CN1409850A - 可编程卷积器 - Google Patents
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Abstract
一种对一个第一信号(32)与第二信号进行卷积运算的方法。该方法包括产生一个响应于第二信号的乘积信号、将第一信号与乘积信号的多个时间偏移形式相乘(34)、对第一信号与乘积信号的多个时间偏移形式相乘的结果进行积分运算(38)、执行积分运算的时间间隔大于至少两个时间偏移形式间的时间差、根据积分的结果而提供出一个输出信号。
Description
发明领域
本发明涉及电子处理装置,特别涉及卷积器。
发明背景
卷积器通常在多种信号处理装置如通信装置中使用。卷积器对一对信号执行卷积运算。滤波器是卷积器的一个子装置,该卷积器在一个输入信号和滤波器的脉冲响应之间执行卷积运算。相关器是卷积器的另一个子装置,其中该卷积器在一个第一输入信号和一个第二输入信号的反相(time inverse)之间执行卷积运算。为了简化下面的描述,假定被卷积信号中的一个具有一个有限的持续时间。
连续时间(continuous time)模拟滤波器已经使用了很长时间,其中上述模拟滤波器的输入和输出都是连续的模拟信号。连续时间模拟滤波器实际上是一个模拟卷积器,该模拟卷积器在一个连续时间模拟输入和滤波器的一个脉冲响应之间执行卷积运算。在某些约束条件下合成滤波器的脉冲响应是公知的。然而,由于构成模拟卷积器的电子部分(如电阻器和电容器)的不准确性,从而引起模拟滤波器的不准确。另外,制造可编程连续模拟滤波器也是很困难的。
图1为现有技术中的离散时间(discrete time)卷积器28。一个开关26以速率1/T对一个第一输入信号x(t)进行采样从而形成采样信号x(n)。采样信号x(n)被依次传送通过一系列的延迟装置20。乘法器22将来自每一个延迟装置20的被延迟采样信号x(n)与一个第二输入信号h(t)的采样信号h(n)相乘,然后通过一个加法器24将上述乘积相加从而得到输出信号y(t)的被卷积采样信号y(n)。
在一些卷积器中,常采用电荷耦合装置(CCDs)来实现延迟装置20,采样信号x(n)和h(n)具有模拟(连续)的值,乘法器22是模拟乘法器。CCD延迟装置和模拟乘法器通常体积小、结构简单、运算快并且耗电低。然而,通过CCD延迟装置的采样信号都会遭受降级,这样就限制了串联使用的延迟装置的数量和/或降低了卷积器的精确性。
为了解决降级这一问题,有人建议采用如下方式:将采样信号x(n)保持在循环缓冲器中,并使h(j)采样信号滑过(slide past)循环缓冲器从而实现乘法操作。目前还有一种时间离散可编程模拟值滤波器,该模拟值滤波器可利用电容器对滤波器执行加法和乘法操作。
在其他的卷积器中,还可利用具有离散值的数字计录器来实现延迟装置20。这些卷积器中的采样信号不会降级,但是其延迟装置的耗电量相对较高。
所有上述的时间离散卷积器接收采样的输入x(n)和h(j)。为了不丢失信息,必须以一定的速率对连续信号x(t)和h(t)进行采样,上述速率至少是相应信号带宽的两倍。在很多情况下需要非常高的采样速率,这是因为h(t)在时间上通常是有限的(finite)且带宽无限(infinite)。在许多情况下非常高的采样速率需要使用多个延迟装置20。另外为了对采样引起的混叠频率进行衰减还需要采用一种防混叠滤波器。
附图说明
下面结合附图并参考对实施例的说明,本发明将更为容易理解。
图1是现有技术中的一种卷积器的示意图;
图2为根据本发明的一个实施例的卷积器的示意性框图;
图3为图2中根据本发明的一个实施例的卷积器内的信号的时间波形图;
图4为根据本发明的一个实施例的一个复合卷积器的示意性框图;
图5为根据本发明的一个实施例的一个复合乘法器的示意性框图。
实施例的详细说明
本发明的一些实施例的一个方面涉及一种卷积器,该卷积器对连续的输入信号进行运算操作。一个第一信号与第二信号一个时间反相(inversion)的多个相应的时间偏移形式(time shifted version)相乘。在第二信号(或者当第二信号是无限时它的主要部分)的持续期间对乘积的结果进行积分。上述积分的结果作为卷积的采样信号输出。
在本发明的一个实施例中,卷积器包括多个时间连续的乘法器和相应的积分器。在本发明的一些实施例中,卷积器中乘法器的数目要大于第二信号的持续时间和卷积的采样信号之间所需的采样时间的比值。作为选择,乘法器的数目是大于上述比值的最小整数。需注意的是:在许多情况下卷积信号的带宽小于输入信号的带宽,因此卷积信号的所需采样速率通常小于输入信号所需的采样速率。
图2为根据本发明的一个实施例的卷积器30的示意性框图。同时还参考图3,其中图3为根据本发明的一个实施例的卷积器30之内的信号的波形图,上述卷积器30具有四个乘法器。卷积器30对一对连续的输入信号x(t)和h(t)60执行卷积运算。信号x(t)在时间上可以是有限的或者无限的,而信号h(t)在时间上是有限的并具有一个长度Th。需注意的是,信号h(t)可以是一个近似的无限信号,其中该无限信号的大多数能量位于长度Th之内。多个乘法器34反复地将线路32上的信号x(t)与线路36上的乘积信号(multiplication signal)f(t)的多个时间偏移(shifted)形式{fk(t)}={f1(t),f2(t),...fM(t)}(M是卷积器30中的乘法器34的数目)相乘。乘积信号f(t)在选择上可以是信号h(t)的时间反相形式(time inversed version)。在本发明的一些实施例中,时间偏移信号fk(t)是相互之间均匀地偏移一个时间间隔Ts(通常以秒计),即f4(t)=f3(t-Ts)=f2(t-2Ts)=f1(t-3Ts)。在本发明的一些实施例中,Ts可选择为连续输出采样信号y(k)之间所需的时间间隔。例如Ts可根据输出信号y(t)的带宽进行选择,这样即可由采样信号y(k)来构造出y(t)。在本发明的一些实施例中,Ts比Th短,这样时间偏移信号fk(t)在时间上是重叠的。
在本发明的一个实施例中,信号fk(t)由一个处理器40数字化地产生。在本发明的一些实施例中,处理器40每M*Ts秒周期性地产生信号fk(t),这样形成具有无限特性(infinite nature)的周期信号{Fk(t)}={F1(t),F2(t),...FM(t)}(图3中的62)。这样,产生的信号Fk(t)包括由如下公式描述的信号fk(t)的无限拼接(infinite concatenation): 需注意的是,当Th不能被Ts整除时,在相应的周期信号Fk(t)之内产生fk(t)的之间会出现一个间隙64。
在本发明的一个实施例中,每一个信号Fk(t)由处理器40独立地产生。作为选择,处理器40可产生单一的一个信号,再将该信号通过多个具有适当的延迟时间的模拟或数字延迟装置,从而重所产生的信号接收信号Fk(t)。
产生的信号可选择地通过数-模转换器(DAC)42和低通滤波器(LPF)44,这样就能清除掉由于从时间离散采样信号中产生信号而导致的混叠效应。另外,卷积器30包括一个能对其接收的信号x(t)进行滤波的低通滤波器44′。
多个积分器38,每一个积分器都对应于一个乘法器34,对相乘后的信号在偏移的乘积信号fk(t)的相应长度之上进行积分运算。采样器54在乘积信号fk(t)的相应末端将积分结果传送到一个数字化转换器46,该数字化转换器46将积分结果进行数字化从而得到数值y(k)。来自数字化转换器46的数值y(k)由如下公是进行定义: (tk为采样k的时间),其是x(t)和h(t)的卷积运算后的采样信号。需注意的是,采样器54对来自积分器38的采样信号多路传送到数字化转换器46中。
在本发明的一个实施例中,数字化值y(k)是作为卷积器30的输出。当卷积运算的结果被传送以便进行附加的数字处理时,该实施例是特别有用的。另外,也可不使用数字化转换器46并且卷积器30提供了非数字化的采样信号。
在本发明的另一个实施例中,一个再现器48将采样(sampling)y(k)转换为一个模拟形式y(t)。该实施例可以采用或不采用数字化转换器46。可选的是,再现器48包括一个重建滤波器。另外,再现器48包括一个位于重建滤波器之后的采样信号保持装置或者数模转换器。
在本发明的一个实施例中,处理器40或一个附加或其他处理器产生控制信号,该控制信号对积分器38和/或采样器54的操作进行计数。可选择的是,线路50之上的转储信号(dump signal)Dk(t)在积分器各自的乘积信号fk(t)的开始处对积分器38的存储器进行清空。转储信号Dk(t)可选择地由如下方程进行调整:
其中δ(t)表示一个脉冲函数,上述脉冲函数在除了t=0之外的所有时间都等于0。需注意的是,当积分器接收的转储信号Dk(t)具有一个非零值时,积分器38的存储器将被清空。线路52之上的采样信号Sk(t)可选择地激活信号fk(t)的各自末端上的采样器54。采样信号Sk(t)可选择地遵守如下公式: 当采样信号Sk(t)的值是非零时,执行采样操作。
卷积器30中的乘法器34和积分器38的数目M可选择大于Th和Ts的比值,其中Th为乘积信号f(t)的长度,上述Ts为时间偏移信号fk(t)之间的时间间隔。乘法器的数目允许同时对x(t)与M进行相乘从而部分地重叠乘积信号fk(t)。可选择的是,乘法器的数目是大于Th和Ts比值的最小整数。
需注意的是,虽然在上面的描述中乘法器34和积分器38是分别示出的,但在本发明的一些实施例中,可通过积分电路来完成乘法操作。例如,积分器38可具有一个可变的输入增益,该输入增益由h(t)控制或者以h(t)的形式进行预编程。
在本发明的一些实施例中,信号h(t)是滤波器的一个脉冲响应。可选择的是,脉冲响应由处理器40基于用户的编程规划而产生,这是本领域所公知的。另外,信号h(t)是处理器40的一个输入信号。在本发明的一些实施例中,信号h(t)经数字化后存储在处理器40的存储器中并用来产生信号Fk(t)。将h(t)的数字化形式存储在处理器40内就能容易地产生Fk(t)的延迟形式(delayed version)并可对h(t)进行简单的替换(replacement)。
当x(t)是一个无限信号时,乘法器34和积分器38可选择连续运行并产生一个无限输出信号y(k)。当x(t)是一个有限信号时,乘法器34和积分器38可选择连续运行直至x(t)的末端后少许y(n)变为连续的零信号。在本发明的一些实施例中,在一个有限输入信号x(t)的末端,线路32上输入一个恒零信号。
虽然在上面的描述中,处理器40用来产生周期性信号Fk(t),但是也可以使用其它任何装置产生Fk(t),例如一个或多个模拟转发器(repeater)。
注意,虽然为了使卷积器30更为简化,信号fk(t)彼此之间可选择成均匀地偏移,但是该要求不是必要的。即,采样器54可以以非均匀的间隔通过积分结果。可选择的是,在该情况下再现器48基于采样信号y(n)之间的间隔而执行加权的再现(reconstruction)。另外,本领域中任何其他公知的补偿方法都可用来对非均匀采样间隔进行补偿。
虽然在上面的描述中,卷积器30重复地将x(t)与相同的信号f(t)相乘,但在本发明的一些实施例中,卷积器30用来将x(t)与不同的信号hΘ(t)进行卷积运算,其中Θ表示hΘ(t)的时间间隔Th(Θ)的开始时刻。在这些实施例中,Fk(t)不是周期性的而是hΘ(t)信号的各自乘积信号fΘ(t)的串联形式。这样Fk(t)可以表示为: 其中k表示卷积器100的一个相应分支(即乘法器和积分器),M表示卷积器100中分支的数目,Ts是两个输出采样信号之间的时间。
例如在自适应滤波器中可使用具有可变信号hΘ(t)的卷积运算,其中在任何特定时间所使用的特定函数hΘ(t)是时间、输入信号和/或卷积器特定运行模式的函数。在本发明的一些实施例中,卷积器30用来实现一个在时变信道(time varying channel)中运行的匹配滤波器,在任何特定时间所使用的特定函数hΘ(t)的是特定时间信道响应(channelresponse)的函数。
在本发明的一些实施例中,在卷积器30中所用的乘法器34的数目是可变的。例如,在时刻Θ时当hΘ(t)的长度Th相对较短时,则有一个或多个乘法器34并不投入使用,例如从输出x(t)的线路32上断开,这样可降低卷积器30的耗电量。可选择的是,每次使用一个新的hΘ(t)信号时,要确定出信号的长度,并据此确定所用乘法器34的数目。
在本发明的一些实施例中,两个信号fk(t)之间的时间间隔Ts在卷积器30的运行过程中可以变化的,例如是Th的函数。延长Ts可以减少所需乘法器的数目,从而降低卷积器30的耗电量。在本发明的一些实施例中,可通过如下方式来改变Ts:调整线路50和52之上的控制信号之间的时间(timing)、调整信号F的时间、还可选择设定再现器48的时间和/或运行参数。
在本发明的一些实施例中,时间间隔Ts是作为卷积信号y(t)带宽的函数而被调整,其是x(t)和h(t)带宽的函数。可选择的是,Ts是作为y(t)当前带宽的函数而被周期性调整。当y(t)的带宽例如由于x(t)带宽的减小,则Ts增加从而降低卷积器30的耗电量。另一方面,当y(t)的带宽增大时而减小时,Ts减小从而允许由采样信号y(n)以足够的精确度重现y(t)。另外,Ts是作为h(t)当前带宽的函数而被调整的,例如在每一个h(t)变化时才改变Ts。比如,当Ts增加时,h(t)的带宽通常减小。待使用的乘法器34的数目是根据h(t)的长度Th及其带宽来确定的。在本发明的一些实施例中,即使在h(t)改变时,待使用的乘法器34的数目通常也保持为基本不变。当h(t)的长度增加时,Ts也同样地增加,这样Th和Ts之间的比率保持基本恒定。当h(t)的长度增加时,y(t)的带宽通常会减小。
图4是根据本发明一实施例的复合卷积器100的示意性框图。该复合型卷积器100除了执行复合的卷积运算外与上面所描述的任一实施例中的卷积器30类似。复合卷积器100在复合信号(complex signal)xc(t)={xr(t),xi(t)}和hc(t)={hr(t),hi(t)}之间执行一个复合卷积运算从而得到卷积信号yc(t)={yr(t),yi(t)}。复合卷积器100接收到输入线路132上的一个实信号xr(t)和输入线路130上的一个虚信号xi(t)。一处理器140利用上面描述的任一个与卷积器30相关方法分别从用户编程或输入信号hr(t)和hy(t)中产生一个实信号Fkr(t)和一个虚信号Fki(t)。可选择的是,所生成的信号Fkr(t)和Fki(t)是数字信号并通过各自的数-模转换器(DAC)142以及可能存在的各自滤波器144。在本发明的一些实施例中,一对信号Fkr(t)和Fki(t)的DACs142和/或滤波器144包含在一单个的单元中。
多个(M)复合乘法器134接收xr(t)和xi(t)的拷贝以及相应的信号Fkr(t)和Fki(t),其中k=1...M(即一个第一复合乘法器接收F1r(t)和F1i(t),一个第二复合乘法器接收F2r(t)和F2i(t)等等),并提供输出信号Or(t)和Oi(t)。在本发明的一些实施例中,输出信号Or(t)和Oi(t)提供给相应的积分器138,上述积分器138独立地对输出信号进行积分,而且积分结果经双路开关(double switch)154采样。最后根据上面描述的关于卷积器30的定时规则输出采样信号。
在本发明的一些实施例中,采样信号通过ADC数字化转换器46和/或再现器48从而提供卷积信号yr(t),或者提供采样信号输出。另外,所提供的虚输出信号在形式上不同于实输出信号。例如,虚输出信号可以通过一个ADC数字化转换器46和一个再现器48而提供一个模拟信号,而实输出信号则作为采样信号被输出。
图5是根据本发明一实施例的复合乘法器134的示意性框图。复合乘法器134执行如下信号操作:
Or(t)=xr(t)·Fkr(t)-xi(t)·Fki(t)
Oi(t)=xr(t)·Fki(t)+xi(t)·Fkr(t)(1)
在本发明的一些实施例中,复合乘法器134包括用来执行方程(1)的四个乘法器34和两个加法器112。另外,在每一个乘法器112的输出端都有一个积分器,并且加法器112对积分器的输出进行求和。而且,一些计算由不同的部件如联合部件来完成。例如,加法器112可具有可变增益的输入从而来代替乘法器34。另外,可使用具有多个输入的积分器来代替加法器112。
在本发明的一些实施例中,复合卷积器100可用来进行复合卷积运算也可用来进行实卷积运算。当复合卷积器100执行实卷积运算时,输入线路130和虚信号Fki(t)被设定为一个恒零信号。在本发明的一些实施例中,复合卷积器100也可通过在输入线路130上提供恒零信号而在一个实输入信号x(t)和一个复合产生的信号h(t)之间进行卷积运算,或者通过提供一个恒零信号而不是虚信号Fki(t)而在一个复合输入信号和一个产生的实信号h(t)之间进行卷积运算。
在本发明的一些实施例中,一个卷积器最初是用来在实信号和虚信号之间进行卷积运算。这样的一种卷积器可由复合卷积器100中去掉不必要的线路即始终负载零信号的线路来实现。该卷积器的复合乘法器可选择包括两个乘法器且不包括加法器。
根据本发明实施例的卷积器基本可用在需要一个卷积器的任何装置中,这包括通信装置如无线电接收机。在本发明的一个示例性实施例中,具有一个实输入和一个虚输入的一个卷积器作为接收机中中频(IF)信号的滤波器来使用,其中上述接收机使用IF信号进行检测。根据接收机的特定输入信号和/或运行模式,用来表示滤波器h(t)信号的可编程性允许卷积器在配置作为一种具有不同带宽和/或不同滤波整形的滤波器来使用。
在本发明的另一个示范性实施例中,具有一个复合输入和一个表示滤波器的实h(t)信号的卷积器在对信号进行I-Q解调之后用来对接收机的基带信号进行滤波。
需注意的是,复合卷积器100的实信号和虚信号不必同相。在本发明的一个示例性实施例中,一个具有实信号X(t)和复合信号F(t)的卷积器用于无线电接收机中从而同时对一个RF或者中频(IF)信号进行滤波和采样。在特定时刻取出采样信号,这样该采样信号可以基带频率重构I和Q信号。在该实施例中,1/Ts可选择为等于输出基带信号所需的采样速率,其中采样速率通常根据基带信号的带宽来选择。在本发明的一些实施例中,Fki(t)相对于Fky(t)偏移TRF/4,其中1/TRF是RF和IF信号的频率。因为Fki(t)相对于Fky(t)偏移,因此实和虚输出信号的采样可同时进行,这样即简化了卷积器100和接收机。
可以理解的是,可以对上述方法进行许多方式的改变,该改变方式可包括:步骤顺序的改变、使用精确的实行方式。而且,上述方法和装置可被解释为包括实施该方法的装置和使用该装置的方法。
上面,通过举例的方式对实施例进行了非限制性的详细描述从而对本发明进行了说明,但这不意味着是本发明范围的限制。本领域技术人员可以对上述实施例进行改进。而且,当将“包含”、“包括”、“具有”及其变化形式用在权利要求书中时,其意义为“包括但不限于”。本发明的范围仅由权利要求书进行限定。
Claims (35)
1、一种对一个第一信号和一个第二信号进行卷积运算的方法,包括:
产生一个响应于第二信号的乘积信号,
将第一信号和乘积信号的多个时间偏移形式相乘;
对第一信号和乘积信号时间偏移形式的乘积进行积分,执行上述积分运算的时间间隔大于至少两个时间偏移形式之间的时间差,
基于乘积的积分结果提供一个输出信号。
2、如权利要求1所述的方法,其中产生乘积信号的步骤包括产生一个在有限的时间间隔内为非零的信号。
3、如权利要求1所述的方法,其中产生乘积信号的步骤包括产生第二信号的一个时间反相(time inversion)信号。
4、如权利要求1所述的方法,其中将第一信号和乘积信号的多个时间偏移形式相乘的步骤包括执行一个模拟量的时间连续的乘法运算。
5、如权利要求1所述的方法,其中同时执行的是:将第一信号至少与乘积信号的多个时间偏移形式中的两个部分相乘。
6、如权利要求1所述的方法,其中将第一信号和乘积信号的多个时间偏移形式相乘的步骤包括将第一信号与多个彼此之间均匀偏移的时间偏移形式(time shifted version)相乘。
7、如权利要求1所述的方法,其中对乘积进行积分的步骤包括在乘积信号的长度上进行积分。
8、如权利要求1所述的方法,其中提供输出信号的步骤包括对乘积的积分结果进行采样。
9、如权利要求1所述的方法,其中提供输出信号的步骤包括对乘积的积分结果进行数字化采样。
10、如权利要求1所述的方法,其中提供输出信号的步骤包括提供一系列的采样信号,其中至少两个相邻采样信号之间的时间差短于第二信号的长度。
11、如权利要求1所述的方法,其中提供输出信号的步骤包括提供一个重构的时间连续的信号。
12、如权利要求1所述的方法,其中乘积信号的多个时间偏移形式中的至少两个在时间上至少部分重叠(overlapping)。
13、如权利要求1所述的方法,其中第一和第二信号包括复合信号,每一个复合信号由一对实信号和虚信号构成。
14、如权利要求1所述的方法,其中乘法包括执行复合乘法。
15、一种对一个第一信号和一个第二信号进行卷积运算的方法,包括:
产生一个响应于第二信号的乘积信号;以及
提供一个输出信号,该输出信号响应于第一信号和乘积信号的时间偏移形式乘积的积分结果,执行上述积分运算的时间间隔大于至少两个时间偏移形式之间的时间差。
16、如权利要求15所述的方法,其中乘积信号的多个时间偏移形式中的至少两个在时间上至少部分重叠。
17、一种卷积器,包括:
多个乘法器,该乘法器适于将一个第一信号与多个乘积信号相乘;
多个积分器,该积分器适于对上述多个乘法器的乘积结果分别进行积分运算;以及
至少一个采样器,该采样器适于对积分器的输出进行采样。
18、如权利要求17所述的卷积器,其中多个乘法器中的每一个乘法器都将第一信号与乘积信号中的至少两个相乘。
19、如权利要求17所述的卷积器,其中乘积信号包括一个公共信号(common signal)的偏移形式。
20、如权利要求19所述的卷积器,其中至少有一个采样器包括多个采样器,这些采样器组合起来提供具有时间间隔的采样结果,该时间间隔要比相邻采样信号之间至少一些乘积信号的长度短。
21、如权利要求20所述的卷积器,其中乘法器的数目为一个最小整数,该最小整数大于乘积信号的长度和相邻采样间时间间隔的比值。
22、如权利要求17所述的卷积器,包括一个再现器,该再现器至少由一个采样器提供的采样结果中产生一个时间连续的模拟信号。
23、如权利要求17所述的卷积器,包括一个数字化转换器,该数字化转换器由至少一个采样器提供的采样结果产生具有离散值的采样值。
24、如权利要求17所述的卷积器,其中至少有一个乘法器包括一个复合乘法器。
25、如权利要求18所述的卷积器,至少包括一个乘法和积分的组合电路,上述电路包括一个乘法器和一个积分器。
26、如权利要求18所述的卷积器,其中乘法器包括模拟乘法器。
27、如权利要求18所述的卷积器,其中积分器适于在不同的时间开始积分运算。
28、一种卷积运算的方法,包括:
将一个第一信号与多个时间有限信号相乘,其是根据至少一个第二信号而产生的,并可同时执行至少一些乘法运算中的至少一部分;以及
通过对在被乘的时间有限信号的相应长度上对乘积结果进行积分而提供出一个输出信号。
29、如权利要求28所述的方法,其中时间有限信号包括一个单信号的时间偏移形式。
30、如权利要求28所述的方法,其中将第一信号与多个时间有限信号相乘包括周期性地选择时间有限信号与第一信号相乘。
31、如权利要求28所述的方法,其中上述提供输出信号的步骤包括提供一系列地采样结果。
32、如权利要求31所述的方法,其中一系列采样结果中的每两个相邻采样间的时间差是恒定的。
33、如权利要求31所述的方法,其中提供输出信号的步骤包括以可变的速率提供采样。
34、如权利要求33所述的方法,其中以可变的速率提供采样包括以一种速率提供采样,该速率可根据被提供的输出信号的带宽而被调节。
35、如权利要求31所述的方法,其中提供输出信号的步骤包括提供出的采样在一系列采样中至少两个采样信号之间的时间差短于时间有限信号中的至少一个。
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