CN103117831A - 一种无源光网络系统的上行信道接入装置 - Google Patents

Abstract

一种无源光网络系统的上行信道接入装置，属于光纤通信技术领域，解决目前时分复用无源光网络中用户光网络终端中上行用户传输系统共用一个波长发生冲突、传输速率较低的问题。本发明包括接入端光网络单元、光分线器、接收端光线路终端；接入端光网络单元包括M个不同波长的激光器和M个电合路器，每个电合路器连接N个正交波形信号产生电路，每个正交波形信号产生电路由一个调制器和正交波形发生器组成；接收端光线路终端，包括光分波器和M路接收电路，每路接收电路由依次串联的光电探测器、模数转换器和数字信号处理模块组成。本发明可以实现多个用户信息共用一个波长，大大提高用户端数据的接入能力，并简化无源光网络的结构和协议。

Description

一种无源光网络系统的上行信道接入装置

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，是一种实现光纤到户光接入网络中上行信道接入装置。

背景技术

目前在光接入网技术中，核心技术分为三个部分：下行信号发射，无源接入，上行信号的发射/接收。由于采用无源光网络(PON)的结构，下行信号用一发多收，而上行信号是多个用户共用一根光纤，为了解决多个上行信号冲突问题，目前提出了很多种实现PON结构的方法：时分复用无源光网络(TDM-PON)、波分复用无源光网络(WDM-PON)和正交频分复用无源光网络(OFDM-PON)。

时分复用无源光网络(TDM-PON)是一种比较成熟和商用的技术，根据所承载的业务的不同分为以太网无源光网络(EPON)和广义成帧无源光网络(GPON)两种；在EPON和GPON中为了防止上行用户光网络单元(ONU)的冲突，需要将不同的时隙分配给不同的用户，这样导致系统复杂，协议很繁杂，电子处理芯片的处理速度跟不上传输速率等问题。

而采用WDM-PON系统，由于要给每个用户分配一个波长信息，就要提高ONU用户的成本，无法实现FTTH的普及等问题，而且设备运营商也不好维护。

在OFDM-PON系统中，正交频分复用技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性，但OFDM对频偏和相位噪声比较敏感，仅仅1％的频偏就会使信噪比下降30dB，频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化。

发明内容

本发明提供一种无源光网络系统的上行信道接入装置，解决目前时分复用无源光网络中用户光网络终端中上行用户传输系统共用一个波长发生冲突、传输速率较低的问题。

本发明所提供的一种无源光网络系统的上行信道接入装置，包括接入端光网络单元、光分线器、接收端光线路终端；其特征在于：

A.所述接入端光网络单元，包括M个不同波长的激光器和M个电合路器，每个电合路器连接N个正交波形信号产生电路，每个正交波形信号产生电路由一个调制器和正交波形发生器组成，M、N为正整数；

各正交波形发生器产生不同阶正交波形，连接同一台电合路器的各正交波形发生器产生的不同阶正交波形两两相互正交，不同的用户信息分别通过调制器直接或间接调制到不同阶正交波形上，形成N个已调信号；所述电合路器将N个已调信号混合，对激光器进行调制，激光器输出光信号；

B.所述光合路器，将M个激光器输出的光信号合路后，形成合路光信号，传输到接收端光线路终端的光分波器；

C.所述接收端光线路终端，包括光分波器和M路接收电路，每路接收电路由依次串联的光电探测器、模数转换器和数字信号处理模块组成；

所述光分波器，将接收的合路光信号分成M路不同波长的光信号，分别送到M路接收电路的光电探测器，每路光信号的波长对应激光器的中心波长；

所述光电探测器对所接收的光信号进行光电转换，输出电压信号到模数转换器进行模数转换，所述模数转换器输出数字信号到数字信号处理模块，所述数字信号处理模块对所接收的数字信号进行解调，分离恢复各路用户信息。

所述的无源光网络系统的上行信道接入装置，其特征在于：

所述正交波形发生器由基础信号产生器、n阶微分电路、函数发生器、乘法器放和大器组成；基础信号产生器产生基础高斯波形信号g₀(t)送到n阶微分电路，n阶微分电路对g₀(t)进行n阶微分处理，得到n阶高斯波形信号g_n(t)，函数发生器产生指数函数信号s(t)，n阶高斯波形信号g_n(t)和指数函数信号s(t)通过乘法器相乘后，送到放大器改变其幅度，得到n阶正交波形信号h_n(t)； $g_0\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\τ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}}{e}^{-\frac{t^2}{2{\mathrm{\τ}}^2}},$ $g_n\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\τ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}}\frac{d^n}{{\mathrm{dt}}^n}\left(e^{-\frac{t^2}{2{\mathrm{\τ}}^2}}\right),$ $s\left(t\right)=e^{\frac{t^2}{4{\mathrm{\τ}}^2}},$ $h_n\left(t\right)=\frac{{(-\mathrm{\τ})}^n}{\sqrt{n!\mathrm{\τ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}}{e}^{\frac{t^2}{4{\mathrm{\τ}}^2}}\frac{d^n}{{\mathrm{dt}}^n}\left(e^{-\frac{t^2}{2{\mathrm{\τ}}^2}}\right);$ 其中，t为时间变量，τ为脉冲宽度，与用户信号的脉冲宽度一致；

h_n(t)为功率归一化的修正后的Hermite脉冲函数波形信号，各正交波形发生器中，仅n阶微分电路的n取不同值，得到n个不同阶高斯波形信号，n＝0，1，2…N-1。

所述的无源光网络系统的上行信道接入装置，其特征在于，所述数字信号处理模块对应不同中心波长的激光器，对所接收的数字信号进行下述处理：

(1)对各正交波形发生器产生的n阶正交波形信号h_n(t)进行数学离散化处理，得到离散化的n阶正交波形信号，n＝0，1，2…N-1；

(2)对离散化的n阶正交波形信号进行幅度调整，成为N路本地数字信号g_n(k)；k＝0，1，2…K-1，K为各正交波形发生器一个比特周期的总采样点数；

(3)在第m个比特周期T内，将所接收的数字信号f_m(k)分别与N路本地数字信号g_n(k)进行相关运算，得到N个相关值A_n，m：

$A_{n,m}=\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{f}_m\left(k\right)\·g_n\left(k\right),$

式中，m为数字信号的第m个比特周期，n＝0，1，2…N-1；

(4)对N个相关值A_n，m，分别判断是否A_n，m＞A_n，是则输出1码，否则输出0码，得到该比特周期T内的N路用户信息S_n，m，A_n为第n路阈值，n＝0，1，2…N-1；

(5)在下一比特周期内，继续进行步骤(3)、(4)，得到下一比特周期内的用户信息；以此类推，从而得到分离恢复的各路用户信息。

所述的无源光网络系统的上行信道接入装置，其特征在于：

所述第n路阈值A_n通过以下步骤得到：

(1)发送M×N组先验码代替用户信息，分别通过调制器直接或间接调制到不同阶正交波形上，形成M×N个已调信号通过本接入装置进行传输；所述先验码共发送W个比特周期的0-1码，其中有a个1码，b个0码，W＝a+b；

在接收端的每个数字信号处理模块内得到N×W个相关值A_n，m，m＝1，2…W，

(2)将各相关值A_n，m与相应的先验码对比，从而确定出相应先验码中1码、0码所对应的A_n，m值，分别记为A¹ _n，q1、A⁰ _n，q0，其中q1为1码信号的第q1个比特周期，q0为0码信号的第q0个比特周期；

(3)计算阈值A_n： $A_n=\frac{\stackrel{\‾}{{A^1}_n}+\stackrel{\‾}{{A^0}_n}}{2},$

其中，1码平均相关值 $\stackrel{\‾}{{A^1}_n}\frac{\underset{q1=1}{\overset{a}{\mathrm{\Σ}}}{A^1}_{n,q1}}{a},$ 0码平均相关值 $\stackrel{\‾}{{A^0}_n}=\frac{\underset{q0=1}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}{A^0}_{n,q0}}{b}.$

本发明将不同的用户信息先调制到不同的两两相互正交的波形上，混合后再调制到激光器上送入光纤中传输，这样可以实现多个用户信息共用一个波长，大大提高用户端数据的接入能力，并简化无源光网络的结构和协议。

本发明中，根据用户的数量和激光器的数量，可以灵活配置正交波形信号产生电路，如果有64个用户上行信号要传输，而系统中有两个波长不一样的激光器。则可以配置两组各32个不同的正交波形信号产生电路。32个用户上行信号分别调制到32个电正交波形上，再将32个电正交波形合路后调制到一个激光器上，由于系统有两个波长不一样的激光器，另外32个用户也分别调制到32个同样的电正交波形上，再合路后，调制到另外一个激光器上，这样，只需要32个电正交波形和2个波长，就可以发射64个用户上行信号，而不会发生冲突。

仍然是64个用户上行信号，如果系统只有一个激光器，那就需要64个电正交波形，可以将64个用户上行信号调制到这64个电正交波形上，再合路后，调制到一个激光器上。

本发明采用波形正交复用方式，给每个光网络单元用户分配一个电正交波形信号，不同用户信号用不同的正交波形信号来承载，混合后再调制到同一载波上，再共用一个激光器进行传输，能解决TDM-PON中分配时隙所引起的系统复杂，协议繁杂，电子处理芯片的处理速度较低，跟不上传输速率的问题；与WDM-PON相比较，多个用户共用一个激光器，传输同样数量用户的系统成本大大降低；并且可以与这两种无源光网络结构相融合来取得扩容和降低成本的效果，可以广泛应用在光接入网系统中。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是正交波形发生器的电路示意图；

图3为一阶微分电路示意图；

图4为第n路数字处理模块流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的实施例，包括接入端光网络单元、光分线器、接收端光线路终端；

A.所述接入端光网络单元，包括第一激光器、第二激光器和2个电合路器，第一激光器、第二激光器为不同波长的激光器，每个电合路器连接第一正交波形信号产生电路和第二正交波形信号产生电路，第一、第二正交波形信号产生电路均由一个调制器和正交波形发生器组成；

第一、第二正交波形信号产生电路的正交波形发生器产生不同阶正交波形，连接同一台电合路器的各正交波形发生器产生的不同阶正交波形两两相互正交，不同的用户信息分别通过调制器直接或间接调制到不同阶正交波形上，形成2个已调信号；所述电合路器将2个已调信号混合，对激光器进行调制，激光器输出光信号；

B.所述光合路器，将2个激光器输出的光信号合路后，形成合路光信号，传输到接收端光线路终端的光分波器；

C.所述接收端光线路终端，包括光分波器和2路接收电路，每路接收电路由依次串联的光电探测器、模数转换器和数字信号处理模块组成；

所述光分波器，将接收的合路光信号分成2路不同波长的光信号，分别送到M路接收电路的光电探测器，每路光信号的波长对应激光器的中心波长；

所述光电探测器对所接收的光信号进行光电转换，输出电压信号到模数转换器进行模数转换，所述模数转换器输出数字信号到数字信号处理模块，所述数字信号处理模块对所接收的数字信号进行解调，分离恢复各路用户信息。

本实施例中，激光器为半导体直接调制激光器，也可以是外调制激光器，如果是外调制激光器，需要加上外调制器，激光器的波长满足国际电信联盟ITU的有关标准，可采用武汉电信器件公司生产的RTXM系列光发射模块。

光分波器与光合路器一一对应，其中心波长满足ITU规定的中心波长并和所使用的激光器的中心波长对应，本实施例中，光合路器和光分波器均采用武汉光讯科技股份有限公司型号100G DWDM Mutiplexing的器件。

光电探测器选用武汉电信器件公司型号RTXM的光接收模块。

模数转换器采样频率和用户的速率有关系，一般是用户速率的5倍，比如：用户信息是100Mbit/s，那么采样频率选为500Mbit/s；本实施例，采用美国TI公司的ADC08D500或者ADC08D1000。

如图2所示，所述正交波形发生器由基础信号产生器、n阶微分电路、函数发生器、乘法器放和大器组成；基础信号产生器产生基础高斯波形信号g₀(t)送到n阶微分电路，n阶微分电路对g₀(t)进行n阶微分处理，得到n阶高斯波形信号g_n(t)，函数发生器产生指数函数信号s(t)，n阶高斯波形信号g_n(t)和指数函数信号s(t)通过乘法器相乘后，送到放大器改变其幅度，得到n  阶正交波形信号h_n(t)； $g_0\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\τ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}}{e}^{-\frac{t^2}{2{\mathrm{\τ}}^2}},$ $g_n\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\τ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}}\frac{d^n}{{\mathrm{dt}}^n}\left(e^{-\frac{t^2}{2{\mathrm{\τ}}^2}}\right),$ $s\left(t\right)=e^{\frac{t^2}{4{\mathrm{\τ}}^2}},$ $h_n\left(t\right)=\frac{{(-\mathrm{\τ})}^n}{\sqrt{n!\mathrm{\τ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}}{e}^{\frac{t^2}{4{\mathrm{\τ}}^2}}\frac{d^n}{{\mathrm{dt}}^n}\left(e^{-\frac{t^2}{2{\mathrm{\τ}}^2}}\right);$ 其中，t为时间变量，τ为脉冲宽度，与用户信号的脉冲宽度一致；

h_n(t)为功率归一化的修正后的Hermite脉冲函数波形信号，各正交波形发生器中，仅n阶微分电路的n取不同值，得到n个不同阶高斯波形信号，n＝0，1，2…N-1。

其中，零阶正交波形信号h₀(t)由基础高斯波形信号g₀(t)与指数函数信号s(t)相乘得到，其数学表达式是：

一阶正交波形信号h₁(t)由基础高斯波形信号g₀(t)的一阶微分后再与指数函数信号s(t)相乘后得到，其数学表达式是：二阶正交波形信号h₂(t)由基础高斯波形信号g₀(t)的二阶微分后再与指数函数信号s(t)相乘后得到，其数学表达式是：

$h_2\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\τ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}}(-1+\frac{t^2}{{\mathrm{\τ}}^2})e^{\frac{t^2}{4{\mathrm{\τ}}^2}}\·e^{-\frac{t^2}{2{\mathrm{\τ}}^2}},$ 其余依次类推。

基础信号产生器即高斯波形产生电路，具体电路见：朱璐瑛，贺鹏飞，刘俊艳；“基于高斯导函数的超宽带周期性正交波形信号设计”，无线电通信技术，2009年第35卷第6期：第46-48页。

n阶微分电路中，除0阶微分电路外，均采用图3所示的一阶微分电路实现，一阶微分电路由运算放大器和电阻、电容组成，电阻R₁、电容C₁串联后再连接运算放大器A的反相输入端，运算放大器A的正相输入端通过电阻R₃接地，运算放大器A的输出端通过并联的电阻R₂、电容C₂连接运算放大器A的反相输入端。

二阶微分电路可用2个一阶微分电路级联构成，

n阶微分电路则可用n个一阶微分电路级联构成，并调整。

函数发生器，采用美国泰克公司型号AWG520的任意波形发生器；

乘法器，采用美国ADI公司型号AD834的模拟乘法器；

放大器，采用河北博威公司型号HEC5186A的放大器。

图4所示为本实施例数字处理模块的处理流程：

(1)对应相应中心波长的激光器，对各正交波形发生器产生的n阶正交波形信号h_n(t)进行数学离散化处理，得到离散化的n阶正交波形信号，n＝0，1；

(2)对离散化的n阶正交波形信号进行幅度调整，成为2路本地数字信号g_n(k)；k＝0，1，2…K-1，K为各正交波形发生器一个比特周期的总采样点数；

(3)在第m个比特周期T内，将所接收的数字信号f_m(k)分别与2路本地数字信号g_n(k)进行相关运算，得到2个相关值A_n，m：

$A_{n,m}=\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{f}_m\left(k\right)\·g_n\left(k\right),$

式中，m为数字信号的第m个比特周期，n＝0，1；

(4)对2个相关值A_n，m，分别判断是否A_n，m＞A_n，是则输出1码，否则输出0码，得到该比特周期T内的2路用户信息S_n，m，A_n为第n路阈值，n＝0，1；

(5)在下一比特周期内，继续进行步骤(3)、(4)，得到下一比特周期内的用户信息；以此类推，从而得到分离恢复的各路用户信息。

本实施例中，步骤(1)在计算机中使用matlab等数学计算工具对各正交波形发生器产生的n阶正交波形信号h_n(t)进行数学离散化处理，得到离散化的n阶正交波形信号；步骤(2)对离散化的n阶正交波形信号进行幅度调整，成为2路本地数字信号g_n(m)，n＝0，1；

2路本地数字信号g_n(m)存入FPGA，步骤(3)、(4)、(5)也采用FPGA实现，可以采用xilinx公司型号vertex5的FPGA。

本实施例中，所述第n路阈值A_n通过以下步骤得到：

(1)发送2×2组先验码代替用户信息，分别通过调制器直接或间接调制到不同阶正交波形上，形成2×2个已调信号通过本接入装置进行传输；所述先验码共发送1024个比特周期的0-1码，其中有512个1码，512个0码；

在接收端的每个数字信号处理模块内得到2×2个相关值A_n，m，m＝1，2…1024，

(2)将各相关值A_n，m与相应的先验码对比，从而确定出相应先验码中1码、0码所对应的A_n，m值，分别记为A¹ _n，q1、A⁰ _n，q0，其中q1为1码信号的第q1个比特周期，q0为0码信号的第q0个比特周期；

(3)计算阈值A_n： $A_n=\frac{\stackrel{\‾}{{A^1}_n}+\stackrel{\‾}{{A^0}_n}}{2},$

其中，1码平均相关值 $\stackrel{\‾}{{A^1}_n}=\frac{\underset{q1=1}{\overset{a}{\mathrm{\Σ}}}{A^1}_{n,q1}}{a},$ 0码平均相关值 $\stackrel{\‾}{{A^0}_n}=\frac{\underset{q0=1}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}{A^0}_{n,q0}}{b}.$

Claims (4)

1.一种无源光网络系统的上行信道接入装置，包括接入端光网络单元、光分线器、接收端光线路终端；其特征在于：

A.所述接入端光网络单元，包括M个不同波长的激光器和M个电合路器，每个电合路器连接N个正交波形信号产生电路，每个正交波形信号产生电路由一个调制器和正交波形发生器组成，M、N为正整数；

各正交波形发生器产生不同阶正交波形，连接同一台电合路器的各正交波形发生器产生的不同阶正交波形两两相互正交，不同的用户信息分别通过调制器直接或间接调制到不同阶正交波形上，形成N个已调信号；所述电合路器将N个已调信号混合，对激光器进行调制，激光器输出光信号；

B.所述光合路器，将M个激光器输出的光信号合路后，形成合路光信号，传输到接收端光线路终端的光分波器；

C.所述接收端光线路终端，包括光分波器和M路接收电路，每路接收电路由依次串联的光电探测器、模数转换器和数字信号处理模块组成；

所述光分波器，将接收的合路光信号分成M路不同波长的光信号，分别送到M路接收电路的光电探测器，每路光信号的波长对应激光器的中心波长；

所述光电探测器对所接收的光信号进行光电转换，输出电压信号到模数转换器进行模数转换，所述模数转换器输出数字信号到数字信号处理模块，所述数字信号处理模块对所接收的数字信号进行解调，分离恢复各路用户信息。

2.如权利要求1所述的无源光网络系统的上行信道接入装置，其特征在于：

所述正交波形发生器由基础信号产生器、n阶微分电路、函数发生器、乘法器放和大器组成；基础信号产生器产生基础高斯波形信号g₀(t)送到n阶微分电路，n阶微分电路对g₀(t)进行n阶微分处理，得到n阶高斯波形信号g_n(t)，函数发生器产生指数函数信号s(t)，n阶高斯波形信号g_n(t)和指数函数信号s(t)通过乘法器相乘后，送到放大器改变其幅度，得到n阶正交波形信号h_n(t)； $g_0\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\τ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}}{e}^{-\frac{t^2}{2{\mathrm{\τ}}^2}},$ $g_n\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\τ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}}\frac{d^n}{{\mathrm{dt}}^n}\left(e^{-\frac{t^2}{2{\mathrm{\τ}}^2}}\right),$ $s\left(t\right)=e^{\frac{t^2}{4{\mathrm{\τ}}^2}},$ $h_n\left(t\right)=\frac{{(-\mathrm{\τ})}^n}{\sqrt{n!\mathrm{\τ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}}{e}^{\frac{t^2}{4{\mathrm{\τ}}^2}}\frac{d^n}{{\mathrm{dt}}^n}\left(e^{-\frac{t^2}{2{\mathrm{\τ}}^2}}\right);$ 其中，t为时间变量，τ为脉冲宽度，与用户信号的脉冲宽度一致；

h_n(t)为功率归一化的修正后的Hermite脉冲函数波形信号，各正交波形发生器中，仅n阶微分电路的n取不同值，得到n个不同阶高斯波形信号，n＝0，1，2…N-1。

3.如权利要求1或2所述的无源光网络系统的上行信道接入装置，其特征在于，所述数字信号处理模块对应不同中心波长的激光器，对所接收的数字信号进行下述处理：

(1)对各正交波形发生器产生的n阶正交波形信号h_n(t)进行数学离散化处理，得到离散化的n阶正交波形信号，n＝0，1，2…N-1；

(2)对离散化的n阶正交波形信号进行幅度调整，成为N路本地数字信号g_n(k)；k＝0，1，2…K-1，K为各正交波形发生器一个比特周期的总采样点数；

(3)在第m个比特周期T内，将所接收的数字信号f_m(k)分别与N路本地数字信号g_n(k)进行相关运算，得到N个相关值A_n，m：

$A_{n,m}=\underset{k=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{f}_m\left(k\right)\·g_n\left(k\right),$

式中，m为数字信号的第m个比特周期，n＝0，1，2…N-1；

(4)对N个相关值A_n，m，分别判断是否A_n，m＞A_n，是则输出1码，否则输出0码，得到该比特周期T内的N路用户信息S_n，m，A_n为第n路阈值，n＝0，1，2…N-1；

(5)在下一比特周期内，继续进行步骤(3)、(4)，得到下一比特周期内的用户信息；以此类推，从而得到分离恢复的各路用户信息。

4.如权利要求3所述的无源光网络系统的上行信道接入装置，其特征在于：

所述第n路阈值A_n通过以下步骤得到：

(1)发送M×N组先验码代替用户信息，分别通过调制器直接或间接调制到不同阶正交波形上，形成M×N个已调信号通过本接入装置进行传输；所述先验码共发送W个比特周期的0-1码，其中有a个1码，b个0码，W＝a+b；

在接收端的每个数字信号处理模块内得到N×W个相关值A_n，m，m＝1，2…W，

(2)将各相关值A_n，m与相应的先验码对比，从而确定出相应先验码中1码、0码所对应的A_n，m值，分别记为A¹ _n，q1、A⁰ _n，q0，其中q1为1码信号的第q1个比特周期，q0为0码信号的第q0个比特周期；

(3)计算阈值A_n： $A_n=\frac{\stackrel{\‾}{{A^1}_n}+\stackrel{\‾}{{A^0}_n}}{2},$

其中，1码平均相关值 $\stackrel{\‾}{{A^1}_n}\frac{\underset{q1=1}{\overset{a}{\mathrm{\Σ}}}{A^1}_{n,q1}}{a},$ 0码平均相关值 $\stackrel{\‾}{{A^0}_n}=\frac{\underset{q0=1}{\overset{b}{\mathrm{\Σ}}}{A^0}_{n,q0}}{b}.$

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