DE1954136A1 - Schaltungsanordnung zur Analyse eines Signalamplitudenbereichs mit Hilfe von Frequenzdiskriminatorverfahren - Google Patents

Description

Western Electric Company Incorporated Favin, D. L. 14-1 New; York,_ N._Y._ _l_0007_ V ._S_t. A.

Schaltungsanordnung zur Analyse eines Signalamplitudenbereichs mit Hilfe von Frequenzdiskriminatorverfahren

Die Erfindung betrifft einen Signalamplitudenanalysator zur Überwachung des Spitzenamplitudenbereichs periodischer Signale.

Bei der Prüfung der Güte von Übertragungseinrichtungen wird üblicherweise ein periodisches Prüfsignal an einem Anschluss der Einrichtung zugeführt und am anderen Anschluss wiedergewonnen. Dieses wiedergewonnene Prüfsignal vergleicht man mit den bekannten Eigenschaften des ausgesendeten Prüfsignals, um die Güte der Übertragungseinrichtung festzustellen. Ein Gütekriterium der Übertragungseinrichtung lässt sich dadurch genau feststellen, dass das wiedergewonnene Prüfsignal hinsichtlich seiner Amplitudendämpfung untersucht wird. Diese Prüfung kann mit einem Signalamplitudenanalysator durchgeführt werden.

Der Signalamplitudenanalysator überwacht das periodische Prüfsignal und stellt fest, wenn dessen Spitzenamplitude von einem angegebenen Bereich zulässiger Amplitudenwerte abweicht. Dieser Amplituden-

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bereich wird durch festgelegte obere und untere Amplitudengrenzen definiert. Wenn die Spitzenamplitude des Signals innerhalb der Grenzen liegt, zeigt der Analysator die Brauchbarkeit des Signals an. Wenn dagegen die Spitzenamplitude des Signals ausserhalb der Grenzen liegt, zeigt der Analysator an, dass das Signal unbrauchbar ist.

Ein typischer Amplitudenanalysator zur Überwachung eines Amplitudenbereiches spricht auf folgende Weise auf eine Signalamplitude an. Wenn das Signal die untere Amplitudengrenze übersteigt, erzeugt der Analysator ein Ausgangssignal, um anzuzeigen, dass die Signalamplitude grosser als diese untere Amplitudengrenze ist. Wenn die Signalamplitude die obere Amplitudengrenze übersteigt, wird das Ausgangssignal unterdrückt. Das Ausgangssignal erscheint also nur dann, wenn die Amplitude des Prüfsignals innerhalb dee durch die Grenzen definierten Amplitudenbereiches liegt.

Legt man periodische Signale an einen solchen Analysator der beschriebenen Art an, so wird das Aus gangs signal abwechselnd ein- und ausgeschaltet, wenn die Signalamplitude zwischen die Grenzen eintritt und diese wieder verlässt. Ein Aus gangs signal dieser Form befriedigt nicht zur Anzeige des Spitzenamplitudenbereiches eines periodischen Signals. Daher wird bei dieser Art von Analysatoren das periodische

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Signal vor Anlegen an den Analysator gleichgerichtet, um ein Ausgangssignal erzeugen zu können, das zur Überwachung der periodischen Signalamplitude besser geeignet ist. Eine solche Gleichrichtung des periodischen Signals ist jedoch unerwünscht, da der Analysator auf zufällige Rauschsignale anspricht und die sich ergebenden SpannungsSchwankungen des gleichgerichteten periodischen'Signals die Schwellwertgenauigkeit am Eingang des Analysators nachteilig beeinflussen.

Ausserdem werden durch die Verwendung solcher Gleichstromsignale Ungenauigkeiten in den Analysator durch eine Spannungs ab wanderung und temperaturbedingte Instabilitäten der Bauteile des Analysators eingeführt.

Eine Alternative zu dem vorstehend beschriebenen Signalamplitudenanalysator überwacht gleichzeitig ein periodisches Signal mit zwei parallel betriebenen Amplitudenschwellwert-Detektoren, die auf unterschiedliche Schwellwerte eingestellt sind Das Aus gangs signal jedes Amplitudendetektors ist unabhängig an jeweils einen eigenen Zähler angekoppelt. Der jeweilige Zähler zählt die Durchgänge des Signals durch die Schwellwerte der Detektoren. Der mittlere Amplitudenbereich des periodischen Signals entsprechend dem Bereich der durch die beiden Schwellwertdetektoren definierten Grenzen wird durch die Differenz der Zählwerte in den beiden Zählern dargestellt. Diese besondere Analysator-

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anordnung liefert zwar ein für die Analyse periodischer Signale besser geeignetes Aus gangs signal, aber der Analysator spricht immer noch auf zufällige Rauschsignale an, die die Schwellwertdetektoren fehlerhaft triggern können. Ausserdem zeigt das sich ergebende Ausgangssignal nur den Amplitudenbereich des mittleren Signals für eine besondere vorbestimmte Zählperiode. Ein periodisches Signal kann also kurzzeitig von dem durch die Grenzen definierten Amplitudenbereich abweichen, ohne dass diese Abweichung durch den Amplitudenanalysator angezeigt wird.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese Probleme zu beseitigen. Sie geht dazu aus von einem Signalamplitudenanalysator der eingangs genannten Art und ist gekennzeichnet durch einen Signalamplitudendiskriminator mit einem oberen und einem unteren Spannungsschwellwert zur Aufnahme der periodischen Signale, einen Frequenzgenerator, der in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Signalamplitudendiskriminators diskrete, zur Amplitude der periodischen Signale in Beziehung stehende Frequenzen erzeugt, ein an den Ausgang des Frequenzgenera· tors angeschaltetes Filter, das nur diejenige Frequenz durchlässt, welche den zwischen den Schwellwerten liegenden Signalamplitude η- bereich darstellen und eine auf das Ausgangs signal des Filters ansprechende Ausgangsschaltung, die eine Anzeige des Signalamplitudenbereichs liefert.

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Entsprechend dem erfindungsgemässen Ausführungsbeispiel analysiert daher ein Signalamplitudenanalysator die Spitzenamplitude eines periodischen Signals bezüglich eines angegebenen Amplitudenbereiches dadurch, dass die Signalamplitude in unterschiedliche Signalfrequenzen "quantisiert¹¹ wird, und zwar in Abhängigkeit davon, ob die Spitzenamplitude des Signals innerhalb oder ausserhalb des angegebenen Amplitudenbereiches liegt. Eine nachfolgende Detektorschaltung stellt unter Verwendung von Frequenzdiskriminatorverfahren das Vorhandensein der Spitzenamplitude des Signals innerhalb des angegebenen Amplitudenbereiches fest.

Das periodische Signal, dessen Spitzenamplitude analysiert werden soll, wird an einen Signalamplitudendiskriminator gegeben, der auf einen bestimmten Amplitudenbereich des angelegten periodischen Signals anspricht. Der Signalamplitudendiskriminator weist zwei Signalschwellwertdetektoren auf. Einer davon ist auf den oberen Schwellwert des Amplitudenbereiches und der andere auf den unteren Schwellwert eingestellt. Der Signalamplitvdendiskriminator erzeugt ein Aus gangs signal eines Wertes, wenn die Amplitude des periodischen Signals innerhalb des Amplitudenbereiches liegt, und ein Aus gangs signal eines anderen Wertes, wenn die Amplitude des periodischen Signals nicht innerhalb des Amplitudenbereiches liegt. Die Änderungen des Signals wertes am

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Ausgang des Signalamplitudendiskriminators werden zur Umschaltung eines bistabilen Multivibrators benutzt. Dessen Ausgangs signal liegt an einer frequenzempfindlichen Detektorschaltung. Wenn die Spitzenamplitude des periodischen Signals innerhalb des durch die Schwellwerte angegebenen Amplitudenbereiches liegt, besitzt das Ausgangssignal des Multivibrators eine bestimmte Grundfrequenz. Die Detektorschaltung spricht auf diese Frequenz an und zeigt dann an, dass die Spitzenamplitude des periodischen Signals innerhalb des angegebenen Amplitudenbereiches liegt.

Ein Vorteil der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung ist ihre Unempfindlichkeit gegen zufällige Rauschsignale. Die Schaltung spricht nur auf ein periodisches Signal einer angegebenen Frequenz an. Diese Unempfindlichkeit beruht darauf, dass die Signalamplitude in eine Frequenz umgewandelt wird, die sowohl von der Frequenz als auch der Amplitude des überwachten periodischen Signals abhängt.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines Ausführungebeispiels der Erfindung; Fig. 2 typische Kurvenformen der analysierten periodischen

Signale sowie das Ansprechen des Analysators auf die

periodischen Signale.

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Bei dem in Fig. 1 gezeigten Signalamplitudenanalysator wird das zu analysierende periodische Signal über einen Verstärker 10 an einen Signalamplitudendiskriminator 30 gegeben. Dessen Ausgangssignal hat einen definierten Wert, wenn die Amplitude des zu analysierenden periodischen Signals zwischen den Schwellwerten liegt. Im anderen Fall hat das Aus gangs signal des Signalamplitudendiskriminators 30 einen anderen definierten Wert. Die Übergänge des Signals am Ausgang des Signalamplitudendiskriminators 3 0 von dem einen Wert auf den anderen Wert werden zur Umschaltung eines bistabilen Multivibrators 40 benutzt. Dessen Ausgangs signal liegt an einem Filter 50, das nur eine bestimmte Frequenz zu einer Detektor-Relaisspule 60 durchlässt. Die bestimmte Frequenz ist diejenige Grundfrequenz, welche von dem Multivibrator 40 erzeugt wird, wenn die Spitzenamplitude des periodischen Signals innerhalb des durch die Schwellwerte definierten Amplitudenbereiches liegt.

Der Signalanalysator gemäss Fig. 1 ist mit dem Sendeanschluss 1 und dem Empfangs anschluss 2 einer zu prüfenden Übertragungseinrichtung verbunden. Diese kann ein elektrisches Übertragungsmedium enthalten, dessen Güte durch den Signalanalysator bewertet werden soll. Ein Prüfsignaloszillator 3 ist über einen Puff er verstärker 4, einen Koppeltrans formator 5 und einen Mehrfachschalter 6 mit dem S ende anschluss 1

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verbunden. Der Oszillator 3 erzeugt vorzugsweise ein periodisches sinusförmiges Prüfsignal. Zur Anpassung an verschiedene Arten und Längen von Ubertragungs einrichtungen ist die Leistung des Prüfsignals einstellbar. Dieses periodische Prüfsignal wird über die Übertragungseinrichtung, den Empfangs anschluss 2 und den Koppeltransformator 7 zum Eingangsverstärker 10 des Signalanalysators übertragen.

Anstelle der Übertragungseinrichtung kann ein Bezugsnormal 8 dadurch eingefügt werden, dass der Mehrfachschalter 6 aus der in Fig. 1 gezeigten Stellung in die andere Stellung gebracht wird. Das Bezugsnormal 8 stellt einen geeichten Übertagungsweg zur Eichung des Signalanalysators dar.

Das zu analysierende periodische Signal durchläuft den Eingangsverstärker 10 zur Anpassung an die Eingangs be dingungen des nachfolgenden Signalamplitudendiskriminators 30. Der Verstärker 10 ist ein Wechselstromverstärker mit einem festen Verstärkungswert. Das Wechselstrom-Prüfsignal am Ausgang des Verstärkers 10 gelangt über den

Glichstrom-Sperrkondensator 11 an die Eingangsschaltung des Signalamplitudendiskriminators 30. Die Eingangsschaltung enthält die Schutzdioden 12, 13, den Vorspannungswiderstand 17, den Widerstand 16 und den Eingangsanschluss 15. Die Schutzdioden 12 und 13 verhindern, dass

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Anteile des periodischen Prüfsignals, die eine entgegengesetzte Polarität wie die Signale haben, für die der Amplitudenbereich ausgebildet ist, eine Spannung übersteigen, die unter Umständen die Bauteile des Signalamplitudendiskriminators 30 zerstören könnte. Der Widerstand 16 ist so gewählt, dass sich eine konstante Eingangsimpedanz sowohl für die positiven als auch die negativen Anteile des Prüfsignals ergibt.

Der Signalamplitudendiskriminator 30 kann eine doppelte Differenz spannungs-Vergleichseinrichtung enthalten, die zwei unabhängige Impulshöhen-Detektoren aufweist, welche jeweils auf eine andere Schwellwertspannung ansprechen. Der durch den oberen und unteren Wert dieser beiden Schwellwertspannungen definierte Amplitudenbereich stellt die Grenzwerte für brauchbare Signalamplituden dar. Das zu analysierende periodische Signal wird gleichzeitig an beide Eingänge angelegt. Wenn die Amplitude des periodischen Signals zwischen dem oberen und unteren Schwellwert liegt, erzeugt der Signalamplitudendisknminator ein Ausgangssignal mit einem definierten Wert. Wenn die Amplitude des periodischen Signals oberhalb des oberen Schwellwertes oder unterhalb des unteren Schwellwertes liegt, hat das Ausgangssignal des Signalamplitudendiskriminators 30 einen anderen definierten Wert, der entgegengesetzte Polarität wie der eine Wert haben kann.

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Die obere und untere Schwellwertspannung, die die brauchbaren Signalamplituden definieren, werden durch eine Vorspannungs-Steueranordnung 80 erzeugt. Diese enthält eine Spannungsquelle mit einem negativen Anschluss 81, einen Transistor 85 und eine Zenerdiode 86. Der Transistor 85 wird mit Hilfe der Zenerdiode 86 so vorgespannt, dass er leitet und die negative Spannung 81 über seine Kollektor-Emitterstrecke an eine Vielzahl von Spannungsteilern 89 bis 94 überträgt. Jeder dieser Spannungsteiler besitzt ein anderes Teilerverhältnis. Die Spannungsteiler sind an die Vorspannungseingänge 96 und 98 des Diskriminators 30 über Schalter 95 und 97 angeschlossen, um die richtigen Schwellwerteinstellungen vornehmen zu können. Dargestellt sind zwar nur drei Spannungsteiler für jede Schwellwerteinstellung, aber es lassen sich ohne Schwierigkeiten viele zusätzliche Spannungsteiler hinzufügen. Die Schalter 95 und 97 können ausserdem mit den zeitveränderlichen Signalquellen 102 bzw. 104 verbunden werden. Diese liefern die zeitveränderlichen Signale A und B, die unabhängig voneinander den oberen und unteren Schwellwert zeitabhängig verändern. Zeitlich sich ändernde Schwell werte sind dann zweckmässig, wenn der Amplitudenbereich des zu überwachenden Signals sich zeitabhängig ändern soll.

Das oben beschriebene Verhalten des Signalamplitudendiskriminators ist in Fig. 2 dargestellt. Es ist das analysierte periodische Signal 201

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und das Ansprechen des Signalamplitudendiskriminators 30 auf die verschiedenen Amplituden dieses Signals gezeigt. Beispielsweise fallen in Fig. 2B, bei der die Spitzenamplitude des periodischen Signals 201b innerhalb der durch die beiden Schwellwerte 202b und 203b des Signalamplitudendiskriminators 30 definierten Grenzen liegen, die "Sprünge des Ausgangs signals 205b des Signalamplitudendiskriminators 3 0 von einem Signalwert auf einen anderen Signalwert mit dem Eintritt bzw. Austritt des periodischen Signals in die bzw. aus den Schwellwertgrenzen zusammen. Das Ausgangssignal des Signalamplitudendiskriminators 30 besitzt einen positiv gerichteten Wert, wenn die Amplitude des periodischen Signals ausserhalb der Schwellwertgrenzen liegt. Das Ausgangssignal hat einen negativ gerichteten Wert, wenn die Amplitude des periodischen Signals innerhalb der Schwellwertgrenzen ist. Das gleiche Ansprechen des Signalamplitudendiskriminators 30 auf periodische Signale, deren Spitzenamplitude ausserhalb der Schwellwertgrenzen liegt, ist anhand der Diskriminator-Ausgangskurven 205a und 205c in den Fig. 2A bzw. 2C dargestellt.

Das Aus gangs signal des Signalamplitudendiskriminators 30 wird über den Sperrkondensator 31 zur Basis 32 des Transistors 33 übertragen. Dieser Transistor wirkt als Pufferstufe, um das Aus gangs signal des Signalamplitudendiskriminators 30 an den Eingang 3 9 des bistabilen

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Multivibrators 40 anzupassen. Dieser spricht auf das Ausgangssignal des Signalamplitudendiskriminators 30 dadurch an, dass er seinen Zustand immer dann ändert, wenn dieses, an den Eingang 3 9 angelegte Ausgangssignal einen negativen Sprung zeigt. Das Ansprechen des Multivibrators 40 auf das Aus gangs signal des Signalamplitudendiskriminators 30 lässt sich leichter unter Bezugnahme auf die Fig. 2A und 2B erkennen, in denen die Kurven 206a und 206b das Ansprechen des Multivibrators auf die Ausgangs signale 205a bzw. 205b des Signalamplitudendiskriminators 30 darstellen. Wenn das Ausgangssignal des Diskriminators 30 keinen negativen Sprung zeigt, ändert der Multivibrator 40 seinen Zustand nicht. Dies zeigt die Kurve 206c in Fig. 2C.

Die Fig. 2A, 2B und 2C zeigen, dass das Ausgangssignal des Multivibrators 40 eine Rechteckwelle ist, deren Tastverhältnis und Wie der ho lungs frequenz von der Spitzenamplitude und Frequenz des analysierten periodischen Signals abhängen. Die Wiederholungsfrequenz des Rechtecksignals ist gleich der halben Frequenz des periodischen Signals, wenn dessen Spitzenamplitude innerhalb der Schwellwertgrenzen liegt. Bei dieser Wiederholungsfrequenz beträgt das Tastverhältnis der Rechteckwelle etwa Eins und ihre Grundfrequenz ist etwa gleich der halben Frequenz des periodischen Signals. Wenn die Spitzenamplitude des periodischen Signals oberhalb des oberen Schwellwertes liegt, ist die Wieder-

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holungsfrequenz der Rechteckwelle gleich der Frequenz des periodischen Signals. Wenn die Spitzenamplitude des periodischen Signals unterhalb des unteren Sehwellwertes liegt, ist das Ausgangs signal des Multivibrators 40 konstant. Es zeigt sich also, dass die Wie der holungsfrequenz der Rechteckwelle am Ausgang des Multivibrators 40 eine quantisierte Darstellung der Spitz enamplitude und der Frequenz des analysierten periodischen Signals ist..

Das Ausgangs signal des Multivibrators 40 wird an ein die Spule 51 und den Kondensator 52 enthaltendes Filter 50 gegeben. Die Resonanzfrequenz des Bandpassfilters 50 ist so gewählt, dass sie genau gleich der halben Frequenz des an den Analysator angelegten periodischen Prüf signals ist. Wenn die Spitzenamplitude des analysierten periodischen Signals innerhalb der Schwellwerte liegt, ist die Grundfrequenz der Rechteckwelle am Ausgang des Multivibrators 40 gleich der Resonanzfrequenz des Filters 50. Das dann vom Filter 50 durchgelessene Signal wird an die Steuerelektrode 54 des Transistors 55 angelegt. Dieser ist normalerweise gesperrt. Die positiven Halbwellen des vom Filter 50 durchgelassenen Signals bringen den Transistor 55 in den leitenden Zustand.

Wenn die Spitzenamplitude des periodischen Signals nicht innerhalb der Schwellwertgrenzen Üegt, so fällt die Grundfrequenz des Ausgangs-

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signals des Multivibrators 40 ausserhalb des Durchlassbandes des Filters 50. Es wird dann nur ein sehr schwaches Signal vom Filter 50 übertragen, das nicht ausreicht, um den Transistor 55 zum Leiten zu bringen. Daraus ergibt sich, dass der Analysator unempfindlich gegen Störsignale mit Frequenzen ist, die von der des periodischen Signals verschieden sind. Die Amplitude von Signalen mit Frequenzen, die von der des analysierten periodischen Signals abweichen, wird in Frequenzen umgewandelt, die das Filter 50 nicht durchlässt.

An den Kollektor 56 des in Emitterschaltung betriebenen Transistors 50 ist eine Relaisspule 60 angeschaltet. Wenn der Transistor 55 aufgrund des durch das Filter 50 durchgelassenen Signals leitet, so wird das übertragene Signal am Kollektor 56 an die Relaisspule 60 angelegt, und zwar über die Schaltung 62, die die Diode 57 und den Kondensator 58 enthält. Dieses Signal erregt die Relaisspule 60. Dann se iliesst der Relaiskontakt 61 und verbindet die Stromquelle 63 mit einer Anzeigeschaltung 64, die ein Messinstrument enthalten kann, um die Bedienungsperson davon in Kenntnis zu setzen, dass die Spitzenamplitude des periodischen Signals innerhalb der durch die Schwellwertgrenzen definierten Betriebstoleranz liegt.

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Claims (4)

1. Patentansprü c'h e

   ί 1. ) Signalamplitudenanalysator zur Überwachung des Spitzenamplitudenbereiches periodischer Signale, gekennzeichnet durch einen Signalamplitudendiskriminator (30) mit einem oberen und einem unteren Spannungsschwellwert zur Aufnahme der periodischen Signale, einen Frequenzgenerator (33, 40), der in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Signalamplitudendiskriminators diskrete, zur Amplitude der periodischen Signale in Beziehung stehende Frequenzen erzeugt, ein an den Ausgang des Frequenzgenerators angeschaltetes Filter -(50), das nur diejenige Frequenz durchlässt, welche den zwischen den Schwellwerten liegenden Signalamplitudenbereich darstellen, und eine auf das Ausgangs signal des Filters ansprechende Ausgangsschaltung (55, 60, 64), die eine Anzeige des Signalamplitudenbereiches liefert.
2. 2. Signalamplitudenanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalamplitudendiskriminator immer dann ein Ausgangssignal

   erzeugt, wenn die Amplitude des angelegten Signals einen Schwellwert des Signalamplitudendiskriminators kreuzt, und dass der Frequenzgenerator eine bistabile Multivibrator schaltung aufweist, die auf das Ausgangssignal des Signalamplitudendiskriminators anspricht.

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3. 3. Signalamplitudenanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalamplitudendiskriminator eine Aus gangs spannung eines Wertes erzeugt, wenn die Amplitude des periodischen Signals innerhalb des Bereiches der Schwellwerte liegt, und eine Ausgangsspannung eines anderen Wertes, wenn die Amplitude des periodischen Signals ausserhalb der Schwellwerte liegt, und dass der Frequenzgenerator einen bistabilen Multivibrator aufweist, der auf Zustandsänderungen einer Richtung bei Sprüngen des Ausgangssignals des Signalamplitudendiskriminator s anspricht.
4. 4. Signalamplitudenanalysator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorspannungssteuerschaltung (80), die die Amplitude des oberen und unteren Schwellwertes einstellt und eine Vielzahl von wählbaren Schaltungselementen (89 bis 94) aufweist, um das an den Signalamplitudendiskriminator angelegte Vor spannungs signal zu ändern.

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