DE19525844C2 - Verfahren zur Frequenzumsetzung - Google Patents

Verfahren zur Frequenzumsetzung

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    • H03D7/18Modifications of frequency-changers for eliminating image frequencies

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus Norgaard: "The Phase-Shift Method of Single- Sideband Signal Reception", Proceedings of the IRE, December 1956, Seiten 1735-1743 bekannt. Bei dem dort beschriebenen Verfahren - der sogenannten Phasenmethode - wird ein amplitudenmoduliertes Eingangs­ signal, das unterhalb und oberhalb einer Trägerfrequenz ein unteres bzw. oberes Seitenband aufweist, einem Quadratur-Demodulator zugeführt, mit dem es durch Quadratur-Amplitudendemodulation in ein Inphase-Signal und in ein Quadratur-Signal frequenzumgesetzt wird; d. h., das Eingangssignal wird durch Frequenzumsetzung mit einem Inphase-Überlagerungssignal in das Inphase-Signal und durch Frequenzumsetzung mit einem Quadratur- Überlagerungssignal, welches gegenüber dem Inphase-Überlagerungssignal um 90° phasenverschoben ist, in das Quadratur-Signal umgesetzt. Die Frequenz der beiden Umsetzsignale ist dabei gleich der Trägerfrequenz des Eingangssignals. Das Quadratur-Signal wird danach durch einen Pha­ senschieber um 90° phasenverschoben. Das Ausgangssignal erhält man an­ schließend durch Addition bzw. Subtraktion des Inphase-Signals und des um 90° phasenverschobenen Quadratur-Signals. Durch die Addition wird dabei das untere Seitenband und durch die Subtraktion das obere Seitenband un­ terdrückt. Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß für die 90°-Phasenverschiebung des Quadratur-Signals ein Phasenschieber benö­ tigt wird, der um eine ausreichende Unterdrückung des jeweiligen Seiten­ bandes zu gewährleisten und um Signalverzerrungen zu vermeiden, breit­ bandig ausgeführt sein muß und somit nicht kostengünstig herstellbar ist.
Aus der DE 34 12 191 A1 ist ferner ein Verfahren bekannt, bei dem das Eingangssignal durch Quadratur-Amplitudendemodulation mit zwei zuein­ ander um 90° phasenversetzten Überlagerungssignalen, die in der Frequenz zumindest näherungsweise gleich der Frequenz des Eingangssignals sind, in ein Inphase-Signal und Quadratur-Signal frequenzumgesetzt wird und bei dem das Inphase- und Quadratur-Signal tiefpaßgefiltert und anschließend einer Demodulationseinheit zur Weiterverarbeitung zugeführt werden.
Des weiteren ist aus der DE 27 30 153 A1 ein Verfahren zur Frequenzum­ setzung eines Eingangssignals in einen Zwischenfrequenzbereich bekannt, bei dem das Eingangssignal durch Quadratur-Amplitudendemodulation mit zwei zueinander um 90° phasenversetzten Überlagerungssignalen, deren Frequenz jeweils gleich der Zwischenfrequenz ist, in ein Inphase-Signal und ein Quadratur-Signal frequenzumgesetzt werden, bei dem eines dieser beiden Signale gegenüber dem anderen um 90° phasenverschoben wird, und bei dem das Inphase- und Quadratur-Signal nach dieser Phasenverschiebung mit auf die Zwischenfrequenz abgestimmten Bandpäßen gefiltert und anschließend zur Bildung des gewünschten Ausgangssignals summiert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, das einfach und kostengünstig durchführbar ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen erge­ ben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, bei der mit dem Quadratur-Demodu­ lator durchgeführten Frequenzumsetzung des Eingangssignals die Frequenz der beiden Umsetzsignale so zu wählen, daß sie, falls das untere Seitenband des Eingangssignals in das Ausgangssignal frequenzumgesetzt werden soll, gleich einem um eine Differenzfrequenz kleineren Wert als die Trägerfre­ quenz, d. h. gleich einem unteren Wert, vorzugsweise gleich einem inner­ halb des unteren Seitenbandes, z. B. in der Mitte des unteren Seitenbandes, liegenden Wert ist, und daß sie, falls das obere Seitenband des Eingangssi­ gnals in das Ausgangssignal frequenzumgesetzt werden soll, gleich einem um die Differenzfrequenz größeren Wert als die Trägerfrequenz, d. h. gleich einem oberen Wert, vorzugsweise gleich einem innerhalb des oberen Sei­ tenbandes, z. B. in der Mitte des oberen Seitenbandes, liegenden Wert ist. Das Inphase-Signal und das Quadratur-Signal werden jeweils einem Tiefpaß­ filter zugeführt, dessen Durchlaßbereich so ausgelegt ist, daß es Frequenzen, die größer als die Differenzfrequenz sind, unterdrückt. Somit werden durch Tiefpaßfilterung, falls die Frequenz der Umsetzsignale größer als die Trägerfrequenz ist, die vom unteren Seitenband des Eingangssignals stammenden Frequenzanteile des Inphase- und des Quadratur-Signals unterdrückt und, falls die Frequenz der Umsetzsignale kleiner als die Trägerfreqzuenz ist, die vom oberen Seitenband des Eingangssignals stam­ menden Frequenzanteile des Inphase- und des Quadratur-Signals unter­ drückt. Das tiefpaßgefilterte Inphase-Signal und das tiefpaßgefilterte Qua­ dratur-Signal werden anschließend durch einen Quadratur-Modulator nach dem Prinzip der Quadratur-Amplitudenmodulation in das Ausgangssignal frequenzumgesetzt, d. h., das tiefpaßgefilterte Inphase-Signal wird mit ei­ nem Inphase-Überlagerungssignal in ein Inphase-Ausgangssignal frequenz­ umgesetzt, das tiefpaßgefilterte Quadratur-Signal wird mit einem gegen­ über dem Inphase-Überlagerungssignal um 90° phasenverschobenen Qua­ dratur-Überlagerungssignal in ein Quadratur-Ausgangssignal frequenzumge­ setzt und das Inphase-Ausgangssignal und das Quadratur-Ausgangssignal werden durch eine Summationseinheit addiert, welche das Ausgangssignal als Additionsergebnis einem Signalausgang zuführt.
Die Frequenz der beiden Überlagerungssignale wird dabei auf einen Wert eingestellt, der gleich der Differenzfrequenz ist. Hierzu werden das Inphase- und das Quadratur-Signal vorzugsweise jeweils einem Bandpaßfilter zuge­ führt, welche daraus jeweils das Inphase-Überlagerungssignal bzw. Quadratur-Überlagerungssignal erzeugen. Die beiden gleichartigen Bandpaßfilter sind dabei schmalbandig ausgeführt und lassen im wesentlichen nur die Differenzfrequenz durch.
Die Tiefpaßfilter und die Bandpaßfilter sind vorzugsweise als SC-(switched ca­ pacitor)-Filter ausgeführt, da derartige Filter integrierbar sind und da in ei­ ner Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens der Platzbedarf für diese Filter, selbst für Filter mit hohen Filtergra­ den, gering ist. Der Quadratur-Modulator und der Quadratur-Demodulator sind ebenfalls integrierbar, so daß das Verfahren aus Kostengründen, insbesondere für den Einsatz in Geräten der Unterhaltungselektronik, beispielsweise in sogenannten tragbaren Weltempfängern, bei denen durch Unterdrückung eines Seitenbandes die Empfangsqualität optimierbar ist, bestens geeignet ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 und 2 näher be­ schrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Empfangsteils eines Empfängers für amplitudenmodulierte Nutzsignale als Ausführungsbeispiel ei­ ner Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens,
Fig. 2a-2i ein Beispiel eines Spektrums des Eingangssignals (Fig. 2a), der Umsetzsignale (Fig. 2b bzw. 2c), des Inphase- und Quadratur- Signals (Fig. 2d), des tiefpaßgefilterten Inphase- und Quadra­ tur-Signals (Fig. 2e), der Überlagerungssignale (Fig. 2f), des Inphase-Ausgangssignals (Fig. 2g), des Quadratur-Ausgangssi­ gnals (Fig. 2h) und des Ausgangssignals (Fig. 2i).
Gemäß der Fig. 1 wird ein Nutzsignal über die Antenne ANT der Vorselekti­ onsstufe VS zugeführt, welche daraus durch Bandbegrenzung und ggf. durch Frequenzumsetzung das Eingangssignal e erzeugt. Das Eingangssignal e wird dem Quadratur-Demodulator IQD zugeführt, der es nach dem Prinzip der Quadratur-Amplitudendemodulation mit dem vom Oszillator OSC gelie­ ferten Inphase-Umsetzsignal sDI in das Inphase-Signal sI und mit dem eben­ falls vom Oszillator OSC gelieferten, gegenüber dem Inphase-Umsetzsignal sDI UM 90° phasenverschobenen Quadratur-Umsetzsignal sDQ in das Quadra­ tur-Signal sQ frequenzumsetzt. Die beiden als SC-Filter ausgeführten Tiefpaß­ filter TPI und TPQ erzeugen durch Tiefpaßfilterung aus dem Inphase-Signal sI bzw. aus dem Quadratur-Signal sQ das tiefpaßgefilterte Inphase-Signal sTPI bzw. das tief paßgefilterte Quadratur-Signal sTPQ. Die beiden ebenfalls als SC- Filter ausgeführten Bandpaßfilter BPI, BPQ erzeugen durch Bandpaßfilterung aus dem Inphase-Signal sI bzw. aus dem Quadratur-Signal sQ das Inphase- Überlagerungssignal sMI bzw. das Quadratur-Überlagerungssignal sMQ. Die SC-Filter TPI, TPQ, BPI, BPQ sind, um eine starke Unterdrückung der uner­ wünschten Frequenzanteile zu gewährleisten, als Filter mit hohem Filter­ grad ausgeführt. Die beiden tiefpaßgefilterten Signale sTPI, sTPQ werden durch den Quadratur-Modulator IQM nach dem Prinzip der Quadratur-Ampli­ tudenmodulation mit den beiden Überlagerungssignalen sMI, sMQ in das am Signalausgang A bereitgestellte Ausgangssignal a frequenzumgesetzt.
Eines der beiden Überlagerungssignale sMQ wird zur automatischen Einstel­ lung der Verstärkung der Vorselektionsstufe VS dieser über den Steuerver­ stärker VAGC als Steuersignal sAGC zugeführt.
Der Oszillator OSC ist umschaltbar ausgeführt, wobei durch die Umschaltung die Frequenz der Umsetzsignale sTQ, sDI zwischen zwei zur Trägerfrequenz fC des Eingangssignals e symmetrischen Werten - dem unteren Wert fU und dem oberen Wert fO - umgeschaltet wird und hierdurch das frequenzumzu­ setzende Seitenband des Eingangssignals e selektiert wird.
Der Quadratur-Demodulator IQD setzt sich aus den beiden als 4-Quadranten- Multiplizierer ausgeführten Frequenzumsetzeinheiten MI1, MQ1 zusammen, von denen die erste das Eingangssignal e mit dem Inphase-Umsetzsignal sDI in das inphase-frequenzumgesetzte Signal sI1 und die zweite das Eingangssi­ gnal e mit dem Quadratur-Umsetzsignal sQ in das quadratur-frequenzumge­ setzte Signal sQ1 frequenzumgesetzt. Diese beiden frequenzumgesetzten Si­ gnale sI1, sQ1 werden über die Tiefpaßvorfilter TPVI bzw. TPVQ und über die Vorverstärkerstufen VVI bzw. VVQ dem Tiefpaßfilter TPI bzw. TPQ und dem Bandpaßfilter BPI bzw. BPQ zugeführt. Die Tiefpaßvorfilter TPVI, TPVQ sind je­ doch nur dann erforderlich, wenn Summenspektren der beiden frequenz­ umgesetzten Signale sI1, sQ1, die bei der Frequenzumsetzung entstehen, in den SC-Filtern TPI, TPQ, BPI, BPQ, welche bekanntlich mit Taktsignalen getak­ tete Schaltungen sind, durch Unterabtastung zu sogenannten aliasing-Effek­ ten führen. Falls aliasing-Effekte aufgrund einer entsprechenden Einstellung der Frequenz der Taktsignale vermieden werden, kann auf die Tiefpaßfilter TPVI, TPVQ verzichtet werden; die Summenspektren der frequenzumgesetz­ ten Signale sI1, sQ1 werden dann durch die Tiefpaßfilter TPI, TPQ unter­ drückt. Die Amplituden der frequenzumgesetzten Signale sI1, sQ1, werden durch die Vorverstärkerstufen VVI, VVQ soweit angehoben, daß trotz eines von den SC-Filtern TPI, TPQ, BPI, BPQ gelieferten Rauschbeitrags ein gefor­ dertes Signal-Rausch-Verhältnis des Ausgangssignals a gewährleistet wird.
Durch die beiden als Doppelweggleichrichter, beispielsweise als CMOS-Ana­ log-Schalter, ausgeführten Frequenzumsetzeinheiten MI2, MQ2 des Quadra­ tur-Modulators IQM wird das tiefpaßgefilterte Inphase-Signal sTPI bzw. das tiefpaßgefilterte Quadratur-Signal sTPQ mit dem Inphase-Überlagerungssi­ gnal sMI bzw. Quadratur-Überlagerungssignal sMQ, das durch den Begrenzer­ verstärker VBI bzw. VBQ bis in die Begrenzung verstärkt wird, in das Inphase- Ausgangssignal sMI1 bzw. in das Quadratur-Ausgangssignal sMQ1 frequenz­ umgesetzt. Das Inphase-Ausgangssignal sMI1 und das Quadratur-Ausgangssi­ gnal sMQ1 werden durch die Summationseinheit S des Quadratur-Modulators IQM addiert und das Ergebnis dieser Addition als Ausgangssignal a dem Si­ gnalausgang A zugeführt. Zwischen die Summationseinheit S und den Signalausgang A kann ein Tiefpaßausgangsfilter TPA geschaltet werden, das Störsignale, die durch Intermodulation in den Frequenzumsetzeinheiten MI2 und MQ2 gebildet werden und deren Frequenzen außerhalb des in das Ausgangssignal a frequenzumgesetzten Seitenbandes liegen, unterdrückt.
Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung wird im folgenden anhand der Fig. 2a bis 2i beschrieben. Fig. 2a zeigt dabei als Beispiel ein Spektrum des Eingangssignals e, dessen Träger c bei einer Trägerfrequenz fC von fC = 801 kHz liegt und dessen oberes Seitenband OSB und unteres Seitenband USB jeweils eine Bandbreite fB von fB = 4,5 kHz aufweisen. Gemäß der Fig. 2b wird die Frequenz fD der Umsetzsignale sDI, sDQ zur Demodulation des oberen Seitenbandes OSB durch den Oszillator OSC auf den etwa in der Mitte des oberen Seitenbandes OSB liegenden oberen Wert fO = 803,3 kHz eingestellt. Zur Demodulation des unteren Seitenbandes USB wird sie gemäß der Fig. 2b auf den etwa in der Mitte des unteren Seitenbandes USB liegenden unteren Wert fU = 798,7 kHz eingestellt. Der Frequenzunterschied zwischen der Frequenz fD der Umsetzsignale sDI, sDQ und der Trägerfrequenz fC - die Differenzfrequenz fdiff - beträgt somit 2,3 kHz. Fig. 2d zeigt das Spektrum des Inphase-Signals sI und des Quadra­ tur-Signals sQ, das man nach der Frequenzumsetzung durch den Quadratur- Demodulator IQD erhält. Der Träger c des Eingangssignals e wird dabei in den bei der Differenzfrequenz fdiff liegenden Kanalträger c', das frequenzumzusetzende Seitenband USB bzw. OSB des Eingangssignals e in das erste Seitenband SB1 und das zu unterdrückende Seitenband OSB bzw. USB in das zweite Seitenband SB2 frequenzumgesetzt. Gemäß der Fig. 2e, die die tiefpaßgefilterten Inphase- und Quadratur-Signale sTPI, sTPQ zeigt, lassen die beiden gleichartig ausgeführten Tiefpaßfilter TPI, TPQ nur Frequenzen, die kleiner als die Differenzfrequenz fdiff sind, durch, d. h. der Kanalträger c' und das zweite Seitenband SB2 des Inphase- und des Quadratur-Signals sI, sQ werden durch Tiefpaßfilterung unterdrückt. Gleich­ zeitig kann, da der Durchlaßbereich eines SC-Tiefpaßfilters über die Fre­ quenz des ihm zugeführten Taktsignals variierbar ist, durch Variation dieser Frequenz eine Bandbegrenzung des ersten Seitenbandes SB1 auf einfache Weise vorgenommen werden. Die Fig. 2f zeigt das Spektrum der beiden Überlagerungssignale sMI, sMQ. Da die Bandpaßfilter BPI, BPQ schmalbandig mit einer Bandbreite von rund 250 Hz und mit der Differenzfrequenz fdiff als Bandmitte ausgeführt sind, wird nur der aus dem Inphase- und Quadra­ tur-Signal sI, sQ gefilterte Kanalträger c' als Überlagerungssignal sMI, sMQ dem Quadratur-Modulator IQM zugeführt. Das erste und das zweite Seiten­ band SB1, SB2 des Inphase- und des Quadratur-Signals sI, sQ werden dabei aufgrund des hohen Filtergrades der Bandpaßfilter BPI, BPQ sehr gut unter­ drückt. Da zwischen dem Inphase-Umsetzsignal sDI und dem Quadratur-Um­ setzsignal sDQ ein Phasenunterschied von 90° besteht, erhält man auch zwi­ schen dem Inphase-Signal sI und dem Quadratur-Signal sQ, zwischen dem tiefpaßgefilterten Inphase-Signal sTPI und dem tiefpaßgefilterten Quadratur- Signal sTPQ sowie zwischen dem Inphase-Überlagerungssignal sMI und dem Quadratur-Überlagerungssignal sMQ einen Phasenunterschied von 90°. Auf­ grund der Frequenzumsetzung durch die Frequenzumsetzeinheiten MI2, MQ2 des Quadratur-Modulators IQM erhält man für das Inphase-Ausgangssi­ gnal sMI1 das in Fig. 2g gezeigte Spektrum mit dem Summenteilspektrum SSI und dem Differenzteilspektrum DSI und für das Quadratur-Aus­ gangssignal sMQ1 das in Fig. 2h gezeigte Spektrum mit dem Summenteil­ spektrum SSQ und dem Differenzteilspektrum DSQ. Dabei sind die Differenz­ spektren DSI, DSQ gegeneinander um 0° und die Summenspektren SSI, SSQ gegeneinander um 180° phasenverschoben. Durch Addition des Inphase- und des Quadratur-Ausgangssignals heben sich somit die Summenteilspek­ tren SSI, SSQ auf und man erhält für das Ausgangssignal a das in Fig. 2i ge­ zeigte Spektrum mit dem frequenzumgesetzten Seitenband SBA. Dieses ent­ spricht dabei, falls die Frequenz fD der Umsetzsignale sDI, sDQ größer als die Trägerfrequenz fC ist, dem oberen Seitenband OSB des Eingangssignals e oder, falls die Frequenz fD der Umsetzsignale sDI, sDQ kleiner als die Träger­ frequenz fC ist, dem unteren Seitenband USB des Eingangssignals e. Die Bandbreite des in das Ausgangssignal a frequenzumgesetzten Seitenbandes SBA ist dabei, obwohl durch die Tiefpaßfilter TPI, TPQ Frequenzen ab der Dif­ ferenzfrequenz fdiff unterdrückt werden und sofern keine zusätzliche Bandbegrenzung vorgenommen wird, gleich der Bandbreite fB der beiden Seitenbänder OSB und USB.

Claims (7)

1. Verfahren zur Frequenzumsetzung eines Seitenbandes (USB bzw. OSB) ei­ nes ein unteres Seitenband (USB) und ein oberes Seitenband (OSB) und einen Träger (c) mit einer Trägerfrequenz (fC) aufweisenden amplitudenmodulier­ ten Eingangssignals (e) in ein Ausgangssignal (a), bei dem das Eingangssignal (e) durch einen Quadratur-Demodulator (IQD) mit zwei gegeneinander um 90° phasenverschobenen Umsetzsignalen (sDI, sDQ) in ein Inphase-Signal (sI) und in ein Quadratur-Signal (sQ) frequenzumgesetzt wird, dadurch gekenn­ zeichnet,
  • 1. - daß die Frequenz (fD) der Umsetzsignale (sDI, sDQ) so gewählt wird, daß sie zur Frequenzumsetzung des unteren Seitenbandes (USB) gleich einem unteren Wert (fU) und zur Frequenzumsetzung des obe­ ren Seitenbandes (OSB) gleich einem oberen Wert (fO) ist, wobei der untere Wert (fU) um eine Differenzfrequenz (fdiff) kleiner als die Trä­ gerfrequenz (fC) und der obere Wert (fO) um die Differenzfrequenz (fdiff) größer als die Trägerfrequenz (fC) ist,
  • 2. - daß aus dem Inphase-Signal (sI) und aus dem Quadratur-Signal (sQ) durch Tiefpaßfilterung mit jeweils einem Tiefpaßfilter (TPI, TPQ), wel­ ches Frequenzen ab der Differenzfrequenz (fdiff) unterdrückt, ein tiefpaßgefiltertes Inphase-Signal (sTPI) bzw. ein tiefpaßgefiltertes Qua­ dratur-Signal (sTPQ) gebildet wird,
  • 3. - und daß das tiefpaßgefilterte Inphase-Signal (sTPI) und das tiefpaßge­ filterte Quadratur-Signal (sTPQ) durch einen Quadratur-Modulator (IQM) nach dem Prinzip der Quadratur-Amplitudenmodulation mit ei­ nem inphase-Überlagerungssignal (sMI) und einem gegenüber diesem um 90° phasenverschobenen Quadratur-Überlagerungssignal (sMQ), deren Frequenz gleich der Differenzfrequenz (fdiff) ist, in das Aus­ gangssignal (a) frequenzumgesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Inphase- Überlagerungssignal (sMI) und das Quadratur-Überlagerungssignal (sMQ) aus dem Inphase-Signal (sI) bzw. Quadratur-Signal (sQ) durch Bandpaßfilterung mittels jeweils einem schmalbandigen Bandpaßfilter (BPI, BPQ), der im we­ sentlichen nur die Differenzfrequenz (fdiff) durchläßt, gebildet werden.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Frequenz (fD) der Umsetzsignale (sDI, sDQ) so gewählt wird, daß sie innerhalb des frequenzumzusetzenden Seitenbandes (USB bzw. OSB) liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (fD) der Umsetzsignale (sDI, sDQ) so gewählt wird, daß sie in etwa in der Mitte des frequenzumzusetzenden Seitenbandes (USB bzw. OSB) liegt.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Umsetzsignale (sDI, sDQ) von einem umschaltbaren Oszillator (OSC) erzeugt werden, durch den die Frequenz (fD) der Umsetzsignale (sDI, sDQ) zwischen dem unteren Wert (fU) und dem oberen Wert (fO) umgeschal­ tet werden kann.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß als Tiefpaßfilter (TPI, TPQ) SC-(Switched capacitor)-Filter verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß als Bandpaßfilter (BPI, BPQ) SC-Filter verwendet werden.
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