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Verfahren für die Ubertragung von Nachrichten, bei dem die
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Codierung der Signale durch die Grösse der Amplituden der Halbwellen
oder Perioden eines sinusförmigen Wechselstromes erfolgt.
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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Verfahren für die
Übertragung von Nachrichten, bei dem die Codierung der Signale durch die Grösse
der Amplituden der Halbwellen oder Perioden eines gleichförmigen, insbesondere sinusförmigen
Wechselstromes erfolgt, der in einer ununterbrochenen Folge von positiven und negativen
Halbwellen bezw. Pedioden gesendet wird.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise bei der Pulsamplitudenmodulation
(PAM) agngewendet werden. Bei den heute bekannten Verfahren wird die Amplitude des
Trägerpulses geändert.
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Aufgrund des ungünstigen Störverhältnisses wurde sie auf Übertragungswegen
nicht eingesetzt, sondern nur als Vorstufe bei der Pulscodemodulation (PCM). Ein
Nachteil der PAM
wir auch die pulsbedingte Brequenzzerweiterung. Digitale UbertrsgungsverfKhren,
bei denen als Binärcodeelemente die Halbwellen bezw. Perioden eines Wechselstromes
vorgesehen werden sind wohl bekannt (z.B. D3P DE 30 10 938 C2), aber bei der Übertragung
sind hohe Frequenzen erforderlich, die nicht bei allen Übertragungawegen verwendet
werden können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren auS-zuzeigen,
bei dem die Übertragung der Signale mit kleiner Bandbreite und/oder mit keleiner
Prequenz erfolgen kann,wobei die Fehler bei den bekannten Übertragungsverfahren
vermieden werden.
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Die Erfindung wird nun nachstehend an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.
In diesen sind dargestellt: Fig.1a 8 Probeentnahmen einer Schwingung Fig.1b,1c Codierungswechselströme
mit Periode bezw. Halbwelle als Codierungsmittel Fig.1d,e,f,g 4 Codierwechselströme
von je 2 EEz, die gegeneinander um 90 Grad phasenverschoben sind.
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Fig.2a Ein binärcodierter Wechselstrom mit den Perioden als Codeelemente.
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Fig.2b,c,d,e Ein binärcodierter Wechselstrom wird mit 4 um 90 Grad
phasenverschobenen Wechselströmen mit je ein Viertel der Prequenz des binärcodierten
Wechselstromes pulsanplitudenmoduliert.
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Fig.3a Ein binärcodierter Wechselstrom mit den Halbwellen als Codeelemente
und mit Probeentnahmen.
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Fig.3b,c Ein binärcodierter Wechselstrom mit den Halbwellen als
wird mit 4 um 90 Grad phasenverschobenen Wechselströmen (davon nur 2 gezeichnet)
pulsamplitudenmoduliert.
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Fig.4,5 Prinzip einer Sprachübertragung gemäss der Erfindung.
Fig.6 Eine parallere Übertragung von Codierungswechselströmen über eine Leitung
Fig.7 Eine trägerfrequente Übertragung von Codierungswechselströmen.
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Fig.8,9 Eine zeitmultiplexe Übertragung von Codierungswechselströmen.
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Fig.10 Uberlagerung zweier um 90 Grad phasenverschobener Wechselströme
Fig.11a,11b Umwandlung eines analogen Eingangssignal in ein amplitudenkontinuierliches
Signal.
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Fig.12 Identität von Codierungs-mit dem Sendewechselstrom beim Punk.
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Fig.13,14,15 Kompensation von Phasensprängen bei Uberlage rung.
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In der Fig.1a ist eine Schwingung mit 8 Probeentnahmen P1 bis 8 dargestellt.
Der Wert jeder Probeetntnahme wird durch die Amplitude einer Periode oder Halbwelle
eines gleichförmigen, insbesondere sinusförmigen Wechselstromes, des Codierwechselstromes,
codiert. In Pig.lb ist als Codeelement die Periode vorgesehen. Die Probeentnahme
P1 der Fig.la wird analog auf die positive und negative Halbwelle mit den Amplitudenwerten
aP1 und aPR,dDie Probeentnahme P2 wird auf die beiden Halbwellen aP2/aP2, ..die
Probeentnahme P7 wird auf die beiden Halbwellen aP7/aP7 usw. übertragen. Wird als
Codeelement die Halbwelle des Codierwechselstromes verwendet, so wird die Probeentnahme
P1 der Fig.1a, wie aus Fig.1c ersichtlich ist, die Amplitude aP1 der Halbwelle,
die Probeentnahme P2 die Amplitude aP2 der Halbwelle ,...die Probeentnahme P7 die
Amplitude aP7 der Halbwelle. Umwandlungen von analogen amplituden und zeitkontinuierlichen
Signalen in amplitudenkontinierliche Signale
bekannt und wird als Vorstufe bei der
Pulscode-Modulation vorgesehen,
(z.B.Zeitschrift Elektronit 1980 Heft 1, S.85) es wird daher nicht mehr näher darauf
eingegangen. In Fig.11a und lib ist im Prinzip eine solche Umwandlung dargestellt.
US sind die Signalspannungen und t ist die Zeitachse. P1,..Px sind die Probeentnahmen.
Mit Hilfe einer Abtastschaltung (Sample and Hold) wird das analoge Eingangssignal
der Fig.11a in das amplitudenkontinuierliche Siganal der Fig.11b umgewandelt.In
bekannterweise kann man dann unter Ausnutzung der Röhren kennlinien (Gitterspannung)
oder Transistorenkennlinien das amplitudenkontinuierliche Signal in einen Wechselstrom,
mit den entsprethenden Amplituden umwandeln.
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laut CCITT ist die Probeentnahmefrequenz 8 KHz. In der Fig.
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7b ist dann die Codierfrequenz ebenfalls 8 KHz, in der Fig.
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1c genügt eine Frequenz von 4 KHz. Man kann die Codierfrequenz halbieren,
wenn man z.B. die Probeentnahmen P1,P3, P5, usw. mit einem Wechselstrom und die
Probeentnahmen P2, P4,P6, usw. mit einem anderen Wechselstrom gleicher Prequenz
codiert. Die beiden Wechselströme müssen dann um 180 Grad gegeneinander phasenverschoben
sein. Beide wo chselströme halber Frequenz können dann mit einen Wechselstrom
übertragen werden, wenn zusätzlich eine Phasenverschiebung von 90 Grad vorgenommen
wird und beide Wechselströme überlagert werden, das Prinzip ist hierfür in- g.10
dargestellt. CK1 und CK2 sind zwei Wechselströme gleicher Prequenz, die gegeneinander
um 90 Grad phasenverschoben sind.
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CKg ist der Summenwechselstrom , der die gleichiSrequenz aufweist
als die Einzelwechselströme. In der Quadraturam pitudenmodulation ist dieses Prinzip
bekannt und wird daher nicht näher darauf eingegangen. Um in der Emifangsseite wieder
die abs tandsge treuen Probeentnahmewerte zu erhalten, muss die Phasenverschiebung
von 90 Grad wieder rw kgängig gemacht werten.
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In den Fig.1d,e,f,g sind für die Codierung der Probeent nahme 4 Wechselströme
vorgesehen, die gegeneinander jeweils um 90 Grad phasenverschoben sind, sodass bei
Perioden als Codeelement eine Frequenz von 2 KHz je Wechselstrom erforderlich ist.
In Fig.1d werden die Probeentnrhmen E4,P5,...
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mit den Amplituden aP1,aP5,.., in der Fig.1e werden die Pro-
beentnahmen
P2,P6,..mit den Amplituden aP2,aP6,.., in der Fig. 1f werden die Probeentnahmen
P3,P7,..mit den Amplituden aP3,aP7,...und in Fig.1g werden die Probeentnahmen P4,
P8,. .mit den Amplituden aP4,aP8, , , . 0codiert0 Entsprechend der Fig.10 kann man
nun zwei um 90 Grad phasenverschobene Wechselströme zusammenfassen, überlagern und
als einen Wechstrom über die Leitung senden. Bei gleicher Codierfrequenz müssen
dann für die zwei Überlagerungswechselströme verschiedene Übertragungswege vorgesehen
werden, im Beispiel für den Überlagerungswechselstrom Fig.1d/1e ein und für den
Uberlagerungsstrom Big.1f/lg ein anderer Übertragungsweg.
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Man kann auch für jedes Sprachband eine andere Probeentnahmefrequenz
wählen, z.B. 8 EHz, 12 KHz,.. Beim letzteren kann man 4 mal 3KHz als Codierfrequenzen
vorsehen, und dann wieder 2 Cddierwechselströme überlagern. Uberlagerungswechselströme
von 2tHz und 3 KHz können dann über Filter zusammenge führt werden und einem Trägerfrequenzsprachkanal
zugeführt werden. Auf der Empfangsseite müssen dann die 2 KHz Codierwechselströme
und die 3 KHz Codierwechselströme für Zwecke der Decodierung der Probeentnahmen
wieder zusammen ausgewertet werden. Die Filtergüte ist ja von der Bandbreite te
und der Resonanzfrequenz abhängig, sodass bei überlappung der Filter in der Bandbreite
eines Sprachkanales eine Vielzahl von Codierwechselströmen bezw. Uberlagerungswechselströmen
unterbringen kann, z.B. 3,2KHz, 2,9 KHz, 2,6 KHz, 2,3 KHz, 2 KHz, 1,7 KHs, 1,4 KHz,
1,1 KHz, 0,8 KHz, 0,5 KHz, wobei man natürlich nicht nur PAM-Sprgehsignale unterbringen
kann. Bei Verwendung von Überlagerungswechselströmen ist auch eine Synchronisierung
erforderlich. So geneigt es , wenn in vorbestimmten Zeitabständen nur ein Codierwechselstrom
an Stelle des Uberlagerungswechselstromes übertragen wird.
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Werden in einem System alle Frequenzen durch Teilung oder Vervielfachung
gewonnen, so genügt die Synchronisierung nur eines UberlZgerungswechselstromes.
Auf diesem Prinzip kann man auch binärcodiert Signale entsprechend den Fig.2 und
3 übertragen.
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In der Fig.2a ist ein binärcodierter Wechselstrom dargestellt, bei
dem als Codeelemente die Perioden und als Kennzustände
ein grosser
und ein kleiner Amplitudenwert vorgesehen ist.
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Da die Amplitude der Periode als Codeelement vorgesehen ist, genügt
z.B. die Amplitude der positiven Halbwelle als Probe entnahme zu verwenden. Für
die Probentnahmecodierung werden 4 Wechselströme mit je der Viertelfrequenz des
binärcodierten Wechselstromes vorgesehen, die gegeneinander um 90 Grad phasenverschoben
sind.
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CodeelementeP1,P5, P9,... werd en in der Fig.2b durch die Analogwerte
der Ampli-
der Fig. 2b durch die Analogwerte der Ampli tuden aP1,aPS,aP9,..; die Coddeelemente
P2,P6, P10,..werden in der Fig.2c durch die Analogwerte aP2,aP6,aP10,.., die Codeelemente
P3,P7,1?1 1,. .werden durch die
Codeelemente P3, P7, PAnalogwerte,.. werden durch die Analogwerte aP3,aP7,aP11,..,
und die Codeelemente P4,P8,P12 ,..,werden durch die Analogwerte aP4,aP8,aP12,...
dargestellt. Wird z.B. ein Sprachkanal mit 64 Kbit digitalisiert, so ist hierfuf
bei einer Codierung nach Fig,2a eine Frequenz von 64 KHz notwendige Durch die Verwendung
von 4 Codierwechselströmen entspreechend den Fig.2b,c,d,e sind dann nur 16 KHz je
Codierwechselstrom erforderlich. Durch Oberlage rung nach dem Prinzip der Fig.10
brauchen dann nur zwei Wechselströme mit je 16 KHz übertragen werden.
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In der Fig.3a ist einbinärcodierter Wechselstrom dargestellt, bei
dem als Codeelemente die Halbwellen und als Kennzustände ein grosser und ein kleiner
Amplitudenwert vorgesehen ist (s.DBP 30 10 938). Die Probeentnahkemen werden durch
4 Wechselströme der halben Frequenz mit den Perioden als Codelemente codiert. Werden
für die Codierung die Halbwellen verwendet ist nur die Viertelfrequenz für die Codierwechselströme
erforderlich. Die Probeentnahmen H1,H5,.c0 werden in Fig.3b mit den Analogamplituden
aH1, aH5, die Probeentnahmen H2,....mit den Analogamnlituden aH2,., usw. codiert.
Die zwei anderen Codierwechselströme sind nicht mehr dargestellt, da dieses Prinzip
auch in den Fig.
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2b bis 2e 8offenbart ist.
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In der Fig.4 ist das Prinzip einer Sprßchubertraung gemäss der Erfindung
dargestellt. Der Codierer ist mit C bezeichnet.
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In diesem werden die Probeentnahmen des Sprachbandes mit einer Bandbreite
bis 3,4 KHz in einen 8 KHz Codierwechselstrom ungesetzt. Die Probeentnahmecodierung
erfolgt mit der Periode, wie in der Fig.1b dargestellt. Über die Tei-
tung
Ltg übertragen,wird der Codierwechselstrom im Decodierer D: wieder in die Probeentnahmen
umgewandelt, und aus diesen Werten wird dann in bekannterweise der Sprachwechselstrom
wieder gewonnen. Nach dem Codierer bezw. vor dem Decodierer kann noch ein Filter
Fi vorgesehen werden, wie in der Fig.5 dargestellt, ds nur den 8 KHz Codierwechselstrom
durchlässt.
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In der Fig.6 ist das Prinzip einer frequenzmultiplexen Übertragung
von 10 Sprachkanälen dargestellt. Jedem Kanal ist eine andere Probeentnahmefrequenz
zugeordnet, und zwar für den 1. Kanal 8 KHz, für den 2. 8,5KHz, .. und für den 10.
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Kanal 12.5 KHz. Der Codierer des Kanales 1 ist mi CF8, des Kanales
2 mit CF8,5,..bezeichnet. Über die Filter Fi werden dann alle Kanäle zusammengeschaltet
und zur Empfangestelle gesendet. In dieser werden die verschiedenen Codierfrequen-
zen durch Filter Fi wieder getrennt und in den Decodiererffi in die Probeentnahmewerte
umgewandelt, aus denen dann der Sprachwechselstrom wieder gewonnen wird.
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In der Fig.7 ist eine trägerfrequente Übertragung von 10 Sprachkanälen
mit einem Codierwechselstrom von 8 KHz dargestellt. Die Codierwechaaselströme von
8 KHz gelangen über die Eingänge K1 bis K10 zu den Modulatoren M, an die die Trägerwechselströme
Tr32,... angeschlossen sind. Der Trägerabstand beträgt 1 KHz. In den nachfolgenden
Filtern Fi wird der jeweilige Träger und die obere oder untere Seitenfrequenz ausgesiebt.
In der Empfangsstelle werden dann die Seitenfrequenzen durch Filter Fi wieder getrennt,
und in den Demodulatoren DM, an die wieder die Träger Tr32,...angeschlos sen sind,
wirts der Codierwechselstrom von 8 KHz wieder era zeugt. Dieser wird im Decodierer
- der Codierer ist in der Sendestelle nicht eingezechnet wieder in einen Sprachwqehselstrom
umgewandelt. (3,4 KHz).
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Ein Beispiel einer zeitmultiplexen Anwendung ist in den Rig.
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8 und 9 dargestellt. Die Kanäle K1 bis K4 sollen zeitmultiplex übertragen
werden. Die Probeentnahmefrequenz sei wieder 8 KHz, die Multiplexfrequenz ist dann
32 KHz. Die Probeentnahmen der 4 Kanäle sind so gestaffelt (P1,2,3,4,5,..),dass
die Probeentnahme eines Kanals immer im Abstand von 8 KHz erfolgt. Der Multiplexer
Mu der Fig.9 greift die Proben P1,2,
P3,4,...nacheinander ab und
überträgt sie auf die Amplituden des 32 KHz Wechselstromes, Als Cpdiermittel werden
dabei die Perioden vorgesehen. Vom Codierer C gelangt der 32 KHz Codierwechselstrom
über die Leitung Ltg zum Decodierer D: , in dem aus dem 32 KHz Wechselstrom die
Probeentnahmewerte P1,2,3,.. wieder erzeugt werden. Im Multiplexer DMu werden die
Probeentnahmen wieder den einzelnen Kanälen Kl bis K4 zugeordnet. Eine Synchronisierung
ist erforderlich.
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Vorteilhaft lässt sich dieses Prinzip einsetzen, wenn niedrige Sendewechselstromfrequenzen
ueber Funk benötigt werden, z.B. für Sprechverbindungen zu Unterseebooten oder zu
Höhlen. In der Fig.12 ist das Prinzipschaltbild eines solchen Senders dargestellt.
Im Oszillator Osc wrwird der Codierwechselstrom, der zugleich Sendewechselstrom
ist, erzeugt, und dem Codierer C zugeführt. Die Probeentnahmewerte P werden ebenfalls
diesem Codierer zugeschaltet und den Halbwellen bezw. Perioden des Sendewechselstromes
aufgedrückt, Die Probeentnahmefrequenz ist dabei mit der Oszillatorfrequenz synchronisiert.
Der Sendewechselstrom kann z.B. bis 70% ausgesteuert werden. Vom Codierer C gelangt
der Codier- bezw. Sendewechselstrom über nicht eingezeichnete Verstärkerstufen zum
Verstärker V. Nach diesem gelangen Nutz- und Nebensignale einmal direkt zur Endstufe
und einmal gelangen nur die Neben- bezw. Geräusch-und Oberwelllensignale T durch
das
die Nutzsignale gesperrt' zur Endstufe E. Die Signale über das Filter sind um 180
Grad phasenverschoben, sodass die Geräusch- und Oberwellnnsignale in der Endstufe
kompensiert werden. Diese gompensierung der Nebensignale kann auch hinter der Endstufe
erfolgen. Das Filter wird dann z.B. über einen Liplexer mit dem Sendewechselstrom
zusammengeschaltet.
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Bei der Uberlagerung der Fig.10 können auch Phasenfehler auftreten)
Fig.13,14 und 15 erläutert wird. Die Überlagerungswechselströme sind gegeneinander
um 490 grad phasenverschoben. Die Sind gleicheVektoren in Fig.13 mit Um und Vm bezeichnet,
so ist der Überlagerungswechselstrom Um.
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wechseln nun die Vektoren abwechselnd auf die Grösse 0,
so
erfolgt ein Phasensprung von 90 Grad, sind die Amplitudenänderungen der beiden Überlagerungswechselströme
kleiner snind auch die PhtsensprEnge kleiner. Eine Teilkompen sierung ist in Fig.
14 dargestellt. Wird jedem
Wechselstrom ein konstanter Wert Uk und Vk zugeordnet, ksnn eine Amplitudenänderung
eines Wechselstromes auf 0 nie zustandekommen, er hat immer eine Amplitude von Zk
bezw. Vk. Die beiden möglichen Werte der Vektoren bei U=O und g=O sind Ouo und Ovo,
der Phasensprung kann höchstens den Wert q annehmen. In der Übersicht der Fig.15
ist nochmals der Phasensprung erläutert. In Fig. 115a ist der Codierwechselstrom
U und in der Fig.15b ist der um 90 Grad phasenverschobene Codierwechselstrom V dargestellt.
Man sieht bei 90 Grad hit der Wechselstrom U ein Maximum, V hat aber den Wert 0.
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Bei 180 Grad hat U den Wert gleich 0 und V ein Maximum.
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Wird bei 180 Grad V=O, so würde der Uberlagerungswechselstrom in Fig.15c
Vo einnehmen. Nimmt bei 270 Grad U den Wert 0 ein, so nimmt in Fig.15c der Oberlagerungswechselstrom
den Wert Uo an. Zwischen Vb und Uo sind 90 Grad.
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Man kann natürlich auch durch Wiederholung derselben Amplituden,z,B.
4 oder 7 mal, der Wechselströme der Fig.15a,b oder c die Ausgleichsvorgänge auf
dem Übertragungsweg kompensieren. Durch Filter kann man am Anfang oder Ende des
übertragungsweges die Bandbreite einengen. Diese Methode ist nur erforderlich, wenn
die Codierungswerte exakt genau ubertragen werden sollen oder müssen.
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Man kann die Frequenzen der Umcoiderungswechselströme beliebig festlegen,
es muss dabei nur darauf geachtet werden, dass z.B. bei der Pulsamplitudenmodulation
der grösste zulässige Abstand der Probenentnahmen eingehalten wird.
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