ES2300135T3 - Metodo de recuperacion de portadora de señal. - Google Patents

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ES2300135T3 ES99402848T ES99402848T ES2300135T3 ES 2300135 T3 ES2300135 T3 ES 2300135T3 ES 99402848 T ES99402848 T ES 99402848T ES 99402848 T ES99402848 T ES 99402848T ES 2300135 T3 ES2300135 T3 ES 2300135T3
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Abstract

Proceso para recuperación de portadora para una señal recibida que incluye una etapa de estimación de frecuencia de la portadora de esta señal y una etapa de estimación de fase asociada a esta señal subsiguiente a la etapa de cálculo de frecuencia, caracterizado porque se llevan a cabo las siguientes etapas: - durante la etapa de estimación de frecuencia, se lleva a cabo una etapa de ecualización de la señal durante la cual un ecualizador (3) que incluye un filtro adaptable directo (10) y un filtro adaptable recurrente (14) adapta únicamente los coeficientes del filtro adaptable recurrente (14), - durante la etapa de estimación de fase, el ecualizador (3) continúa adaptando durante un período de tiempo predeterminado tan sólo los coeficientes del filtro adaptable recurrente (14).

Description

Método de recuperación de portadora de señal.
La invención se refiere a un proceso de recuperación de portadoras de señal.
Más concretamente, la invención se aplica al caso en el que la señal cuya portadora es recuperada se transmite en un medio perturbado por ecos de gran amplitud.
La invención también incluye una aplicación ventajosa en el contexto de una transmisión de cuadratura digital en la portadora que utiliza un gran número de estados formando una constelación.
Por lo general, con el objeto de transmitir datos digitales desde un canal de transmisión, dichos datos se modulan utilizando, por ejemplo, una modulación de tipo de amplitud de impulso ("Modulación de Amplitud de Impulso" o "PAM"). Las modulaciones en amplitud por cuadratura o QAM se utilizan para aumentar la suma de datos que pueden transmitirse dentro del ancho de banda de un canal disponible. La modulación QAM es un tipo de modulación PAM en la que se transmite una pluralidad de bits de información reunidos siguiendo una disposición a la que en adelante se denominará constelación.
A fin de efectuar la sincronización con la señal recibida, el receptor digital debe estar equipado con un dispositivo para la generación de una señal de referencia en fase con la señal recibida. Una vez sincronizado, el desmodulador permite la desmodulación de las señales que contienen información en su fase. Por ejemplo, en la modulación QAM, la modulación de los bits "0" y "1" corresponde a las fases en la señal modulada que se determinan siguiendo unas reglas conocidas en sí. De este modo, el desmodulador debe generar una señal de referencia que debe sincronizarse en fase con la portadora de datos. Este proceso se conoce por el nombre de recuperación de fase de portadora. Dicha técnica se describe en un documento titulado "a multilevel QAM demodulator VLSI with wideband carrier recovery and dual equalizing mode", de Yamanaka y otros, publicado en el IEEE journal of solid-state circuits (vol. 32, nº 7, 01/07/1997, p. 1101-1107).
En la modulación PAM, cada señal consiste en un impulso cuyo nivel de amplitud viene determinado por un símbolo transmitido. En la modulación QAM, por ejemplo en la modulación 16-QAM, se utilizan las amplitudes de los símbolos -3, -1, 1 y 3 de cada canal de cuadratura. Lo que sucede es que el efecto de cada símbolo transmitido a través de un canal se extiende más allá del intervalo de tiempo utilizado para representar este símbolo. La distorsión provocada por el desbordamiento resultante de los símbolos recibidos se denomina interferencia intersímbolo (o ISI). Esta distorsión ha sido uno de los principales obstáculos para las transmisiones de datos con una elevada tasa de transferencia en canales ruidosos con un ancho de banda limitado. Se utiliza un dispositivo denominado "ecualizador" para solucionar este problema de interferencia intersímbolo.
A fin de reducir la interferencia intersímbolo introducida por el canal de transmisión es necesaria una ecualización muy precisa. Teniendo en cuenta que no se conocen de antemano las características del canal, se utiliza un ecualizador estadístico que lleva a cabo una compensación del ámbito de los canales requeridos en términos de características de retardo y amplitud. El algoritmo de gradiente estocástico de error cuadrático medio, también conocido como algoritmo LMS (o Least Mean Squares) se utiliza generalmente como algoritmo de ecualización adaptable.
De este modo, una de las funciones esenciales del receptor en sistemas de transmisión digital consiste, por tanto, en la extracción de una portadora sincronizada en fase y frecuencia con la portadora del extremo de transmisión. Una fase o frecuencia de baja calidad a nivel de desmodulación reduce la potencia de la señal útil y genera interferencias entre los componentes en cuadratura I y Q de la señal QAM desmodulada, lo que explica la importancia de la fase recuperada.
Otra función esencial también consiste, como se ha visto anteriormente, en la eliminación de las distorsiones de la señal recibida. Además, al ser generalmente desconocida la respuesta del canal, siendo susceptible de variar a lo largo del tiempo, su ecualización exige un ecualizador adaptable capaz de adaptarse al canal y de seguir sus variaciones temporales.
En la actualidad, en los receptores convencionales, el ecualizador adaptable y el dispositivo de recuperación de la portadora, que incluye un estimador de frecuencias y un estimador de fase conmutados en función de unos criterios específicos, se siguen el uno al otro en la cadena de recepción. En este contexto, no es posible llevar a cabo la recuperación de la portadora en presencia de ecos de gran amplitud o de un desplazamiento de fase demasiado considerable.
La finalidad de la presente invención consiste en recuperar discrepancias considerables en la frecuencia de la portadora y, simultáneamente, compensar los ecos de gran amplitud.
Para ello, el objeto de la invención consiste en un proceso de recuperación de portadora para una señal recibida que incluye una etapa de estimación de frecuencia de portadora de esta señal y una etapa de estimación de fase asociada a esta señal con posterioridad a la etapa de estimación de frecuencia, caracterizado porque se llevan a cabo las siguientes etapas:
- durante la etapa de estimación de frecuencia, se lleva a cabo una etapa de ecualización de la señal durante la cual un ecualizador que incluye un filtro adaptable directo y un filtro adaptable recurrente adapta tan sólo los coeficientes del filtro adaptable recurrente,
- durante la etapa de estimación de fase, el ecualizador continúa adaptando para un tiempo predeterminado tan sólo los coeficientes del filtro adaptable recurrente.
De este modo, la invención permite efectuar una recuperación de la portadora en presencia de ecos de gran amplitud o con un desplazamiento de fase de frecuencia demasiado considerable. La adaptación, en primer lugar, de los coeficientes del filtro recurrente permite corregir en primer lugar los ecos largos antes de refinar la ecualización. Ventajosamente, la invención permite compensar los ecos potentes respecto a constelaciones de elevado orden, como por ejemplo la constelación que ejecuta una modulación de amplitud en cuadratura de 256 estados.
De acuerdo con una realización, tras la ecualización llevada a cabo por el ecualizador de los coeficientes del filtro adaptable recurrente, se lleva a cabo una etapa de ecualización de la señal durante la cual dicho ecualizador adapta los coeficientes del filtro adaptable directo así como los coeficientes del filtro adaptable recurrente.
De acuerdo con una realización, la etapa de estimación de frecuencia se inicia cuando los puntos recibidos por el estimador de frecuencia se superponen a los patrones de la constelación que representa el esquema de modulación utilizado, resolviéndose fácilmente en la práctica la ambigüedad de fase de 90º mediante codificación diferencial, y cuando los puntos recibidos son semejantes a los puntos ideales predeterminados de la constelación, estos puntos recibidos se encuentran situados en una zona de adquisición caracterizada por una considerable distancia al origen y atravesada por una diagonal que conecta el origen de la constelación con dicho punto al que rodea la zona.
De acuerdo con una realización, la estimación de frecuencia se lleva a cabo mediante una medida de la diferencia de fase correspondiente a la distancia angular entre el punto que representa la señal recibida en dicha constelación y dicha diagonal.
De acuerdo con una realización, durante la etapa de estimación de frecuencia, se lleva a cabo una actualización de un acumulador que facilita el error de frecuencia de portadora a un desmodulador con posterioridad a la medición de la diferencia de fase correspondiente a N puntos consecutivos recibidos y dichos puntos ideales correspondientes, siendo N un número entero.
De acuerdo con una realización, la etapa de ecualización durante la etapa de estimación de frecuencia y/o la etapa de ecualización de la señal durante la etapa de estimación de fase se llevan a cabo de acuerdo con un algoritmo ciego o de auto-recuperación de tipo de módulo constante o CMA en sí conocido, reduciendo el tiempo de adquisición del sistema. El algoritmo ciego, al ser independiente de la fase, permite que el ecualizador permanezca estable aun cuando la portadora esté desbloqueada.
De acuerdo con una realización, la convergencia del algoritmo durante la etapa de estimación de frecuencia se acelera aumentando el número N de medidas.
De acuerdo con una realización, dicha etapa de ecualización llevada a cabo durante la etapa de estimación de fase no comienza hasta después de haber calculado el error de fase relativo a M puntos recibidos, siendo M un número entero predeterminado.
De acuerdo con una realización, cuando se logra la convergencia del algoritmo utilizado para la estimación de fase, el filtro adaptable directo y el filtro adaptable recurrente se adaptan mediante el cálculo del error medido de acuerdo con un algoritmo de realimentación de decisiones conocido en sí.
Se apreciarán otras características y ventajas de la presente invención a partir de la siguiente descripción de la realización tomada como ejemplo no limitativo y haciendo referencia a la figura 1 adjunta que representa un esquema de un aparato para la recepción de señales de acuerdo con la invención.
El aparato de acuerdo con la invención incluye un desmodulador 1, un bucle de recuperación de portadora 2, un ecualizador 2, y un mezclador 4.
El bucle de recuperación de portadora 2 incluye un estimador de frecuencia 5, un estimador de fase 6, un conmutador 7, un filtro de bucle 8 y un desplazador de fase 9.
El ecualizador 3 incluye un filtro adaptable directo 10, un sumador 11, un sistema de toma de decisiones 12, un primer conmutador 13, un filtro adaptable recurrente 14, un circuito de cálculo de error 15 y un segundo conmutador 16.
La entrada E1 del bucle de recuperación de la portadora está conectada a las entradas respectivas del estimador de frecuencia 5 y del estimador de fase 6. La salida del estimador de frecuencia 5 y la salida del estimador de fase 6 constituyen dos entradas del conmutador 7 cuya salida está conectada a la entrada del filtro de bucle 8.
La salida del filtro del bucle 8 está conectada a la entrada del desplazador de fase 9, cuya salida constituye la salida S1 del bucle de recuperación de la portadora 2.
La entrada E3 del ecualizador 3 está conectada a la entrada del filtro adaptable directo 10 cuya salida está conectada a un primer terminal del sumador 11. La salida del sumador 11 está conectada a la entrada del dispositivo de toma de decisiones 12, una de cuyas salidas se encuentra conectada a una primera entrada del conmutador 13. La segunda entrada del conmutador 13 está conectada a la salida del sumador 11. La salida del conmutador 13 está conectada a la entrada del filtro adaptable recurrente 14, cuya salida está conectada a la segunda entrada del sumador 11. La salida del sumador 11 está conectada a la segunda entrada del conmutador 13 así como a la entrada del circuito de cálculo de error 15. La salida del circuito de cálculo de error 15 está conectada a una primera entrada del segundo conmutador 16 y a la entrada de control del filtro adaptable recurrente 14.
Una segunda salida del dispositivo de toma de decisiones 12 constituye la salida del ecualizador 3 y está conectada, por ejemplo, a un decodificador (no representado).
La salida del segundo conmutador 16 está conectada a la entrada de control del filtro adaptable directo 10.
La segunda entrada del segundo conmutador 16 está conectada, por ejemplo, a tierra de tal forma que, cuando el segundo conmutador 16 conmuta a su segunda entrada, se desactiva el control del filtro adaptable directo 10.
La señal aplicada a la entrada E2 del ecualizador 3 es la señal procedente del desmodulador 1 desplazado en fase en una magnitud \Delta\varphi, siendo \Delta\varphi el desplazamiento de fase variable aportado por el desplazador de fase 9.
De acuerdo con la invención, el dispositivo de recuperación de portadora utiliza varios modos sucesivos.
En los siguientes párrafos se hará referencia a las técnicas de ecualización, especialmente mediante la adaptación de coeficientes de filtros directos o recurrentes. Estas técnicas son conocidas en sí y se detallan en el obra "Communications Systems" de Simon Haykin, Capítulo 7.9 Ecualización Adaptable, páginas 452 a 461.
De acuerdo con un primer modo, la salida del conmutador 7 está conectada a la salida del estimador de frecuencia 5 y la salida del segundo conmutador 16 está conectada a su segunda entrada conectada a tierra. De acuerdo con este primer modo, se deduce que el bucle de recuperación de portadora 2 utiliza el estimador de frecuencia 5 y el ecualizador 3 adapta tan sólo los coeficientes del filtro adaptable recurrente 14. El verdadero problema de la ecualización es la convergencia inicial del algoritmo de adaptación, que generalmente se mide por la duración en términos de período de símbolo que tarda en estabilizarse la varianza del error a un nivel mínimo que en condiciones ideales equivale a 0. Por ejemplo, en una red punto/multipunto en la que un transmisor central transmite a varios receptores no resulta práctico interrumpir la transmisión de datos para transmitir una secuencia de aprendizaje cada vez que un receptor se conecta a la red. La convergencia del ecualizador debe entonces realizarse a ciegas, es decir sin conocer los datos transmitidos. Esta es la razón por la que, en el caso actual, la adaptación de los coeficientes del filtro adaptable recurrente 14 se efectúa preferiblemente en el modo a ciegas. De acuerdo con la presente realización, la técnica utilizada es del tipo CMA, conocida en sí y descrita por ejemplo en la patente US 5835731. La convergencia de la señal que accede al ecualizador converge después a un valor preestablecido. En el caso de una transmisión digital que utilice un esquema de modulación que genere señales complejas, estas últimas se consideran como vectores en el plano complejo, denominándose el eje real como el canal en fase (o canal "I") y denominándose al eje imaginario como canal de cuadratura (o canal "Q"). Por consiguiente, cuando estas señales se someten a distorsiones del canal se producen interferencias entre los canales I y Q, lo que requiere un ecualizador adaptable complejo. Después consiste en hacer que la potencia de la señal compleja Is + jQs converja hacia un valor preestablecido característico de la constelación, representando (Is, Qs) las coordenadas de la señal en el plano complejo y representando la constelación la serie de puntos (Is, Qs). Cada cuadrante de la constelación posee una "esquina" alejada del origen del plano complejo. Los segmentos que conectan este origen a las esquinas forman diagonales que se utilizarán posteriormente para el cálculo de los errores de fase.
En este modo, se lleva a cabo una rotación de la constelación.
El estimador de frecuencia se pone en funcionamiento tan pronto como la señal de entrada del estimador se encuentra "próxima a una esquina de un cuadrante de la constelación" y tan pronto como la constelación se considera correcta, próxima a 90º. La expresión "próxima a una esquina de un cuadrante de la constelación" debería entenderse como que el punto recibido cuenta con suficiente potencia (la potencia de un punto de la constelación es proporcional a la distancia que separa dicho punto del origen del plano complejo) y que se encuentra situada en la proximidad de una diagonal. Igualmente la expresión "considerada como correcta" debería entenderse como que a nivel local los puntos presentes en la salida del ecualizador están superpuestos sobre los puntos ideales o patrones de la constelación. La medición del error de fase entre la señal recibida y la esquina ideal de la constelación se lleva a cabo mediante el estimador de frecuencia 5 y se transmite al filtro de bucle 8. Los errores de fase respecto a las esquinas se calculan para cada componente I y Q, sobre N muestras consecutivas, siendo N un número entero, por ejemplo igual
a 10.
La convergencia del algoritmo se acelera adaptando el valor de N. Específicamente, cuando el algoritmo implementado converge hacia el valor ideal de la frecuencia, disminuye la rotación de la constelación. En este caso, el estimador de frecuencia se activa en menos ocasiones debido al mayor tiempo requerido para que la señal se someta a una rotación residual de 90º. Entonces es posible aumentar la ventana de adquisición de error de fase, es decir aumentar el parámetro N.
Como se ha mencionado anteriormente, de acuerdo con este primer modo, el ecualizador adapta únicamente los coeficientes del filtro adaptable recurrente.
En un segundo modo de funcionamiento iniciado tras la estabilización de un acumulador 80 del filtro de bucle 8, el estimador de frecuencia 5 se sustituye por el estimador de fase 6. Será entones la salida del estimador de fase 6 la que esté conectada a la salida del conmutador 7. De acuerdo con este segundo modo de funcionamiento, el ecualizador 3 todavía adapta únicamente los coeficientes del filtro adaptable recurrente 14. La estimación de fase se encuentra activada únicamente en las esquinas de la constelación. La estimación de fase se lleva a cabo sobre M puntos de la constelación, siendo M, por ejemplo, igual a 20.
Este segundo modo de funcionamiento permite reducir las transiciones abruptas cuando se conmuta entre el estimador de frecuencia y el estimador de fase y para evitar cualquier fenómeno de falso enclavamiento. Específicamente, puede darse el caso de que los puntos recibidos se encuentren raramente en las zonas de adquisición, en cuyo caso el estimador de frecuencia no se actualizará regularmente. En esta situación, la estabilidad muy relativa de este estimador puede llevar a pensar que se ha conseguido la convergencia, originando un falso enclavamiento.
Preferiblemente, al término del segundo modo de funcionamiento, es decir tras el procesamiento de dichos M puntos, se efectúa un estrecho seguimiento de la fase de la portadora, activando permanentemente la señal procedente del estimador de fase.
De acuerdo con los resultados del cálculo de fase, el proceso de recuperación de portadora permite regresar una o más veces del segundo modo de funcionamiento al primer modo de funcionamiento.
El segundo modo de funcionamiento va seguido de un tercer modo de funcionamiento. Este tercer modo se diferencia del segundo modo en que la etapa de ecualización de señal en modo a ciegas adapta los coeficientes del filtro adaptable directo así como los coeficientes del filtro adaptable recurrente. Ventajosamente, el tercer modo de funcionamiento permite estabilizar la rotación de la constelación en la entrada del ecualizador 3. Este tercer modo de funcionamiento también permite concentrar las tareas debidas a los ecos en la salida del ecualizador 3. El tercer modo de funcionamiento opera en todos los puntos P de la constelación, es decir, por ejemplo, en 256 puntos.
Cuando la dimensión de las tareas es lo suficientemente reducida, el tercer modo de funcionamiento va seguido de un cuarto modo de funcionamiento. Este cuarto modo ya no utiliza el funcionamiento del ecualizador en modo a ciegas sino en el modo de realimentación de decisiones. Se deduce que la señal que abandona el conmutador 13 es la señal procedente del dispositivo de toma de decisiones 12 en lugar de la señal procedente del sumador 11.
El dispositivo de toma de decisiones 12 permite definir una trama de la constelación. El plano complejo definido por los componentes de cuadratura I y Q se descompone entonces en P zonas adyacentes, definiéndose cada zona en torno a un punto ideal de la constelación Ii, Qi (i = 1, 2, ..., P) mediante una discrepancia \DeltaI y una discrepancia \DeltaQ. Por tanto, se define una zona Zi (i = 1, 2, ..., P) mediante un componente I cuya amplitud varía entre
I_{i} - \frac{\Delta I}{2}
\hskip1cm
e
\hskip1cm
I_{i} + \frac{\Delta I}{2}
y mediante un componente Q cuya amplitud varía entre
Q_{i} - \frac{\Delta Q}{2}
\hskip1cm
y
\hskip1cm
Q_{i} + \frac{\Delta I}{2}
De acuerdo con el cuarto modo de funcionamiento, cuando los valores de las señales de cuadratura I y Q acceden a una zona Zi, el dispositivo de toma de decisiones asigna los respectivos valores ideales Ii y Qi a estas señales. El modo de realimentación de decisiones permite eliminar por completo la modulación de fase.
\vskip1.000000\baselineskip
Referencias citadas en la descripción
La lista de referencias citada por el solicitante lo es solamente para utilidad del lector, no formando parte de los documentos de patente europeos. Aún cuando las referencias han sido cuidadosamente recopiladas, no pueden excluirse errores u omisiones y la OEP rechaza toda responsabilidad a este respecto.
Documentos de patente citado en la descripción
\bullet US 5835731 A [0034].
Bibliografía de patentes citada en la descripción
\bulletYAMANAKA. IEEE journal of solid-sate circuits, Julio 1997, vol. 32 (7), 1101-1107 [0005].
\bullet Communication Systems. SIMON HAYKIN. Adaptative equalization. 452-461 [0033].

Claims (9)

1. Proceso para recuperación de portadora para una señal recibida que incluye una etapa de estimación de frecuencia de la portadora de esta señal y una etapa de estimación de fase asociada a esta señal subsiguiente a la etapa de cálculo de frecuencia, caracterizado porque se llevan a cabo las siguientes etapas:
- durante la etapa de estimación de frecuencia, se lleva a cabo una etapa de ecualización de la señal durante la cual un ecualizador (3) que incluye un filtro adaptable directo (10) y un filtro adaptable recurrente (14) adapta únicamente los coeficientes del filtro adaptable recurrente (14),
- durante la etapa de estimación de fase, el ecualizador (3) continúa adaptando durante un período de tiempo predeterminado tan sólo los coeficientes del filtro adaptable recurrente (14).
2. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que, tras la adaptación llevada a cabo por el ecualizador (3) de los coeficientes del filtro adaptable recurrente (14) se lleva a cabo una etapa de ecualización de la señal, durante la cual dicho ecualizador (3) adapta los coeficientes del filtro adaptable directo (10) y los coeficientes del filtro adaptable recurrente (14).
3. Proceso de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la etapa de estimación de frecuencia se inicia cuando los puntos recibidos por el estimador de frecuencia (5) corresponden a unos puntos ideales predeterminados de la constelación que representa el esquema de modulación utilizado, incluyéndose dichos puntos ideales entre los patrones de dicha constelación y estando situados en una zona de adquisición, caracterizado por una considerable distancia al origen y atravesada por una diagonal que conecta el origen de la constelación con una esquina de la constelación.
4. Proceso de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la estimación de frecuencia se lleva a cabo midiendo la diferencia de fase correspondiente a la distancia angular entre el punto que representa la señal recibida en dicha constelación y una diagonal que conecta el origen de la constelación con una esquina de la constelación.
5. Proceso de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque durante la etapa de estimación de frecuencia se lleva a cabo una actualización de un acumulador (80) que facilita el error de frecuencia de portadora a un desmodulador (1) después de medir la discrepancia de fase entre N puntos consecutivos recibidos y los puntos ideales correspondientes, siendo N un número entero y estando dichos puntos ideales incluidos entre los patrones de la constelación y situados en una zona de adquisición caracterizada por una considerable distancia al origen y atravesada por una diagonal que conecta el origen de la constelación con una esquina de la constelación.
6. Proceso de acuerdo con la reivindicación 2 o con una de las reivindicaciones 3 a 5 tomadas en combinación con la reivindicación 2, caracterizado porque la etapa de ecualización durante la etapa de estimación de frecuencia y/o la etapa de ecualización de la señal durante la etapa de estimación de fase se llevan a cabo de acuerdo con un algoritmo ciego o de auto-recuperación del módulo constante o de tipo CMA.
7. Proceso de acuerdo con la reivindicación 6 tomada en combinación con la reivindicación 5, caracterizado porque la convergencia del algoritmo durante la etapa de estimación de frecuencia se acelera aumentando el número N de medidas.
8. Proceso de acuerdo con la reivindicación 2 o con una de las reivindicaciones 3 a 7 tomadas en combinación con la reivindicación 2, caracterizado porque dicha etapa de ecualización llevada a cabo durante la etapa de estimación de fase no se inicia hasta después de la estimación del error de fase relativo a M puntos recibidos, siendo M un número entero predeterminado.
9. Proceso de acuerdo con la reivindicación 2 o una de las reivindicaciones 3 a 8 tomadas en combinación con la reivindicación 2, caracterizado porque cuando se consigue la convergencia del algoritmo utilizado para la estimación de fase, el filtro adaptable directo (10) y el filtro adaptable recurrente (14) se adaptan calculando de error medido en función de un algoritmo de realimentación de decisiones.
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