CN113452388A - 一种弱信号自适应调理装置、红外接收器及红外传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弱信号自适应调理装置、红外接收器及红外传输装置，该弱信号自适应调理装置包括增益可变放大器、选频放大器、带通滤波器、反馈增益控制电路，增益可变放大器输出端与选频放大器输入端相连，选频放大器输出端与带通滤波器输入端相连，带通滤波器输出端与反馈增益控制电路输入端相连，反馈增益控制电路输出端与增益可变放大器相连；反馈增益控制电路用于动态修改增益可变放大器的增益。本发明的有益效果是：本发明可适应发射端发射性能差异，有较强抗干扰能力，输出信号幅值更稳定，不容易出现幅值溢出，更高的电路灵敏度，降低发射端发射功率的要求，有利于在保证接收距离的情况下实现低功耗设计。

Description

一种弱信号自适应调理装置、红外接收器及红外传输装置

技术领域

本发明涉及测量仪器技术领域，尤其涉及一种弱信号自适应调理装置、红外接收器及红外传输装置。

背景技术

在精密测量领域，由于快速、抗干扰性强，常使用红外光来传输测量信号。这种红外传输装置一般由发射器发射红外光信号，再由接收器接收红外信号。但在低功耗要求的使用场景，应该尽可能要求发射器使用低功率发射，这时接收器接收的信号往往较弱、或者很不稳定，这对接收器电路提出了较高要求。使用中，经常出现信号发射器器件差异、发射器和接收器没有完全对正、发射器和接收器距离过远、器件长期使用出现老化、环境干扰噪声大等情况，导致接收到的信号较差或者信号很弱，难以保证信号接收的可靠性。

现有方案多为对接收器进行信号放大，然后经过滤波器后，通过比较器得到接收信号，这种方法主要存在的问题：

1.对于批量元器件性能差异、器件长时间使用后的老化、外界干扰噪声、发射器和接收器没有对正、发射器和接收器距离过远等情况，适应性较差，使用中经常出现接收信号异常的现象，可靠性较低。

2.为了提高信号接收质量，往往需要提高发射器功率，带来使用不便。

3.发射端出现较大性能差异时，接收效果变差。

4.复杂环境抗干扰能力较差。

5.需要发射端发射较大功率，不利于低功耗设计。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种弱信号自适应调理装置、红外接收器及红外传输装置，可以有效提高信号传输的可靠性，同时可以降低信号发射器发射功率要求，延长发射器待机时间。

本发明提供了一种弱信号自适应调理装置，包括增益可变放大器、选频放大器、带通滤波器、反馈增益控制电路，所述增益可变放大器输出端与所述选频放大器输入端相连，所述选频放大器输出端与所述带通滤波器输入端相连，所述带通滤波器输出端与所述反馈增益控制电路输入端相连，所述反馈增益控制电路输出端与所述增益可变放大器相连；所述选频放大器和带通滤波器将接收信号中非有效信号频段滤除，提前取接收信号频段中的有效信号；所述反馈增益控制电路用于动态修改所述增益可变放大器的增益。

作为本发明的进一步改进，所述反馈增益控制电路包括阀值比较器、低通滤波器以及可调电流源，所述阀值比较器输入端与所述带通滤波器输出端相连，所述阀值比较器输出端与所述低通滤波器输入端相连，所述低通滤波器输出端与所述可调电流源输入端相连，所述可调电流源输出端与所述增益可变放大器相连；所述阀值比较器和所述低通滤波器将有效信号转为控制电流源所需的直流信号；通过动态调节所述可调电流源电流大小，动态调节增益可变放大器的信号放大增益，实现增益自适应调节。

作为本发明的进一步改进，所述反馈增益控制电路包括阀值比较器、低通滤波器以及电压反馈放大器，所述阀值比较器输入端与所述带通滤波器输出端相连，所述阀值比较器输出端与所述低通滤波器输入端相连，所述低通滤波器输出端与所述电压反馈放大器输入端相连，所述电压反馈放大器输出端与所述增益可变放大器相连；所述阀值比较器和所述低通滤波器将有效信号转为控制电流源所需的直流信号；通过所述电压反馈放大器动态调节增益可变放大器的信号放大增益，实现增益自适应调节。

作为本发明的进一步改进，所述选频放大器包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、电感、第一电容、第二放大器，所述第二电阻一端与所述增益可变放大器相连，所述第二电阻另一端与所述第二放大器反向输入端相连，所述第三电阻一端与所述第二放大器同相输出端相连，所述第三电阻另一端接地，所述第四电阻连接于所述第三电阻一端与所述第二放大器同相输出端之间，所述电感一端连接于所述第二电阻另一端与所述第二放大器反向输入端之间，所述电感另一端与所述第二放大器输出端相连，所述第一电阻一端与所述电感一端相连，所述第一电阻另一端与所述电感另一端相连，所述第一电容一端与所述第一电阻一端相连，所述第一电容另一端与所述第一电阻另一端相连；所述带通滤波器包括第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第二电容、第三电容、第三放大器，所述第五电阻一端与所述第二放大器输出端相连，所述第五电阻另一端与所述第三电容一端相连，所述第三电容另一端与所述第三放大器同相输出端相连，所述第七电阻一端连接于所述第五电阻另一端与所述第三电容一端之间，所述第七电阻另一端与所述第三放大器输出端相连，所述第二电容一端连接于所述第五电阻另一端与所述第三电容一端之间，所述第二电容另一端接地，所述第六电阻一端连接于第三电容另一端与所述第三放大器同相输出端之间，所述第六电阻另一端与所述第二电容另一端相连，所述第八电阻一端与所述第三放大器反向输入端相连，所述第八电阻另一端与所述第三放大器输出端相连，所述第九电阻一端所述第八电阻一端相连，所述第九电阻另一端接地；所述阀值比较器包括第十电阻、第十一电阻、第四放大器，所述第四放大器反向输入端与所述第三放大器输出端相连，所述第十电阻一端与所述第四放大器同相输出端相连，所述第十电阻另一端接地，所述第十一电阻连接于所述第十电阻一端与所述第四放大器同相输出端之间；所述低通滤波器包括第十二电阻、第四电容，所述第十二电阻一端与所述第四放大器输出端相连，所述第十二电阻另一端与所述可调电流源相连，所述第四电容一端与所述第十二电阻另一端相连，所述第四电容另一端接地。

作为本发明的进一步改进，所述增益可变放大器为电流反馈增益可调放大器，所述电流反馈增益可调放大器分别与可调电流源及所述第二电阻一端相连。

作为本发明的进一步改进，所述增益可变放大器为电压反馈控制型增益可变放大器，所述电压反馈控制型增益可变放大器分别与可调电流源及所述第二电阻一端相连。

作为本发明的进一步改进，所述可调电流源包括第十三电阻和晶体管，所述第十三电阻与所述晶体管相连，所述第十二电阻另一端与所述晶体管相连，所述晶体管与所述增益可变放大器相连。

作为本发明的进一步改进，所述第十二电阻另一端与所述电压反馈放大器相连，所述电压反馈放大器与所述增益可变放大器相连。

本发明还提供了一种红外接收器，包括红外接收二极管、信号调理模块，所述信号调理模块包括平衡放大器、第一放大器、以及本发明所述弱信号自适应调理装置，所述平衡放大器输入端与所述红外接收二极管相连，所述平衡放大器输出端与所述第一放大器输入端相连，所述第一放大器输出端与所述增益可变放大器相连。

作为本发明的进一步改进，所述信号调理模块还包括比较器和FPGA，所述比较器输入端与所述带通滤波器相连，所述比较器输出端与所述FPGA相连。

本发明还提供了一种红外传输装置，包括红外发射器、以及本发明所述红外接收器，所述红外发射器发射红外信号，所述红外接收器用于接收外红信号。

作为本发明的进一步改进，所述红外发射器包括信号发射主体、红外发射管和测杆，所述信号发射主体上安装所述红外发射管和所述测杆。

本发明的有益效果是：本发明可适应发射端发射性能差异，有较强抗干扰能力，输出信号幅值更稳定，不容易出现幅值溢出，更高的电路灵敏度，降低发射端发射功率的要求，有利于在保证接收距离的情况下实现低功耗设计。

附图说明

图1是红外传输装置的原理框图；

图2是红外接收器原理框图；

图3是弱信号自适应调理装置的第一个实施例的电路图；

图4A是输入信号经过本发明的弱信号自适应调理装置，得到的输出信号图；

图4B是输入信号经过现有电路，得到的输出信号图；

图5是弱信号自适应调理装置的第二个实施例的电路图。

具体实施方式

如图1所示，本发明还公开了一种红外传输装置，可以有效提高信号传输的可靠性，同时可以降低信号发射器发射功率要求，延长发射器待机时间。

红外传输装置包括红外发射器、红外接收器，所述红外发射器发射红外信号，所述红外接收器用于接收外红信号。

所述红外发射器包括信号发射主体1、红外发射管2和测杆3，所述信号发射主体1上安装所述红外发射管2和所述测杆3。

如图2所示，红外接收器包括红外接收二极管4、信号调理模块25，所述信号调理模块25包括平衡放大器5、第一放大器6、以及弱信号自适应调理装置，所述平衡放大器5输入端与所述红外接收二极管4相连，所述平衡放大器5输出端与所述第一放大器6输入端相连，所述第一放大器6输出端与弱信号自适应调理装置的增益可变放大器8相连。

所述信号调理模块25还包括比较器14和FPGA15，所述比较器14输入端与弱信号自适应调理装置的带通滤波器10相连，所述比较器14输出端与所述FPGA15相连。

红外发射管2发射的红外光信号通过红外接收二极管4转为电信号，先经过平衡放大器5和第一放大器6后，得到信号7，进入本发明的弱信号自适应调理装置。

本发明的弱信号自适应调理装置包括增益可变放大器8、选频放大器9、带通滤波器10、反馈增益控制电路，所述增益可变放大器8输出端与所述选频放大器9输入端相连，所述选频放大器9输出端与所述带通滤波器10输入端相连，所述带通滤波器10输出端与所述反馈增益控制电路输入端相连，所述反馈增益控制电路输出端与所述增益可变放大器8相连；所述选频放大器9和带通滤波器10将接收信号中非有效信号频段滤除，提前取接收信号频段中的有效信号；所述反馈增益控制电路用于动态修改所述增益可变放大器8的增益。

选频放大器9和带通滤波器10包含有源并联谐振选频与二阶带通滤波器，通过谐振选频器选出信号发射源频率的信号，使用带通滤波器进行二次滤波，将噪声滤除完全。

反馈增益控制电路跟随接收信号动态调节控制信号电流大小。当接收信号弱时，即信号有效电压幅值小时，则增大控制信号电流；当接收信号较强时，即信号有效电压幅值较大时，则减小控制信号电流大小，跟随进行动态调节放大增益。

所述反馈增益控制电路包括阀值比较器11、低通滤波器12以及可调电流源13，所述阀值比较器11输入端与所述带通滤波器10输出端相连，所述阀值比较器11输出端与所述低通滤波器12输入端相连，所述低通滤波器12输出端与所述可调电流源13输入端相连，所述可调电流源13输出端与所述增益可变放大器8相连；所述阀值比较器11和所述低通滤波器12将有效信号转为控制电流源所需的直流信号；通过动态调节所述可调电流源13电流大小，动态调节增益可变放大器8的信号放大增益，实现增益自适应调节。

输出信号经过比较器模块电路14转为数字信号后，进入现场可编程逻辑器件FPGA15，进行信号解码实现通信。

如图3所示，作为弱信号自适应调理装置的第一个实施例，所述选频放大器9包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、电感L1、第一电容C1、第二放大器16，所述第二电阻R2一端与所述增益可变放大器8相连，所述第二电阻R2另一端与所述第二放大器16反向输入端相连，所述第三电阻R3一端与所述第二放大器16同相输出端相连，所述第三电阻R3另一端接地，所述第四电阻R4连接于所述第三电阻R3一端与所述第二放大器16同相输出端之间，所述电感L1一端连接于所述第二电阻R2另一端与所述第二放大器16反向输入端之间，所述电感L1另一端与所述第二放大器16输出端相连，所述第一电阻R1一端与所述电感L1一端相连，所述第一电阻R1另一端与所述电感L1另一端相连，所述第一电容C1一端与所述第一电阻R1一端相连，所述第一电容C1另一端与所述第一电阻R1另一端相连；所述带通滤波器10包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第二电容C2、第三电容C3、第三放大器17，所述第五电阻R5一端与所述第二放大器16输出端相连，所述第五电阻R5另一端与所述第三电容C3一端相连，所述第三电容C3另一端与所述第三放大器17同相输出端相连，所述第七电阻R7一端连接于所述第五电阻R5另一端与所述第三电容C3一端之间，所述第七电阻R7另一端与所述第三放大器17输出端相连，所述第二电容C2一端连接于所述第五电阻R5另一端与所述第三电容C3一端之间，所述第二电容C2另一端接地，所述第六电阻R6一端连接于第三电容C3另一端与所述第三放大器17同相输出端之间，所述第六电阻R6另一端与所述第二电容C2另一端相连，所述第八电阻R8一端与所述第三放大器17反向输入端相连，所述第八电阻R8另一端与所述第三放大器17输出端相连，所述第九电阻R9一端所述第八电阻R8一端相连，所述第九电阻R9另一端接地；所述阀值比较器11包括第十电阻R10、第十一电阻R11、第四放大器18，所述第四放大器18反向输入端与所述第三放大器17输出端相连，所述第十电阻R10一端与所述第四放大器18同相输出端相连，所述第十电阻R10另一端接地，所述第十一电阻R11连接于所述第十电阻R10一端与所述第四放大器18同相输出端之间；所述低通滤波器12包括第十二电阻R12、第四电容C4，所述第十二电阻R12一端与所述第四放大器18输出端相连，所述第十二电阻R12另一端与所述可调电流源13相连，所述第四电容C4一端与所述第十二电阻R12另一端相连，所述第四电容C4另一端接地。所述增益可变放大器8为电流反馈增益可调放大器，通过改变增益控制引脚输入电流改变放大器的增益，所述电流反馈增益可调放大器分别与可调电流源13及所述第二电阻R2一端相连。所述可调电流源13包括第十三电阻R13和晶体管19，所述第十三电阻R13与所述晶体管19相连，所述第十二电阻R12另一端与所述晶体管19相连，所述晶体管19与所述增益可变放大器8相连。

在选频放大器9中，通过第三电阻R3与第四电阻R4分压电压将输入信号进行电压抬升，其谐振频率：

在带通滤波器10中，低通截止频率：

高通截止频率：

在阀值比较器11中，比较电平由第十电阻R10、第十一电阻R11分压得到。阀值比较器11将模拟信号转为数字高低电平，目的为适应不同幅值大小的模拟信号；通过第十二电阻R12、第四电容C4组成的低通滤波器12，将阀值比较器11输出的变化信号滤成直流信号。

晶体管19工作在可变电阻区，其等效电阻由低通滤波器12输出信号动态调节，进而动态调节输出电流，实现动态调节增益可变放大器8。

当无信号接收时，反馈增益控制电路的阀值比较器11输出信号占空比最大，低通滤波器12输出信号电平幅值最大，则可调电流源13输出电流最大，增益可变放大器8信号放大增益最大；当有信号输入时，阀值比较器11输出信号占空比动态调节，低通滤波器12输出电平幅值动态变化，动态调节可调电流源13输出电流，从而自适应控制增益可变放大器8放大增益，达到自适应信号调理的目的。

综上，在本发明中，在信号放大、滤波器后得到接收信号后，在信号放大部分增加了直流反馈信号，对接收信号实时调节放大增益。反馈信号的处理过程是：对接收信号进行选频滤波，从而得到接收信号中的有效信号，然后进行阈值比较，经过低通滤波，得到随接收信号动态变化的直流增益调节信号。

图4A信号曲线为本发明实现电路输出的信号曲线，其中信号曲线20为低通滤波器12输出信号曲线，其幅值跟随输入信号动态调节，信号曲线21为带通滤波器10输出信号曲线，其幅值在增益可变放大器放大能力范围内，保持输出幅值相对稳定。图4B为现有电路所输出信号曲线，其中信号曲线22为经放大器放大和滤波后输出信号曲线。

如图5所示，作为弱信号自适应调理装置的第二个实施例，与第一个实施例不同之处在于：增益可变放大器8为电压反馈控制型增益可变放大器，所述电压反馈控制型增益可变放大器分别与可调电流源13及所述第二电阻R2一端相连。用电压反馈放大器23替代可调电流源13，所述第十二电阻R12另一端与所述电压反馈放大器23相连，所述电压反馈放大器23与所述增益可变放大器8相连。

本发明的弱信号自适应调理装置根据接收信号幅值大小自适应控制信号放大增益，适应不同器件、不同环境，实现较好信号接收的有效性。

本发明的有益效果如下：

1.可适应发射端发射性能差异。

2.有较强抗干扰能力。

3.输出信号幅值更稳定，不容易出现幅值溢出。

4.更高的电路灵敏度，降低发射端发射功率的要求，有利于在保证接收距离的情况下实现低功耗设计。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种弱信号自适应调理装置，其特征在于：包括增益可变放大器(8)、选频放大器(9)、带通滤波器(10)、反馈增益控制电路，所述增益可变放大器(8)输出端与所述选频放大器(9)输入端相连，所述选频放大器(9)输出端与所述带通滤波器(10)输入端相连，所述带通滤波器(10)输出端与所述反馈增益控制电路输入端相连，所述反馈增益控制电路输出端与所述增益可变放大器(8)相连；所述选频放大器(9)和带通滤波器(10)将接收信号中非有效信号频段滤除，提取接收信号频段中的有效信号；所述反馈增益控制电路用于动态修改所述增益可变放大器(8)的增益。

2.根据权利要求1所述的弱信号自适应调理装置，其特征在于：所述反馈增益控制电路包括阀值比较器(11)、低通滤波器(12)以及可调电流源(13)，所述阀值比较器(11)输入端与所述带通滤波器(10)输出端相连，所述阀值比较器(11)输出端与所述低通滤波器(12)输入端相连，所述低通滤波器(12)输出端与所述可调电流源(13)输入端相连，所述可调电流源(13)输出端与所述增益可变放大器(8)相连；所述阀值比较器(11)和所述低通滤波器(12)将有效信号转为控制电流源所需的直流信号；通过动态调节所述可调电流源(13)电流大小，动态调节增益可变放大器(8)的信号放大增益，实现增益自适应调节。

3.根据权利要求1所述的弱信号自适应调理装置，其特征在于：所述反馈增益控制电路包括阀值比较器(11)、低通滤波器(12)以及电压反馈放大器(23)，所述阀值比较器(11)输入端与所述带通滤波器(10)输出端相连，所述阀值比较器(11)输出端与所述低通滤波器(12)输入端相连，所述低通滤波器(12)输出端与所述电压反馈放大器(23)输入端相连，所述电压反馈放大器(23)输出端与所述增益可变放大器(8)相连；所述阀值比较器(11)和所述低通滤波器(12)将有效信号转为控制电流源所需的直流信号；通过所述电压反馈放大器(23)动态调节增益可变放大器(8)的信号放大增益，实现增益自适应调节。

4.根据权利要求2所述的弱信号自适应调理装置，其特征在于：所述增益可变放大器(8)为电流反馈增益可调放大器，所述电流反馈增益可调放大器分别与可调电流源(13)及所述选频放大器(9)相连。

5.根据权利要求3所述的弱信号自适应调理装置，其特征在于：所述增益可变放大器(8)为电压反馈控制型增益可变放大器，所述电压反馈控制型增益可变放大器分别与所述电压反馈放大器(23)及所述选频放大器(9)相连。

6.根据权利要求1至5任一项所述的弱信号自适应调理装置，其特征在于：所述选频放大器(9)包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、电感(L1)、第一电容(C1)、第二放大器(16)，所述第二电阻(R2)一端与所述增益可变放大器(8)相连，所述第二电阻(R2)另一端与所述第二放大器(16)反向输入端相连，所述第三电阻(R3)一端与所述第二放大器(16)同相输出端相连，所述第三电阻(R3)另一端接地，所述第四电阻(R4)连接于所述第三电阻(R3)一端与所述第二放大器(16)同相输出端之间，所述电感(L1)一端连接于所述第二电阻(R2)另一端与所述第二放大器(16)反向输入端之间，所述电感(L1)另一端与所述第二放大器(16)输出端相连，所述第一电阻(R1)一端与所述电感(L1)一端相连，所述第一电阻(R1)另一端与所述电感(L1)另一端相连，所述第一电容(C1)一端与所述第一电阻(R1)一端相连，所述第一电容(C1)另一端与所述第一电阻(R1)另一端相连；所述带通滤波器(10)包括第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第三放大器(17)，所述第五电阻(R5)一端与所述第二放大器(16)输出端相连，所述第五电阻(R5)另一端与所述第三电容(C3)一端相连，所述第三电容(C3)另一端与所述第三放大器(17)同相输出端相连，所述第七电阻(R7)一端连接于所述第五电阻(R5)另一端与所述第三电容(C3)一端之间，所述第七电阻(R7)另一端与所述第三放大器(17)输出端相连，所述第二电容(C2)一端连接于所述第五电阻(R5)另一端与所述第三电容(C3)一端之间，所述第二电容(C2)另一端接地，所述第六电阻(R6)一端连接于第三电容(C3)另一端与所述第三放大器(17)同相输出端之间，所述第六电阻(R6)另一端与所述第二电容(C2)另一端相连，所述第八电阻(R8)一端与所述第三放大器(17)反向输入端相连，所述第八电阻(R8)另一端与所述第三放大器(17)输出端相连，所述第九电阻(R9)一端所述第八电阻(R8)一端相连，所述第九电阻(R9)另一端接地；所述阀值比较器(11)包括第十电阻(R10)、第十一电阻(R11)、第四放大器(18)，所述第四放大器(18)反向输入端与所述第三放大器(17)输出端相连，所述第十电阻(R10)一端与所述第四放大器(18)同相输出端相连，所述第十电阻(R10)另一端接地，所述第十一电阻(R11)连接于所述第十电阻(R10)一端与所述第四放大器(18)同相输出端之间；所述低通滤波器(12)包括第十二电阻(R12)、第四电容(C4)，所述第十二电阻(R12)一端与所述第四放大器(18)输出端相连，所述第十二电阻(R12)另一端与所述可调电流源(13)相连，所述第四电容(C4)一端与所述第十二电阻(R12)另一端相连，所述第四电容(C4)另一端接地。

7.根据权利要求2所述的弱信号自适应调理装置，其特征在于：所述可调电流源(13)包括第十三电阻(R13)和晶体管(19)，所述第十三电阻(R13)与所述晶体管(19)相连，所述第十二电阻(R12)另一端与所述晶体管(19)相连，所述晶体管(19)与所述增益可变放大器(8)相连。

8.一种红外接收器，其特征在于：包括红外接收二极管(4)、信号调理模块(25)，所述信号调理模块(25)包括平衡放大器(5)、第一放大器(6)、以及权利要求1-7任一项所述弱信号自适应调理装置，所述平衡放大器(5)输入端与所述红外接收二极管(4)相连，所述平衡放大器(5)输出端与所述第一放大器(6)输入端相连，所述第一放大器(6)输出端与所述增益可变放大器(8)相连。

9.根据权利要求8所述的红外接收器，其特征在于：所述信号调理模块(25)还包括比较器(14)和FPGA(15)，所述比较器(14)输入端与所述带通滤波器(10)相连，所述比较器(14)输出端与所述FPGA(15)相连。

10.一种红外传输装置，其特征在于：包括红外发射器、以及权利要求8或9所述红外接收器，所述红外发射器发射红外信号，所述红外接收器用于接收外红信号。

11.根据权利要求10所述的红外传输装置，其特征在于：所述红外发射器包括信号发射主体(1)、红外发射管(2)和测杆(3)，所述信号发射主体(1)上安装所述红外发射管(2)和所述测杆(3)。

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