CN102883244B - 声震防护的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种声震防护装置。所述装置包括预测增益估计器,用于分析音频信号的线性预测系数,并确定所述音频信号的种类;以及音频压缩器,与预测增益估计器相耦合,音频压缩器用于根据音频信号的种类调整音频信号的信号电平。

Description

声震防护的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种声震防护装置,更具体而言,涉及一种压缩器具有多个增益阈值的声震防护装置及方法。
背景技术
猝然的、出乎意料的、及频率高的声音可造成声震,这会对头戴式/手持式电话听筒的使用者造成生理上的及心理声学上的伤害。由于此种类型的伤害与故障设备无关,因而必须在信号处理块一端进行声震防护(acoustic shockprotection),其中信号处理块用以准备最终输出信号以便进行播放。声震防护被设计成能保护头戴式/手持式电话听筒的使用者不受任何声震源的伤害。
可使用音频压缩器(compressor)来调整音频信号的动态范围并防止在通信装置的接收器路径中出现异常高的声音。为避免信号畸变及增强可听度(audibility),期望使音频振幅量保持于规定范围内。音频压缩器对于低振幅的信号而言可用作噪声抑制器,对于高振幅的信号而言则可用作压缩器。
然而,市售的音频压缩器并没有设计成保护使用者免受通信装置的接收器中的声震信号的影响。因此,这些音频压缩器无法满足例如由第三代合作伙伴工程2(3rd Generation Partnership Project 2,3GPP2)标准化组织所制定的目标声震防护测试要求。而且,这些音频压缩器不能够充分地抑制由出现码激励线性预测(Code Excited Linear Prediction,CELP)声码器(vocoder)的损坏分组以及其它错码所产生的特定频率频调信号。
所以,本领域需要一种新的声震防护装置,其能够充分地抑制由出现损坏的分组及其它错码所产生的特定频率频调信号,防止长时间暴露于大的声音,防止接收机中音震的影响并满足3GPP2所制定的目标声震防护测试要求。
发明内容
为详细阐述本发明,以下将结合附图来详细说明本发明的几个实例性实施例。
本发明提供一种声震防护装置。所述装置包括预测增益估计器,用于分析音频信号的线性预测系数,并确定所述音频信号的种类;以及音频压缩器,与预测增益估计器相耦合,音频压缩器用于根据音频信号的种类调整音频信号的信号电平。
本发明还提供一种声震防护方法,包括:分析音频信号的线性预测系数;确定音频信号的种类;以及根据音频信号的种类调整音频信号的信号电平。
本发明还提供一种通信装置,包括:收发器,用以接收无线信号;与收发机相耦合的音频处理单元,用以根据无线信号解码出音频信号;与所述音频处理单元相耦合的声震防护单元,用以处理音频信号并输出消除声震的音频信号;以及与所述声震防护单元相耦合的信号转换及放大单元,用以转换及放大来自声震防护单元的消除声震的音频信号。其中声震防护装置,进一步包括:预测增益估计器,用于分析音频信号的线性预测系数,以及确定所述音频信号的种类;以及音频压缩器,与预测增益估计器相耦合,音频压缩器用于根据音频信号的种类调整音频信号的信号电平。
综上所述,通过使用声震防护装置来监测预测增益,根据本发明实施例的所述具有声震防护的通信装置及其方法可探测及抑制类音调声震信号。而且,通过监测特定波形信号,可探测及抑制与出现损坏的CELP编解码器分组相关的声震信号。此外,声震防护单元中的增益控制器能够将音频信号的动态范围限制于目标动态范围内,从而保护使用者不会因长时间暴露于大的声音而受到声震伤害。由于本发明的声震防护装置可对接收机中的声震进行防护,所以能够满足3GPP2所制定的目标声震防护测试要求。
附图说明
为进一步理解本发明,在本说明中包含附图,这些附图包含于本说明书中并构成本说明书的一部分。这些图例示本发明的实例性实施例并与本说明一起用于解释本发明的原理。
图1是根据本发明一实施例的通信装置的示意性方框图。
图2是根据本发明一实施例的声震防护单元的示意性方框图。
图3是根据本发明一实施例的用于在通信装置中进行声震防护的方法的流程图。
图4是根据本发明一实施例的用于进行声震防护的方法中进行音频信号处理的流程图。
图5是根据本发明一实施例的用于进行声震防护的方法中对音频信号进行信号电平调整的流程图。
图6是根据本发明一实施例的所抑制音频信号的输入RMS功率与输出RMS功率之间的关系图。
图7是根据本发明一实施例的经音频压缩器调整的阈值与经过平滑的LPC预测增益之间的关系图。
图8是2kHz正弦信号的归一化反射系数的曲线图。
图9是根据本发明一实施例的增益控制器的输入信号动态范围与输出信号动态范围之间的关系图。
具体实施方式
图1是根据本发明一实施例的具有声震防护的通信装置的示意性方框图。参见图1,具有声震防护的通信装置100包括收发器110、音频处理单元120、声震防护(acoustic shock protection,ASP)单元130、信号转换及放大单元140及扬声器150。
在本实施例中,收发器110用以从源160接收无线信号SIG_IN。音频处理单元120用以从无线信号SIG_IN中解码出音频信号AUD_IN。ASP单元130用以处理音频信号AUD_IN,并向信号转换及放大单元140输出消除声震的音频信号AUD_ASP。信号转换及放大单元140耦合于ASP单元130与扬声器150之间,并用以对来自ASP单元130的消除声震的音频信号AUD_ASP进行转换及放大,且向扬声器150输出扬声器信号AUD_SPK。
应理解,通信装置100可包括图1所未示出的其他元件。例如,在本发明的某些实施例中,通信装置100还可包括通信协议模块及存储器(图中未示出)。例如,收发器110及存储器二者均连接至此通信协议模块。在某些实施例中,通信装置100中的存储器可用以暂时存储用于声震防护的系数。
在各种实施例中,举例而言,例如当源160为无线广播系统中的基站时,收发器110可用以在其覆盖范围内在通信装置100与源160之间传送及接收信号。然而,源160并不局限于为基站。例如,源160也可为用于从有线网络或有线广播系统向通信装置100提供有线或无线输入信号的计算机(图中未示出)中的存储介质。此外,源160的数目并不限于一个,且在某些实施例中,可从多个对应的源160接收多个无线信号SIG_IN。此外,例如,通信装置100可以是电话、移动电话、智能移动电话、或平板计算机的一部分。
在一实施例中,收发器110可对所接收无线信号SIG_IN执行模拟-数字信号转换(analog-to-digital signal conversion,ADC)、数字-模拟信号转换(digital-to-analog signal conversion,DAC)、调制、解调、信号放大、低通滤波及带通滤波(bandpass filtering)。收发器110也可用以将无线信号SIG_IN的信息提供至通信协议模块,将从通信协议模块接收的数据调制成已调制信号,并将已调制信号传送至无线广播系统中的其他装置。
可引起声震的有三种声音:类音调声震声音、损坏分组声震声音以及长时间的任何高声。例如,类音调声震声音诸如:可能由于错拨传真机而引发的忽然的高调声响,由尖叫或者吹口哨而引发的尖声,等等。损坏分组声震声音是由诸如损坏的以及经CRC处理的CELP解码分组等等的其它解码分组引起的。不同于不对这些响声进行区分而执行相同压缩处理的现有技术,本发明的声震防护装置的压缩器具有多个增益阈值,并且可以对各种响声执行相应的压缩,从而达到更好的声震保护。并且,由于本发明的声震防护装置可对接收机中产生的类音调声震进行抑制,从而满足3GPP2所制定的目标声震防护测试要求。在将类音调声震的映射系数转换为线性光谱对系数(后文中称为线性预测系数)的时候,其类似于一种具有高预测增益的纯正弦信号。损坏分组声震信号也类似于特定波形,可根据其线性预测系数来对是否存在该特定波形进行分析。如果其线性预测系数中包括某一特定波形的系数相同,则可以判断该音频信号包括类音调声震类型的信号。例如,与2kHz正弦波的系数相同,则包括2kHz声震信号。在本文中以损坏的CELP解码分组为例进行说明,但是,本发明不局限于此,任何类型的损坏分组都在本发明的范围内。由损坏的以及CRC处理的CELP解码分组引起的声震类似于具有高能量的纯2kHz正弦波。但是,本发明不局限于此,类似于其它频率波形的,由其它类型的损坏分组或类似物引起的声震也在本发明的范围内。与损坏的CELP解码分组有关的声震声音是通过监控2kHz音调信号来检测,并进行抑制的。如果不是这两个类型的声震声音,则将声音信号确定为普通声音信号。在上述三种类型的情况下,本发明都能够防止任何长时间的高声。
图2是根据本发明一实施例的声震防护单元的示意性方框图。参见图2,在本实施例中,ASP 130包括线性频谱对(line spectral pair,LSP)预测增益估计器210、增益控制器220及音频压缩器(audio compressor,ACP)230。音频信号AUD_IN可能具有三种类型中的一种类型的声震声音,这三种类型为:2kHz音调信号、类音调声震信号以及普通语音信号。LSP预测增益估计器210用以分析音频信号AUD_IN的多个线性预测系数(linear predictioncoefficient,LPC)以便寻找2kHz音调信号,根据线性预测系数来估计音频信号AUD_IN的预测增益以便寻找类音调声震信号,并且,在其不能找到这两种类型的声震信号的情况下,确定音频信号AUD_IN为普通语音信号。从而,LSP预测增益估计器210判断音频信号AUD_IN的声震类型。增益控制器220耦合于LSP预测增益估计器210与音频压缩器230之间。而且,增益控制器220用以将音频信号AUD_IN的动态范围限制于目标动态范围内,从而防止任何高声的持续过长时间。此外,音频压缩器230用以根据音频信号AUD_IN的均方根(root-mean-square,RMS)功率及由LSP预测增益估计器210确定的音频信号AUD_IN的类别来调整音频信号AUD_IN的信号电平,既对特定的类型进行相应的压缩。
在本发明的某些实施例中,LSP预测增益估计器210通过对音频信号AUD_IN进行线性预测系数估计来执行LSP预测增益估计;执行预测增益估计;并且确定音频信号AUD_IN的类型。音频压缩器230通过以下方式来调整音频信号AUD_IN的信号电平:计算音频信号AUD_IN的RMS功率,根据LSP预测增益估计器210的判断结果来探测音频信号的频调是否为2kHz频调,以及是否具有高的预测增益,根据音频信号AUD_IN的频调是否为2kHz频调以及音频信号AUD_IN是否具有高的预测增益来调整增益阈值,将调整后的增益阈值与音频信号AUD_IN的RMS功率相比较,以判断是否要抑制所述音频信号,并在音频信号的RMS功率大于所述阈值时对所述音频信号进行抑制。然而,在本发明的其他实施例中,可利用经过修改的上述步骤来调整音频信号AUD_IN的信号电平,举例而言,例如通过改变各步骤的顺序。此外,在本说明书中后续将详细说明由LSP预测增益估计器210所进行的LPC预测增益估计、由增益控制器220所进行的音量控制,及音频信号压缩以及由ACP 230所进行音频信号压缩的原理。
根据本发明的某些实施例,当音频信号AUD_IN具有2kHz频调时,音频压缩器ACP 230将阈值调整至第一值,当音频信号AUD_IN具有高的预测增益(例如,音频信号AUD_IN为周期性的预测性频调类信号)时,则音频压缩器ACP 230将阈值增加至第二值,而当音频信号AUD_IN不包括上述两种类型的声震,仅仅是普通语音信号时,则音频压缩器ACP230将阈值增加至第三值。本发明并不局限于此,在具体应用中可以根据需要对阈值进行增加或者减小的调整。另一方面,在另一实施例中,根据音频信号AUD_IN的反射系数的内积来探测音频信号的频调是否为2kHz。
在某些实施例中,当音频信号AUD_IN的动态范围处于目标动态范围内时,增益控制器220维持音频信号AUD_IN的音量水平,而当音频信号AUD_IN的动态范围超过目标动态范围时,增益控制器220则调整音频信号AUD_IN的动态范围。从而,防止长时间的高声。在一些实施例中,增益控制器220是智能增益控制器,其能够根据音频信号的类型对其进行音量控制。在一实施例中,LSP预测增益估计器210是在ACP 230调整音频信号的信号电平之前估计预测增益,但本发明并不仅限于此。
此外,在本发明的某些实施例中,信号转换及放大单元140可包括数字-模拟转换器(DAC)及功率放大器(图中未示出)。DAC用以将消除声震的音频信号AUD_ASP转换成模拟信号,功率放大器则用以放大消除声震的模拟音频信号AUD_ASP并将扬声器信号AUD_SPK输出至扬声器150。
图3是根据本发明一实施例的用于在通信装置中进行声震防护的方法的流程图。所述用于声震防护的方法可适用于图1所示并在上文所述的通信装置100。参见图3,在本发明的一个实施例中,所述用于声震防护的方法包括以下步骤。在步骤S301中,从源接收无线信号。在步骤S302中,从无线信号解码出音频信号。在步骤S303中,处理音频信号并输出消除声震的音频信号。在步骤S304中,对消除声震的音频信号进行转换及放大,并向扬声器输出扬声器信号。
在图4中进一步显示图3中步骤S303的音频信号处理,图4是根据本发明一实施例的用于进行声震防护的方法中进行音频信号处理的流程图。参见图4,在步骤S401中,分析音频信号的多个线性预测系数。在步骤S402中,根据线性预测系数来估计音频信号的预测增益。在步骤S403中,确定音频信号的类别。在步骤S404中,将音频信号的动态范围限制于目标动态范围内。在步骤S405中,根据音频信号的RMS功率及音频信号的类别来调整音频信号的信号电平。
在图5中进一步显示图4中步骤S405的信号电平调整,图5是根据本发明一实施例的用于进行声震防护的方法中对音频信号进行信号电平调整的流程图。在一些实施例中,图5的过程由音频压缩器ACP230执行,但是本发明并不局限于此。参见图5,在步骤S501中,计算音频信号的RMS功率。在步骤S502中,判断音频信号是否具有2kHz频调。如果确定具有2kHz频调,则如在步骤S503中所示将阈值调整至第一值。而如果确定不具有2kHz频调,则该过程进行至步骤S504,判断音频信号是否具有高的预测增益。如果音频信号具有高的预测增益,则如步骤S505所示将阈值调整至第二值。在实际应用中,根据需要,可对阈值进行增高或减小的调整。而如果音频信号不具有高的预测增益,则该过程进行至步骤S506,将经调整的阈值与音频信号的RMS功率相比较,以判断是否要抑制所述音频信号。当音频信号的RMS功率大于阈值时,如步骤S507所示进行音频信号的抑制。
在某些实施例中,图5中探测2kHz频调的步骤S502包括:根据音频信号的反射系数的内积来判断音频信号的频调是否为2kHz频调。在其他实施例中,图4中将音频信号的动态范围限制于目标动态范围内的步骤S404包括:当音频信号的动态范围处于目标动态范围内时,维持音频信号的音量水平,而当音频信号的动态范围超过目标动态范围时,则调整音频信号的动态范围。在另一实施例中,图4中用于估计音频信号的预测增益的步骤S402是在图4中用于调整音频信号的信号电平的步骤S405之前执行,但这些步骤的顺序并不限于此,而是可根据应用的需要而加以改变。在其他实施例中,图3中对消除声震的音频信号进行转换及放大的步骤S304包括:将消除声震的音频信号转换成模拟信号,并放大消除声震的模拟音频信号且将扬声器信号输出至扬声器。
在下文说明中,将详细说明音频信号抑制以及由LSP预测增益估计器210所进行的LPC预测增益估计、由增益控制器220所进行的音量控制及由ACP230所进行音频信号抑制的原理。
图6是根据本发明一实施例的所抑制音频信号的输入RMS功率与输出RMS功率之间的关系图。参见图6,抑制曲线601、602及603分别代表经过根据本发明一实施例声震防护的方法抑制的正常语音信号、高预测增益信号、及2kHz频调信号的增益。所述通信装置及用于进行声震防护的方法可以是在本文中前面所述的装置及方法。在图6中,抑制曲线601-603的斜率对应于相应音频信号的输入RMS功率的增益。如图6所示,当音频信号的输出RMS功率超过RMS功率上限阈值时,抑制曲线601-603获得例如为1/20的缓慢斜率增益。另一方面,当信号功率低于功率下限阈值时,抑制曲线获得为2的快速斜率增益。由于信号功率低于功率下限阈值的情况不是本发明的重点,所以,在本文中予以省略。
当将反射系数转换成线性频谱对系数时,类音调音频信号类似于具有高的预测增益的纯正弦波形。图7是根据本发明一实施例的经音频压缩器调整的阈值与经过平滑的LPC预测增益之间的关系图。参见图7,曲线701绘示由ACP根据音频信号的LPC预测增益进行的阈值调整。可将该阈值与由根据本发明一实施例的声震防护装置或方法所压缩的音频信号的RMS功率进行比较。所述声震防护装置或方法可以是本文中前面所述的装置及方法。在本发明的某些实施例中,可根据ACP的输入信号(其可为脉冲编码调制(pulse-code modulated,PCM)信号)来估计LPC预测增益。高的LPC预测增益表示输入信号为周期性的且为预测性频调类信号。当LPC预测增益为高时,则减小ACP上限阈值(例如,图5所示步骤S505及S506的阈值)。如图7所示,当预测增益增大并变得大于预测增益下限阈值时,APC上限阈值将减小,以进一步抑制输入信号,从而保护使用者的耳朵不受频调类高功率信号伤害。
图8是2kHz正弦信号的归一化反射系数的曲线图。参见图8,曲线801绘示由CELP编解码器的损坏分组的所产生的2kHz信号的归一化反射系数的特性。CELP编解码器的损坏分组的所产生的声震信号可由2kHz音调信号来表征。一般而言,由于人类发音系统的生理局限性,正常人类语音的音调不会接近2kHz。因此,为防止在CELP编解码器工作时产生声震,需要抑制2kHz纯音(pure tone)。在本发明的某些实施例中,在2kHz频调信号的探测中使用归一化反射系数。为探测2kHz频调信号,使用部分归一化反射系数的内积。参见图8作为例示性实例,一个部分向量被定义为P1=R(2,3,4,5),而另一个部分向量被定义为P2=R(6,7,8,9)。部分向量的内积χ被表示为方程式(1):
χ = Σ i = 0 3 P 1 ( i ) × P 2 ( i ) - - - ( 1 )
在某些实施例中,接着通过方程式(2)所表示的判决规则来判断音频信号是否为2kHz频调信号:
S 0 : 2 k - tone , ifχ > η S 1 : non - 2 k - tone , ifχ ≤ η - - - ( 2 )
其中,η表示判决界限。
图9是根据本发明一实施例的增益控制器的输入信号动态范围与输出信号动态范围之间的关系图。为保护使用者不受猝然的、高声的、非频调类信号情形的伤害,可在具有声震防护的通信装置或其方法中使用本文中前面所述的增益控制器。增益控制器能够调整输出信号的动态范围,同时只要输入信号不超过界限Thr的目标动态范围,便会维持音量水平,如图9所示例示性实例中的曲线902所示。
综上所述,通过使用声震防护装置来监测预测增益,根据本发明实施例的所述具有声震防护的通信装置及其方法可探测及抑制类音调声震信号。而且,通过监测特定波形信号,可探测及抑制与出现损坏的CELP编解码器分组相关的声震信号。此外,声震防护单元中的增益控制器能够将音频信号的动态范围限制于目标动态范围内,从而保护使用者不会因长时间暴露于大的声音而受到声震伤害。由于本发明的声震防护装置可对接收机中的声震进行防护,所以能够满足3GPP2所制定的目标声震防护测试要求。
从而,根据本发明的声震防护装置和方法,能够有效地抑制由出现损坏的分组及其它错码所产生的特定频率频调信号,防止长时间暴露于大的声音,防止类音调音震的影响并满足3GPP2所制定的目标声震防护测试要求。
本领域技术人员将易知,可在不背离本发明的范围或精神的条件下对所揭露实施例的结构作出各种修改及变更。因此,本发明旨在涵盖本发明的各种修改及变更形式,只要其处于权利要求书及其等效内容的范围内即可。

Claims (14)

1.一种声震防护装置,用于通信装置的接收机,其特征在于,包括:
预测增益估计器,用于分析音频信号的线性预测系数,并确定所述音频信号的种类;以及
音频压缩器,与所述预测增益估计器相耦合,所述音频压缩器用于根据所述音频信号的种类调整所述音频信号的信号电平,
其中所述音频信号的种类包括:特定波形信号、类音调信号和普通话音信号。
2.根据权利要求1所述的声震防护装置,其中,所述预测增益估计器还用于:
根据所述音频信号的线性预测系数,判断所述音频信号的种类是否为特定波形信号。
3.根据权利要求2所述的声震防护装置,其中,所述特定波形信号是由损坏的分组引起的2kHz音调信号。
4.根据权利要求1所述的声震防护装置,其中,所述预测增益估计器还用于:
根据所述线性预测系数估计所述音频信号的预测增益以确定所述音频信号的种类是否为类音调信号,
其中,如果所述预测增益高于第一阈值,则所述音频信号的种类是所述类音调信号;如果所述预测增益低于所述第一阈值,则所述音频信号的种类不是所述类音调信号。
5.根据权利要求4所述的声震防护装置,其中,当所述预测增益高于所述第一阈值并低于第二阈值时,则随着所述预测增益的提高,降低所述音频压缩器的增益阈值。
6.根据权利要求1所述的声震防护装置,其中,所述音频压缩器还用于:
当所述音频信号的种类是特定波形信号时,则将增益阈值调整到第一值;
当所述音频信号的种类是类音调信号时,则将增益阈值调整到第二值;以及
当所述音频信号的种类既不是所述特定波形信号也不是所述类音调信号是,则将所述增益阈值调整到第三值。
7.根据权利要求6所述的声震防护装置,其中,所述音频压缩器还用于:
比较所述增益阈值和所述音频信号的均方根功率;
当所述音频信号的均方根功率大于所述增益阈值时,压缩所述音频信号的信号电平;以及
当所述音频信号的均方根功率不大于所述增益阈值时,保持或扩大所述音频信号的信号电平。
8.一种声震防护方法,用于通信装置的接收机,其特征在于,包括:
分析音频信号的线性预测系数;
确定所述音频信号的种类;以及
根据所述音频信号的种类调整所述音频信号的信号电平,
其中所述音频信号的种类包括:特定波形信号、类音调信号和普通话音信号。
9.根据权利要求8所述的方法,其中确定音频信号的种类还包括:
根据所述音频信号的线性预测系数判断所述音频信号的种类是否为特定波形信号;以及
根据所述线性预测系数估计所述音频信号的预测增益,以判断所诉音频信号的种类是否为类音调信号,
其中,当如果所述预测增益高于第一阈值,则所述音频信号的种类是所述类音调信号;如果所述预测增益低于所述第一阈值,则所述音频信号的种类不是所述类音调信号。
10.根据权利要求9所述的方法,其中,所述特定波形信号是由损坏的分组引起的2kHz音调信号。
11.根据权利要求9所述的方法,其中,当所述预测增益高于所述第一阈值并低于第二阈值时,则随着所述预测增益的提高,降低所述音频压缩器的增益阈值。
12.根据权利要求8所述的方法,还包括:
当所述音频信号的种类是特定波形信号时,则将增益阈值调整到第一值;
当如果所述音频信号的种类是类音调信号时,则将增益阈值调整到第二值;以及
当所述音频信号的种类即不是所述特定波形信号也不是所述类音调信号时,则将所述增益阈值调整到第三值。
13.根据权利要求12所述的方法,还包括:
比较所述增益阈值和所述音频信号的均方根功率;
当所述音频信号的均方根功率大于所述增益阈值时,压缩所述音频信号的信号电平;以及
当所述音频信号的均方根功率不大于所述增益阈值时,保持或放大所述音频信号的信号电平。
14.一种通信装置,其特征在于,包括:
收发器,用以接收无线信号;
音频处理单元,与所述收发器相耦合,用以根据所述无线信号解码出音频信号;
声震防护单元,与所述音频处理单元相耦合,用以处理所述音频信号并输出消除声震的音频信号;以及
信号转换及放大单元,与所述声震防护单元相耦合,用以转换及放大来自所述声震防护单元的所述消除声震的音频信号,
其中所述声震防护单元,进一步包括:
预测增益估计器,用于分析所述音频信号的线性预测系数,以及确定所述音频信号的种类;以及
音频压缩器,与所述预测增益估计器相耦合,所述音频压缩器用于根据所述音频信号的种类调整所述音频信号的信号电平,
其中所述音频信号的种类包括:特定波形信号、类音调信号和普通话音信号。
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