CN1152572C - 高速多媒体数据广播系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于现有有线电视网络的高速多媒体数据广播系统，由数据广播播出单元和数据广播接收单元组成。数据广播播出单元放置在有线电视台的前端。它将需要广播的信息转换成数据广播的数据格式，经数据播出机，中频调制器，变频器转换成适合电缆电视网络传输的射频信号，与其它广播电视信号混合，通过电缆电视网络广播出去。数据广播接收单元接于普通电缆电视的家用终端盒，并和一台个人电脑相连。接收单元将数据广播信号从广播电视信号中分离出来，并解调出数据信号，送个人电脑进行数据处理。
Description
本发明属于有线电视网络应用，具体基于现有有线电视，单向高速多媒体的信息播出接收系统。
1、国内外技术动态和应用状况
在诸多的信息传播媒介中，广播电视信息是覆盖最大、具有开发潜力的。在我国，电视的普及率已接近发达国家，电视人口覆盖率已经超过82％，成为中国的主要信息传播媒介。而有线电视的入户带宽为750MHz。因此越来越多的人看到广播电视信道的巨大开发潜力，有线电视网的综合利用是国内外公司的开发热点。一些发达国家如美国、欧洲，在通信事业非常发达的情况下仍不遗余力的开发广播电视网络的多功能利用，开展数据广播。传统的广播电视网是用于传送广播、电视节目的。也是它的最主要的功能。广播电视网的多功能应用以数据业务为主。尼格洛庞帝和微软总裁比尔·盖茨(未来之路)都在他们的书中提到有线电视这一现存的巨大资源。美国甚至在立法上修改了电信管理条例。科学家和工程师们更从技术上探讨话音、数据、视频三网合一的各种解决方案。
以现有的CATV网络传输多种信息的技术来看，在面临数字电视时代到来的情况下，CATV现已开展的多功能应用主要分为数据广播和双向数据通信。
随着高速数据通信商用服务的扩大，以电缆调制解调器(Cable Modem)为代表的CATV多功能应用使CATV网受到从未有过的重视。电缆调制解调器的应用是以国际互联网(Internet)的日益普及为前提的。而CATV的多功能应用是多种多样的。如表-1所是。而且远不止如此。有关CATV的多功能应用的想法每天都在产生。
表-1 现在和未来的CATV交互式业务
| 音频类业务 | 视频类业务 | 数据类业务 |
| 电话 | 传统有线电视 | Internet接入 |
| 个人通信 | 付费电视(PPV) | 电子邮件 |
| 数字音频 | 影视点播(VOD) | 联机服务 |
| HDTV | 计算机联网 | |
| 远程教学 | 数据广播 | |
| 交互式游戏 | 家庭保安监控 | |
| 可视电话 | 机顶盒 | |
| 家庭购物 | ||
| 远程医疗 |
表中的三大类应用中，我们还可以按信号是否需要回传来区分成双向应用的单向应用。
传统的模拟电视、数据广播、准视频点播等属于单向应用。视频点播、计算机联网属于双向应用。双向应用要对现有单向CATV网进行改造。而单向的应用则不必。当然双向的应用是最为激动人心，也是最有前途的应用。下面对各种多功能应用做一简单介绍。
有线电视网上的电话业务(Cable Phone)
这可能是最早提出的在有线电视网的多功能应用。由于我国邮电事业的发展离发达国家的水平还有一定的差距，因此Cable Phone在我国特别引起重视。国外厂家有初期产品在中国做过一些试验。
视频点播(VOD)
这可能是现今有线电视网上最激动人心的应用，也可能是最为复杂的应用。VOD是一种典型的交互式娱乐电视。视频服务器(video server)是节目分配中心响应用户请求，自动播放点播节目的核心设备，是软件和硬件复杂组合的“视频金库”，被誉为VOD技术的“火车头”。它必须存储巨量的数字视频节目信息，并在秒级时间内，用一种瞬时方式相应对一部指定电影的请求，而且必须能达到同时相应成千上万的请求。目前世界上只有几个大公司和有线电视公司在做VOD方面的开发和小区实验。在1995年曾是一项CATV多功能应用的热门话题。在1996年内，VOD热有所降低。但与VOD相关的数字电视广播标准DVB和数字音频广播DAB却日益成熟，未来的电视和音频广播一定是向数字化方向发展。
数据业务
这肯定是目前最为可行的应用，也是目前正在大规模应用的技术。我们还可以按信号是否需要回传来区分成双向应用和单向应用。传统的模拟电视、数据广播、准视频点播等属于单向应用。视频点播、计算机联网属于双向应用。随着电缆调制解调器技术的日益成熟，以Internet接入为主的数据业务在CATV网络上的应用也越来越多。线缆调制解调器(Cable Modem)市场正在迅速形成。线缆调制解调器现行单台价为400-500美元，到2000年时的目标是设法将它降到与电话调制解调器的同等价格水平200美元。
另一方面，由于双向CATV网络还不普及，HFC结构的双向CATV网络仍在建设中。据有关数据表明，即使在有线电视多功能应用较为先行的美国，可进行双向多功能应用的网络也只有17％。因此目前有很多CATV多功能应用是基于传统单向业务，如VBI图文数据传输，以电话为回传的下行速率达27M bps的宽带数据接入系统，正程图文数据系统等。这些应用不对CATV网络提出更多的要求，而只是利用其丰富的频带资源和进入千家万户这一巨大优势，以人们对信息的渴求这一动力。下面是几种典型的应用。
电视伴音的多功能应用及NICAM
电视的伴音通道还有频带可以利用。因此可用来传输另外一套伴音。我国的双伴音标准是第一伴音载频为6.5MHz，第二伴音载频为6.742MHz。目前大多数节目还没有第二伴音。因此可用来传输数据。香港的电视节目中的丽音功能就是数字化的第二伴音。
电视信号的场逆程数据行-图文电视Teletext
这是目前应用较广的一种广播电视多功能应用。图文电视是附加电视信号上的一种数据信号，它插入到电视信号的场逆程(VBI)中，可利用的电视行中第6/318行开始到第22/334行止。图文电视一般使用10行左右，这样每个电视频道的数据传输速率约160kbps。目前中央电视台、山东、四川及浙江电视台的电视信号都携带VBI图文数据广播信息。另有一种全程图文电视数据广播。它是将整个电视信号的每一行都用来传送数据信息。一场可插入300多个数据行，数据传输速率为4.8Mbps。一般有线台的频带资源丰富，可以专门开辟一个频道来作全程图文数据广播。然而，场逆程图文电视数据广播存在着数据速率低，误码率高等缺点。
目前在国内市场上广泛可见的澜波股票接收机，就是基于场逆程图文电视的典型应用。从这类股票接收机近年来的市场销售来看，用户对信息的需求是迫切的。关键是能为用户所接受的消费价格和感兴趣的信息。
调频广播副载波多工利用
这也是目前应用较广的数据广播。也是SCA。利用调频副载波可以将数据信号加到立体复合信号中形成复合基带信号。然后对调频发射机进行调制，副载波频率通常选在53KHz和95KHz之间。多工信号的电平一般很小，以使立体声的指标不受影响。我国目前已有调频广播电台利用SCA技术播出股票、期货的语音广播。并已有公司开发出90KHz副载波上9600波特率的数据广播，通过电脑串口接收数据。但目前应用在股票的在实时行情播放时，速度仍嫌较慢。国外有利用SCA和RDS技术来传送交通信息和GPS差分数据。
卫星电视信道的多工数据广播
卫星转发器的宽带为36MHz，电视信号的占用宽度约27MHz，尚有8MHz带宽未利用。具有关资料，在用27MHz民用卫星接收机(如东芝C4)解调基带信号输出谱线上10MHz附近仍可利用。目前我国卫星电视信道除传送正常的电视信号和6.6MHz电视伴音外，已有电视台利用频分复用原理在7.28MHz副载波上传送NICAM数字声。在8.35MHz副载频上传送一路调频广播。因此我们可以在现有和将来的卫星电视信道的副载频上传送数据，来实现数据广播的大范围覆盖。国内卫星教育电视台已经做了这方面的试验。
2、高速多媒体数据广播系统
90年代以来，中国的有线电视迅速发展。现有仍以每年上百万的用户发展。在以发展用户为目的的初期建设目的的同时，各有线台面对信息高速公路计划的挑战，以自己高质量的有线电视网、有线和无线电视以及Internet均提出了各自的对策和技术准备。那么究竟是什么样的产品能近早在有线电视网上开拓出一篇新领域来，这是人们十分关心的一个问题，也是各大公司、厂家在关心的问题。
由于双向CATV网络还不普及，HFC结构的双向CATV网络仍在建设中。据有关数据表明，即使在有线电视多功能应用较为先行的美国，可进行双向多功能应用的网络也只有3％-5％。因此目前有很多CATV多功能应用是基于传统的单向业务，如VBI图文数据传输；以电话为回转的下行速率达27Mbps的宽带数据接入系统；正程图文数据系统等。这些应用对CATV网络提出更多的要求，而只是利用其丰富的频带资源和进入千家万户这一巨大优势，以人们对信息的渴求这一动力。
本发明的目的在于利用现有有线电视网络，在有线电视台的前端设置数据广播播出单元，在用户终端设数据广播接收单元。数据广播播出单元将数据、声音、文字、图象以全数字方式，通过有线电视网络高速播出；用户终端的数据广播接收单元将数据信息从电视信号中分离出来，并解调出数据信号，送个人电脑。
为了实现本发明的目的，该系统是一个单向、高速、多媒体的信息广播系统。它由放置在有线电视台前端的数据广播播出单元和与普通电缆电视的家用终盒连接的数据广播接收单元组成。数据广播播出单元是将需要广播的信息转换成数据广播的数据格式，经数据播出机、中频调制器和变频器转换成适合电缆电视网络传输的射频信号，与其它广播电视信号混合，通过电缆电视网络广播播出。数据广播接收单元将数据广播信号从广播电视信号中分离出来，并解调出数据信号，送个人电脑进行数据处理，在电脑上显示，以供人们进行信息查询。
中频调制器可采用可变系数的升余弦时域成型QPSK调制模块；接收单元的解调可采用解调芯片EPLD完成QPSK译码。
本发明充分利用现有有线电视资源，对现有有线电视台无需作大投资改造，增加一个优秀的数据信息平台，利用个人电脑强大的信息处理能力，给用户提供大量的信息。从而可实现信息检索、数字新闻广播、金融欣喜、股票行情、软件下载、电视图文、Internet信息广播等多种功能。
图1 高速多媒体数据广播系统组成图。
图2 前端数据播出单元的原理框图。
图3 数据播出机原理框图。
图4 QPSK调制器模块的原理框图。
图5 接收单元的原理框图。
高速多媒体数据广播系统组成如图1所示，置于有线电视台前端的数据广播播出单元由主控计算机、数据库、编码器、调制器组成。播出的信号占用一个标准的8MHZ电视频道带宽。由播出控制台将各种数据按一定格式编码后，送调制器，调制器输出信号和其它电视频道的电视信号混合，经有线电视电缆送出。用户通过用户终端接收机和电脑即可收看，查询各种节目和信息，同时不影响正常电视的播出和收看。
具体前端数据播出单元如图2所示，它由信息数据处理机、数据播出机、中频调制器和频道变换器、用户管理机组成。播出的数据信息处理在局域网中完成。各种外部信息源通过集线器Hub与服务器连接。
信息数据处理机的功能是将各种不同信息源的数据格式转换成适合高速多媒体数据广播的格式。如钱龙股票信息处理机就是将证券部传来的股票实时行情、成交回报等信息转换成高速多媒体数据广播的数据格式，送播出机播出。超文本信息处理机实际上是一个多媒体节目制作系统。高速多媒体数据广播采用在Internet中广泛应用的浏览器如网景公司的著名浏览器Netscape，微软公司的Explorer，做为信息阅读工具，使得用户可以非常方便的浏览各种多媒体信息。而节目制作则基于超文本和Java，使得节目的制作就象制作Web主页一样方便和多样化，而且可将互联网上每天的热点信息、《人民日报》的电子版等Web信息直接广播出去，使节目制作更加简单。信息处理机可有多台工作站，根据需要广播的信息种类和容量而定。
用户管理机则是负责对用户进行“空中”授权。高速多媒体数据广播系统可在播控中心通过用户管理机，对用户进行密码更改、权限限制，并及时通知未交费的用户。对用户的“空中”授权使得管理更为方便和安全可靠，可防治非法用户和逾期未交费用户的非法使用。
用户管理机由安装casTView前端的软件PC机完成。
前端路由器是一台高可靠性能的PC，它通过10M/100M网卡接收来自播出服务器的广播信息，其软件将传来的信息进行流量分配，即打包，通过数据转发模块，将数据编码、加扰、时域成形。送调制器模块，数据转发模块构成数据播出机，具体为数据播出卡，如图3所示，数据转发模块的接口如表A、B、C；
A)JP1 插槽3
B)JP2 插槽4
| 管脚 | 说明 |
| 1 | MCLK |
| 2 | GND |
| 管脚 | 说明 |
| 1 | TX+ |
| 2 | TX- |
| 3 | GND |
C)J1 插槽5
| 管脚序号 | 管脚名称 | 方向 | 管脚序号 | 管脚名称 | 方向 |
| 10 | ACLK | 输出 | 9 | TSDATA | 输入 |
| 8 | FOWWELO | 输入 | 7 | TCLK | 输入 |
| 6 | DATAEM | 输入 | 5 | BITCLK | 输出 |
| 4 | STATUS | 输入 | 3 | VCC | 输入 |
| 2 | PNTEST | 输出 | 1 | GND | - |
管脚说明如下：
ACLK：辅助时钟输出。
FCWSELO输出中频选择，0：35.25MHz；1：36.15MHz。
PNTEST：输出误码测试数据，低有效。
数据转发模块(数据播出机)将数据信息送给调制器，调制器将各种数据信息调制成适合有线电视播出的射频信号。调制器采用可变系数的升余弦时域成型QPSK调制块。QPSK调制模块采用斯坦福电讯的专用QPSK调制芯片STEL1109.完成数据的QPSK调制，STEL1109是一个功能极强的芯片，其管脚名如表D。表D： STEI1109的管脚名
| 管脚序号 | 管脚名 | 管脚序号 | 管脚名 | 管脚序号 | 管脚名 | 管脚序号 | 管脚名 | 管脚序号 | 管脚名 |
| 1 | VDD | 17 | TSDATA | 33 | VSS | 49 | VSS | 65 | VDD |
| 2 | D4 | 18 | DATAEN | 34 | VSS | 50 | NC | 66 | VSS |
| 3 | D5 | 19 | TCLK | 35 | CKSUM | 51 | AVDD | 67 | RSTB |
| 4 | D6 | 20 | FCWS0 | 36 | VSS | 52 | OUT | 68 | VSS |
| 5 | D7 | 21 | FCWS1 | 37 | ACLK | 53 | OUTN | 69 | VSS |
| 6 | VSS | 22 | VSS | 38 | VDD | 54 | AVSS | 70 | DIFFEN |
| 7 | VSS | 23 | VSS | 39 | DATAENO | 55 | NC | 71 | NCOLD |
| 8 | A5 | 24 | VSS | 40 | BITCLK | 56 | VSS | 72 | CS |
| 9 | A4 | 25 | VDD | 41 | VDD | 57 | VSS | 73 | DSR |
| 10 | A3 | 26 | CLKEN | 42 | SYMPLS | 58 | VSS | 74 | WR |
| 11 | VDD | 27 | VSS | 43 | VSS | 59 | VSS | 75 | VDD |
| 12 | A2 | 28 | CLK | 44 | VSS | 60 | VSS | 76 | D0 |
| 13 | A1 | 29 | RUSIETT | 45 | VSS | 61 | VSS | 77 | D1 |
| 14 | A0 | 30 | VDD | 46 | VSS | 62 | VDD | 7S | D2 |
| 15 | VSS | 31 | 5VDD | 47 | VSS | 63 | VDD | 79 | D3 |
| 16 | VSS | 32 | SCRMEN | 48 | VSS | 64 | VSS | 80 | D4 |
该芯片的主要功能如下：
可完成BPSK/QPSK/16QAM调制。
调制速率可达5Mbps(BPSK)，10Mbps(QPSK)，
20Mbps(16QAM)。
支持连续和突发数据模式。
内置32级FIR滤波器。
支持DVB/DAVIC/MCNS标准的加扰和FEC编码。
QPSK调制器模块原理如4所示，微处理器采用AT89C2051作为控制芯片，其管脚名如表E，移位寄存器采用74HC164芯片作为调制芯片STEL1109和单片机之间的接口转换，其管脚名如表F。利用跳线可选择测试方式和输出中频选择。调制模块与数据转发模块之间为双绞线联接。如图4所示。
表E：
AT89C2051的管脚名
表F：
| 管脚序号 | 管脚名 | 管脚序号 | 管脚名 | 管脚序号 | 管脚名 | 管脚序号 | 管脚名 |
| 1 | RST | 6 | INTO | 11 | P3.7 | 16 | P1.4 |
| 2 | RXD | 7 | INT1 | 12 | P1.0 | K17 | P1.5 |
| 3 | TXD | 8 | TO | 13 | P1.1 | 18 | P1.6 |
| 4 | XTAL2 | 9 | T1 | 14 | P1.2 | 19 | P1.7 |
| 5 | XTAL1 | 10 | GND | 15 | P1.3 | 20 | VCC |
74HC164的管脚名
| 管 脚序 号 | 管 脚名 | 管 脚序 号 | 管 脚名 | 管 脚序 号 | 管 脚名 | 管 脚序 号 | 管 脚名 |
| 1 | A | 5 | QC | 9 | RESET | 13 | QH |
| 2 | B | 6 | QD | 10 | QE | 14 | VCC |
| 3 | QA | 7 | GND | 11 | QF | ||
| 4 | QB | 8 | CLK | 12 | QG |
QPSK模块的接口如表G。
表G：J2 插槽1
| 管脚序号 | 管脚名称 | 方 向 | 管脚序号 | 管脚名称 | 方向 |
| 1 | ACLK | 输出 | 2 | TSDATA | 输入 |
| 3 | FCWWELO | 输入 | 4 | TCLK | 输入 |
| 5 | DATAEN | 输入 | 6 | BITCLK | 输出 |
| 7 | STATUS | 输入 | 8 | VCC | 输入 |
| 9 | PNTEST | 输出 | 10 | GND | - |
管脚说明如下：
DATAEN：输入数据使能，高有效。
PNTEST：输出误码测试数据，低有效。
TCLK：数据时钟，TTL/CMOS电平。
VCC：电源输入，+5V。
JP2 插槽2
| 管脚 | 说明 |
| 1 | QPSK调制中频输出 |
| 2 | GND |
输出频率：35.25MHz，36.15MHz
数据速率：10Mbps
输出测试码：(23.18)m序列PN码
用户端数据广播接收单元原理如图5所示。
CasTView终端是一个ISA总线接口的PC插卡，它由调谐器，QPSK解调器、网络控制器和接口控制电路(由ASIC芯片完成其功能)，微处理器等组成。其中接口控制器的功能是从PC接收频道转换指令，然后同12C数据总线去控制调谐器调整频道，同时还可以向主机报告Cable Modem的各种状态信息。
从有线电视前端送来的射频信号，经调谐器变换到36MHz中频，送QPSK解调器。在QPSK解调器模块中，解调器对接收信号的载波同步，并恢复出数据信号和时钟，ASIC1对QPSK送来的数据信号进行译码，解扰。并数据信号送ASIC，ASIC完成帧同步提取，接收数据的过滤，缓存。
在整个电路设计中采用了一片XILINX公司的EPLD，即芯片PC44ASJ9749，该EPLD的功能是完成QPSK译码，然后对解调数据进行通道编码后送网络控制器，同时对ISA总线的地址数据进行译码完成和微处理器之间的接口。网络控制器对接收数据进行译码和缓存达送PC。网络控制器和PC之间接口参见网络控制器的数据手册。
数据广播接收单元可采用外置式，即接收单元通过RJ45A双绞线与电脑的接口连接。或采用内置式，即接收单元直接插入电脑板上的ISA总线插槽，本实施例采用内置式。其主要技术指标如表H。
表H：高速多媒体数据广播接收单元的主要技术指标
| 指 标 | 参数 | 备注 |
| 输入频率 | 47～750MHz | |
| 输入信号电平 | -15～20dBmV | 标称输入：0dBmV |
| 数据速率 | 10Mbps | |
| 信号带宽 | 8MHz | 升余弦时域成型a＝0.4 |
| 调制方式 | QPSK | C/N＞25dB |
| 解调数据误码率 | ＜10 |
ASIC的管脚名如表J。
表J：
| 管脚序号 | 管脚名 | 管脚序号 | 管脚名 | 管脚序号 | 管脚名 | 管脚序号 | 管脚名 |
| 1 | RX+ | 12 | MD2 | 23 | GND | 34 | IOW |
| 2 | QD | 13 | MD3 | 24 | MA3 | 35 | IOR |
| 3 | ID | 14 | MD4 | 25 | MA4 | 36 | AEN |
| 4 | CLKIX | 15 | TDI | 26 | MA5 | 37 | SD |
| 5 | 20MHz | 16 | TMS | 27 | MA6 | 38 | SK |
| 6 | CLKSR | 17 | TCK | 28 | MA7 | 39 | AS |
| 7 | MA1 | 18 | MD5 | 29 | MA8 | 40 | IRQ |
| 8 | CON | 19 | MD6 | 30 | TDO | 41 | VCC |
| 9 | MDO | 20 | MD7 | 31 | GND | 42 | MA2 |
| 10 | GND | 21 | VCC | 32 | VCC | 43 | RXC |
| 11 | MD1 | 22 | MAO | 33 | MA9 | 44 | RX- |
本发明的主要功能和特点如下：
高达10Mbps的数据传输速率，电高可达36Mbps。
以PC为终端，利用PC强大的软件和硬件支持，完成多媒体功能。
在现今双向CATV还不普及的情况下，有线电视台提供合适的增值业务。
支持各种加密技术，“空中授权”管理用户。
可利用电话线，无线方式做为回传输道，进行交互式信息查询。
支持各种软件平台，如Windows 3.1，Windows 95等，良好的用户界面。
实时股票行情接收，提供钱龙股票分析软件接口。
低价格，适合家庭消费。
Claims (10)
1、一种基于现有有线电视网的高速多媒体数据广播系统，它是一种单向、高速、多媒体的信息广播系统，它由放置在有线电视台前端的数据广播播出单元和与普通电缆电视的家用终端盒连接的数据广播接收单元组成，数据广播播出单元是将需要广播的信息转换成数据广播的数据格式，经数据播出机，中频调制器和变频器转换成适合电缆电视网络传输的射频信号，与其它广播电视信号混合，通过电缆电视网络广播播出，数据广播接收单元将数据广播信号从广播电视信号中分离出来，并解调出数据信号，送个人电脑进行数据处理，在电脑上显示，以供人们进行信息查询。
2、如权利要求1所述高速多媒体数据广播系统，其特征在于所述数据广播播出单元包括将各种不同信息源的数据格式转换成适合高速多媒体数据广播格式的信息处理机，对广播数据进行通道编码、加扰、时域成形的数据播出机，中频调制器和频道变换器。
3、如权利要求2所述高速多媒体数据广播系统，其特征在于所述中频调制器采用可变系数的升余弦时域成型QPSK调制模块。
4、如权利要求所述高速多媒体数据广播系统，其特征在于QPSK调制模块采用AT89C2051微处理器作为控制芯片，采用74HC164移位寄存器作为调制芯片STEL1109和该微处理器之间的接口转换，调制模块与数据播出机之间为双绞线联接。
5、如权利要求1所述高速多媒体数据广播系统，其特征在于数据广播接收单元由调谐器解调器、网络控制器、接口控制电路、微处理器组成。
6、如权利要求5所述高速多媒体数据广播系统，其特征在于解调器采用集成QPSK解调器完成载波提取、数据恢复、数据时钟提取以及自动增益控制。
7、如权利要求6所述高速多媒体数据广播系统，其特征在于解调器采用一片EPLD，完成QPSK译码，对解调数据进行编码后送网络控制器。
8、如权利要求5、6、7所述高速多媒体数据广播系统，其特征在于数据广播接收单元为通过RJ45A双绞线与电脑的接口连接的外置式，或直接插入电脑主板上的ISA总线插槽的内置式。
9、如权利要求1所述高速多媒体数据广播系统，其特征在于，支持各种加密技术，“空中授权”管理用户，利用电话线，无线方式做为回传通道，进行交互式信息查询。
10、如权利要求1、2、3、4、5、6、7、所述高速多媒体数据广播系统，其特征在于利用有线电视网络中的一个8MHZ带宽，传送10mbps的数据信息。
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