四）、液晶显示模块：
芯片7502引脚功能：
NC：
收据控制填补，没有对使用者连接。
FR：
这是液晶交流电信号输入／输出终端机。
M/S="H":
输出。
M/S="L":
输入。
当NT7502芯片在主/次模式中被用的时候,各种不同的FR终端机一定被连接。
CL：
这是显示时钟输入终端机。
当NT7502芯片在主/次模式中被用的时候,各种不同的CL终端机一定被连接。
DOF：
这是液晶遮没控制终端机。
M/S="H":
输出。
M/S="L":
输入。
当NT7502芯片在主/次模式中被用的时候,各种不同的DOF终端机一定被连接。
CS1、CS2：
这是芯片选择信号。
当CS1=“L”和CS2=“H”时，芯片选择变成活跃，而且数据/指令输入/输出指令被激活。
RES：
当RES放置到“L”时，设定被初值，重新设定被运行操作的RES信号标准。
A0：
这是被连接标准微处理器地址母线最不重要的位，而且它决定是否这数据
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