CN112532956A - 一种交互式混合光级联矩阵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交互式混合光级联矩阵，包括信号交换模块、光级联模块，及相互独立的若干个信号输入模块和信号输出模块；每个信号输入模块包括四个相互独立的输入接口转换单元、第一FPGA模块、Serdes发送单元，其中第一FPGA模块配置有四个第一缓存单元、打包封装单元和四个输入视频处理单元。每个信号输出模块包括四个相互独立的输出接口转换单元、第二FPGA模块、Serdes接收单元，其中第二FPGA模块配置有四个第二缓存单元、视频拆包单元、四个输出视频处理单元。本发明采用模块化集成设计，实现对多路高清多媒体信号的远距离双向传输，且传输距离远，信号传输无损失、无延时、可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种交互式混合光级联矩阵，属于卫星通信设备的技术领域。
背景技术
在卫星通信技术日益发展的今天，通过卫星信道可传输高清视频信号。卫星地面站接收到远端机动站高清视频信号后，如何与会议高清视频系统对接就存在一个高清视频接入问题。上个世纪80年代末期，模拟光端机开始进入中国应用，2001年数字光端机开始出现，演绎了经济发展带动科学技术进步，科学技术推动经济发展的过程。随着科技进步，光纤生产成本降低，加之光纤通信技术较之其他的通信技术有着明显的优点，光纤通信技术得到了大量的应用。
光端机作为传输光信号的终端设备也在卫星视频系统地面引接等领域得到大量的应用。但现有的光端机接口单一，采用的光复合的方式，图像效果较差。公开的发明专利申请CN2014107197792公开了一种超高速数字信号无线收发器，由发送端子系统和接收端子系统构成，发送端子系统和接收端子系统通过无线通信连接；发送端子系统和接收端子系统均由光电转换模块、串并转换模块、FPGA 数字信号处理模块和无线通信模块组成，以有效的实现具有相对运动设备的超高速数字信号无线传输，降低设备间相对运动连接部件所需的加工精度，增强系统可靠性同时可以有效的降低设备成本。该装置使用无线方式连接，可靠性低、抗干扰性差，且带宽低，不适合高清视频信号的传输。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种交互式混合光级联矩阵，采用模块化集成设计，通过用户自行定义的私有通信协议，通过8根光纤进行信号的发送和接收，实现对多路高清多媒体信号的远距离双向传输。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种交互式混合光级联矩阵，包括信号交换模块、光级联模块，及相互独立的若干个信号输入模块和若干个信号输出模块；
其中，每个信号输入模块包括四个相互独立的输入接口转换单元、第一FPGA模块、Serdes发送单元，其中第一FPGA模块配置有四个第一缓存单元、打包封装单元和四个输入视频处理单元；所述各个输入接口转换单元将输入的不同接口类型的串行数字视频信号转换成统一格式的并行数字视频信号，并输出至第一FPGA模块；所述第一FPGA模块中的各个第一缓存单元存储与其对应连接的输入接口转换单元输出的并行数字视频信号，各个输入视频处理单元对第一缓存单元中存储的并行数字视频信号进行处理；打包封装单元按照私有通信协议将各个输入视频处理单元处理后的多路并行数字视频信号逐路打包，并封装成高速串行视频数据输出至Serdes发送单元；Serdes发送单元将封装完成的高速串行视频数据输出至信号交换模块；信号交换模块将接收到的高速串行视频数据切换至光级联模块；光级联模块将接收到的高速串行视频数据转换为光信号，并通过单模光纤发送至外部远端交互式混合光级联矩阵中的光级联模块；
以及，每个信号输出模块包括四个相互独立的输出接口转换单元、第二FPGA模块、Serdes接收单元，其中第二FPGA模块配置有四个第二缓存单元、视频拆包单元、四个输出视频处理单元；所述光级联模块输出的高速串行视频数据经信号交换模块切换至Serdes接收单元，Serdes接收单元接收高速串行视频数据并存储于第二FPGA模块中的各个第二缓存单元；视频拆包单元按照私有通信协议将第二缓存单元存储的高速串行视频数据重新解封拆包并还原成多路并行数字视频信号，然后根据预设的切换机制将多路并行数字视频信号分配到相应的输出视频处理单元；各个输出视频处理单元对分配的并行数字视频信号进行处理，并在处理完后输出至对应的输出接口转换单元；各个输出接口转换单元将输出视频处理单元输出的并行数字视频信号转换成不同接口类型的串行数字视频信号输出。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述信号输入模块和信号输出模块的数量均不超过8个。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述输入接口转换单元转换成统一格式的并行数字视频信号为BT1120格式的并行数字视频信号。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述打包封装单元采用的私有通信协议包括前导、命令、报文三个部分，其中前导包括视频数据长度；命令包括控制信息、视频信号的ID标识、VS以及传输类型；报文包括第一空闲周期、视频数据和第二空闲周期。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述打包封装单元将各输入视频处理单元处理后的多路并行数字视频信号逐路打包，包括在各路并行数字视频信号的包头标注不同ID标识以示区分；及所述视频拆包单元根据各路并行数字视频信号的包头的ID标识将高速串行视频数据解封并还原成多路并行数字视频信号。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述输入接口转换单元和输出接口转换单元的接口类型包括DVI/HDMI/CVBS接口。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述输入接口转换单元和输出接口转换单元的接口类型还包括SDI接口。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述输入视频处理单元对第一缓存单元中存储的并行数字视频信号进行处理，包括对并行数字视频信号进行色域转换；所述输出视频处理单元对分配的并行数字视频信号进行处理，包括对并行数字视频信号的scaler缩放。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：还包括LED指示模块，所述LED指示模块用于指示电源状态、光级联模块接收和发送状态及输入信号状态和输出信号状态。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
本发明所公开的交互式混合光级联矩阵，通过集成化设计，实现对多路高清多媒体信号的远距离双向传输。相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1)本发明的交互式混合光级联矩阵采用一体化集成设计，通过8根单模光纤即可与外部远端交互式混合光级联矩阵进行连接通信。实际应用时，现场布线简单，方便设备控制及线缆连接，能实现多路高清视频的双向传输，且传输距离远，信号传输无损失、无延时、可靠性非常高。
2)本发明采用私有通信协议传输视频，并采用预先设定的切换机制分配输出。私有通信协议和切换机制均可根据用户需求进行自主切换。
3)本发明可动态调整视频的传输带宽，安全性高，传输延时小；可根据用户需求调整视频信号的色域和分辨率等。
4)本发明的信号输入、输出端口包括DVI/HDMI/CVBS接口和SDI接口，具有支持接口类型丰富、接口数量多，支持全高清、集成度高的特点；具体来说，每一个输入输出端口都可支持SDI，DVI，HDMI, CVBS等视频接口类型，每种接口均可支持最高1080p60分辨率。
5)本发明的交互式混合光级联矩阵性能稳定、画质清晰、稳定性高，带有LED状态指示，可直观的显示光端机工作状态。
6)本发明可为卫星地面站高清视频系统与会议高清视频系统的对接提供一种解决方案。
附图说明
图1为本发明实施例中交互式混合光级联矩阵的组成示意图。
图2为本发明实施例中交互式混合光级联矩阵通信的原理示意图。
图3为本发明中私有通信协议构成示意图。
图4 为本发明中采用HDMI/DVI/CVBS接口的输入接口转换单元电路示意图。
图5 为本发明中采用SDI接口的输入接口转换单元电路示意图。
图6 为本发明中第一FPGA模块与输入接口转换单元的连接示意图。
图7 为本发明中第一FPGA模块与信号交换模块之间的连接示意图。
图8 为本发明中光级联模块的电路示意图。
图9 为本发明中第二FPGA 模块与输出接口转换单元连接示意图。
图10 为本发明中采用HDMI/DVI/CVBS接口的输出接口转换单元电路示意图。
图11 为本发明中采用SDI接口的输出接口转换单元电路示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1所示，本发明涉及一种交互式混合光级联矩阵，主要包括信号交换模块、光级联模块，及相互独立的若干个信号输入模块和若干个信号输出模块，其中信号输入模块和信号输出模块的数量可根据信号的组数进行扩展；所述光级联模块分别通过8根单模光纤与外部的远端交互式混合光级联矩阵的光级联模块连接通信，远端交互式混合光级联矩阵与所述交互式混合光级联矩阵配置有相同的私有通信协议。
其中，如图2所示，每个信号输入模块包括四个相互独立的输入接口转换单元、第一FPGA模块、Serdes发送单元，其中第一FPGA模块配置有四个第一缓存单元、打包封装单元和四个输入视频处理单元；所述各个输入接口转换单元与各个第一缓存单元对应连接，各个第一缓存单元与一个输入视频处理单元对应连接，且所有输入视频处理单元均与打包封装单元连接；所述打包封装单元与Serdes发送单元连接，Serdes发送单元与信号交换模块连接，信号交换模块与光级联模块连接。所述各个输入接口转换单元将输入的不同接口类型的串行数字视频信号转换成统一格式的并行数字视频信号，并输出至第一FPGA模块；所述第一FPGA模块中的各个第一缓存单元存储与其对应连接的输入接口转换单元输出的并行数字视频信号，各个输入视频处理单元对第一缓存单元中存储的并行数字视频信号进行处理；打包封装单元按照私有通信协议将各个输入视频处理单元处理后的多路并行数字视频信号逐路打包，并封装成高速串行视频数据输出至Serdes发送单元；Serdes发送单元将封装完成的高速串行视频数据输出至信号交换模块；信号交换模块将接收到的高速串行视频数据切换至光级联模块；光级联模块将接收到的高速串行视频数据转换为光信号，并通过单模光纤发送至外部远端交互式混合光级联矩阵中的光级联模块。
以及，如图2所示，每个信号输出模块包括四个相互独立的输出接口转换单元、第二FPGA模块、Serdes接收单元，其中第二FPGA模块配置有四个第二缓存单元、视频拆包单元、四个输出视频处理单元；所述光级联模块与信号交换模块连接，信号交换模块与Serdes接收单元连接；所述Serdes接收单元分别与各个第二缓存单元连接，且各个第二缓存单元与视频拆包单元连接，视频拆包单元与各个输出视频处理单元连接；各个输出视频处理单元与一个输出接口转换单元对应连接。所述光级联模块输出的高速串行视频数据经信号交换模块切换至Serdes接收单元，Serdes接收单元接收高速串行视频数据并存储于第二FPGA模块中各个的第二缓存单元；视频拆包单元按照私有通信协议将第二缓存单元存储的高速串行视频数据重新解封拆包并还原成多路并行数字视频信号，然后根据预设的切换机制将多路并行数字视频信号分配到相应的输出视频处理单元；各个输出视频处理单元对分配的并行数字视频信号进行处理，并在处理完后输出至对应的输出接口转换单元；各个输出接口转换单元将输出视频处理单元输出的并行数字视频信号转换成不同接口类型的串行数字视频信号输出。
所述输入接口转换单元完成不同接口类型的串行数字视频信号到具有统一格式的并行数字视频信号的转换。优选地，统一格式的并行数字视频信号是指BT1120格式的并行数字视频信号。
本发明实施例中，具有不超过32个的输入接口转换单元，输入接口转换单元可根据需求配置HDMI/DVI/CVBS接口转换电路和或SDI接口转换电路，将输入的32路不同接口类型的串行数字视频信号转换成BT1120格式的并行数字视频信号，并输出至第一FPGA模块。
其中，本发明的输入接口转换单元和输出接口转换单元支持的接口类型，主要包括DVI/HDMI/CVBS接口和SDI接口，分别对应DVI/HDMI/CVBS或SDI数字视频输入信号。SDI接口输入支持HD/3G信号标准，自动识别输入格式；DVI接口支持640*480、1024*768、1280*720、1920*1080等各种分辨率；SDI/DVI接口输出支持多种不同输出分辨率。
本发明中，所述矩阵采用的信号输入模块和信号输出模块的数量均不超过8个，因此使得信号输入模块的第一FPGA模块包括不超过32个的第一缓存单元和不超过32个的输入视频处理单元，即第一缓存单元和输入视频处理单元的数量不大于32。各个第一缓存单元存储与其对应的输入接口转换单元输出的并行数字视频信号。各个输入视频处理单元进行第一缓存单元中并行数字视频信号的色域转换。其中，色域转换的目的在于将来自不同输入接口的视频转换成同一色域的信号，方便后续处理。打包封装单元将多个输入视频处理单元处理后的并行数字视频信号逐路打包，并按照私有通信协议在各路数字视频信号的包头标注不同ID标识以示区分，然后封装成高速串行视频数据。Serdes发送单元将封装完成的高速串行视频数据输出至信号交换模块。
所述信号交换模块将接收到的高速串行视频数据切换至光级联模块。光级联模块实现电信号到光信号的转换功能，可实现长距离、高可靠性的传输。具体的，其将接收到的电信号的高速串行视频数据转换为光信号，并通过单模光纤发送至外部的远端交互式混合光级联矩阵中的光级联模块，本实施例中单模光纤不超过60Km。
其中，所述信号交换模块是指通过切换，将收到的多路并行数字信号切换至远端交互式混合光级联矩阵的输出接口转换单元中，也可以通过光级联模块，将多路并行数字视频信号传输至交互式混合光级联矩阵远端的信号交换模块。实施例中采用“本地输入1到本地输出1”、“本地输入1到本地输出32”、“本地输入1到远端输出1”……“本地输入1到远端输出32”这样的关系，以实现将本地的多路视频信号切换到本地或远端输出，也可以将远端的多路信号切换到本地或远端任意的输出。
如图3所示，所述打包封装单元采用的私有通信协议包括前导、命令、报文三个部分。本发明提出的私有通信协议，用来定义光级联模块之间传输数据的内容和格式。该私有通信协议的具体内容及格式可根据用户需求进行预先设定，只要相互通信的交互式混合光级联矩阵所配置的私有通信协议相同即可。优选地，协议内容包括前导、命令COMMAND、报文DATA三个部分，其中前导包括视频数据长度；命令包括控制信息、视频信号的ID标识、VS以及传输类型；报文包括第一空闲周期、视频数据和第二空闲周期。
如图4所示，输入接口转换单元通过HDMI/DVI/CVBS接口转换电路将TMDS信号转换为BT1120格式的并行数字视频信号并送到第一FPGA模块，以进行后续的视频处理。如图5所示，输入接口转换单元也可以通过SDI接口转换电路将SDI信号转换为BT1120格式的并行数字视频信号送到并第一FPGA模块。如图6所示，为本发明的第一FPGA模块与输入接口转换单元之间的连接的电路示意图。如图7所示，为本发明第一FPGA模块与信号交换模块之间的连接电路示意图。
如图8所示，给出了本发明中光级联模块所采用的电路示意图。光级联模块实现电信号到光信号的转换功能，可实现长距离、高可靠性的传输。具体的，其将接收到的外部远端交互式混合光级联矩阵中光级联模块发送的光信号转换为电信号的高速串行数据，并经信号交换模块切换后送到第二FPGA模块。
由于本发明中，所采用的信号输入模块和信号输出模块的数量均不超过8个，因此使得第二FPGA模块包括不超过32个的第二缓存单元和不超过32个的输出视频处理单元，即第二缓存单元和输出视频处理单元的数量不大于32。Serdes接收单元接收到交互式混合光级联矩阵的高速串行信号，并存储于各个第二缓存单元。视频拆包单元将各个第二缓存单元存储的封装的高速串行数据根据各路信号的包头中的ID标识进行重新解封拆包并还原成对应的并行数字视频信号，然后根据自主设定的切换机制分配至相应的输出视频处理单元。各个输出视频处理单元对分配到的并行数字视频信号进行处理。
所述输出视频处理单元对分配的并行数字视频信号进行处理，包括对并行数字视频信号的scaler缩放。当信号输出模块的数量不超过8个时，所述输出接口转换模块具有不超过32个的输出接口转换单元，即其数量不大于32，将第二FPGA模块中与其相对应的各个输出视频处理单元输出的BT1120格式的并行数字视频信号进行转换，并输出相应的HDMI/DVI/CVBS或SDI数字视频信号。需要说明的是，在自主切换并行数字信号时，并不受输出视频处理单元对应的接口转换单元输出的接口类型限制。
如图9所示，给出了本发明中第二FPGA模块与输出接口转换单元之间的电路连接电路示意图。如图10所示，为本发明中输出接口转换单元采用HDMI/DVI/CVBS接口转换电路的电路示意图，把BT1120格式的并行数字视频信号转换为TMDS信号，再通过HDMI/DVI/CVBS接口形式把视频传输到相应的现实设备上。如图11所示，为本发明中输出接口转换单元采用SDI接口转换电路的电路示意图，把BT1120格式的并行数字视频信号转换为SDI信号，再通过SDI接口形式把视频传输到相应的现实设备上。
以及，本发明还包括LED指示模块，LED指示模块与第一FPGA模块或第二FPGA模块相连。所述LED指示模块用于指示电源状态、光级联模块接收和发送状态及输入信号状态和输出信号状态。具有LED状态指示功能，方便用户进行故障定位。
基于上述描述，此处对实施例中所公开的交互式混合光级联矩阵的工作原理进行说明：
作为本地的交互式混合光级联矩阵，各个输入接口转换单元接收不超过32路高清视频 ，以适应各种高清接口，经过相应的接口转换芯片ASSP解析成BT1120格式的并行数字视频信号，经转换后提供给作为第一FPGA模块的Xilinx FPGA1，Xilinx FPGA1内的各个第一缓存单元分别存储BT1120格式的并行数字视频信号并各自经过一个输入视频处理单元经过色域转换、缩放处理后，通过打包封装单元按照私有通信协议将视频同步统一打包封装成10G信号，再通过内部高速的Serdes发送单元输出给信号交换模块，由信号交换模块将其切换至光级联模块，光级联模块将接收到的高速串行视频数据转换为光信号后通过单模光纤提供给外部远端的交互式混合光级联矩阵中的光级联模块。
作为远端交互式混合光级联矩阵，通过光级联模块接收到外部的高速串行信号10G信号后，经信号交换模块切换至作为第二FPGA模块的Xilinx FPGA2。Xilinx FPGA2内的Serdes接收单元接收高速串行信号并分配至各个第二缓存单元存储。然后，经过XilinxFPGA2内的视频拆包单元将各个第二缓存单元存储的封装的高速串行视频数据根据各路信号重新解封拆包并还原成对应的并行数字视频信号，根据私有通信协议中包头的ID标识提取到不超过32路BT1120格式的并行数字视频信号，经过时序调整后进行视频处理后，然后经过转换后再送至相应的输出接口转换芯片ASSP，各输出接口转换单元输出对应的高清接口视频信号，最后通过相应的接口传送到显示设备上。如上所述，本地交互式混合光级联矩阵和所连接的外部远端交互式混合光级联矩阵可以相互通信，工作原理相同。
综上，本发明的交互式混合光级联矩阵，采用模块化集成设计，通过8根单模光纤进行信号的发送和接收，实现对多路高清多媒体信号的远距离双向传输，且传输距离远，信号传输无损失、无延时、可靠性高。可为卫星地面站高清视频系统与会议高清视频系统的对接提供一种的解决方案。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (9)
1.一种交互式混合光级联矩阵，其特征在于：包括信号交换模块、光级联模块，及相互独立的若干个信号输入模块和若干个信号输出模块；
其中，每个信号输入模块包括四个相互独立的输入接口转换单元、第一FPGA模块、Serdes发送单元，其中第一FPGA模块配置有四个第一缓存单元、打包封装单元和四个输入视频处理单元；所述各个输入接口转换单元将输入的不同接口类型的串行数字视频信号转换成统一格式的并行数字视频信号，并输出至第一FPGA模块；所述第一FPGA模块中的各个第一缓存单元存储与其对应连接的输入接口转换单元输出的并行数字视频信号，各个输入视频处理单元对第一缓存单元中存储的并行数字视频信号进行处理；打包封装单元按照私有通信协议将各个输入视频处理单元处理后的多路并行数字视频信号逐路打包，并封装成高速串行视频数据输出至Serdes发送单元；Serdes发送单元将封装完成的高速串行视频数据输出至信号交换模块；信号交换模块将接收到的高速串行视频数据切换至光级联模块；光级联模块将接收到的高速串行视频数据转换为光信号，并通过单模光纤发送至外部远端交互式混合光级联矩阵中的光级联模块；
以及，每个信号输出模块包括四个相互独立的输出接口转换单元、第二FPGA模块、Serdes接收单元，其中第二FPGA模块配置有四个第二缓存单元、视频拆包单元、四个输出视频处理单元；所述光级联模块输出的高速串行视频数据经信号交换模块切换至Serdes接收单元，Serdes接收单元接收高速串行视频数据并存储于第二FPGA模块中的各个第二缓存单元；视频拆包单元按照私有通信协议将第二缓存单元存储的高速串行视频数据重新解封拆包并还原成多路并行数字视频信号，然后根据预设的切换机制将多路并行数字视频信号分配到相应的输出视频处理单元；各个输出视频处理单元对分配的并行数字视频信号进行处理，并在处理完后输出至对应的输出接口转换单元；各个输出接口转换单元将输出视频处理单元输出的并行数字视频信号转换成不同接口类型的串行数字视频信号输出。
2.根据权利要求1所述交互式混合光级联矩阵，其特征在于：所述信号输入模块和信号输出模块的数量均不超过八个。
3.根据权利要求1所述交互式混合光级联矩阵，其特征在于：所述输入接口转换单元转换成统一格式的并行数字视频信号为BT1120格式的并行数字视频信号。
4.根据权利要求1所述交互式混合光级联矩阵，其特征在于：所述打包封装单元采用的私有通信协议包括前导、命令、报文三个部分，其中前导包括视频数据长度；命令包括控制信息、视频信号的ID标识、VS以及传输类型；报文包括第一空闲周期、视频数据和第二空闲周期。
5.根据权利要求1所述交互式混合光级联矩阵，其特征在于：所述打包封装单元将各输入视频处理单元处理后的多路并行数字视频信号逐路打包，包括在各路并行数字视频信号的包头标注不同ID标识以示区分；及所述视频拆包单元根据各路并行数字视频信号的包头的ID标识将高速串行视频数据解封并还原成多路并行数字视频信号。
6.根据权利要求1所述交互式混合光级联矩阵，其特征在于：所述输入接口转换单元和输出接口转换单元的接口类型包括DVI/HDMI/CVBS接口。
7.根据权利要求1所述交互式混合光级联矩阵，其特征在于：所述输入接口转换单元和输出接口转换单元的接口类型包括SDI接口。
8.根据权利要求1所述交互式混合光级联矩阵，其特征在于：所述输入视频处理单元对第一缓存单元中存储的并行数字视频信号进行处理，包括对并行数字视频信号进行色域转换；所述输出视频处理单元对分配的并行数字视频信号进行处理，包括对并行数字视频信号的scaler缩放。
9.根据权利要求1所述交互式混合光级联矩阵，其特征在于：还包括LED指示模块，所述LED指示模块用于指示电源状态、光级联模块接收和发送状态及输入信号状态和输出信号状态。
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| CN202011471900.6A CN112532956A (zh) | 2020-12-14 | 2020-12-14 | 一种交互式混合光级联矩阵 |
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|---|---|---|---|---|
| CN113965702A (zh) * | 2021-09-29 | 2022-01-21 | 天津七所精密机电技术有限公司 | 一种基于国产化平台的多通道视频无缝切换电路及其方法 |
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2020
- 2020-12-14 CN CN202011471900.6A patent/CN112532956A/zh active Pending
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