CN1714567A - 载波跟踪环路锁定检测器 - Google Patents

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Abstract

一种ATSC(高级电视系统委员会)VSB(残余边带)接收机(15)，包括用于处理所接收到的ATSC VSB信号的载波跟踪环路(115)和CTL锁定检测器(200)。CTL锁定检测器包括：平均滤波器(135)，用于对下转换后的接收ATSC VSB信号进行平均，以提供DC偏移；估计器(130)，用于提供DC偏移的估计；以及比较器(140)，作为DC偏移的估计与DC偏移之间的比较的函数，提供锁定信号，其中所述锁定信号表示CTL的锁定状态或非锁定状态。

Description

载波跟踪环路锁定检测器
技术领域
本发明大体上涉及通信系统，更具体地，涉及一种接收机。
背景技术
在美国数字陆地电视(DTV)的ATSC(高级电视系统委员会)标准中(例如，参见美国高级电视系统委员会，“ATSC DigitalTelevision Standard”，文件A/53，1995年9月16日)，调制系统由抑制载波残余边带(VSB)调制构成，利用位于抑制载波频率处的所添加的小同相导频，低于平均信号功率11.3dB。ATSC VSB信号的示例谱如图1所示。
典型的ATSC-VSB接收机包括载波跟踪环路(CTL)，用于处理所接收到的ATSC VSB信号，去除发射机的本地振荡器(LO)与接收机的LO之间的任何频率偏移，以及将所接收到的ATSC VSB信号从中间频率(IF)降频解调为基带或接近基带频率(例如，参见美国高级电视系统委员会，“Guide to the Use of the ATSC Digital TelevisionStandard”，文件A/54，1995年10月4日；以及2001年5月15日授予Wang的、题为“Segment Sync Recovery Network for an HDTVReceiver”的美国专利No.6,233,295)。CTL通常包括：希尔伯特滤波器和相应的延迟、复数乘法器、相位检测器、一阶环路滤波器、具有正比例的积分器路径、数控振荡器(NCO)和正弦-余弦查询表。通常，ATSC接收机必须检测CTL是否被“锁定”或“非锁定”于所接收到的ATSC VSB信号。例如，如果ATSC接收机检测到CTL被锁定，则ATSC接收机确定所接收到的ATSC VSB信号“良好”，并能够用于其中所传递的数据的随后恢复。但是，如果ATSC接收机检测到CTL为非锁定，则ATSC接收机确定所接收到的ATSC VSB信号“较差”，从而，可能要复位ATSC接收机的各个部分，以清除任何与较差的接收ATSC VSB信号相关联的已恢复数据，即，错误数据。此外，在ATSC接收机检测到CTL被锁定之后，可以改变CTL环路滤波器参数，以减小环路带宽，并滤除热噪声。
典型地，ATSC接收机利用CTL的环路滤波积分器来确定CTL是否被锁定。例如，建立阈值，如果来自CTL的环路滤波积分器的信号(“锁定信号”)在指定的时间内的变化大于阈值，则ATSC接收机确定CTL为非锁定。不幸地，环路滤波器(因而锁定信号)的行为受到冲激噪声、热噪声和CTL的环路带宽的影响。结果，可能会发送锁定和非锁定状态的错误检测。例如，如果阈值与噪声功率和环路带宽相比较小，则可能会错误地检测非锁定状态，或者如果阈值与噪声功率和环路带宽相比较大，则可能会错误地检测锁定状态。
发明内容
我们已经观察到当ATSC VSB接收机的载波跟踪环路(CTL)实际上被锁定时，出现在所接收到的ATSC VSB信号中的载波导频导致了CTL输出信号中的DC偏移(降频转换后的接收信号)。这样，我们将意识到：可以将此DC偏移用于确定CTL的锁定状态。具体地，可以通过对CTL输出信号进行平均来恢复DC偏移。此外，由于已知载波导频功率低于信号功率11.3dB，可以根据CTL输出信号的信号功率得出DC偏移应当取的估计值。这样，则可以将确定设备用于作为DC偏移的估计值和DC偏移的实际值的函数，确定CTL是处于锁定状态还是处于非锁定状态。事实上，此技术可应用于其中载波导频包括在所发射的信号中且接收机通过将所接收到的载波导频降频转换为DC来解调相应的接收信号的任何调制系统。
因此，根据本发明的原理，一种接收机，包括：CTL，用于对所接收到的信号进行降频转换，以提供降频转换后的接收信号；以及CTL锁定检测器，用于作为降频转换后的接收信号的函数，检测CTL是处于锁定状态还是处于非锁定状态。
在本发明的一个实施例中，CTL锁定检测器对降频转换后的接收信号进行平均，以提供平均信号；根据降频转换后的接收信号，估计平均信号；以及作为平均信号和平均信号的估计的函数，确定CTL是否被锁定。
在本发明的另一实施例中，ATSC VSB接收机包括：载波跟踪环路(CTL)，用于处理所接收到的ATSC VSB信号，以提供给降频转换后的接收ATSC VSB信号；以及CTL锁定检测器，用于作为降频转换后的接收ATSC VSB信号的函数，确定CTL是处于锁定状态还是处于非锁定状态。CTL锁定检测器包括：平均滤波器，用于对降频转换后的接收ATSCVSB信号进行平均，以提供DC偏移；估计器，用于提供DC偏移的估计；以及比较器，用于作为DC偏移的估计和DC偏移之间的比较的函数，提供锁定信号，其中所述锁定信号代表CTL的锁定状态或非锁定状态。
附图说明
图1示出了示例ATSC VSB信号频谱；
图2示出了具体实现了本发明的原理的电视机的示例高级别方框图；
图3示出了具体实现了本发明的原理的接收机的一部分；
图4示出了用在图3所示的接收机中的示例载波跟踪环路；
图5示出了根据本发明的原理的锁定检测器的实施例；
图6示出了用在图5所示的比较器中的示例表；
图7示出了根据本发明的原理的示例方法；以及
图8-10示出了根据本发明的原理的其他实施例。
具体实施方式
除了本发明的概念之外，图中所示的元件是公知的，将不再详细地对其进行描述。例如，除了本发明的概念之外，电视及其组件，例如前端、希尔伯特滤波器、载波跟踪环路、视频处理器、遥控器等，是公知的，并且在这里不再进行描述。此外，本发明的概念可以利用传统的编程技术来实现，对此，这里也不再描述。最后，附图中的相同符号表示类似的元件。
图2示出了根据本发明原理的示例电视机10的高级别方框图。电视(TV)机10包括接收机15和显示器20。作为示例，接收机15是ATSC兼容接收机。应该注意，接收机15还可以是NTSC(国家电视系统委员会)兼容的，即，具有NTSC模式的操作和ATSC模式的操作，从而电视机10能够显示来自NTSC广播或ATSC广播的视频内容。为了简化对本发明的概念的描述，这里仅描述ATSC模式的操作。接收机15接收广播信号11(例如通过天线(未示出))，进行处理，以便从中恢复如HDTV(高清晰度电视)视频信号等，从而施加到显示器20上以观看视频内容。如以上所提到和图1所示的，信号11典型地代表了ATSC VSB广播信号。
现在，转到图3，图3示出了包括根据本发明原理的接收机15的相关部分。特别地，接收机15包括模拟到数字转换器(ADC)105、自动增益控制(AGC)110、带通滤波器(BPF)115、载波跟踪环路(CTL)125和锁定检测器200。
输入信号101表示根据上述“ATSC数字电视标准”的数字VSB调制信号，并且中心处于FIF赫兹的指定IF(中间频率)。由ADC 105对输入信号101进行抽样，以便转换为抽样后的信号，然后，由AGC 110对其进行增益控制。AGC 110是非相干的，并且是混合模式(模拟和数字)环路，对包括在信号101内的VSB信号提供第一级别的增益控制(在载波跟踪之前)、符号定时和同步检测。主要地，AGC 110将来自ADC 105的抽样信号的绝对值与预定阈值进行比较，积累误差，并将该信息通过信号112反馈到在ADC 105之前、用于增益控制的调谐器(未示出)。由此，AGC 110向BPF 115提供增益控制信号113，以IF频率(FIF)为中心，并具有等于6MHz(百万赫兹)的带宽。然后，来自BPF 115的输出信号116通过CTL 125，CTL 125是锁相环，对信号116进行处理，将IF信号降频转换到基带，并校正广播ATSC视频载波的发射机(未示出)与接收机调谐器本地振荡器(未示出)之间的频率偏移。CTL 125是二阶环路，理论上，能够无任何相位误差地对频率偏移进行跟踪。实际上，相位误差是环路带宽、输入相位噪声、热噪声和实现限制(例如数据的比特尺寸、积分器和增益乘法器)的函数。CTL 125提供降频转换后的接收信号126。将降频转换后的接收信号126提供给接收机15的其他部分(未示出)，以便恢复其中所传递的数据，并且根据本发明的原理，还将其提供给锁定检测器200(稍后描述)，锁定检测器200作为降频转换后的接收信号126的函数提供锁定信号141。
在描述锁定检测器200之前，将参照图4，示出了CTL 125的示例实施例。CTL 125包括延迟/希尔伯特滤波元件120、复数乘法器150、相位检测器155、环路滤波器160、合成器(或加法器)165、数控振荡器(NCO)170和正弦/余弦(sin/cos)表175。应该注意，只要其实现了相同的性能，其他载波跟踪环路设计也是可能的。
延迟/希尔伯特滤波元件120包括希尔伯特滤波器和与希尔伯特滤波器处理延迟相匹配的等效延迟线。如本领域内所公知的，希尔伯特滤波器是全通滤波器，对大于0的所有输入频率引入了-90°的相移(对负频率引入了+90°的相移)。希尔伯特滤波器允许恢复来自BPF115的输出信号的正交分量。为了使CTL校正相位并锁定到ATSC IF载波，需要信号的同相和正交分量。
来自延迟/希尔伯特滤波元件120的输出信号121是复数抽样流，包括同相(I)和正交(Q)分量。应该注意，所述复数信号在附图中示作双线。复数乘法器150接收信号121的复数抽样流，并且以计算出的相位角对该复数抽样流进行解旋。特别地，根据一定相位，对信号121的同相和正交分量进行旋转。所述相位由信号176提供，表示由sin/cos表175(以下将描述)所提供的具体正弦和余弦值。来自复数乘法器150且针对所涉及的CTL 125的输出信号是降频转换后的接收信号126，表示解旋后的复数抽样流。如从图4中所观察到的，还将降频转换后的接收信号126施加到相位检测器155，所述相位检测器155计算降频转换后的信号126中仍存在的任意相位偏移，并且提供表示其的相位偏移信号。该计算可以由“I*Q”或“sign(I)*Q”函数来执行。将由相位检测器155提供的相位偏移信号施加到环路滤波器160，所述环路滤波器160是具有比例正整数增益的一阶滤波器。此时，忽略合成器165，将来自环路滤波器160的环路滤波输出信号施加到NCO 170。所述NCO 170是积分器，其获取一频率，作为输入信号，并且提供表示与所述输入频率关联的相位角的输出信号。然而，为了提高获取速度，向NCO馈送频率偏移，FOFFSET，对应于FPILOT(VSB信号中存在的载波导频音的频率)，通过合成器165将其添加到环路滤波输出信号上，以向NCO 170提供合成信号。NCO 170向sin/cos表175提供输出相位角信号171，向复数乘法器150提供了相关的正弦和余弦值，以便对信号121进行解旋，从而提供降频转换后的接收信号126。应当注意，且如上所述，也可以将环路滤波器160用于提供锁定信号127，如图4中的虚线形式所示。
如上所述，我们已经观察到，当ATSC VSB接收机的载波跟踪环路(CTL)实际上被锁定时，出现在所接收到的ATSC VSB信号中的载波导频导致了CTL输出信号中的DC偏移(降频转换后的接收信号)。这样，我们将意识到：可以将此DC偏移用于确定CTL的锁定状态。具体地，可以通过对CTL输出信号进行平均来恢复DC偏移。此外，由于已知载波导频功率低于信号功率11.3dB，可以根据CTL输出信号的信号功率得出DC偏移应当取的估计值。这样，则可以将确定设备用于作为DC偏移的估计值和DC偏移的实际值的函数，确定CTL是处于锁定状态还是处于非锁定状态。事实上，此技术可应用于其中载波导频包括在所发射的信号中且接收机通过将所接收到的载波导频降频转换为DC来解调相应的接收信号的任何调制系统。
考虑到上述内容，并根据本发明的原理，图3所示的锁定检测器200作为降频转换后的接收信号126的函数，来提供锁定信号141，其中锁定信号141表示CTL 125的锁定状态或非锁定状态。说明性地，锁定检测器200利用出现在降频转换后的接收信号126中的载波导频的DC偏移来确定锁定或非锁定状态。参照示出了锁定检测器200的示例实施例的图5。锁定检测器200包括平均滤波器135、DC偏移估计器130和比较器140。将降频转换后的接收信号126施加到平均滤波器135和DC偏移估计器130上。平均滤波器135是相对较低带宽的滤波器(大约1KHz(千赫兹)或更少)，其对降频转换后的接收信号126进行平均，并提供DC偏移信号136，表示载波导频是否存在。由于已知载波导频功率比信号功率低11.3dB，DC偏移估计器130根据降频转换后的接收信号估计DC偏移应当取何数值。说明性地，此估计值得自于降频转换后的接收信号的功率电平。例如，DC偏移估计器130通过首先根据以下公式确定降频转换后的接收信号的功率电平来估计DC偏移：
P VSB = 1 N Σ i = 1 N ( r i 2 ) . . . ( 1 )
其中ri是在时间i对降频转换后的接收信号的抽样，以及N是用在估计中的抽样数。一旦确定出PVSB的数值，DC偏移估计器130就确定估计DC偏移，如估计DC偏移信号131所示，其正比于PVSB的平方根，例如，通过寻址将PVSB的各个数值映射到相应的估计DC偏移值的预定查找表(未示出)。
如从图5中所观察到的，将DC偏移信号136和估计DC偏移信号131施加到确定设备，如比较器140等。确定设备用于作为DC偏移的估计值和DC偏移的实际值的函数来确定CTL 125是处于锁定状态还是处于非锁定状态。说明性地，比较器140实现根据预定阈值进行比较的简单功能。例如，比较器140首先计算作为DC偏移和DC偏移的估计之间的差值的绝对值的数值s，或者：
s＝|DC偏移-DC偏移的估计|                    (2)
如果数值s在预定的阈值之内，则CTL 125是锁定的；否则，CTL125是非锁定的。例如，当事实上CTL 125已经被锁定一段时间时，DC偏移值的估计近似实际的DC偏移，即，数值s将接近零。但是，当CTL 125开始漂移时，实际的DC偏移将开始在数值上下降，从而使数值s增加。这如图6的表1所示，图6作为DC偏移信号136和估计DC偏移信号131之间的比较的函数，示出了锁定信号141的数值。如果s小于或等于预定阈值，则设置锁定信号141，表示锁定状态，例如，逻辑电平“1”。否则，设置锁定信号141，表示非锁定状态，例如，逻辑电平“0”。示例阈值可以是估计DC偏移值的分数，如，估计DC偏移值的八分之一。
现在，转到图7，示出了根据本发明原理的示例流程图。在步骤305中，接收机15对接收到的信号进行降频转换，以产生降频转换后的信号。在步骤310，接收机15对降频转换后的信号进行平均，以提供平均信号(例如，上述DC偏移信号)。在步骤315，接收机15根据降频转换后的信号，产生平均信号的估计(例如，上述估计DC偏移信号)。在步骤320，接收机15确定参数s的数值(例如，上述等式(2))。在步骤325，接收机15将s的数值与预定阈值进行比较。如果s的数值大于预定阈值，则在步骤335中，接收机15确定CTL为非锁定的。另一方面，如果s的数值小于或等于预定阈值，则在步骤330中，接收机15确定CTL为锁定的。
应当注意，由于锁定检测器200设置在载波跟踪环路的外部，锁定检测器200较少依赖于载波跟踪环路参数和带宽。有利地，可以设置平均滤波器和DC偏移估计器带宽，以实际上消除对锁定检测器的噪声影响，而不会影响载波跟踪环路的跟踪能力，使锁定检测器200更为可靠。
图8示出了根据本发明原理的另一实施例。图8所示的实施例类似于图3所示的实施例，除了示出了额外的锁定检测器250。如先前所述，CTL 125从如环路滤波器160等提供锁定信号127。此外，如上所述，锁定检测器200提供锁定信号141。根据本发明的特征，锁定检测器250利用锁定信号127和锁定信号141的组合，产生另一锁定信号251，表示CTL 125是锁定的还是非锁定的。例如，锁定检测器250可以简单地将两个信号一起进行逻辑“或”。应当注意，尽管示出为分立元件，锁定检测器250也可以是锁定检测器200的一部分，从而可以将其修改为也接收来自CTL 125的锁定信号127。在图8所给出的实施例中，锁定信号127反映CTL的短期行为(高带宽)，而锁定信号141反映CTL的长期行为(低带宽)。这样，可以一起使用锁定信号127和锁定信号141来表示所接收到的信号数据中、冲激噪声、热噪声或相位噪声的出现。
尽管上面在ATSC VSB电视接收机的上下文中描述了本发明的概念，本发明的概念并不局限于此，而可以应用于对包括导频载波的接收信号进行降频转换的任何接收机。现在，转到图9，示出了根据本发明原理的另一实施例。接收机的一部分40(例如，图2所示的接收机15)包括载波跟踪环路(CTL)50和锁定检测器55。将包括导频载波信号的接收信号49施加到CTL 50上，CTL 50将降频转换后的输出信号51提供给锁定检测器55。如从图7中所观察到的，降频转换后的输出信号51也可以用于由接收机的其他部分(未示出)进行处理，以恢复其中所传递的数据。根据本发明的原理，锁定检测器55作为降频转换后的输出信号51的函数来确定CTL 50是处于锁定状态还是非锁定状态。锁定检测器55提供表示CTL 50的锁定或非锁定状态的锁定信号56。说明性地，CTL 50和锁定检测器55可以包括类似于图3、4、5所示和所描述的元件，但并不局限于此。
图10示出了根据本发明的原理的另一示例实施例。图10所示的实施例类似于上述图9所示的实施例，除了添加了最后的锁定检测器60。具体地，在本实施例中，锁定状态由信号61的数值表示。信号61由最后的锁定检测器60提供，最后的锁定检测器60作为至少锁定信号56(由锁定检测器55提供)和锁定信号52(由CTL 50提供，例如通过先前所提及的环路滤波器(例如，图4所示的环路滤波器160))的函数来确定实际的锁定状态是否存在。例如，最后的锁定检测器55只在锁定信号56和锁定信号52都表示锁定状态时才表示锁定状态。
应当注意，这里所描述和示出的特定元件的组件分组只是示例性的。例如，尽管图4示出了位于载波跟踪环路内部的希尔伯特滤波器，这并不是必需的，例如，在图3中，将希尔伯特滤波器示出和描述为位于载波跟踪环路的外部。
由此，前面的描述仅说明了本发明的原理，并且将会意识到，尽管这里未明确描述，本领域的技术人员将能够设计大量可选配置，具体实现本发明的原理且处于其精神和范围内。例如，尽管在单独的功能元件的环境中示出，但是这些功能元件可以在一个或多个集成电路(IC)上实现。类似地，尽管示作单独元件，可以在受存储程序控制的处理器中实现任何或全部这些元件，所述处理器诸如为数字信号处理器，其执行与如图7所示的一个或多个步骤相对应的相关软件。此外，尽管示作绑定在电视机10内的元件，但是这里的元件可以分布在其任何组合的不同单元中。例如，图2所示的接收机15可以是设备或盒的一部分，与所述设备或盒物理地分离，与显示器20合为一体等。而且，应当注意尽管示例性地对降频转换后的接收信号进行平均，也可以与相应的修改一起，使用其他统计功能，例如，对图7中的步骤315进行修改。因此，应该理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些说明性实施例进行大量修改，并且可以设计其他配置。

Claims (18)

1、一种用在接收机中的设备，所述设备包括：
载波跟踪环路(CTL)125，用于对接收到的信号进行降频转换，以提供降频转换后的接收信号；以及
CTL锁定检测器(200)，用于作为降频转换后的接收信号的函数，检测CTL是处于锁定状态还是处于非锁定状态。
2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述CTL锁定检测器提供表示锁定状态或非锁定状态的锁定信号。
3、根据权利要求2所述的设备，其特征在于还包括另一锁定检测器(250)，用于作为锁定信号、和来自CTL的也表示CTL的锁定状态的另一信号的函数，确定CTL的锁定状态。
4、根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述CTL锁定检测器包括：
平均滤波器(135)，用于对降频转换后的接收信号进行平均，以提供平均信号；
信号估计器(130)，响应降频转换后的接收信号，提供估计信号，所述估计信号表示对平均信号的估计；以及
确定设备(140)，用于作为估计信号和平均信号的函数，提供锁定信号。
5、根据权利要求4所述的设备，其特征在于所述确定设备是比较器，用于将估计信号与平均信号进行比较，以确定CTL是处于锁定状态还是处于非锁定状态。
6、根据权利要求1所述的设备，其特征在于所接收到的信号是ATSC(高级电视系统委员会)VSB(残余边带)调制信号。
7、一种用在ATSC(高级电视系统委员会)VSB(残余边带)接收机中的设备，所述设备包括：
载波跟踪环路(125)，响应所接收到的ATSC VSB信号，提供降频转换后的ATSC信号；以及
载波跟踪环路锁定检测器(200)，用于作为降频转换后的ATSC信号的函数，确定CTL是处于锁定状态还是处于非锁定状态；
其中所述载波跟踪环路锁定检测器包括：
平均滤波器(135)，用于对降频转换后的ATSC信号进行平均，以提供降频转换后的ATSC信号的平均值；
信号估计器(130)，响应降频转换后的ATSC信号，提供平均值的估计值；以及
确定设备(140)，用于作为平均值和估计值之间的比较的函数，确定CTL是处于锁定状态还是处于非锁定状态。
8、根据权利要求7所述的设备，其特征在于所述载波跟踪环路锁定检测器提供表示锁定状态或非锁定状态的锁定信号。
9、根据权利要求8所述的设备，其特征在于还包括另一锁定检测器(250)，用于作为锁定信号、和来自CTL的也表示CTL的锁定状态的另一信号的函数，确定CTL的锁定状态。
10、一种用在接收机中的方法，所述方法包括以下步骤：
使用载波跟踪环路(CTL)对所接收到的信号进行降频转换，以提供降频转换后的接收信号；以及
作为降频转换后的接收信号的函数，检测CTL是处于锁定状态还是处于非锁定状态。
11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于还包括提供表示锁定状态或非锁定状态的锁定信号的步骤。
12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：作为锁定信号、和来自CTL的也表示CTL的锁定状态的另一信号的函数，确定CTL的锁定状态。
13、根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述检测步骤还包括：
对降频转换后的接收信号进行平均，以提供平均信号；
根据降频转换后的接收信号，对平均信号进行估计，以提供估计信号；以及
作为估计信号和平均信号的函数，提供锁定信号。
14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于作为估计信号和平均信号的函数提供锁定信号的步骤包括以下步骤：将估计信号与平均信号进行比较，以确定CTL是处于锁定状态还是处于非锁定状态。
15、根据权利要求10所述的方法，其特征在于所接收到的信号是ATSC(高级电视系统委员会)VSB(残余边带)调制信号。
16、一种用在ATSC(高级电视系统委员会)VSB(残余边带)接收机中的方法，所述方法包括以下步骤：
使用载波跟踪环路，处理所接收到的ATSC VSB信号，以提供降频转换后的ATSC信号；以及
作为降频转换后的ATSC信号的函数，确定CTL是处于锁定状态还是处于非锁定状态；
其中所述确定步骤包括以下步骤：
对降频转换后的ATSC信号进行平均，以提供降频转换后的ATSC信号的平均值；
根据降频转换后的ATSC信号，估计平均值；以及
作为平均值和估计值之间的比较的函数，确定CTL是处于锁定状态还是处于非锁定状态。
17、根据权利要求16所述的方法，其特征在于还包括提供表示锁定状态或非锁定状态的锁定信号的步骤。
18、根据权利要求17所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：作为锁定信号、和来自CTL的也表示CTL的锁定状态的另一信号的函数，确定CTL的锁定状态。
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