CN117795870A - 用于光纤通信的编码器及光纤传输装置 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于光纤通信的编码器(100)。所述编码器(100)包括：输入端(104)，用于接收信息比特序列(102)；数字信号处理器(digital signal processor，DSP)(106)，用于将所述信息比特序列(102)转换为调制符号序列(110)以调制光载波信号；输出端(108)，用于输出所述调制符号序列(110)。所述DSP(106)用于将所述信息比特序列转换为所述调制符号序列，使得所述调制符号序列在符号序列候选集中的所有符号序列中具有最小信号功率度量值。所述候选集中的所述符号序列是符号空间中所述信息比特序列的不同表示。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，更具体地，涉及一种用于光纤通信的编码器以及一种光纤传输装置。
背景技术
地铁和长途光纤通信的性能受到信号在通过光纤传输期间产生的信号非线性分量的限制。为了提高光纤通信的数据速率和/或传输距离，为传输信号提供特殊特性以减少信号传输过程中产生的非线性失真分量是有益的。
有几种可能的方法来减轻光纤非线性。这些方法通过数字反向传播(DigitalBack Propagation，DBP)或星座整形等特殊均衡器对接收器和/或发送器中的非线性进行补偿，从而为信号提供特殊特性。
传统星座整形方法包括概率星座整形和几何星座整形。现有方法通常侧重于实现香农极限，香农极限是加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信道的性能边界。这些方法可以提供一些非线性增益，但并不侧重于减少非线性信号分量。概率整形(例如，概率幅度整形)广泛应用于改变通过正交幅度调制(Quadrature AmplitudeModulation，QAM)传输的信号的熵，例如，在16-QAM符号中可以传输3.2个比特而不是4个比特。概率整形还可小幅减少非线性失真以实现短期记忆效应。然而，这种方法不允许通过大型内存来控制为光纤非线性指定的非线性信号特性。
现有的一些方法考虑最小化不同的非线性度量。然而，这些现有方法无法在整形意义方面提供光纤非线性降低的有效度量。此外，现有方法不包含任何关于如何在大型内存块中覆盖任意形式的非线性度量最小化的通用方法。
因此，需要解决在光纤通信中使用概率整形来优化容量的已知技术方面的上述技术缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于光纤通信的编码器以及一种光纤传输装置，同时避免现有技术方法的一个或多个缺点。
这些目的通过独立权利要求的特征来实现。其它实现方式在从属权利要求、说明书和附图中显而易见。
本发明提供了一种用于光纤通信的编码器以及一种光纤传输装置。
根据第一方面，提供了一种用于光纤通信的编码器。所述编码器包括输入端、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)和输出端。所述输入端接收信息比特序列。所述数字信号处理器(digital signal processor，DSP)用于将所述信息比特序列转换为调制符号序列以调制光载波信号。所述输出端用于输出所述调制符号序列。所述DSP用于将所述信息比特序列转换为所述调制符号序列，使得所述调制符号序列在符号序列候选集中的所有符号序列中具有最小信号功率度量值。所述候选集中的所述符号序列是符号空间中所述信息比特序列的不同表示。
因此，使用所述编码器修改所述传输的信息比特序列可改变所述传输的光载波信号的特性，从而减少通过所述光纤进行传播期间的非线性分量。因此，信号功率度量公式允许以相对较小的开销减少沿所述光纤的一个或多个低频分量。
可选地，所述信号功率度量基于沿传输路径的多个兴趣点(points of interest，POI)处的信号功率。可选地，所述信号功率度量m表示兴趣点(point of interest，POI)处所述信号功率的功率谱密度的至少一个低频分量。
可选地，所述信号功率度量m在时域中通过以下等式计算：
式中，
是一组整形调制符号并在第一偏振中传输；/>是一组整形调制符号并在第二偏振中传输；/>是给定POI的时域色散滤波器的系数向量；/>是卷积算子；LPF是低通滤波器算子。
可选地，所述信号功率度量M在频域中通过以下等式计算：
式中，
是一组整形调制符号并在第一偏振中传输；/>是一组整形调制符号并在第二偏振中传输；/>是给定POI的频域色散滤波器的系数向量；FFT()是快速傅里叶变换算子；⊙是逐元素乘法的算子；delay(*,n)是循环移位算子；mem是分箱数量；·是标量积算子。
可选地，和/>中的每一个都是复值。可选地，/>和/>中的每一个都是幅度相移键控(amplitude and phase shift keying，APSK)符号。可选地，/>和/>中的每一个都是正交调幅(quadrature-amplitude modulation，QAM)符号。可选地，/>和/>中的每一个都是实值。可选地，/>和/>中的每一个都是脉冲调幅(pulse-amplitude modulation，PAM)符号。
可选地，所述DSP还用于通过从所述候选集中的所述符号序列中选择具有所述最小度量值的符号序列来获得所述调制符号序列。可选地，通过与所述输入比特序列映射的所述符号序列进行比较，来改变所选符号序列的星座图上的每个符号或至少一个符号的象限。可选地，即使与同一符号对应的输入比特也被编码为不同象限中的符号。可选地，所述DSP还用于通过以下方式生成所述符号序列候选集：生成多个整形比特序列，所述整形比特序列中的每一个是所述信息比特序列的表示；将每个整形比特序列映射到所述符号空间。可选地，所述整形比特序列中的每一个包括：所述信息比特序列的编码形式；用于对所述编码形式进行解码的码字的指示。
可选地，所述DSP还用于通过对所述信息比特序列应用所述码字来生成所述信息比特序列的所述编码形式。可选地，对所述信息比特序列应用所述码字包括对比特进行排列。可选地，对所述信息比特序列应用所述码字包括根据比特应用异或运算(exclusive oroperation，XOR)。可选地，所述输出端连接到或可连接到光发送器。
根据第二方面，提供了一种光纤传输装置。所述光纤传输装置包括上述编码器和光发送器。所述光发送器具有连接到所述编码器的所述输出端的输入端以及连接或可连接到光纤的输出端。
因此，使用所述编码器修改所述传输的信息比特序列可改变所述传输的光载波信号的特性，从而减少通过所述光纤进行传播期间的非线性分量。因此，信号功率度量公式允许以相对较小的开销减少沿所述光纤的一个或多个低频分量。
可选地，所述光发送器用于：根据所述调制符号序列调制光载波信号；在所述光发送器的所述输出端输出所述调制的光载波信号。
本发明解决了现有技术中的技术问题，所述技术问题涉及在整形意义方面提供光纤非线性降低的有效度量，以及如何在大型内存块中覆盖任意形式的非线性度量最小化。
因此，与现有技术相比，根据所述编码器和所述光纤传输装置，使用所述编码器修改所述传输的信息比特序列了改变所述传输的光载波信号的特性，从而减少通过所述光纤进行传播期间的非线性分量。因此，信号功率度量公式允许以相对较小的开销减少沿所述光纤的一个或多个低频分量。
根据下面描述的一种或多种实现方式，本发明的这些方面和其它方面将变得显而易见。
附图说明
现仅通过示例的方式结合附图对本发明的各实现方式进行说明，其中：
图1示出了本发明的一种实现方式提供的用于光纤通信的编码器的框图；
图2示出了本发明的一种实现方式提供的用于最小化特定兴趣点处信号功率的功率谱密度的一个或多个低频分量的传输通道的示意图；
图3示出了本发明的一种实现方式提供的信息比特序列的整形过程的框图；
图4示出了本发明的一种实现方式提供的64-QAM的整形过程的一示例性图示；
图5示出了本发明的一种实现方式提供的在64-QAM的模拟中使用编码器之后链路余量变化的另一示例性图示；
图6示出了本发明的一种实现方式提供的16-正交幅度调制(quadratureamplitude modulation，QAM)的整形过程的一示例性图示；
图7示出了本发明的一种实现方式提供的在16-QAM的模拟中使用编码器之后链路余量变化的一示例性图示；
图8A示出了现有技术提供的在不使用编码器的情况下评估信号功率的功率谱密度的一个或多个低频分量的一示例性图示；
图8B示出了本发明的一种实现方式提供的在使用编码器的情况下评估信号功率的功率谱密度的一个或多个抑制低频分量的一示例性图像；
图9示出了本发明的一种实现方式提供的光纤传输装置的框图。
具体实施方式
本发明的实现方式提供了一种编码器以及用于修改传输信号的度量，以提供允许在通过光纤进行传播期间减少非线性分量的特殊特性。
为了使本领域技术人员更容易理解本发明的方案，结合附图描述了本发明的以下实现方式。
本发明的说明书、权利要求书及上述附图中的“第一”、“第二”、“第三”和“第四”(如果有)等术语用于区分相似的对象，而不一定用于描述特定的序列或顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，例如使得本文描述的本发明的实现方式能够以本文所示或所描述的序列以外的序列来实现。此外，术语“包括”和“具有”及其任何变体旨在涵盖非排他性包括。例如，包括一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不一定限于明确列出的步骤或单元，而是可以包括未明确列出的或此类过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1示出了本发明的一种实现方式提供的用于光纤通信的编码器100的框图。编码器100包括输入端104、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)106和输出端108。输入端104接收信息比特序列102。数字信号处理器(DSP)106用于将信息比特序列102转换为调制符号序列110以调制光载波信号。输出端108用于输出调制符号序列110。DSP106用于将信息比特序列102转换为调制符号序列110，使得调制符号序列110在符号序列候选集中的所有符号序列中具有最小信号功率度量值。所述候选集中的所述符号序列是符号空间中信息比特序列102的不同表示。DSP 106可以是专用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)。
因此，使用编码器100修改所述传输的信息比特序列102可改变所述传输的光载波信号的特性，从而减少通过所述光纤进行传播期间的非线性分量。因此，信号功率度量公式允许以相对较小的开销减少沿所述光纤的一个或多个低频分量。
DSP 106还用于通过从所述候选集中的所述符号序列中选择具有所述最小度量值的符号序列来获得调制符号序列110。DSP 106还用于通过与所述输入比特序列映射的所述符号序列进行比较，来改变所选符号序列的星座图上的每个符号(或至少一个符号)的象限。DSP 106还用于将与同一符号对应的输入比特编码为不同象限中的符号。DSP 106还用于通过以下方式生成所述符号序列候选集：生成一个或多个整形比特序列；将每个整形比特序列映射到所述符号空间。所述整形比特序列中的每一个是所述信息比特序列的表示。所述整形比特序列中的每一个可以包括：所述信息比特序列的编码形式；用于对所述编码形式进行解码的码字的指示。
可选地，DSP 106还用于通过对所述信息比特序列应用所述码字来生成所述信息比特序列的所述编码形式。对所述信息比特序列应用所述来自可以包括对比特进行排列。可选地，对所述信息比特序列应用是码字包括根据比特应用异或运算(exclusive oroperation，XOR)。
图2示出了本发明的一种实现方式提供的用于最小化特定兴趣点处信号功率的传输通道200的示意图。传输通道200包括信号放大器202A-202K。一旦输入信号通过所述信号放大器202A-202K，所述信号就会被放大。这转而会改变所述信号的特征。通过以块的方式修改块中所传输的信息比特序列，来最小化所述特定兴趣点处所述信号功率的功率谱密度的一个或多个低频分量。所述信息比特序列的所述修改使用码本执行。所述码本可以在开始传输之前生成一次，可用于发送器201A-201K和接收器204A-204K。所述码本包含若干行，所述行长度相同，每行称为码字。每个码字可以表示对每个块进行的不同修改。可选地，每个码字包括所述块中比特的排列位置。可选地，每个码字包括二进制数，用于对所述块中的比特应用XOR运算。可选地，码字以随机或特殊方式生成。
可选地，提供信号功率度量，所述信号功率度量基于沿传输路径的一个或多个兴趣点(points of interest，POI)(203A-203K)处的信号功率。所述信号功率度量m表示一个或多个兴趣点(points of interest，POI)(203A-203K)处所述信号功率的所述功率谱密度的一个或多个低频分量。
可选地，所述信号功率度量m在时域中通过以下等式计算：
式中，
是一组整形调制符号并在第一偏振中传输；/>是一组整形调制符号并在第二偏振中传输；/>是给定POI的时域色散滤波器的系数向量；/>是卷积算子；LPF是低通滤波器算子。
可选地，所述信号功率度量M在频域中通过以下等式计算：
式中，
是一组整形调制符号并在第一偏振中传输；/>是一组整形调制符号并在第二偏振中传输；/>是给定POI的频域色散滤波器的系数向量；FFT()是快速傅里叶变换算子；⊙是逐元素乘法的算子；delay(*,n)是循环移位算子；mem是分箱数量；·是标量积算子。
可选地，和/>中的每一个都是复值。可选地，/>和/>中的每一个都是幅度相移键控(amplitude and phase shift keying，APSK)符号。可选地，/>和/>中的每一个都是正交调幅(quadrature-amplitude modulation，QAM)符号。可选地，/>和/>中的每一个都是实值。可选地，/>和/>中的每一个都是脉冲调幅(pulse-amplitude modulation，PAM)符号。
图3示出了根据本发明的一种实现方式提供的信息比特序列的编码过程的框图。所述编码过程在发送器端执行。在步骤302中，将所述信息比特序列分成不同的块，并逐块处理。在步骤304中，对块应用码本中的所有码字以获得候选编码块集。可选地，通过根据每个码字对比特进行排列来生成候选编码块。可选地，通过根据每个码字应用XOR运算来生成候选编码块。集中候选编码块的数量等于码本中码字的数量。在步骤306中，将所述应用的码字的指示添加到每个候选编码块以获得候选整形比特序列集。在步骤308中，将每个候选整形比特序列映射到候选调制符号序列。在步骤310中，计算所有候选调制符号序列的信号功率度量。在步骤312中，选择具有最小功率度量的所述候选调制符号序列。所述序列是用于输入块的编码器的输出端。为了处理后续输入块，重复步骤304～312。
例如，通过对幅度比特进行排列或对符号比特应用XOR来改变所述块以提供特殊特性。如果应用概率整形，则这些编码方法允许保持信号的熵。
图4示出了本发明的一种实现方式提供的64-正交幅度调制(quadratureamplitude modulation，QAM)的整形过程的一示例性图示。所述64-QAM通常用于地铁和长途光纤传输。为了说明，此处块的长度为4个符号，其中包括两个正交偏振(X偏振和Y偏振)以及垂直列中描述的每个偏振每个符号6个比特。所述块中的不同行分别表示64-QAM符号的实数部分和虚数部分的幅度和符号比特。所述块中的幅度比特通过排列方法使用表示整形块中幅度比特的新位置的码字进行编码。表示码本中码字位置的数字可以放置在所述符号比特内的预留位置。这些冗余比特保留在输入信息比特中，这增加了所述方法的开销。在该示例中，所述码本中有4个码字，因此预留了2个比特来表示每个候选整形比特序列中使用的码字。
一旦所述整形和映射过程完成，就需要计算所述信号功率度量，并从具有最小度量的4个候选调制符号序列中选择一个用于传输。
使用本发明的一种实现方式提供的编码器整形的信号在通过光纤进行传播时，可能会由于光纤非线性而经历较少SNR降级。这导致某些选定的误码率(Bit-Error-Rate，BER)水平下链路余量增强。所述增强的链路余量可用于增加传输距离或数据速率，已可用于提高对通道损伤的抵抗力。
图5示出了本发明的一种实现方式提供的在64-QAM的模拟中使用编码器之后链路余量变化的一示例性图示。传输光纤为单模光纤(single-mode optical fiber，SMF)，具有10个跨距，表示800公里(kilometer，km)的距离。将信号熵固定为每个符号4.5比特后，在最佳发射功率下，传输链路余量提高0.80dB。
图6示出了本发明的一种实现方式提供的16-正交幅度调制(QuadratureAmplitude Modulation，QAM)的整形过程的一示例性图示。所述16-QAM通常用于地铁和长途光纤传输。为了说明，此处块的长度为4个符号，其中包括两个正交偏振(X偏振和Y偏振)以及垂直列中描述的每个偏振每个符号4个比特。所述块中的不同行分别表示16-QAM符号的实数部分和虚数部分的幅度和符号比特。使用包含二进制数的码字，通过XOR运算对所述块中虚数部分的所述符号比特进行编码。码字对应位置处的二进制1表示符号比特反转，二进制0表示位置处的符号比特保持不变。表示码本中码字位置的数字可以放置在所述符号比特内的预留位置。这些冗余比特保留在输入信息比特中，这增加了所述方法的开销。在该示例中，所述码本中有4个码字，因此预留了2个比特来表示每个候选整形比特序列中使用的码字。
一旦所述整形和映射过程完成，就需要计算所述信号功率度量，并从具有最小度量的4个候选调制符号序列中选择一个用于传输。
图7示出了本发明的一种实现方式提供的在16-QAM的模拟中使用编码器之后链路余量变化的一示例性图示。传输光纤为单模光纤(single-mode optical fiber，SMF)，具有25个跨距，表示2000公里(kilometer，km)的距离。将信号熵固定为每个符号3个比特后，在最佳发射功率下，传输链路余量提高0.83dB。
图8A示出了现有技术提供的在不使用编码器的情况下评估信号功率的功率谱密度的一个或多个低频分量的一示例性图示；图8B示出了本发明的一种实现方式提供的在使用编码器的情况下评估信号功率的功率谱密度的一个或多个抑制低频分量的一示例性图示。通过比较图8A和图8B，显而易见的是，存在除兴趣点(point of interest，POI)处低频分量的发送器功率电平之外的降低。
图9示出了本发明的一种实现方式提供的光纤传输装置的框图。光纤传输装置900包括编码器902和光发送器904。光发送器904具有连接到所述编码器的输出端的输入端以及连接到或可连接到光纤906的输出端。光发送器904用于：根据调制符号序列调制光载波信号；在光发送器904的所述输出端输出所述调制光载波信号。可选地，所述输出端连接到或可连接到光发送器904。
本发明提供了要传输的信息比特序列的整形过程，所述整形过程允许为所述信息比特序列提供特殊特性。这些特性不仅减少了所述发送器输出端处的低频功率分量，而且还在通过信号经历色散的光纤进行传播期间减少了低频功率分量。这降低了由于光纤特性引起的非线性失真造成的信号退化。此外，信号功率度量公式允许以相对较小的开销最小化沿所述光纤的信号功率的功率谱密度的一个或多个低频分量。
本发明允许在信号传输线内最小化特定点处将包含信号功率的度量来进行整形。例如，由于高信号功率(即，接近放大器输出)，特定点可以是具有高非线性的点。此外，通过排列或XOR运算来改变要传输的信息比特序列(例如，符号和/或幅度)，以减少在光纤传播期间中经历的光纤非线性信号。
应当理解，在所描述的附图中示出的组件的布置是示例性的，并且可以进行其它布置。还应理解，由以下描述的权利要求定义并在各种框图中示出的各种系统组件(和模块)表示根据本文公开的主题配置的一些系统中的组件。例如，这些系统组件(和模块)中的一个或多个可以全部或部分地通过所描述的附图中所示的布置中所示的组件中的至少一些来实现。
此外，虽然这些组件中的至少一个至少部分地实现为电子硬件组件，并因此构成机器，但其它组件可以在软件中实现，当该软件包括在执行环境中时，构成机器、硬件或软件和硬件的组合。
虽然本发明及其优点已详细描述，但是应当理解，在不脱离所附权利要求书界定的本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种改变、替代和更改。
Claims (16)
1.一种用于光纤通信的编码器(100、902)，其特征在于，包括：
输入端(104)，用于接收信息比特序列(102)；
数字信号处理器(digital signal processor，DSP)(106)，用于将所述信息比特序列(102)转换为调制符号序列(110)以调制光载波信号；
输出端(108)，用于输出所述调制符号序列(110)；
其中，所述DSP(106)用于将所述信息比特序列(102)转换为所述调制符号序列(110)，使得所述调制符号序列(110)在符号序列候选集中的所有符号序列中具有最小信号功率度量值，其中所述候选集中的所述符号序列是符号空间中所述信息比特序列(102)的不同表示。
2.根据权利要求1所述的编码器(100、902)，其特征在于，所述信号功率度量基于沿传输路径的多个兴趣点(points of interest，POI)(203A-203K)处的信号功率。
3.根据权利要求1或2所述的编码器(100、902)，其特征在于，所述信号功率度量m表示兴趣点(point of interest，POI)处所述信号功率的功率谱密度的至少一个低频分量。
4.根据权利要求3所述的编码器(100、902)，其特征在于，所述信号功率度量m在时域中通过以下等式计算：
式中，
是一组整形调制符号并在整形后在第一偏振中传输；
是一组整形调制符号并在整形后在第二偏振中传输；
是给定POI的时域色散滤波器的系数向量；
是卷积算子；
LPF是低通滤波器算子。
5.根据权利要求3所述的编码器(100、902)，其特征在于，所述信号功率度量M在频域中通过以下等式计算：
式中，
式中，
是一组整形调制符号并在第一偏振中传输；
是一组整形调制符号并在第二偏振中传输；
是给定POI的频域色散滤波器在频域中的系数向量；
FFT()是快速傅里叶变换算子；
⊙是逐元素乘法的算子；
delay(*,m)是循环移位算子；
mem是分箱数量；
·是标量积算子。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的编码器(100、902)，其特征在于，所述DSP(106)还用于通过从所述候选集中的所述符号序列中选择具有所述最小度量值的符号序列来获得所述调制符号序列(110)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的编码器(100、902)，其特征在于，通过与所述输入比特序列映射的所述符号序列进行比较，来改变所述选择的符号序列的星座图上的至少一个符号的象限。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的编码器(100、902)，其特征在于，即使与同一符号对应的输入比特也被编码为不同象限中的符号。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的编码器(100、902)，其特征在于，所述DSP(106)还用于通过以下方式生成所述符号序列候选集：
生成多个整形比特序列，所述整形比特序列中的每一个是所述信息比特序列的表示；
将每个整形比特序列映射到所述符号空间。
10.根据权利要求9所述的编码器(100、902)，其特征在于，所述整形比特序列中的每一个包括：
所述信息比特序列(102)的编码形式；
用于对所述编码形式进行解码的码字的指示。
11.根据权利要求10所述的编码器(100、902)，其特征在于，所述DSP(106)还用于通过对所述信息比特序列应用所述码字来生成所述信息比特序列(102)的所述编码形式。
12.根据权利要求11所述的编码器(100、902)，其特征在于，对所述信息比特序列应用所述码字包括对比特进行排列。
13.根据权利要求11所述的编码器(100、902)，其特征在于，对所述信息比特序列应用所述码字包括根据比特应用异或运算(exclusive or operation，XOR)。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的编码器(100、902)，其特征在于，所述输出端(108)连接到或可连接到光发送器(904)。
15.一种光纤传输装置(900)，其特征在于，包括：
根据权利要求1至14中任一项所述的编码器(100、902)；
光发送器(904)；
所述光发送器(904)具有连接到所述编码器(100、902)的所述输出端的输入端以及连接到或可连接到光纤(906)的输出端。
16.根据权利要求15所述的光纤传输装置(900)，其特征在于，所述光发送器(904)用于：
根据调制符号序列调制光载波信号；
在所述光发送器(904)的所述输出端输出所述调制的光载波信号。
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| PCT/RU2021/000351 WO2023018348A1 (en) | 2021-08-13 | 2021-08-13 | Encoder for fiber-optic communication and fiber-optic transmission apparatus |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
ID=78080414
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202180100938.9A Pending CN117795870A (zh) | 2021-08-13 | 2021-08-13 | 用于光纤通信的编码器及光纤传输装置 |
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| WO2023018348A1 (en) | 2023-02-16 |
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