CN1249085A - 一种接收方法和接收机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接收方法和接收机。装置(24)用于在每个值(“值”)生成与比特1和比特0相关的,代表残存路径转移量概率的数。装置(25)用于分别累加与多于一个状态的比特1和比特0相关的,代表转移量概率的数。装置(27)用于生成所述累加和的对数,装置(28)用于生成与比特1和比特0相关的,代表转移量概率的对数之差,从而能够确定接收的比特,而不需要正确路径跟踪阶段。

Description

一种接收方法和接收机

本发明涉及一种接收方法，其中接收码元是比特的函数，这些比特由连续的格构值(trellis level)A和B通过以下过程检测：将导致值A的每个状态的每条路径的转移量(metric)之和加上涉及比特1和比特0，并导致下一值B的路径分支的转移量；在值A之后的值B处比较进入每一状态的路径分支的转移量之和；以及在值B的每个状态根据转移量之和选择两条路径中的最佳路径作为残存路径。

本发明还涉及一种接收方法，其中接收码元是比特的函数，这些比特由连续的格构值A和B通过以下过程检测：将导致值A的每个状态的路径的转移量之和加上与比特1和比特0相关的，导致下一值的转移量；在值A之后的值B处比较进入每一状态的路径分支的转移量之和；以及在值B的每个状态根据转移量之和选择两条路径中的最佳路径作为残存路径。

本发明还涉及一种接收机，包括生成格构转移量的装置，该装置用于确定与接收码元相关的比特；选择装置，用于将导致两个连续值A和B中的值A的每个状态的每条路径的转移量之和加上导致下一值B的两个路径分支的转移量；在值A之后的值B处比较进入每一状态的路径分支的转移量之和；以及在值B的每个状态根据转移量之和选择两条路径中的最佳路径作为残存路径。

本发明还涉及一种接收机，包括生成格构转移量的装置，该装置用于确定与接收码元相关的比特；选择装置，用于将导致两个连续值A和B中的值A的每个状态的每一路径的转移量之和加上导致下一值的两个路径分支的转移量；在值A之后的值B处比较进入每一状态的路径分支的转移量之和；以及在值B的每个状态根据转移量之和选择两条路径中的最佳路径作为残存路径。

在有限状态离散时间的马尔科夫过程中，影响估计的白噪声通常与数字蜂房无线系统的条件有关，维特比算法为序列估计提供了优化递归算法，但是，该算法却无法很好地检测单个比特。接收信号可以在蜂房无线系统的基站或用户终端进行维特比编码。在接收机的维特比解码过程中，搜寻最可能的发送数据序列。这样，在维特比解码过程中，检测出对应于发送信息的码元，这些码元代表了发送消息的比特或比特组合。如同众所周知的那样，在信号检测和解码过程中使用维特比算法。维特比算法根据信号生成ML(最大似然)序列估计，一般还作出信道解码功能的软判决。ML估计包括信号所包含的码元序列估计。ML方法在McGraw-Hill Book Company于1989出版的Proakis，J.，G.，Digital Communications的第4.2章中讨论，维特比算法的硬件实现在以下出版物中讨论：Fettweis，G.，Meyer，H.，High-Speed Parallel Viterbi Decoding：Algorithm and VLSI Architecture，IEEE Communications Magazine，Vol.29(5)，1991，此处将其列出以供参考。

现有技术维特比检测器在进行位判决时需要正确的通路跟踪阶段。这导致比特检测出现延时。此外，维特比检测器会出现颤抖(falter)现象，也就是说，即使选错了一次路径分支也会在多个状态转移期间丢失正确路径。

这样，本发明的一个目的是提供一种类似于维特比算法的接收方法和接收机，该方法和接收机使得能够进行直接位判决，而不需要采用正确的通路跟踪。

这通过前序中描述的方法实现，其特征在于，在值B处单独为码元中的每个比特生成与比特1和比特0相关的，代表残存路径转移量概率的数；分别累加与多于一个状态的比特1和比特0相关的，代表转移量概率的数；生成累加和的对数；以及生成累加和的对数之差，根据该差值确定接收信号。

前序中描述的方法的特征还在于，在值B处单独为码元中的每个比特生成与比特1和比特0相关的，代表残存路径转移量概率的数；分别累加与多于一个状态的比特1和比特0相关的，代表转移量概率的数；将生成的累加和彼此相除；生成累加和的商的对数，根据该对数确定接收比特。

本发明的接收机的特征在于，接收机包括在值B处单独为码元中的每个比特生成与比特1和比特0相关的，代表残存路径转移量概率的数的装置；在值B处分别累加与多于一个状态的比特1和比特0相关的，代表转移量的数的装置；存储代表转移量概率的数的累加和结果的装置；生成所述累加和的对数的装置；以及生成累加和的对数之差，从而能够直接确定接收的比特的装置。

本发明的接收机的特征还在于，接收机包括在值B处单独为码元中的每个比特生成与比特1和比特0相关的，代表残存路径转移量概率的数的装置；分别累加与多于一个状态的比特1和比特0相关的，代表转移量概率的数的装置；存储代表转移量概率的数的累加和结果的装置；生成由该装置生成的，代表转移量概率的数的累加和结果的商的装置；以及生成所述除后的累加和的对数，以确定接收比特的装置。

本发明方法具有多个突出的优点：它改进了检测性能，加速了位判决，并消除了现有技术维特比检测中典型的颤抖。

下面结合附图给出的例子详细描述本发明，在附图中

图1说明了格构图；

图2说明了接收解码器；

图3说明了接收机；以及

图4说明了接收机。

本发明的方案可以应用于采用维特比算法的数字无线系统，尤其是GSM无线系统，但是不局限于该系统。无线系统中接收的信号的数据样本y可以表示如下：

y＝HS+n，                          (1)

其中H是信道估计，即脉冲相应估计，S代表发送的数据，n代表噪声和干扰。粗体用于表示该字符是矢量或矩阵。让我们首先考察本发明方案的理论基础。确定具有两个元素的组B。组B称为比特B＝{a₀，a₁}，其中a₀例如是0，而a₁例如是1。这样，码元S_i可以通过比特x所形成的序列来确定：S_i＝f(x_i，N-1，x_i，N-2，..x_i，0)；x_i，N-1∈BΛx_i，N-2∈BΛ...Λx_i，0∈B，    (2)

这意味着码元S_i是比特x_i，N-1，x_i，N-2，...x_i，0的函数。公式(3)中的符号Λ是一个AND符号。在该表达式中，N代表了比特的数量。

就无记忆信道，即马尔科夫过程而言，接收比特的概率函数p(x_n|y)形式如下： $p\left(x_n\right|y)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{p\left(y\right|x_n,x_i)p(x_n,x_i)}{p\left(y\right)}---\left(3\right)$

其中i是累加和的指标，x_n代表了第n个比特，它是1(或者0)。这样的比特一般映射成值[-1，1]以便计算。按照现有技术工作的维特比检测器的输出是其它接收机部件所需的接收比特的对数似然函数。该函数通过以下方式生成：以字符 x_n表示x_n的反比特，所以如果x_n是1，则 x_n为0，反之亦然；除以其概率，生成对数，从而公式(2)所表示的对数似然函数的形式如下： $\mathrm{In}\frac{p\left(x_n\right|y)}{p\left({\stackrel{-}{x}}_n\right|y)}=\mathrm{In}\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}p(y{x}_n,x_i)\right)-\mathrm{In}\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}p\left(y\right|{\stackrel{-}{x}}_n,x_i)\right),---\left(4\right)$ 其中p(y)已被消除。假定似然性呈以下的瑞利分布： $p\left(y\right|x)=\frac{1}{2\mathrm{\Π}{\mathrm{\σ}}^2}{e}^{\left|\frac{-|y-\mathrm{Hx}{|}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}\right|},---\left(5\right)$

其中σ是干扰的振幅，使得公式(4)可以进一步写成适合Forney量的以下形式：

其中N是干扰的有效值σ²，它以信号方差的形式计算，x表示包含x_n的比特序列， x表示包含 x_n的比特序列。也可以用其它码元来取代比特，其方式对本领域技术人员而言是显而易见的。如果公式(6)应用于本创新方法，则该公式中的干扰有效值可以进一步乘上常量。利用字符J表示的Ungerboeck量则可以将公式(6)写成另一形式： $L=\mathrm{In}\frac{p\left(x_n\right|y)}{p\left(x_n\right|y)}=\mathrm{In}\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{e}^{\frac{J}{2N}}\right)-\mathrm{In}\left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{e}^{\frac{\stackrel{-}{J}}{2N}}\right),---\left(7\right)$

其中J表示与序列x_n相关的量，而 J表示与序列 x_n相关的量。也可以用其它量，例如Forney量来取代Ungerboeck量。Ungerboeck量可以确定为J＝2Re[y(Hx)^H)]+x^HH^HHx，其中2Re[y(Hx)^H)]是对应于匹配滤波器的项，而x^HH^HHx是对应于不依赖于接收码元的基准值的项。也可以不用多个实际的概率，而可以或最好采用描述或表示一个概率的值。根据公式(7)，可以利用本发明的算法确定接收序列中的对数似然比特。

现在让我们根据图1的格构图详细考察本发明的算法，该格构图例如仅包括8个状态(“状态”)和8个值(“值”)。该格构图从左到右处理，这表示了格构中事件的发生次序。转移可以用于从每个值的某一点，即一个状态通过两条不同的路径进行到下一值的N个不同状态，路径的选择取决于接收的比特(比特为1或0)。格构中的状态表示了一个窗口，一次仅显示有限的比特序列中的一些比特(在本例中是包含3个比特的窗口，因为每个值仅包括8个状态)。在出现于窗口一些比特的序列中，因为量在从一个值进行到另一值时总可以忽略一个比特，同时，一个新的接收比特在与其相反的一端进入序列。为了确定接收的比特，在每个状态选择进入状态的最佳路径，即残存路径，将相关数据存储到存储器中。

现在让我们考察两个连续格构值A和B。让我们假定相关值为值3，因而是值B。在本创新方法中，与比特1和比特0相关的，导致下一值的路径分支的转移量与值2处导致每一状态的残存路径转移量的累加和相加。从值3的状态1，即从表示成3比特窗口的状态001，比特1用于转移到值3的状态4，即二进制形式的100。在值间的状态转移由公式(7)中的

和

表示，通常以以下形式写成比特1：TRAN(REM(2^*i+1，MS)，i)，其中i是[0，MS]之间的整数，MS表示格构状态数量，REM表示求余数函数，其功能如下：

i	REM(2*i，8)	REM(2*i+1，8)
			0	0	1
1	2	3
			2	4	5
3	6	7
			4	0	1
5	2	3
			6	4	5
7	6	7

比特0的则形式如下：TRAN(REM(2^*i，MS)，i)。转移TRAN(f(i)，i)，其中f(i)是REM(2^*i+1，MS)或REM(2^*i，MS)，它最好描述了在两个不同值的状态之间发生的转移的对数概率。与现有技术不同的是，在本发明的创新方法中，转移根据干扰的瞬时振幅N调整，如公式(6)和(7)所示。然后，本创新方法比较在所述值A之后的值B处进入每一状态的路径分支的转移量的累加和，根据转移量累加和，将值3处每个状态的两条路径中的最佳路径，即最可能的路径，选为残存路径。

在本创新方法的某个特定值上，该值也可以还是例如值3，比特1和比特0与表示残存路径转移量概率的数，例如e^{(TRAN(f(i)，i))}＝e^A(TRAN(f(i)，i))相关联。也可以用任意实数a取代基数e作为基数，表示概率的数的形式则如下：a^A(TRAN(f(i)，i))＝a^A[(b^x|y-HS|²/(2N)]。与传统维特比检测的唯一不同在于，转移中考虑了干扰N的瞬时。然后，最好由任意实数b加权参量TRAN(f(i)，i)。但是，数a最好是数e或数2，数b则最好±1是±ln2，其中ln是自然对数。这样，单独累加与多于一个状态的比特1和比特0相关，并表示概率的数e^{(TRAN(f(i)，i))}，生成累加和的对数，并按照以下公式生成与比特1和比特0相关的，代表转移量概率的对数之差L： $L=\log \left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{e}^{\mathrm{TRAN}(\mathrm{REM}(2^{*}1+1,\mathrm{MS}),i)}\right)-\log \left(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{e}^{\mathrm{TRAN}(\mathrm{REM}(2^{*}1,\mathrm{MS}),i)}\right),---\left(8\right)$

其中log最好是自然对数。在公式(8)中，需要注意，对任何对数都成立的数学等式是log(p)-log(r)＝log(p/r)，所以，将累加和相除，生成除后的累加和对数，也能够得到同样的结果。如果表示比特似然的数L大于0，则比特是1，如果L小于0，则比特是0。但是，这种结果是软位判决，即它示出了比特为1或0的确定度。用作表示转移量概率的数的累加和的对数函数基数的数最好是数2，而不是Neper数e，因为基数2的使用便于二进制数系统中的浮点数操作。

在本发明中，利用得到的检测结果可调地控制估计的脉冲响应。这可以通过使二次误差最小来实现。通常的最小平方问题(LSE问题)可以通过Kalman滤波器，扩展的Kalman滤波器，递归最小平方(RES)滤波器，最小均方(LMS)滤波器解决。

本创新方法在脉冲响应估计可用时控制用于检测的量。利用比特似然或概率最好进行硬位判决，并利用硬位判决生成码元，从而完成操作。脉冲响应和生成的码元用于生成基准样本，利用最小平方和方法或类似方法比较基准样本与对应的接收样本。然后，利用基准样本和接收样本的比较所生成的最小平方和结果控制检测所用的量，该结果最好提供了一个新的脉冲响应估计

。然后控制该量，沿最小平方和方法中的改变斜率改变脉冲响应估计

。脉冲响应估计 的振幅最好按以下方式控制：res_vec＝create_symbol{hard([out_k，...，out_k-r])}； $\mathrm{dist}=y_k-{\hat{h}}^{*}\mathrm{res}\_\mathrm{ve}{c}^H;$ $\hat{H}=\hat{H}+m{u}^{*}\mathrm{dis}{t}^{*}\mathrm{res}\_\mathrm{vec};---\left(9\right)$ 其中，res_vec是硬位判决的out_k，...，out_k-r，矢量，y_k是接收信号的码元矢量，

是脉冲响应估计，dist是信号样本和基准样本的差矢量，

是基准码元矢量，ma＝[0，1]充当沿斜率变化的加权系数。如果mu是0，则脉冲响应估计不变。根据模拟，参数mu的较好值是例如l/128。

如果进行接收比特的硬位判决，则硬位判决和脉冲响应的卷积用于生成基准样本。在通常情况下，例如根据脉冲响应H和按照以下公式(10)估计的样本估计S计算卷积 ${\left(H^{*}\hat{S}\right)}_j=\mathrm{\Σ}{h}_j\·{\hat{S}}_{i-j},----\left(10\right)$

其中i和j是表示元素的指标。然后，采用公式(11)所示的最小平方和方法临时比较基准样本与相应的接收样本 $\mathrm{LS}=\mathrm{\Σ}|y-H^{*}\hat{S}{|}^2,---\left(11\right)$

其中LS是最小平方和的结果。比较基准样本和接收的样本得到的结果LS用于改变脉冲响应H，从而控制检测所用的量。

按照本创新方法的解码可以在图2框图所示的接收机解码部件中完成。该解码器包括转移量单元21，它主要也是现有技术转移/分支量单元(BMU)或匹配滤波器，以及加-比-选单元(ACS)22，累加量存储器(CUM)23，生成指数的装置24，生成累加和的装置25，寄存器26，生成对数的装置27，生成差值的装置28，寄存器29。本创新方案最好还包括用于进行硬位判决的装置30，生成码元的装置36，生成最小平方和的装置31，生成时延的装置32，以及控制检测部件操作的装置33。本创新方案至少在原则上包括虚线内所示的多个部件24到30，其数量最好等于编码所需的比特数量。

接收的样本被送到转移量计算单元21中，后者也接收信号方差N的信息。在转移量计算单元21中，每个状态生成一个值，该值对应于从每个可能状态到所述状态的转移。如果使用Ungerbock量，则装置21的输出是2Re[y(Hx)^H)]，它对应于匹配滤波器，以及x^HH^HHx，它可以预先在每个维特比状态中用作基准值。上标H表示复共轭的转置。但是，从本发明的主要思想来看，装置21和量的操作都不重要。在选择单元22中，转移加入从累加量单元23得到的累加和中，相互比较路径的转移的累加和，选出最佳结果，所述结果被加入从累加量单元23得到的累加和中，结果存储在累加量单元23中，作为下一列计算的新的累加和。在累加量23中存储了迄今为止为每个值，即每一列的每一状态计算的值。

在图2中，与比特1相关的转移TRAN(REM(2^*i+1，MS)，i)由数34表示，与该转移相关的操作在装置24到27的上部完成。与比特0相关的转移TRAN(REM(2^*i，MS)，i)则由数35表示，与该转移相关的操作在装置24到27的下部完成。在本创新检测部件中，与比特1和比特0相关的转移TRAN(f(i)，i)从装置22进行到装置24，其中利用它们生成的描述比特似然的值基本符合公式(5)中瑞利分布。在装置25中，描述似然的值累加到存储在寄存器26中的其它状态的对应值。在累加中最好考虑了某一值的所有状态的值，尽管对本创新方案而言，考虑与多于一个状态相关的值就已足够。在装置27中，生成比特似然累加和的对数，在装置28中生成对数累加和之差。该差值对应于位判决，最好存储在寄存器29中。

为了改进本创新方案，在装置30使位判决转换成硬位判决，在装置36中生成接收码元的码元估计S。码元估计S还被进一步送到装置31，后者还接收脉冲响应H。利用基准样本，脉冲响应H和码元估计S可以生成卷积，按照公式(10)从接收信号的样本y中以平方形式减去前述基准样本，这些样本还在装置32中延时之后，到达装置31。这样，装置31中生成的最小平方结果用于控制装置21中的量，根据需要改变脉冲响应H。脉冲响应H的改变改进了本创新方案的操作。

图3说明了本发明接收机的框图。除了接收机中的装置281用于累加值和存储在装置25和26中的值的相除之外，该接收机类似于图2的接收机。利用装置27根据该商值生成一个对数，其结果最好存储在寄存器29中。本创新方案至少在原则上包括虚线内所示的多个部件24到30和281，其数量最好等于码元编码所需的比特数量。

本创新方案的特征尤其在于残余存储器单元(SMU)，其中在现有技术检测—维特比检测中进行的正确通路跟踪将不再需要。

例如如下计算本创新方案所需的信道干扰的振幅。首先，利用估计信道脉冲响应和预定序列，例如GSM系统的训练序列，最好以卷积形式生成一个比较信号YR，然后，根据比较信号和从信道接收的信号的预定序列，以方差形式计算干扰能量N。得到的比较信号YR和接收信号Y用于按照公式(3)计算方差类型结果N，其中接收信号Y是接收的预定序列。 $N=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}[\mathrm{Re}{(Y\left(i\right)-\mathrm{YR}\left(i\right))}^2+\mathrm{Im}{(Y\left(i\right)-\mathrm{YR}\left(i\right))}^2]}{Q},---\left(12\right)$

其中Q是任意常量。

图4示出了本发明接收机的框图。该接收机包括天线41，预处理装置42，检测部件43和后处理装置44。从天线41到达的射频信号传送到预处理装置42，后者包括混频器，滤波器和A/D转换器。混频器和滤波器将信号转换到低频，此后在A/D转换器中对信号进行数字化。预处理装置还生成估计脉冲响应h和信号方差N。在检测部件43中按照本发明的方法处理数字信号，检测部件43包括装置21到29，最好还包括装置30到33。然后，该信号被送到装置44以进行处理，这些处理尽管对本发明并不重要，但却是基站或用户终端的操作所必需的功能。

本发明的方案尤其在数字信号处理方面可以例如通过ASIC或VLSI电路(应用特定集成电路，甚大规模集成)提供。需要完成的操作最好由基于微处理机技术的程序来完成。

尽管以上结合按照附图的例子描述了本发明，但显然本发明并不局限与此，而可以在后附权利要求书给出的创新思想范围内通过多种方式予以改进。

Claims (10)

1.一种接收方法，其中接收码元是比特的函数，这些比特在连续的格构值A和B处通过以下过程检测：将导致值A的每个状态的每条路径的转移量之和加上涉及比特1和比特0，并导致下一值B的路径分支的转移量；在值A之后的值B处比较进入每一状态的路径分支的转移量之和；以及在值B的每个状态根据转移量之和选择两条路径中的最佳路径作为残存路径，其特征在于，

在值B处单独为码元中的每个比特生成与比特1和比特0相关的，代表残存路径转移量概率的数；

分别累加与多于一个状态的比特1和比特0相关的，代表转移量概率的数；

生成累加和的对数；以及

生成累加和的对数之差，根据该差值确定接收信号。

2.一种接收方法，其中接收码元是比特的函数，这些比特在连续的格构值A和B处通过以下过程检测：将导致值A的每个状态的每一路径的转移量之和加上与比特1和比特0相关的，导致下一值的路径分支的转移量；在值A之后的值B处比较进入每一状态的路径分支的转移量之和；以及在值B的每个状态根据转移量之和选择两条路径中的最佳路径作为残存路径，其特征在于，

在值B处单独为码元中的每个比特生成与比特1和比特0相关的，代表残存路径转移量概率的数；

分别累加与多于一个状态的比特1和比特0相关的，代表转移量概率的数；

将生成的累加和彼此相除；

生成累加和的商的对数，根据该对数确定接收比特。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在生成转移量时，将干扰的影响考虑在内。

4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，用作累加和的对数函数基数的数是2。

5.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，如果脉冲响应可用，

接收的比特用于进行硬位判决；

利用硬位判决生成码元；

所述码元和脉冲响应用于生成基准样本；

利用最小平方和方法比较基准样本与对应的接收样本；以及

利用基准样本和接收样本的比较得到的结果控制检测所用的量。

6.一种接收机，包括生成格构转移量的装置(21)，该装置用于确定与接收码元相关的比特；选择装置(22)，用于将导致两个连续值A和B中的值A的每个状态的每条路径的转移量之和加上导致下一值B的两个路径分支的转移量；在值A之后的值B处比较进入每一状态的路径分支的转移量之和；以及在值B的每个状态根据转移量之和选择两条路径中的最佳路径作为残存路径，其特征在于，接收机包括

在值B处单独为码元中的每个比特生成与比特1和比特0相关的，代表残存路径转移量概率的数的装置(24)；

在值B处分别累加与多于一个状态的比特1和比特0相关的，代表转移量的装置(25)；

存储代表转移量概率的数的累加和结果的装置(26)；

生成所述累加和的对数的装置(27)；以及

生成累加和的对数之差，从而能够直接确定接收的比特的装置(28)。

7.一种接收机，包括生成格构转移量的装置(21)，该装置用于确定与接收码元相关的比特；选择装置(22)，用于将导致两个连续值A和B中的值A的每个状态的每一路径的转移量之和加上导致下一值B的两个路径分支的转移量；在值A之后的值B处比较进入每一状态的路径分支的转移量之和；以及在值B的每个状态根据转移量之和选择两条路径中的最佳路径作为残存路径，其特征在于，接收机包括

在值B处单独为码元中的每个比特生成与比特1和比特0相关的，代表残存路径转移量概率的数的装置(24)；

分别累加与多于一个状态的比特1和比特0相关的，代表转移量的装置(25)；

存储代表转移量概率的数的累加和结果的装置(26)；

生成由该装置(25和26)生成的，代表转移量概率的数的累加和结果的商的装置(281)；以及

生成所述除后的累加和的对数，以确定接收比特的装置(27)。

8.根据权利要求6或7的接收机，其特征在于，接收机包括生成转移量的装置(21)，该装置在生成转移量时，将干扰的影响考虑在内。

9.根据权利要求6或7的接收机，其特征在于，装置(27)中用作对数函数基数的数是2。

10.根据权利要求6或7的接收机，其特征在于，接收机包括

利用接收的比特进行硬位判决的装置(30)；

利用硬位判决生成码元的装置(36)；

利用所述码元和脉冲响应生成基准样本，利用最小平方和方法比较基准样本与对应的接收样本；并利用比较得到的结果控制装置(21)的装置(31)。

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