CN110932763A - 一种弹载mimo多天线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹载MIMO多天线通信系统，该发明包括多个处理单元和多个射频收发组件；多个处理单元分别与FPGA连接；FPGA将数字信号分为多组码流信号，每个处理单元对相应的每组码流信号进行第一次处理，生成多组模拟信号；多个射频收发组件的输入端和输出端分别与对应的每个处理单元连接，将多组模拟信号分别发射出去，并分别接收多组模拟信号，转换为多组中频信号；多组中频信号传输至多个处理单元分别进行第二次处理，生成多组数字信号，并将多组数字信号传输回FPGA。此发明解决了不同通信设备载体间时分突发不通信和大直径载体天线合成零陷的问题，通过多路码流区分不同信号，实现了不同载体间的时分突发通信，避免了大直径载体天线合成导致的零点问题。

Description

一种弹载MIMO多天线通信系统

技术领域

本发明涉及组网通信技术领域，具体涉及一种弹载MIMO多天线通信系统。

背景技术

多载体组网通信应用中，组网设备具备全向组网通信能力，运动平台之间进行组网通信时，由于工作频段、载体尺寸的限制，为了达到全向覆盖，通常需要安装多副天线，通过信号空间编码技术，使各节点间进行通信。

2013年公开了MIMO通信系统中接收端检测技术的研究，球检测是一种保留最大似然估计(ML)检测最优性而复杂度却显著低于ML检测的算法。

2017年公开了空时慢跳频MIMO通信抗干扰技术研究，提出空时慢跳频算法和正交相干滤波算法，实现信息在空域、时域、频域的多域联合传输，同时获得了空时频分集复用增益，不但实现了信息高速大容量的传输，同时也具有显著的抗干扰性能。

2017年公开了无人机数据链中基于MIMO的联合编码调制技术研究，将MIMO技术和联合编码调制技术相结合，大幅度提高信道容量和传输效率，同时获得了编码增益和分集增益。

2018年11月20日梁应敞等人公开了专利，名为一种用于MIMO通信系统的信号发送及接收方法，专利号为CN108847873A。该专利公开了一种用于MIMO通信系统的信号发送及接收的方法，提出了MIMO系统中基于超球中格点数期望值的初始半径设置算法，实现性能和复杂性的最优权衡。

2014年12月10日何世文等人公开了专利，名为一种混合载波调制MIMO系统的数据收发方法与装置，专利号为CN104202288A。该专利公开一种混合单载波调制和OFDM载波调制的MIMO系统的混合数据发送帧格式及其相应的收发方法与装置，在所有发送天线中选择少量天线作为主动式天线，其它天线为被动式天线；接收天线同时接收到主动天线和被动天线的信号，接收机通过线性检测器算法或干扰抵消检测算法检测主动式天线发送的信号和被动式天线发送的信号。

2015年4月29日何世文等人公开了专利，名为一种单载波MIMO系统的时域导频及其同步方法，专利号为CN104580057A。该专利公开了一种适用于单载波MIMO系统的时域导频设计方案，此设计方案包括时域导频位置设计及训练序列设计，提供了一种应用于MIMO通信系统的兼容单载波和多载波的混合载波机制发送方式，可以减少工作在同一频段的单载波系统和多载波系统的相互干扰，提高通信系统的可靠性。此外，还公开了一种适用该单载波MIMO系统时域导频设计方案的导频跟踪和相位校正的简单算法。

但是目前现有技术的不同通信设备载体间的时分突发不能通信，载体直径较大时天线直接合成导致零陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种弹载MIMO多天线通信系统。此系统旨在解决不同通信设备载体间时分突发不通信和大直径载体天线合成零陷的问题，在已有扩频数据链的基础上，通过多路码流区分不同信号，设计多天线MIMO通信数据链，实现不同载体间的时分突发通信，避免大直径载体天线合成导致的零点问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种弹载MIMO多天线通信系统，该系统包括：

多个处理单元，分别与弹载MIMO通信设备上的FPGA连接；FPGA将弹载MIMO通信设备上的数字信号分为与多个处理单元对应的多组码流信号，每个处理单元对相应的每组码流信号进行第一次处理，生成多组模拟信号；

多个射频收发组件，设置在弹载MIMO通信设备的四周，且多个射频收发组件的输入端和输出端分别与对应的每个处理单元连接，将多组模拟信号分别发射出去，并分别接收多组模拟信号，转换为多组中频信号；多组中频信号传输至多个处理单元分别进行第二次处理，生成多组数字信号，并将多组数字信号传输回FPGA。

最优选的，每个处理单元包括：

发射通道，输入端与FPGA的输出端连接，输出端与每个处理单元对应的每个射频收发组件的输入端连接，对每组码流信号进行第一次处理，生成每组模拟信号；

接收通道，输入端与每个处理单元对应的每个射频收发组件的输出端连接，输出端与FPGA的输入端连接，将射频收发组件接收的多组中频信号进行第二次处理，生成每组数字信号，并传输回FPGA。

最优选的，每个射频收发组件包括：

射频发射天线，输入端与发射通道连接，将每组模拟信号发射出去；

射频接收天线，输出端与接收通道连接，接收射频发射天线发射的每组模拟信号，并转换为每组中频信号，传输至接收通道。

最优选的，发射通道包括依序串联的编码模块、加扰模块、串并转换模块、第一滤波器、调制模块和DAC；

编码模块的输入端与FPGA的输出端连接，对每组码流信号进行编码处理，生成编码数字信号；

加扰模块对编码数字信号进行加扰处理，生成加扰数字信号；

串并转换器将加扰数字信号的串行通信的传输方式转换为并行通信的传输方式，获得并行通信的加扰数字信号；

第一滤波器对并行通信的加扰数字信号进行第一次过滤，生成过滤数字信号；

调制模块对过滤数字信号进行载波控制，生成控制数字信号；

DAC的输出端与射频发射天线的输入端连接，将控制数字信号转换为模拟信号。

最优选的，编码模块还包括依序串联的RS编码器、交织模块、扩频模块和组帧模块；RS编码器的输入端与FPGA的输出端连接，对每组码流信号进行CRC检错和RS编码，生成检测编码信号；

交织模块对检测编码信号进行行列交织，生成交织信号；

扩频模块对交织信号进行扩频处理，生成扩频信号；

组帧模块的输出端与加扰模块连接，对扩频信号进行组帧处理，生成编码数字信号。

最优选的，调制模块的载波控制是控制过滤数字信号的载波的幅度、频率和相位。

最优选的，接收通道包括依序串联的ADC、解调模块、第二滤波器、并串转换模块、解扰模块和解码模块；

所述ADC的输入端与射频接收天线的输出端连接，将每组中频信号转换为外界数字信号；

解调模块将外界数字信号进行解调控制，生成解调数字信号；

第二滤波器对解调数字信号进行第二次过滤，生成过滤解调信号；

并串转换器将过滤解调信号的并行通信的传输方式转换为串行通信的传输方式，获得串行通信的过滤解调信号；

解扰模块对串行通信的过滤解调信号进行解扰处理，生成解扰数字信号；

解码模块的输出端与FPGA的输入端连接，对解扰数字信号进行解码处理，生成每组数字信号传输回FPGA。

最优选的，解调模块还包括：

下变频模块，第一输入端与ADC的输出端连接，对外界数字信号进行下变频处理，生成正交下变频信号；

匹配滤波模块，输入端与下变频模块的输出端连接，对正交下变频信号进行匹配滤波处理，生成滤波数字信号；

FFT模块，输入端与匹配滤波模块的第一输出端连接，对滤波数字信号进行快速傅里叶变换，生成变换数字信号；

同步模块，输入端与FFT模块的输出端连接，第一输出端与下变频模块的第二输入端连接，对变换数字信号进行同步检测，判断变换数字信号是否超过同步模块的检测门限；若变换数字信号超过检测门限，则变换数字信号捕获成功，产生粗校频频率控制字，并实时反馈回下变频模块，对下变频模块进行实时粗校频频率控制；若变换数字信号为超过检测门限，则变换数字信号未捕获成功，同步模块需重新捕获变换数字信号；

控制模块，输入端与同步模块的第二输出端连接，对粗校频频率控制字进行控制处理，生成控制数字信号；

数据解调模块，第一输入端与控制模块连接，第二输入端与匹配滤波模块连接，第一输出端与第二滤波器的输入端连接，对控制数字信号和滤波数字信号进行数据解调处理，生成解调数字信号传输至第二滤波器；

精鉴频模块，输入端与数据解调模块的第二输出端连接，输出端与下变频模块的第三输入端连接，将解调数字信号进行精校频频率控制，产生精校频频率控制字，并实时反馈回下变频模块，对下变频模块进行实时精校频频率控制。

最优选的，下变频模块中还设置有数字混频器；同步模块和精鉴频模块分别输入粗校频频率控制字和精校频频率控制字对数字混频器进行频率补偿。

最优选的，多个处理单元为四个；多个射频收发组件为四个。

运用此发明，解决了不同通信设备载体间时分突发不通信和大直径载体天线合成零陷的问题，在已有扩频数据链的基础上，通过多路码流区分不同信号，设计多天线MIMO通信数据链，实现了不同载体间的时分突发通信，避免了大直径载体天线合成导致的零点问题。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明在单个载体安装多个通信天线时，通过天线编码技术，实现不同载体间的时分突发通信，避免载体直径较大时采用天线直接合成导致的零陷。

2、本发明通过多路码流区分不同信号，可应用于多载体之间的突发时分通信系统，具有结构简单的特点，可在一般通用硬件平台上实现，具有很好的适用性。

附图说明

图1为本发明提供的弹载MIMO多天线通信系统结构示意图；

图2为本发明提供的弹载MIMO通信设备上的四个射频收发组件合成方向图；

图3为本发明提供的FPGA节点数据传输时序图的广播时隙传输图；

图4为本发明提供的FPGA的主、从节点的位置关系图；

图5为本发明提供的不同码流的互相关特性图；

图6为本发明提供的发射通道结构示意图；

图7为本发明提供的编码模块结构示意图；

图8为本发明提供的接收通道结构示意图；

图9为本发明提供的解调模块结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

本发明是一种弹载多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)多天线通信系统，如图1所示，该系统包括多个处理单元1和多个射频收发组件2。

多个处理单元1分别与弹载MIMO通信设备上的现场可编程逻辑门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)3连接；FPGA3将弹载MIMO通讯设备上的数字信号分为与多个处理单元1对应的多组码流信号，每个处理单元1对相应的每组码流信号进行第一次处理，生成多组模拟信号。

多个射频收发组件2设置在弹载MIMO通信设备的四周，且多个射频收发组件2的输入端和输出端分别与对应的每个处理单元1连接，将多组模拟信号分别发射出去，并分别接收多组模拟信号，转换为多组中频信号；多组中频信号传输至多个处理单元1分别进行第二次处理，生成多组数字信号，并将多组数字信号传输回FPGA3。

多个处理单元1为四个；多个射频收发组件2为四个。四个射频收发组件2设置在弹载MIMO通信设备的四周，且四个射频收发组件2在同频载波上传输的信息相同，在某些方位上会形成增益凹陷，合成方向如图2所示，颜色深的方位增益大，颜色浅的方位增益小，影响弹载MIMO通信设备360°的覆盖性能。

如图1所示，每个处理单元1包括发射通道4和接收通道5。

发射通道4的输入端与FPGA3的输出端连接，输出端与每个处理单元1对应的每个射频收发组件的2输入端连接，对每组码流信号进行第一次处理，生成每组模拟信号；

接收通道5的输入端与每个处理单元1对应的每个射频收发组件2的输出端连接，输出端与FPGA3的输入端连接，将射频收发组件2接收的多组中频信号进行第二次处理，生成每组数字信号，并传输回FPGA3。

每个射频收发组件2还包括射频发射天线6和射频接收天线7；射频发射天线6的输入端与发射通道4连接，将每组模拟信号发射出去；射频接收天线7的输出端与接收通道5连接，接收射频发射天线6发射的每组模拟信号，并转换为每组中频信号，传输至接收通道5。

弹载MIMO通信设备的节点包括每个处理单元1和每个射频收发组件2；弹载MIMO通信设备释放后，弹载MIMO通信设备的FPGA3的节点按照如图3所示的节点数据传输时序图的广播时隙传输，每个射频收发组件2均在自己的时隙传输数据，每个广播时隙均含有4个射频收发组件同时发送的每组码流信号。本实施例中，由于处理单元1和射频收发组件2为四个，所以弹载MIMO通信设备的节点也为四个，随机选择一个节点为主节点，其余三个节点为从节点，如图4所示，弹载MIMO通信设备的FPGA 3的主、从节点的位置关系图，FPGA 3的主、从节点发出的数字信号通过多路并行产生多组码流信号，并传输至发射通道4，不同码流的互相关特性如图5所示。在一个通信周期内完成相互通信，实现信息交换。

如图6所示，发射通道4包括依序串联的编码模块8、加扰模块9、串并转换模块10、第一滤波器11、调制模块12和数模转换器(DAC)13。

编码模块8的输入端与FPGA 3的输出端连接，对每组码流信号进行编码处理，生成编码数字信号。

如图7所示，编码模块8还包括依序串联的RS编码器14、交织模块15、扩频模块16和组帧模块17。

RS编码器14的输入端与FPGA 3的输出端连接，对每组码流信号进行循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)检错和里所码(Reed-Solomon Codes，RS)编码，生成检测编码信号。

交织模块15对检测编码信号进行行列交织，生成交织信号。

扩频模块16对交织信号进行扩频处理，生成扩频信号。

组帧模块17的输出端与加扰模块9连接，对扩频信号进行组帧处理，生成编码数字信号。

加扰模块9对编码数字信号进行加扰处理，生成加扰数字信号。

串并转换器10将加扰数字信号的串行通信的传输方式转换为并行通信的传输方式，获得并行通信的加扰数字信号。

第一滤波器11对并行通信的加扰数字信号进行第一次过滤，生成过滤数字信号。

调制模块12对过滤数字信号进行载波控制，生成控制数字信号；调制模块12为MSK调制模块；调制模块12的载波控制是控制过滤数字信号的载波的幅度、频率和相位。

DAC 13的输出端与射频发射天线6的输入端连接，将控制数字信号转换为模拟信号。

如图8所示，接收通道包括依序串联的模数转换器(ADC)18、解调模块19、第二滤波器20、并串转换模块21、解扰模块22和解码模块23。

ADC 18的输入端与射频接收天线7的输出端连接，将每组中频信号转换为外界数字信号。

解调模块19将外界数字信号进行解调控制，生成解调数字信号。

如图9所示，解调模块19还包括下变频模块24、匹配滤波模块25、快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)模块26、同步模块27、控制模块28、数据解调模块29和精鉴频模块30。

下变频模块24的第一输入端与ADC 18的输出端连接，对外界数字信号进行下变频处理，生成正交下变频信号。

匹配滤波模块25的输入端与下变频模块24的输出端连接，对正交下变频信号进行匹配滤波处理，生成滤波数字信号。

FFT模块26的输入端与匹配滤波模块25的第一输出端连接，对滤波数字信号进行快速傅里叶变换，生成变换数字信号。

同步模块27的输入端与FFT模块26的输出端连接，第一输出端与下变频模块24的第二输入端连接，对变换数字信号进行同步检测，判断变换数字信号是否超过同步模块的检测门限；若变换数字信号超过检测门限，则变换数字信号捕获成功，产生粗校频频率控制字，并实时反馈回下变频模块24，对下变频模块24进行实时粗校频频率控制；若变换数字信号为超过检测门限，则变换数字信号未捕获成功，同步模块27需重新捕获变换数字信号。

控制模块28的输入端与同步模块27的第二输出端连接，对粗校频频率控制字进行控制处理，生成控制数字信号。

数据解调模块29的第一输入端与控制模块28连接，第二输入端与匹配滤波模块25连接，第一输出端与第二滤波器20的输入端连接，对控制数字信号和滤波数字信号进行数据解调处理，生成解调数字信号传输至第二滤波器20。

精鉴频模块30的输入端与数据解调模块29的第二输出端连接，输出端与下变频模块24的第三输入端连接，将解调数字信号进行精校频频率控制，产生精校频频率控制字，并实时反馈回下变频模块24，对下变频模块24进行实时精校频频率控制。

下变频模块24中还设置有数字混频器；同步模块27和精鉴频模块30分别输入粗校频频率控制字和精校频频率控制字对数字混频器进行频率补偿。

第二滤波器20对解调数字信号进行第二次过滤，生成过滤解调信号。

并串转换器21将过滤解调信号的并行通信的传输方式转换为串行通信的传输方式，获得串行通信的过滤解调信号。

解扰模块22对串行通信的过滤解调信号进行解扰处理，生成解扰数字信号。

解码模块23的输出端与FPGA 3的输入端连接，对解扰数字信号进行解码处理，生成每组数字信号传输回FPGA 3。

本发明的工作原理：

多个处理单元分别与弹载MIMO通信设备上的FPGA连接；FPGA将弹载MIMO通信设备上的数字信号分为与多个处理单元对应的多组码流信号，每个处理单元对相应的每组码流信号进行第一次处理，生成多组模拟信号；多个射频收发组件设置在弹载MIMO通信设备的四周，且多个射频收发组件的输入端和输出端分别与对应的每个处理单元连接，将多组模拟信号分别发射出去，并分别接收多组模拟信号，转换为多组中频信号；多组中频信号传输至多个处理单元分别进行第二次处理，生成多组数字信号，并将多组数字信号传输回FPGA。

综上所述，本发明一种弹载MIMO多天线通信系统，解决了不同通信设备载体间时分突发不通信和大直径载体天线合成零陷的问题，在已有扩频数据链的基础上，通过多路码流区分不同信号，设计多天线MIMO通信数据链，实现了不同载体间的时分突发通信，避免了大直径载体天线合成导致的零点问题。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种弹载MIMO多天线通信系统，其特征在于，该系统包括：

多个处理单元，分别与弹载MIMO通信设备上的FPGA连接；所述FPGA将弹载MIMO通信设备上的数字信号分为与所述多个处理单元对应的多组码流信号，每个处理单元对相应的每组码流信号进行第一次处理，生成多组模拟信号；

多个射频收发组件，设置在弹载MIMO通信设备的四周，且所述多个射频收发组件的输入端和输出端分别与对应的所述每个处理单元连接，将所述多组模拟信号分别发射出去，并分别接收多组模拟信号，转换为多组中频信号；

所述多组中频信号传输至所述多个处理单元分别进行第二次处理，生成多组数字信号，并将所述多组数字信号传输回所述FPGA。

2.如权利要求1所述的弹载MIMO多天线通信系统，其特征在于，所述每个处理单元包括：

发射通道，输入端与所述FPGA的输出端连接，输出端与所述每个处理单元对应的每个射频收发组件的输入端连接，对所述每组码流信号进行第一次处理，生成每组模拟信号；

接收通道，输入端与所述每个处理单元对应的每个射频收发组件的输出端连接，输出端与所述FPGA的输入端连接，将射频收发组件接收的多组中频信号进行第二次处理，生成每组数字信号，并传输回所述FPGA。

3.如权利要求2所述的弹载MIMO多天线通信系统，其特征在于，所述每个射频收发组件包括：

射频发射天线，输入端与所述发射通道连接，将所述每组模拟信号发射出去；

射频接收天线，输出端与所述接收通道连接，接收所述射频发射天线发射的每组模拟信号，并转换为每组中频信号，传输至所述接收通道。

4.如权利要求2所述的弹载MIMO多天线通信系统，其特征在于，所述发射通道包括依序串联的编码模块、加扰模块、串并转换模块、第一滤波器、调制模块和DAC；

所述编码模块的输入端与所述FPGA的输出端连接，对每组码流信号进行编码处理，生成编码数字信号；

所述加扰模块对所述编码数字信号进行加扰处理，生成加扰数字信号；

所述串并转换器将所述加扰数字信号的串行通信的传输方式转换为并行通信的传输方式，获得并行通信的加扰数字信号；

所述第一滤波器对所述并行通信的加扰数字信号进行第一次过滤，生成过滤数字信号；

所述调制模块对所述过滤数字信号进行载波控制，生成控制数字信号；

所述DAC的输出端与射频发射天线的输入端连接，将所述控制数字信号转换为模拟信号。

5.如权利要求4所述的弹载MIMO多天线通信系统，其特征在于，所述编码模块还包括依序串联的RS编码器、交织模块、扩频模块和组帧模块；所述RS编码器的输入端与所述FPGA的输出端连接，对每组码流信号进行CRC检错和RS编码，生成检测编码信号；

所述交织模块对所述检测编码信号进行行列交织，生成交织信号；

所述扩频模块对所述交织信号进行扩频处理，生成扩频信号；

所述组帧模块的输出端与所述加扰模块连接，对所述扩频信号进行组帧处理，生成编码数字信号。

6.如权利要求4所述的弹载MIMO多天线通信系统，其特征在于，所述调制模块的载波控制是控制所述过滤数字信号的载波的幅度、频率和相位。

7.如权利要求2所述的弹载MIMO多天线通信系统，其特征在于，所述接收通道包括依序串联的ADC、解调模块、第二滤波器、并串转换模块、解扰模块和解码模块；

所述ADC的输入端与射频接收天线的输出端连接，将所述每组中频信号转换为外界数字信号；

所述解调模块将所述外界数字信号进行解调控制，生成解调数字信号；

所述第二滤波器对所述解调数字信号进行第二次过滤，生成过滤解调信号；

所述并串转换器将所述过滤解调信号的并行通信的传输方式转换为串行通信的传输方式，获得串行通信的过滤解调信号；

所述解扰模块对所述串行通信的过滤解调信号进行解扰处理，生成解扰数字信号；

所述解码模块的输出端与所述FPGA的输入端连接，对解扰数字信号进行解码处理，生成每组数字信号传输回所述FPGA。

8.如权利要求7所述的弹载MIMO多天线通信系统，其特征在于，所述解调模块还包括：

下变频模块，第一输入端与所述ADC的输出端连接，对所述外界数字信号进行下变频处理，生成正交下变频信号；

匹配滤波模块，输入端与所述下变频模块的输出端连接，对所述正交下变频信号进行匹配滤波处理，生成滤波数字信号；

FFT模块，输入端与所述匹配滤波模块的第一输出端连接，对所述滤波数字信号进行快速傅里叶变换，生成变换数字信号；

同步模块，输入端与所述FFT模块的输出端连接，第一输出端与所述下变频模块的第二输入端连接，对所述变换数字信号进行同步检测，判断所述变换数字信号是否超过所述同步模块的检测门限；若所述变换数字信号超过所述检测门限，则所述变换数字信号捕获成功，产生粗校频频率控制字，并实时反馈回所述下变频模块，对所述下变频模块进行实时粗校频频率控制；若所述变换数字信号为超过所述检测门限，则所述变换数字信号未捕获成功，所述同步模块需重新捕获所述变换数字信号；

控制模块，输入端与所述同步模块的第二输出端连接，对所述粗校频频率控制字进行控制处理，生成控制数字信号；

数据解调模块，第一输入端与所述控制模块连接，第二输入端与所述匹配滤波模块连接，第一输出端与所述第二滤波器的输入端连接，对所述控制数字信号和所述滤波数字信号进行数据解调处理，生成所述解调数字信号传输至所述第二滤波器；

精鉴频模块，输入端与所述数据解调模块的第二输出端连接，输出端与所述下变频模块的第三输入端连接，将所述解调数字信号进行精校频频率控制，产生精校频频率控制字，并实时反馈回所述下变频模块，对所述下变频模块进行实时精校频频率控制。

9.如权利要求8所述的弹载MIMO多天线通信系统，其特征在于，所述下变频模块中还设置有数字混频器；所述同步模块和所述精鉴频模块分别输入所述粗校频频率控制字和所述精校频频率控制字对所述数字混频器进行频率补偿。

10.如权利要求1所述的弹载MIMO多天线通信系统，其特征在于，所述多个处理单元为四个；所述多个射频收发组件为四个。

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