CN114614907A - 基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法，对目标波形进行傅立叶变换，计算利用此目标波形调制单频光学载波时对应的频谱分布；依照频谱计算结果控制光频梳各频率分量振幅与相位分布，根据傅立叶逆变换原理可产生与目标波形时域一致的全光信号；最后通过光生微波方法将全光信号编译为微波波形。本发明有效利用了微波光子技术在处理高频微波信号方面的技术优势，通过频域精准操控实现时域可编程波形编译，能够大幅提升全光信号以及微波信号的灵活调控能力，实现微波光子学对电光双驱高速通信系统的赋能升级。

Description

基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法

技术领域

本发明属于光电子学、光通信、微波通信与微波光子学的交叉学科领域，具体是指一种通过控制光频梳各频率分量振幅和相位分布、基于傅立叶逆变换原理产生可编程全光信号、通过光生微波方法将全光信号编译为微波波形的方法，尤其涉及一种基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法、系统及存储介质。

背景技术

随着5G通信技术日趋成熟，超高频、甚高频乃至太赫兹波段的开发利用已成必然。然而，受限于电子渡越时间引发的“电子瓶颈”，传统电子器件及电子系统难以满足高速微波信号产生、传输、处理需求。近年来，研究人员将全光信号处理技术和微波信号处理技术加以融合并衍生出一门新的学科——微波光子学，利用光学系统体积小、重量轻、能耗低、带宽大、灵活可控、抗电磁干扰等优势克服“电子瓶颈”，可为超宽带无线接入、超高频微波收发、微波光子雷达、微波光子探测的应用提供重要支撑。

目前通信领域应用最广泛的微波光子技术是光纤拉远技术，旨在利用光纤通信链路大幅提升无线通信网络覆盖范围，核心思想是将信号从微波域转移至光域并进行编译、传输、处理。光载波本振频率远高于微波本振频率，单一光载波能够携带多路微波信号，以光电集成芯片为典型方案的大规模光电系统可为高频微波提供全新的光域处理平台。另一方面，微波波形编译变换对无线通信系统至关重要，然而现阶段缺乏一种有效的、面向超高频及短波方向的技术手段。

发明内容

基于现有技术的问题，本发明要解决的技术问题是如何对典型微波波形做傅立叶变换计算，获得利用此波形调制单频光学载波时对应的频谱分布；按照波形需求调取频谱分布计算结果并依样控制光频梳各频率分量振幅与相位分布，使经过光域傅立叶逆变换的全光信号在时域复刻目标波形，最后通过光生微波方法将全光信号转换为微波波形。

为了达到上述效果，本发明提供的基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法，应用于终端或服务器，包括：

步骤一、目标波形傅立叶变换，通过解析计算获取目标波形调制单频光学载波对应的频谱分布；

步骤二、光域傅立叶逆变换，按照计算结果精确控制光频梳各频率分量的振幅和相位，产生与目标波形时域一致的全光信号；

步骤三、光电信号转换，通过光电探测、微波调制或全光驱动微波源，将全光信号转换为微波波形。

优选的，上述步骤一完成目标波形傅立叶变换，通过解析计算获取目标波形调制单频光学载波产生频率边带后对应的频谱分布，目标波形的重复频率等于梳状频谱分布的频率间隔。

优选的，上述步骤二通过光频梳光源产生频率间隔等于前述计算结果的光频梳，通过波分复用器将光频梳各频率分量分离到不同光学路径中，各频率分量振幅和相位由各光学路径中的调幅器和调相器独立控制，按照计算结果精确控制，按照光域傅立叶逆变换原理获得与目标波形时域一致的全光信号。

优选的，上述步骤三将光学信号转换为微波信号，通过光电探测产生的电学信号控制微波源或微波调制器产生微波信号，或直接用光学信号控制光生微波源产生微波信号。

优选的，上述方法具体包括：

S101、光频梳光源产生频率间隔为M的光频梳并输入到频率间隔同样为M的波分复用器中；

S102、通过傅立叶变换数学计算求得重复频率为M的目标波形调制单频光学载波时对应的频谱分布，将各频率分量振幅和相位分布数据输入到调相器和调幅器阵列中；

S103、控制各频率分量的振幅和相位，通过波分复用器合并各频谱分量，产生重复频率为M、复刻目标波形的全光高速信号；

S104、通过光电探测器和微波源将全光信号转换为重复频率为M、复刻目标波形的高速微波信号。

优选的，上述方法假设通过目标波形对单频光学载波，则入射频率附近将等间隔产生一系列频率边带，频率间隔与目标波形重复频率一致，输出频率数量超过输入频率数量且在频域呈现梳状分布，目标波形和单频光学载波的时域分布可通过标准傅立叶变换转换为频域分布，频率分量及振幅相位可作为矩阵数据输出。

优选的，上述方法通过光频梳光源产生光频梳，通过波分复用系统将各频率分量分离到不同光学路径中，振幅和相位分布由调幅器和调相器阵列独立控制，逆用波分复用系统将调控后的各频率分量合束到同一光学路径中，产生与目标波形时域一致的光学信号，所述频域波形经过傅立叶逆变换即可推知时域波形。

一种实现如上述基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法的系统，包括光频梳、波分复用器、调相器、调幅器，还包括：

目标波形傅立叶变换装置，用于通过解析计算获取目标波形调制单频光学载波对应的频谱分布；

光域傅立叶逆变换装置，用于按照计算结果精确控制光频梳各频率分量的振幅和相位，产生与目标波形时域一致的全光信号；

光电信号转换装置，用于通过光电探测、微波调制或全光驱动微波源，将全光信号转换为微波波形。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。

一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明提出了一种“光域换电域”、“频域换时域”的全新设计思路，能够通过频域精准操控实现时域任意波形产生，大幅提升全光信号和微波信号的可编程编译能力，可以在超宽带无线接入、超高频微波收发、微波光子雷达、微波光子探测等领域得到广泛应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明基于光学傅立叶逆变换的微波波形编译系统原理示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明提供一种基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法的实施例，应用于终端或服务器，包括：

步骤一、目标波形傅立叶变换，通过解析计算获取目标波形调制单频光学载波对应的频谱分布；

步骤二、光域傅立叶逆变换，按照计算结果精确控制光频梳各频率分量的振幅和相位，产生与目标波形时域一致的全光信号；

步骤三、光电信号转换，通过光电探测、微波调制或全光驱动微波源，将全光信号转换为微波波形。

在一些实施例中，步骤一完成目标波形傅立叶变换，通过解析计算获取目标波形调制单频光学载波产生频率边带后对应的频谱分布，目标波形的重复频率等于梳状频谱分布的频率间隔。

在一些实施例中，步骤二通过光频梳光源产生频率间隔等于前述计算结果的光频梳，通过波分复用器将光频梳各频率分量分离到不同光学路径中，各频率分量振幅和相位由各光学路径中的调幅器和调相器独立控制，按照计算结果精确控制，按照光域傅立叶逆变换原理获得与目标波形时域一致的全光信号。

在一些实施例中，步骤三将光学信号转换为微波信号，通过光电探测产生的电学信号控制微波源或微波调制器产生微波信号，或直接用光学信号控制光生微波源产生微波信号。

本发明提供一种基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法的实施例，具体包括：

S101、光频梳光源产生频率间隔为M的光频梳并输入到频率间隔同样为M的波分复用器中；

S102、通过傅立叶变换数学计算求得重复频率为M的目标波形调制单频光学载波时对应的频谱分布，将各频率分量振幅和相位分布数据输入到调相器和调幅器阵列中；

S103、控制各频率分量的振幅和相位，通过波分复用器合并各频谱分量，产生重复频率为M、复刻目标波形的全光高速信号；

S104、通过光电探测器和微波源将全光信号转换为重复频率为M、复刻目标波形的高速微波信号。

在一些实施例中，通过傅立叶变换计算获取目标波形调制单频光学载波时对应的频谱分布并依此控制光频梳各频率分量振幅与相位分布，基于光域傅立叶逆变换原理产生复刻目标波形的全光信号并通过光生微波方法实现微波波形编译。

在一些实施例中，假设通过目标波形对单频光学载波，则入射频率附近将等间隔产生一系列频率边带，频率间隔与目标波形重复频率一致，输出频率数量超过输入频率数量且在频域呈现梳状分布，目标波形和单频光学载波的时域分布可通过标准傅立叶变换转换为频域分布，频率分量及振幅相位可作为矩阵数据输出。

在一些实施例中，通过光频梳光源产生光频梳，通过波分复用系统将各频率分量分离到不同光学路径中，振幅和相位分布由调幅器和调相器阵列独立控制，逆用波分复用系统将调控后的各频率分量合束到同一光学路径中，产生与目标波形时域一致的光学信号，所述频域波形经过傅立叶逆变换即可推知时域波形。

本发明提供一种实现上述基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法的系统实施例，包括光频梳、波分复用器、调相器、调幅器，还包括：

目标波形傅立叶变换装置，用于通过解析计算获取目标波形调制单频光学载波对应的频谱分布；

光域傅立叶逆变换装置，用于按照计算结果精确控制光频梳各频率分量的振幅和相位，产生与目标波形时域一致的全光信号；

光电信号转换装置，用于通过光电探测、微波调制或全光驱动微波源，将全光信号转换为微波波形

本发明提供一种基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法的实施例，包括：

首先，完成目标波形傅立叶变换，即通过解析计算获取目标波形调制单频光学载波(产生频率边带后)对应的频谱分布，目标波形的重复频率等于梳状频谱分布的频率间隔；

其次，通过光频梳光源产生频率间隔等于前述计算结果的光频梳，通过波分复用器将光频梳各频率分量分离到不同光学路径中，各频率分量振幅和相位由各光学路径中的调幅器和调相器独立控制，按照计算结果精确控制，按照光域傅立叶逆变换原理获得与目标波形时域一致的全光信号；

最后，将光学信号转换为微波信号，即通过光电探测产生的电学信号控制微波源或微波调制器产生微波信号，或直接用光学信号控制光生微波源产生微波信号。

本发明提供了一种实施例，通过傅立叶变换计算获取目标波形调制单频光学载波时对应的频谱分布并依此控制光频梳各频率分量振幅与相位分布，基于光域傅立叶逆变换原理产生复刻目标波形的全光信号并通过光生微波方法实现微波波形编译。

本发明提供了一种基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法的实施例，通过傅立叶变换计算获取目标波形调制单频光学载波时对应的频谱分布并依此控制光频梳各频率分量振幅与相位分布，基于光域傅立叶逆变换原理产生复刻目标波形的全光信号并通过光生微波方法实现微波波形编译。

在一些实施例中，傅立叶变换计算，假设通过目标波形对单频光学载波，则入射频率附近将等间隔产生一系列频率边带，频率间隔与目标波形重复频率一致，输出频率数量超过输入频率数量且在频域呈现梳状分布，目标波形和单频光学载波的时域分布可通过标准傅立叶变换转换为频域分布，频率分量及振幅相位可作为矩阵数据输出。目标波形包括但不限于正弦波、方波、锯齿波，调制参数可灵活调整以获得不同频域分布，目标波形的调制方式包括但不限于振幅调制、相位调制、强度调制、频率调制等，不限定目标波形重复频率、占空比等具体参数。

在一些实施例中，光频梳振幅与相位控制，通过光频梳光源产生光频梳，通过波分复用系统将各频率分量分离到不同光学路径中，振幅和相位分布由调幅器和调相器阵列独立控制，逆用波分复用系统将调控后的各频率分量合束到同一光学路径中，产生与目标波形时域一致的光学信号(频域波形经过傅立叶逆变换即可推知时域波形)；光频梳产生方式包括但不限于共增益介质多纵模激光器、高品质因数微腔四波混频、超连续谱高消光比滤波等；波分复用实现方式包括但不限于阵列波导光栅、上传-下载微环等，光域傅立叶逆变换所需波分复用器、调幅器、调相器等可为自由空间分立光电器件或全光纤光电器件。

在一些实施例中，光域傅立叶逆变换还可通过芯片集成光路实现，通过芯片集成光路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、高效无损地传输光场、能够基于电光效应等原理实现灵活调幅和调相，所用材料平台包括但不限于绝缘体上硅、载氢非晶硅、氮化硅、碳化硅、硫系玻璃、高折射率石英、三五族铝镓砷、三五族磷化铟等。

在一些实施例中，光生微波方法，实现有效信号从光波载波到微波载波的转换；可通过光电探测产生电学信号控制微波源产生微波信号，或通过光电探测产生电学信号控制微波调制器产生微波信号，直接用光学信号控制光生微波源产生微波信号；不限制光学信号转换为微波信号的具体技术方案，不限制微波源、微波调制器的具体参数和结构特征，不限制微波载波波段、功率强度、波形协议、编译法则和具体应用场景。

如图1所示，本发明提供了一种基于光学傅立叶逆变换的微波波形编译系统的实施例，能够产生高速可编程微波信号，具体步骤为：

1.光频梳光源产生频率间隔为M的光频梳并输入到频率间隔同样为M的波分复用器中；

2.通过傅立叶变换数学计算求得重复频率为M的目标波形调制单频光学载波时对应的频谱分布，将各频率分量振幅和相位分布数据输入到调相器和调幅器阵列中；

3.控制各频率分量的振幅和相位，通过波分复用器合并各频谱分量，产生重复频率为M、复刻目标波形的全光高速信号；

4.通过光电探测器和微波源将全光信号转换为重复频率为M、复刻目标波形的高速微波信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

首先，本发明提出“频域换时域”设计思路，能够通过频域精准操控实现时域任意波形产生，通过增加光频梳频率间隔突破全光信号产生与处理的速率瓶颈；

其次，本发明提出“光域换电域”设计理念，借助光频梳、波分复用器、调相器、调幅器等成熟设备实现超高频微波信号调控，有效突破了传统电子器件和电子系统在处理高速微波信号时面临的“电子瓶颈”，以光学系统为抓手实现高速微波信号处理系统性能的短板补强。

此外，本发明可通过波分复用处理阵列系统扩容和功能追加丰富微波信号波形库，为模块化、精确化、标准化、多元化微波光子信号系统提供重要参考。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法，应用于终端或服务器，包括：

步骤一、目标波形傅立叶变换，通过解析计算获取目标波形调制单频光学载波对应的频谱分布；

步骤二、光域傅立叶逆变换，按照计算结果精确控制光频梳各频率分量的振幅和相位，产生与目标波形时域一致的全光信号；

步骤三、光电信号转换，通过光电探测、微波调制或全光驱动微波源，将全光信号转换为微波波形。

2.根据权利要求1所述的基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法，其特征在于，所述步骤一完成目标波形傅立叶变换，通过解析计算获取目标波形调制单频光学载波产生频率边带后对应的频谱分布，目标波形的重复频率等于梳状频谱分布的频率间隔。

3.根据权利要求1所述的基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法，其特征在于，所述步骤二通过光频梳光源产生频率间隔等于前述计算结果的光频梳，通过波分复用器将光频梳各频率分量分离到不同光学路径中，各频率分量振幅和相位由各光学路径中的调幅器和调相器独立控制，按照计算结果精确控制，按照光域傅立叶逆变换原理获得与目标波形时域一致的全光信号。

4.根据权利要求1所述的基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法，其特征在于，所述步骤三将光学信号转换为微波信号，通过光电探测产生的电学信号控制微波源或微波调制器产生微波信号，或直接用光学信号控制光生微波源产生微波信号。

5.根据权利要求1-4之一所述的基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法，其特征在于，所述方法具体包括：

S101、光频梳光源产生频率间隔为M的光频梳并输入到频率间隔同样为M的波分复用器中；

S102、通过傅立叶变换数学计算求得重复频率为M的目标波形调制单频光学载波时对应的频谱分布，将各频率分量振幅和相位分布数据输入到调相器和调幅器阵列中；

S103、控制各频率分量的振幅和相位，通过波分复用器合并各频谱分量，产生重复频率为M、复刻目标波形的全光高速信号；

S104、通过光电探测器和微波源将全光信号转换为重复频率为M、复刻目标波形的高速微波信号。

6.根据权利要求1所述的基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法，其特征在于，所述方法通过傅立叶变换计算获取目标波形调制单频光学载波时对应的频谱分布并依此控制光频梳各频率分量振幅与相位分布，基于光域傅立叶逆变换原理产生复刻目标波形的全光信号并通过光生微波方法实现微波波形编译。

7.根据权利要求1所述的基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法，其特征在于，所述方法假设通过目标波形对单频光学载波，则入射频率附近将等间隔产生一系列频率边带，频率间隔与目标波形重复频率一致，输出频率数量超过输入频率数量且在频域呈现梳状分布，目标波形和单频光学载波的时域分布可通过标准傅立叶变换转换为频域分布，频率分量及振幅相位可作为矩阵数据输出。

8.根据权利要求1所述的基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法，其特征在于，所述方法通过光频梳光源产生光频梳，通过波分复用系统将各频率分量分离到不同光学路径中，振幅和相位分布由调幅器和调相器阵列独立控制，逆用波分复用系统将调控后的各频率分量合束到同一光学路径中，产生与目标波形时域一致的光学信号，所述频域波形经过傅立叶逆变换即可推知时域波形。

9.一种实现如权利要求1-8所述基于光域傅立叶逆变换的微波波形编译方法的系统，包括光频梳、波分复用器、调相器、调幅器，还包括：

目标波形傅立叶变换装置，用于通过解析计算获取目标波形调制单频光学载波对应的频谱分布；

光域傅立叶逆变换装置，用于按照计算结果精确控制光频梳各频率分量的振幅和相位，产生与目标波形时域一致的全光信号；

光电信号转换装置，用于通过光电探测、微波调制或全光驱动微波源，将全光信号转换为微波波形。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-8任一项所述方法。

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