FR3090247A1 - Procédé et dispositif pour la réduction du facteur crête multicanaux - Google Patents

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Abstract

Procédé pour éliminer des crêtes d’un signal caractérisé en ce qu’il comporte au moins les étapes suivantes : Calculer un premier filtre multicanaux adaptatif (41) construit avec un nombre d’échantillons ayant FSE-a échantillons sur FSE-b échantillons nuls, avec FSE, le facteur de suréchantillonnage, a différent de b, et b<a, Appliquer le premier filtre (41) sur le signal comprenant des crêtes, le signal filtré Sc ( f+r ) comprenant en sortie du premier filtre (41) une ou plusieurs réplique, Appliquer un deuxième filtre de réponse impulsionnelle réelle et fixe (42) ayant des coefficients réels fixes et un nombre de coefficients égaux à zéro afin de filtrer les répliques générées au niveau du premier filtre (41), et générer un signal filtré Scf. Figure pour l’abrégé : Fig. 3B

Description

Description
Titre de l'invention : Procédé et dispositif pour la réduction du facteur crête multicanaux
[0001] L’invention concerne un procédé et un dispositif permettant la réduction du facteur crête dans le cas d’une transmission simultanée de plusieurs canaux haute fréquence ou HL, allant de 3MHz à 30MHz.
[0002] De manière générique, l’invention s’applique dans tous les systèmes comprenant un ou plusieurs dispositifs générant un facteur de crête au niveau des signaux, afin de réduire, voire faire disparaître, la crête des signaux reçus ou à émettre. Elle s’applique pour les algorithmes de réduction du facteur de crête multicanaux fonctionnant par écrêtage-filtrage.
[0003] Les liens de communication haute fréquence offrent notamment une capacité hors ligne de vue ou BLOS qui permet de réaliser des communications à longue, voire très longue distance, sans nécessiter de recours à un satellite ou à l’emploi de stations relais.
[0004] Afin de respecter le bilan de liaison requis pour une communication, il est en général nécessaire d’amplifier le signal à transmettre. Cette amplification se fait habituellement à l’aide d’un amplificateur de puissance analogique.
[0005] Dans le domaine des communications, il existe deux grandes familles de signaux à transmettre.
[0006] La première famille concerne les signaux dits à enveloppe constante. Ces derniers ont la propriété d’avoir une puissance instantanée constante en fonction du temps. Pour ces types de signaux, il est d’usage d’utiliser des amplificateurs à très fort rendement dont la faible linéarité ne perturbe pas le spectre du signal en sortie d’amplificateur.
[0007] La deuxième famille regroupe les signaux dits à enveloppe non-constante. Ces signaux ont la propriété d’avoir une variation plus ou moins importante de la puissance instantanée en fonction du temps. Pour ces types de signaux, il est d’usage d’utiliser des amplificateurs de puissance qui permettent d’amplifier le signal sur une large gamme de puissance instantanée. La consommation de l’amplificateur de puissance est d’autant plus importante que le rapport entre la puissance crête et la puissance moyenne est grand.
[0008] Les signaux correspondants aux multiplex (dans le domaine des communications) composés de plusieurs canaux de transmission sont dans la majorité des cas des signaux à enveloppe non-constante.
[0009] Afin de limiter la consommation de l’amplificateur de puissance, il est d’usage de réduire le facteur crête des signaux à transmettre en amont de l’amplificateur de puissance. Pour cela, il existe plusieurs techniques permettant de réduire le facteur crête d’un multiplex.
[0010] La plus simple consiste à écrêter brutalement le signal. L’inconvénient majeur de cette technique est la génération de signaux hors bande du multiplex qui violent le gabarit spectral imposé à l’émission.
[0011] La réponse impulsionnelle du filtre multicanaux hmuitii(n) (figure 1) est tout d’abord calculée à partir d’un ou plusieurs filtres prototypes hprotoi(n), 1, du type de multiplex à transmettre, et du gabarit spectral à respecter. Puis le filtre est appliqué, 2, en une seule étape par convolution temporelle sur le signal de crêtes Sc afin de générer un signal de crêtes filtrées Scf. Le problème en résultant est la complexité de la fonction de calcul et d’application du filtrage dans le domaine temporel en une seule étape.
[0012] Parmi les autres techniques existantes, la technique dite d’« écrêtage-filtrage » comme celle illustrée à la figure 2 est particulièrement intéressante car :
- son fonctionnement est simple et moins complexe que les autres techniques existantes,
- le spectre généré hors bande du multiplex peut être facilement contrôlé en fonction du gabarit spectral imposé,
- elle s’adapte très facilement au multiplex à transmettre,
- le récepteur ne nécessite pas d’information provenant de la technique de réduction du facteur crête mis en œuvre pour décoder correctement le signal transmis,
- cette technique adresse aussi bien l’approche temporelle que fréquentielle.
[0013] Le signal dont le facteur crête doit être réduit (appelé signal initial) est dans un premier temps écrêté par un écrêteur simple, ou bien un écrêteur de type « Deep clipping » 21. Le signal de crête est ensuite obtenu en soustrayant, 22, le signal écrêté Se du signal initial S;. Le signal de crête est alors filtré par un filtre multicanaux, 23. Enfin, le signal dont le facteur crête a été réduit est obtenu en soustrayant, 24, du signal initial Si, le signal écrêté et filtré Scf. Si la réduction du facteur crête n’est pas suffisante, il est alors possible de réaliser une ou plusieurs itérations 25 en remplaçant le signal initial par le signal dont le facteur crête a été réduit.
[0014] Bien que la technique d’« écrêtage-filtrage » soit bien adaptée à la réduction du facteur crête des multiplex, la complexité de son implantation dépend de la longueur du filtre multicanaux mis en œuvre. En effet, plus la longueur du filtre est importante, plus la convolution réalisant le filtrage sera complexe à implanter. De plus, le filtre multicanaux est construit à partir d’un ou de plusieurs filtres prototypes et doit être recalculé à chaque fois que le multiplex à transmettre change (nombre de canaux, fréquence des canaux, etc...). Une nouvelle fois, plus la longueur du ou des filtres prototypes est importante, plus la construction du filtre multicanaux sera complexe à implanter.
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Les solutions selon l’art antérieur connues du demandeur ne permettent pas de limiter drastiquement la complexité de la fonction de filtrage et il existe donc un besoin à l’heure actuelle de disposer d’un dispositif de filtrage multicanaux ayant une fonction de filtrage permettant la réduction du facteur crête par « écrêtage-filtrage adaptatif » de complexité inférieure.
L’invention se rapporte plus particulièrement au processus de réduction du facteur crête qui peut être mis en œuvre dans le cas de la transmission simultanée de plusieurs canaux HL (emploi dit multi-porteuses) telle que par exemple celle proposée dans le standard MIL STD 188-110C annexe L, où est décrit l’emploi de plusieurs porteuses de 3 kHz, ou de l’usage généralisé tel que décrit dans la demande de brevet du demandeur [1], qui propose de considérer l’emploi d’une pluralité (n) de canaux classiques de 3kHz ou plus (pouvant être également des canaux tels que ceux proposés dans la MIL STD 188-110C annexe D) de bande passante.
De manière générique, le procédé selon l’invention est applicable à tous les processus de réduction de facteur crête par écrêtage-filtrage qui nécessitent de traiter un multiplex composé de plusieurs canaux/voies/bandes.
Dans la suite de la description, BW correspond à la largeur de bande d’un canal, LSE à la valeur du facteur de suréchantillonnage, « n » au numéro d’un échantillon du signal.
L’invention concerne un procédé pour éliminer des crêtes d’un signal caractérisé en ce qu’il comporte au moins les étapes suivantes :
- Calculer un premier filtre multicanaux adaptatif construit avec un nombre d’échantillons ayant (LSE-a échantillons sur ESE-b échantillons) nuis, avec LSE, le facteur de suréchantillonnage, a différent de b, et b<a,
- Appliquer le premier filtre sur le signal comprenant des crêtes, le signal filtré Sc(f+r) comprenant en sortie du premier filtre une ou plusieurs répliques,
- Appliquer un deuxième filtre de réponse impulsionnelle réelle et fixe ayant des coefficients réels fixes et un nombre de coefficients égaux à zéro afin de filtrer le ou les répliques générées au niveau du premier filtre, et générer un signal filtré Scf.
Le facteur de suréchantillonnage LSE est, par exemple, au moins égal à quatre.
Pour le deuxième filtre, on utilise, par exemple, un filtre dit Nième bande avec N= ESE-1 dont un échantillon sur ESE-1 de sa réponse impulsionnelle est nul.
Le premier filtre peut être construit en utilisant un filtre de type Blackman-Harris avec une longueur de la réponse impulsionnelle = 106'
LBH = floor
Le filtre prototype h proto ( ri ) est construit en insérant ESE-2=2 zéros entre chaque échantillon du filtre h BB[ ( Π ) :
[Math.l] /iprofo(3n) = hBH(n) avec^ = _ _ 10j + χ , iÿi _ 1
[0024] Le deuxième filtre est construit en sommant les réponses impulsionnelles du filtre prototype décalées en fréquence selon les fréquences des canaux : [Math.2] hmuiti(n) = Σ h olo(n) e tst· fk — LJ r avec 3.Lbh 3.Lbh n - - 2 > - “ x>u> + > 2 1
[0025] L’invention concerne aussi un dispositif pour éliminer des crêtes d’un signal caractérisé en ce qu’il comporte au moins :
- Un premier filtre multicanaux adaptatif construit avec un nombre d’échantillons ayant LSE-a échantillons sur ESE-b échantillons nuis, avec ESE, le facteur de suréchantillonnage, avec a différent de b, et b<a, ledit filtre étant adapté à recevoir un signal comprenant des crêtes et à générer un signal filtré Sc(f+r) comprenant une ou plusieurs répliques,
- Un deuxième filtre ayant des coefficients réels fixes et un nombre de coefficients égaux à zéro configuré pour filtrer les répliques générées au niveau du premier filtre, afin de générer le signal filtré Scf.
[0026] Le signal à filtrer peut être suréchantillonné avec un facteur de suréchantillonnage ESE au moins égal à quatre.
[0027] Le deuxième filtre est, par exemple, un filtre dit Nième bande avec N= ESE-1 dont un échantillon sur ESE-1 de sa réponse impulsionnelle est nul.
[0028] Le dispositif peut être configuré pour éliminer des crêtes d’un signal émis par une chaîne radio.
[0029] Les dessins annexés illustrent l’invention :
[0030] [fig-1] représente un calcul du filtrage multicanaux et d’application du filtrage selon l’art antérieur,
[0031] [fig.2] représente une réduction du facteur crête par « écrêtage-filtrage » selon l’art antérieur,
[0032] [fig.3A] représente un exemple d’une chaîne d’émission radio mettant en œuvre le dispositif de filtrage selon l’invention,
[0033] [fig.3B] représente un synoptique du procédé et du dispositif de filtrage selon l’invention,
[0034] [fig.4A] et
[0035] [fig.4B] représentent une réponse impulsionnelle du premier étage et du deuxième étage de filtrage du dispositif de filtrage selon l’invention,
[0036] [fig.5A],
[0037] [fig.5B],
[0038] [fig.5C] et
[0039] [fig.5D] représentent une réponse fréquentielle à différentes étapes du dispositif selon l’invention avec un facteur de suréchantillonnage égal à 4 et une transmission sur trois canaux,
[0040] [fig.6A],
[0041] [fig.6B],
[0042] [fig.6C] et
[0043] [fig.6D] représentent une généralisation des réponses illustrées aux figures 5A à 5D pour un facteur de suréchantillonnage supérieur ou égal à 4 et une transmission sur trois canaux,
[0044] [fig.7A] et
[0045] [fig.7B] représentent une illustration de la réponse impulsionnelle et fréquentielle d’un filtre selon l’art antérieur.
[0046] La figure 3A illustre un exemple de mise en œuvre du dispositif de filtrage selon l’invention au niveau de la partie émission. Un signal à émettre est transmis à un module de génération de multiplex 31, puis à un module de suréchantillonnage 32. Le signal suréchantillonné va ensuite passer à travers le dispositif de réduction de crête selon l’invention 33, avant d’être à nouveau suréchantillonnée 34 puis converti par un convertisseur 35 pour être émis dans le réseau via un module radio 36 et une antenne 37. Les modules faisant partie de la chaîne d’émission radio connus de l’art antérieur ne seront pas détaillés.
[0047] La figure 3B est un synoptique du procédé de filtrage selon l’invention. L’opération de filtrage est décomposée en deux étapes 41, 42 exécutées sur un signal discret correspondant à une bonne approximation du signal continu analogique.
[0048] La première étape 41 consiste à réaliser un filtrage multi-canaux adaptatif et dédié uniquement à la bande utile normalisée [-0.5 ; +0.5], sans chercher à filtrer dans les bandes normalisées [-FSE/2 ; -0.5] et [+0.5 ; +FSE/2]. Cette étape est efficacement réalisée en utilisant un ou plusieurs filtres prototypes ayant « FSE-a » échantillons sur « FSE-b » qui sont nuis. Les coefficients du premier filtre 41 sont calculés en prenant en compte, 40, les filtres prototypes hproto(n) ainsi que les fréquences fk des multicanaux utilisés pour la transmission des données. Le signal de crête Sc est filtré par le premier étage de filtrage 41 qui génère un signal de crêtes filtré Scf et comprenant en général une ou plusieurs répliques Sc(f+r). Dans la suite de la description, la valeur de a=2 et la valeur de b=l.
[0049] La seconde étape consiste à réaliser un filtrage fixe et dédié, 42, uniquement aux répliques introduites par les « 0 » de la réponse impulsionnelle du filtre multicanaux h muiti(n) du ou des filtres prototypes utilisés lors de la première étape. Ces répliques se situent dans les bandes normalisées [-FSE/2 ; -0.5-BW/2] et [+0.5+BW/2 ; +FSE/2]. Il est à noter que cette étape peut être efficacement réalisée en utilisant un filtre dit « Nième bande » [3] avec N=FSE-1 dont (environ) « 1 » échantillon sur « FSE-1 » de sa réponse impulsionnelle est nul. En sortie du deuxième étage de filtre, le signal obtenu Sc est filtré des crêtes et débarrassé des répliques du signal.
[0050] Les calculs des coefficients des deux étages de filtrage au sein du dispositif selon l’invention sont détaillés ci-après en prenant comme hypothèse que le facteur de suréchantillonnage FSE est supérieur ou égal à quatre. De manière générique, le procédé qui va être décrit peut s’appliquer quelle que soit la valeur de suréchantillonnage du signal dont on cherche à supprimer les crêtes.
[0051] Dans l’exemple donné à titre illustratif pour bien faire comprendre l’objet de l’invention, on choisit pour construire le filtre prototype un filtre /1 gfj ( M ) de type « Blackman-Harris » dont la longueur de la réponse impulsionnelle est : [Math.3]
Lbh = floor
FSE - 1 = 106 où « floor » correspond à l’arrondi à l’entier inférieur.
[0052] Le filtre prototype h r o f () ( H ) est ensuite construit en insérant FSE-2=2 zéros entre chaque échantillon du filtre h ( H ) : [Math.4] hproto( 3n) = hBH(n) (un échantillon n sur trois) avec n = _ Lÿi, , _ 10 + !....._ r
[0053] La réponse impulsionnelle du premier étage de filtrage, filtre prototype, est réelle et représentée par la figure 4A en fonction de l’indice n de l’échantillon du signal. La figure 5A illustre la réponse en fréquence schématisée de ce filtre prototype.
[0054] Le filtre multicanaux est construit en sommant les réponses impulsionnelles du filtre prototype décalées en fréquence selon les fréquences des canaux : [Math.5] hmuitl(n) = Xksshproto(n) e n = - .....- i,o, + 1.....LLlh _ !
[0055] f = la fréquence centrale normalisée pour chacun des canaux,
K
[0056] K = le nombre de canaux.
[0057] La réponse impulsionnelle du filtre multicanaux n’a pas besoin d’être calculée sur les L bh points puisque deux échantillons sur trois sont nuis. En règle générale la réponse impulsionnelle h m u μ j ( n ) des filtres de l’art antérieur est complexe. La figure 5B représente la réponse en fréquence schématisée du filtre multicanaux pour trois canaux CHi, CH0, CH2, aux fréquences extrêmes et nulles.
[0058] Le signal de crête est filtré par le filtre multicanaux. Bien que la longueur de la réponse impulsionnelle h u j( n ) soit de 3 .L =318, la complexité du filtrage multicanaux selon l’invention est beaucoup plus faible que celle des dispositifs selon l’art antérieur illustré à la figure 1.
[0059] Les répliques résiduelles du filtrage multicanaux sont ensuite filtrées par un deuxième filtre 42 (deuxième étage du filtrage) dont la réponse impulsionnelle est réelle, fixe et qui n’a pas besoin d’être recalculée à chaque nouvelle configuration du multiplex. Ce filtrage peut être efficacement réalisé grâce à un filtre « Nième bande » tel que décrit dans la référence [3], avec N=FSE-1=3. Une longueur suffisante de la réponse impulsionnelle dans l’exemple est L _ Bancie = 60, dont 20 sont nuis.
[0060] La figure 4B représente la réponse impulsionnelle de ce filtre (deuxième étage du dispositif de filtrage selon l’invention. La figure 5C représente la réponse en fréquence schématisée. La figure 5D illustre la réponse en fréquence schématisée du filtrage obtenu par le dispositif de filtrage selon l’invention pour une valeur de facteur de suréchantillonnage égale à 4.
[0061] Les figures 5A à 5D illustrent une réponse fréquentielle pris à différents endroits du dispositif de filtrage selon l’invention. La figure 5A illustre la réponse en fréquence en sortie du filtre prototype, la figure 5B une réponse en fréquence multibande calculée à partir du filtre prototype, la figure 5C la réponse suite au filtrage du deuxième étage et la figure 5D la réponse suite au filtrage total à l’aide du dispositif selon l’invention.
[0062] Les figures 6A, 6B, 6C et 6D correspondent aux réponses des figures 5A, 5B, 5C et 5D en considérant un facteur de suréchantillonnage supérieur ou égal à 4 et une transmission sur trois canaux.
[0063] Afin d’illustrer les avantages offerts par le procédé selon l’invention et notamment, la diminution de complexité, par rapport aux techniques connues de l’art antérieur, les figures 7B et 7C illustrent le résultat de filtrage en utilisant un dispositif décrit à la figure 1 selon l’art antérieur. On considère la transmission de K canaux dont le gabarit spectral est identique, par conséquent un seul filtre prototype sera considéré. Enfin, la valeur de FSE est égale à 4.
[0064] La figure 7A présente la réponse impulsionnelle du filtre prototype selon l’art antérieur (figure 1), tandis que la figure 7B présente (sur le schéma du haut), la réponse du filtre prototype et (sur le schéma du bas) la réponse du filtre mutlicanaux.
[0065] Avec un filtre prototype h r o f Q ( H ) de type « Blackman-Harris » dont la longueur de la réponse impulsionnelle est L ] = 3 20. La réponse impulsionnelle de ce filtre est réelle.
[0066] Le filtre multicanaux est construit en sommant les réponses impulsionnelles du filtre prototype décalées en fréquence selon les fréquences des canaux :
[Math.6] e27TFSE la fréquence centrale normalisée de chacun des canaux = .... -1,0, +1,
[0067]
En règle générale, la réponse impulsionnelle h m u / {}; j ( Π ) est complexe. La figure 7B représente la réponse en fréquence du filtre multi-canaux pour trois canaux aux fréquences extrêmes et nulles. Le signal de crête est enfin filtré par le filtre multicanaux.
[0068] Le procédé permet de réduire la complexité de l’opération de filtrage multi-canaux nécessaire à la réduction du facteur crête par écrêtage-filtrage. La complexité est directement en lien avec le nombre de coefficients non-nuls des réponses impulsionnelles, mais également avec le fait que les réponses impulsionnelles soient réelles ou complexes.
[0069] Selon l’art antérieur (Eig.l) :
- Calcul du filtre multi-canaux : 320 échantillons complexes non nuis,
- Application du filtre multi-canaux : 320 échantillons complexes non nuis ;
[0070] Avec le procédé selon l’invention :
- Calcul du filtre multi-canaux : 106 échantillons complexes non nuis,
- Application du filtre multi-canaux : 106 échantillons complexes non nuis,
- Application du filtre fixe : 40 échantillons réels non nuis.
Références
[0071] [1] C. Lamy-Bergot, P. Crambert, G. Multédo, D. Mérel and J-E. Gaschi, « Procédé et système de communications adaptatives en bande HP », demande de brevet ri PR10.04650, déposée le 30 novembre 2010.
[0072] [2] Sylvain TRAVERSO, Jean-Luc ROGIER, Jean-Yves BERNIER, « Procédé de réduction du facteur crête d’une émission multicanaux par écrêtage/filtrage intelligent et adaptatif », demande de brevet ri PR15.00738, déposée le 10 avril 2015.
[0073] [3] P. Mintzer, “On half-band, third-band, and Nth-band PIR filters and their design,
IEEE Trans. Acousts, Speech, Signal Process., vol. ASSP-30, pp. 734-738, Oct. 1982.

Claims (1)

  1. [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4]
    Revendications
    Procédé pour éliminer des crêtes d’un signal caractérisé en ce qu’il comporte au moins les étapes suivantes :
    Calculer un premier filtre multicanaux adaptatif (41) construit avec un nombre d’échantillons ayant FSE-a échantillons sur FSE-b échantillons nuis, avec FSE, le facteur de suréchantillonnage, a différent de b, et b<a, Appliquer le premier filtre (41) sur le signal comprenant des crêtes, le signal filtré Sc(f+r) comprenant en sortie du premier filtre (41) une ou plusieurs répliques,
    Appliquer un deuxième filtre de réponse impulsionnelle réelle et fixe (42) ayant des coefficients réels fixes et un nombre de coefficients égaux à zéro afin de filtrer la ou les répliques générées au niveau du premier filtre (41), et générer un signal filtré Scf.
    Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le facteur de suréchantillonnage FSE est au moins égal à quatre.
    Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que pour le deuxième filtre (42), on utilise un filtre dit Nième bande avec N= FSE-1 dont un échantillon sur FSE-1 de sa réponse impulsionnelle est nul.
    Procédé selon l’une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le premier filtre (41) est construit en utilisant un filtre de type BlackmanHarris avec une longueur de la réponse impulsionnelle
    LBH = fl°or FSE - 1 = Ιθθ
    Le filtre prototype h proto ( M ) est construit en insérant FSE-2=2 zéros entre chaque échantillon du filtre h b H ( W ) ' hproto(3n ) - hBH(n ) avec n = .... -i,o, +1,
    Le deuxième filtre (42) est construit en sommant les réponses impulsionnelles du filtre prototype décalées en fréquence selon les fréquences des canaux :
    h , n) = T K-1 h ( n ) e ^2ΊΤτ^η multi'·’L ' —‘k=QrLprotoAtlf C n = _ _ 1A + _ 1
    [Revendication 5] Procédé selon l’une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l’on élimine des crêtes d’un signal émis par une chaîne radio. [Revendication 6] Dispositif pour éliminer des crêtes d’un signal caractérisé en ce qu’il comporte au moins : Un premier filtre multicanaux adaptatif (41) construit avec un nombre d’échantillons ayant FSE-a échantillons sur FSE-b échantillons nuis, avec FSE, le facteur de suréchantillonnage, avec a différent de b, et b<a, ledit filtre étant adapté à recevoir un signal comprenant des crêtes et à générer un signal filtré Sc(f+r) comprenant une ou plusieurs répliques, Un deuxième filtre (42) ayant des coefficients réels fixes et un nombre de coefficients égaux à zéro configuré pour filtrer les répliques générées au niveau du premier filtre (41), afin de générer le signal filtré Scf [Revendication 7] Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que le signal à filtrer est suréchantillonné avec un facteur de suréchantillonnage FSE est au moins égal à quatre. [Revendication 8] Dispositif selon l’une des revendications 6 ou 7 caractérisé en ce que le deuxième filtre (42) est un filtre dit Nième bande avec N= FSE-1 dont un échantillon sur FSE-1 de sa réponse impulsionnelle est nul. [Revendication 9] Dispositif selon l’une des revendications 6 à 8 caractérisé en ce qu’il est configuré pour éliminer des crêtes d’un signal émis par une chaîne radio.
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