JP2005055412A - Fast-fourier transform type frequency analyzer - Google Patents
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Description
FFT型周波数解析装置に関する。 The present invention relates to an FFT type frequency analysis apparatus.
現在、市販されているFFT型周波数解析装置においては、得られるスペクトラムはA/D変換器のナイキスト周波数、バンド・パス・フィルタの通過可能周波数などで制限されている。これより広いスペクトラムを得るためには、アナログ周波数ダウン・コンバータをステップアップし、その結果をつなぎ合わせて合成する。したがって、ステップアップのたびに、アナログ回路が安定するまで待たねばならない。さらに、ステップアップの周波数を正確に動作させないと、周波数のつなぎ目で不連続域を生ずる。 At present, in the commercially available FFT type frequency analyzer, the spectrum obtained is limited by the Nyquist frequency of the A / D converter, the passable frequency of the band pass filter, and the like. To obtain a wider spectrum, step up the analog frequency down converter and connect the results together. Therefore, you must wait until the analog circuit stabilizes every time you step up. Furthermore, if the step-up frequency is not operated correctly, a discontinuous region is generated at the frequency joint.
また、FFT処理の結果は、中間に設けられたバンド・パス・フィルタの特性が重ね合わされて、スペクトラム上での乗算の形となって現れてしまい、最悪の場合にはスペクトラム上のリップルとなってしまう。 In addition, the result of the FFT processing is superimposed on the characteristics of the band-pass filter provided in the middle and appears as a form of multiplication on the spectrum. In the worst case, the result is a ripple on the spectrum. End up.
FFT処理による広帯域のスペクトラムの測定においても、複数回の結果を合成することなく、1回の測定で掃引式周波数解析装置と同等の広帯域スペクトラムを高速に得ることを実現する。 Even in the measurement of a broadband spectrum by FFT processing, it is possible to obtain a broadband spectrum equivalent to that of the sweep-type frequency analysis device at a high speed by one measurement without synthesizing a plurality of results.
請求項1記載の発明は、局部発振器及びミキサ回路及び入力RF信号の周波数の帯域を制限するバンド・パス・フィルタからなるダウン・コンバータ部と、A/D変換器と、直交検波回路及びロー・パス・フィルタ及びFFT演算回路からなる信号処理部、いわゆるDSP部とを備え、
前記局部発振器は固定された周波数による局部発振信号に代えて、一定時間ごとに均一の割合で周波数が増加、又は減少する掃引信号を発するものであって、
前記ミキサ回路は掃引信号と任意に帯域制限された入力RF信号の和又は差をIF信号として抽出するものであって、
前記直交検波回路及びロー・パス・フィルタは、抽出された該IF信号を実数部及び虚数部からなる複素信号に分離して、該複素信号における差の成分のみを抽出してベースバンド信号に変換するものであって、
前記FFT演算回路は掃引信号を相殺して該ベース・バンド信号における周波数成分のみを抽出するために、掃引補償信号と窓関数の積を該ベース・バンド信号に乗ずる窓関数処理演算をおこなった後、FFT処理を実行するものであるよう構成される。The invention according to
The local oscillator generates a sweep signal whose frequency is increased or decreased at a uniform rate every fixed time, instead of a local oscillation signal with a fixed frequency,
The mixer circuit extracts a sum or difference between a sweep signal and an input RF signal arbitrarily band-limited as an IF signal,
The quadrature detection circuit and the low-pass filter separate the extracted IF signal into a complex signal composed of a real part and an imaginary part, and extract only a difference component in the complex signal to convert it into a baseband signal To do,
After the FFT operation circuit performs the window function processing operation to multiply the base band signal by the product of the sweep compensation signal and the window function in order to cancel the sweep signal and extract only the frequency component in the base band signal , Configured to perform FFT processing.
本発明を従来のFFT式周波数解析装置と比較すると、一回の掃引により、原理的に無制限に広い帯域のスペクトラムを計測することを実現する。一回の掃引でスペクトラム抽出処理をおこなうことによって、局部発振器のステップアップの待ち時間の発生、すなわち、データ取り込みのロスタイムがなくなり、しかも、計測の連続性が得られる。 When the present invention is compared with a conventional FFT type frequency analyzer, it is possible to measure a spectrum in a wide band in principle without limitation by one sweep. By performing the spectrum extraction process in a single sweep, the waiting time for the local oscillator step-up, that is, the loss time of data acquisition is eliminated, and the continuity of measurement is obtained.
また、従来の掃引式周波数解析装置と比較すると、スペクトラムの分解能を高めても速度が遅くならない。
一般的に掃引式周波数解析器の掃引速度はスペクトラムの分解能に左右され、それは次式によって求められる。
式13中のkは通常、約2.0であって、この式13の結果と式12の結果は、
であれば、掃引式のものより高速な測定が実現できる。
例えば、A/D変換器に100MHz程度の処理能力を有するものを使用すれば、平坦帯域幅(Flt)は30MHz程度まで拡張可能となり、従来の掃引式との速度比は、
となり、Rbwを10MHz、Fltを20MHzとすると、(2/3)10^6=66万6千倍の高速化が実現する。同様にRbwが1kHzとしても、2万倍の高速化が実現する。In addition, compared with a conventional sweep type frequency analyzer, the speed does not slow down even if the resolution of the spectrum is increased.
In general, the sweep speed of the sweep type frequency analyzer depends on the resolution of the spectrum, which is obtained by the following equation.
In Equation 13, k is usually about 2.0, and the result of Equation 13 and the result of Equation 12 are
If so, it is possible to realize a measurement faster than the sweep type.
For example, if an A / D converter having a processing capability of about 100 MHz is used, the flat bandwidth (Flt) can be expanded to about 30 MHz, and the speed ratio with the conventional sweep type is
Assuming that Rbw is 10 MHz and Flt is 20 MHz, (2/3) 10 ^ 6 = 666,000 times higher speed is realized. Similarly, even if Rbw is 1 kHz, a speed increase of 20,000 times is realized.
さらに、後半の信号処理部をデジタル信号処理に置き換えているので、分解能の選択度が正確であり、製造時の調整が不要となり、信号処理特性の経年変化がなく、レベル誤差発生の主たる要因となるLogアンプが不要となる。 In addition, since the signal processing unit in the latter half is replaced with digital signal processing, the resolution selectivity is accurate, adjustment during manufacturing is not required, there is no secular change in signal processing characteristics, and the main causes of level errors are The log amplifier becomes unnecessary.
従来型の掃引式周波数解析装置から取り出した、掃引信号が付加されたIF信号を利用することで、従来型の掃引式周波数解析装置の外付け型増速装置にもなる。 By using the IF signal to which the sweep signal is added, which is taken out from the conventional sweep type frequency analysis device, it becomes an external speed increasing device of the conventional sweep type frequency analysis device.
帯域制限された入力RF信号を、ミキサ回路において局部発振器から発せられた掃引信号を加え、抽出された和又は差を、IF信号として直交検波回路及びロー・パス・フィルタによって、実数部及び虚数部からなる複素信号に分離して、該複素信号における差の成分のみを抽出してベースバンド信号に変換し、FFT演算回路において、該ベース・バンド信号に含まれる掃引信号を相殺して周波数成分のみを抽出するために、掃引補償信号と窓関数の積を該ベース・バンド信号に乗ずる窓関数処理演算をおこなった後、FFT処理を実行する。 The band-limited input RF signal is added to the sweep signal emitted from the local oscillator in the mixer circuit, and the extracted sum or difference is converted into an IF signal by a quadrature detection circuit and a low-pass filter. Is separated into a complex signal, and only the difference component in the complex signal is extracted and converted into a baseband signal. In the FFT operation circuit, the sweep signal included in the baseband signal is canceled and only the frequency component is obtained. In order to extract the signal, a window function processing operation for multiplying the product of the sweep compensation signal and the window function by the base band signal is performed, and then an FFT process is executed.
以下、本発明の実施の形態を図にもとづいて説明する。
図1は従来方式のFFT型周波数解析装置のブロック回路図であって図1aは予め入力RF信号をA/D変換可能な周波数にアナログ方式による周波数ダウン・コンバータ1−1によって直接周波数変換される。さらにバンド・パス・フィルタ1−6によって帯域を制限され、A/D変換器1−2においてA/D変換の際に生ずることがあるエリアジングの発生を防ぐ。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block circuit diagram of a conventional FFT type frequency analysis apparatus. FIG. 1A is a diagram in which an input RF signal is directly frequency-converted by an analog frequency down converter 1-1 to a frequency capable of A / D conversion in advance. . Further, the band is limited by the band pass filter 1-6 to prevent aliasing that may occur during A / D conversion in the A / D converter 1-2.
A/D変換された信号は、信号処理部1−3内の直交検波回路1−7において直交検波されて後段のデジタルフィルタ1−8により、所望の帯域に制限された複素信号となり、該複素信号に対してFFT処理を実行することにより、所望の周波数に帯域制限された範囲内のスペクトラムを得る。 The A / D converted signal is subjected to quadrature detection by the quadrature detection circuit 1-7 in the signal processing unit 1-3, and is converted into a complex signal limited to a desired band by the subsequent digital filter 1-8. By performing FFT processing on the signal, a spectrum within a range limited to a desired frequency is obtained.
図1bは図1aとほぼ同様であるが、直交検波とそれに続くロー・パス・フィルタをアナログ回路にて実現したものである。 FIG. 1b is substantially the same as FIG. 1a, except that quadrature detection followed by a low pass filter is implemented with an analog circuit.
これらの従来方式の欠点は、得られるスペクトラムがA/D変換器のナイキスト周波数、バンド・パス・フィルタの通過可能周波数などで制限されている。これより広いスペクトラムを得るためには、アナログ周波数ダウン・コンバータをステップアップし、その結果をつなぎ合わせて合成する。したがって、ステップアップのたびに、アナログ回路が安定するまで待たねばならない。さらに、ステップアップの周波数を正確に動作させないと、周波数のつなぎ目で不連続域を生ずる。 The drawbacks of these conventional systems are that the spectrum obtained is limited by the Nyquist frequency of the A / D converter, the passable frequency of the band pass filter, and the like. To obtain a wider spectrum, step up the analog frequency down converter and connect the results together. Therefore, you must wait until the analog circuit stabilizes every time you step up. Furthermore, if the step-up frequency is not operated correctly, a discontinuous region is generated at the frequency joint.
FFT処理の結果は、中間に設けられたバンド・パス・フィルタの特性が重ね合わされて、スペクトラム上での乗算の形となって現れてしまい、最悪の場合にはスペクトラム上のリップルとなってしまう。 The result of the FFT processing is superimposed on the characteristics of the band pass filter provided in the middle, and appears in the form of multiplication on the spectrum, and in the worst case, it becomes a ripple on the spectrum. .
いずれの方式においても、入力RF信号はアナログ式のダウン・コンバータによって、IF信号(中間信号)に変換される。このIF信号はバンド・パス・フィルタにより、その通過帯域と中心周波数ωIFが決まる。In either method, the input RF signal is converted into an IF signal (intermediate signal) by an analog down converter. The IF signal has a pass band and a center frequency ω IF determined by a band pass filter.
帯域制限された信号の一般系は次式によって表される。
I,Q: ベースバンド信号
ω: 搬送波周波数
A(t): 振幅の時間推移
θ(t): 位相の時間推移
ダウン・コンバータによる周波数の移動は局部発振器の周波数をω1とすると次式によって表される。
(I,Q、A(t)、θ(t)にはなんら変化はない。)
下記文献に記載されている証明によって、式(5)が導かれる。
I, Q: baseband signals omega: carrier frequency A (t): time course of the amplitude θ (t): Table When the movement of the frequency with time transition down converter phases to the frequency of the local oscillator and omega 1 by: Is done.
(I, Q, A (t), θ (t) are not changed at all.)
The proof described in the following document leads to equation (5).
上記によりIF信号に変換された入力RF信号はA/D変換器によりデジタル信号に変換される。 The input RF signal converted into the IF signal as described above is converted into a digital signal by the A / D converter.
該デジタル信号はデジタル・ダウン・コンバータにおいて直交検波処理が施されベースバンド信号fBに変換される。すなわち中間周波数を0Hzとして下式の演算によって求められる。
fIFにcos(ωIFt)を掛けたものを実数部、sin(ωIFt)を掛けたものを虚数部とした複素数を求めると、下式と等価になる。
三角関数の加法定理により、周波数における和の成分exp[−j2ωIFt]と差の成分exp[0]が現れ、差の成分だけをロー・パス・フィルタ(LPF)によって濾過して抽出すると次式のごとき複素信号の実数成分Iと虚数成分Qが得られる。
A complex number obtained by multiplying f IF by cos (ω IF t) as a real part and multiplying by sin (ω IF t) as an imaginary part is equivalent to the following expression.
According to the addition theorem of the trigonometric function, the sum component exp [−j2ωIFt] and the difference component exp [0] appear in the frequency, and when only the difference component is filtered and extracted by the low-pass filter (LPF), Thus, the real component I and the imaginary component Q of the complex signal are obtained.
上記の演算によって求められたI+jQ信号を複素FFT処理をすることにより、そのスペクトラムが得られるが、この方式の1回のFFTで得られる有効なスペクトラムは次式によって決まる。
σ:掃引速度
Flt:平坦帯域幅(後述)
Gt:定数で通常は2〜3程度
Rbw:分解能帯域幅で通常は3dB
換言すれば、信号経路上のバンド・パス・フィルタ(BPF)やロー・パス・フィルタ(LPF)のうち、最も通過帯域の狭いフィルタの範囲内に限定される。The spectrum is obtained by performing complex FFT processing on the I + jQ signal obtained by the above calculation. The effective spectrum obtained by one FFT of this method is determined by the following equation.
σ: sweep speed Flt: flat bandwidth (described later)
Gt: Constant, usually about 2 to 3 Rbw: Resolution bandwidth, usually 3 dB
In other words, the filter is limited to the narrowest passband of the band pass filter (BPF) and the low pass filter (LPF) on the signal path.
以上述べた工程は一般的かつ本発明と一部共通する部分を含むものであるが本発明においては図2のダウン・コンバータ部2−1を拡大した図3の局部発振器3−2において、掃引式周波数解析装置のごとく掃引信号を発振させる。 The steps described above are general and include parts common to the present invention. In the present invention, however, in the local oscillator 3-2 in FIG. 3 in which the down converter 2-1 in FIG. A sweep signal is oscillated like an analyzer.
その周波数は一定時間間隔でStart周波数ωSTART、Stop周波数ωSTOPの間で均一な割合で増加あるいは減少することを繰り返すものとする。
ここでは時間St秒の間に局部発振信号l(t)の周波数がωSTARTからωSTOPまで増加するものとして、l(t)=Re[exp[jθ1(t)]とすると、その周波数ω1(t)は位相の時間微分であるので、
Here, assuming that the frequency of the local oscillation signal l (t) increases from ω START to ω STOP during time St seconds, assuming that l (t) = Re [exp [jθ 1 (t)], the frequency ω Since 1 (t) is the time derivative of the phase,
時間がStを超えた場合は、またt=0として同じ周波数の増加を繰り返すものとする。(実際には上記の実行と次の実行の間には、ごくわずかなブランキング・タイムが存在する。) When the time exceeds St, the same frequency is repeatedly increased with t = 0. (In fact, there is very little blanking time between the above run and the next run.)
式6中のωSTOP−ωSTART/Stをσで置き換えれば、ω1=ωSTART+σtと表すことが出来る。σを掃引速度と呼ぶことにして、これを積分すれば、l(t)の位相となる。
式9による信号でダウン・コンバータを動作させると、IF信号は次式のようになる。
簡単のために局部発振器3−2が掃引する時間を−St/2<t<St/2とすれば、時刻t=St/2、0、St/2でそれぞれωIF=ω0−σSt/2、ωIF=ω0、ω1F=ω0+σSt/2となって、ωIF=ω0を中心に中間信号の周波数が前後に広がりIF信号は次式となる。
ただしこれは、ωIF=ω0+σSt/2がバンド・パス・フィルタ3−3の通過域内の場合であって、それから外れた周波数の場合はレベルが下がる。それは中間周波数、ωIF=ω0+σStのバンド・パス・フィルタ3−3の特性関数B(ω)となり上式は
However, this is the case where ω IF = ω 0 + σSt / 2 is within the pass band of the band pass filter 3-3, and the level is lowered when the frequency is out of the range. It becomes the characteristic function B (ω) of the band pass filter 3-3 with an intermediate frequency, ω IF = ω 0 + σSt, and the above equation is
式10によるIF信号に図4に示すダウン・コンバートタ部4−3内の直交検波回路4−4において直交検波処理を実行すると、次式の展開によってIF信号からω0の項がなくなる。
となる。When the quadrature detection processing is performed on the IF signal by Expression 10 in the quadrature detection circuit 4-4 in the down-converter unit 4-3 shown in FIG. 4, the term of ω 0 is eliminated from the IF signal by expansion of the following expression.
It becomes.
上記によって求められた式11に対して、FFT演算回路4−7内の窓関数処理部4−8において位相成分exp[−jσt2]を有する窓関数を掛けて窓関数処理を実行することにより、I+jQに窓関数の影響がかかったスペクトラムを得ることが出来る。この場合の窓関数は通常の窓関数w(t)に掃引信号を補償する複素数成分exp[−jσt2]を掛けたものである。By performing window function processing by multiplying Expression 11 obtained as described above by a window function having a phase component exp [−jσt 2 ] in the window function processing unit 4-8 in the FFT operation circuit 4-7. , I + jQ can be obtained as a spectrum affected by the window function. The window function in this case is obtained by multiplying a normal window function w (t) by a complex component exp [−jσt 2 ] for compensating the sweep signal.
式11に上記の窓関数を掛けると、
ここで、バンド・パス・フィルタの特性によるB(ω(t))は、w(t)と一体と考え
となり、これをFFT演算回路4−9においてFFT処理すれば、I+jQのスペクトラムと窓関数の周波数ドメインでの畳み込みが得られる。
w(t)の時間幅をB(ω(t))の影響はほとんど出ないが、逆にw(t)の時間幅がB(ω(t))よりも大きい場合はB(ω(t))の影響が支配的になる。Multiplying equation 11 by the window function above,
Here, B (ω (t)) due to the characteristics of the band pass filter is considered to be integral with w (t).
If this is subjected to FFT processing in the FFT operation circuit 4-9, convolution in the frequency domain of the spectrum of I + jQ and the window function can be obtained.
The time width of w (t) is hardly affected by B (ω (t)). Conversely, when the time width of w (t) is larger than B (ω (t)), B (ω (t) )) Influence becomes dominant.
前記において窓関数の複素数成分exp[−jσt2]とIF信号におけるexp[jσt2]の時間がΔtずれている場合には、次式によって周波数が2σΔt移動したことになる。
上式においてΔtが小さい(負)場合、すなわち窓関数を乗ずるタイミングが前の場合には周波数は実際よりも高く見え、Δtが大きい(正)場合、すなわち窓関数を乗ずるタイミングが遅い場合には、周波数が実際よりも低くみえる。すなわち、窓関数を掛ける時間をずらせば、得られるスペクトラムは式12だけシフトして観測される。
また、Δt2の項は位相のみの差異であり得られるスペクトル成分の結果には影響しない。If exp [jσt 2] time has deviated Δt in complex component exp [-jσt 2] an IF signal of the window function in said would frequency by the following equation moves 2Shigumaderutati.
In the above equation, when Δt is small (negative), that is, when the timing to multiply the window function is before, the frequency appears higher than the actual frequency, and when Δt is large (positive), that is, when the timing to multiply the window function is late. The frequency looks lower than it actually is. That is, if the time for multiplying the window function is shifted, the obtained spectrum is observed with a shift of Equation 12.
Also, the term Δt 2 is a phase only difference and does not affect the resulting spectral component result.
1回の掃引幅、すなわちSTART周波数とSTOP周波数の間隔を拡大した場合には、窓関数w(t)を適当な時間間隔をおいて乗算し、その都度FFT処理を実行してスペクトラムを求めれば、広帯域なスペクトラムを高速で求めることが出来る。加えて、ダウン・コンバータの局部発振器は一回の掃引信号を発するだけで済み、短い時間に連続した周波数の解析を実現する。 When the sweep width of one time, that is, the interval between the START frequency and the STOP frequency is expanded, the spectrum is obtained by multiplying the window function w (t) at an appropriate time interval and executing the FFT process each time. A broadband spectrum can be obtained at high speed. In addition, the down-converter's local oscillator only needs to generate a single sweep signal, enabling continuous frequency analysis in a short time.
スペクトラムの分解能は、図5に示すが如く窓関数の時間幅に比例し、その時間長はGt/Rbw(Gt:定数で通常は2〜3程度、Rbw:分解能帯域幅で通常は3dB)によって求められ、Gtが大きいいほどダイナミックレンジが良くなる。この時間の間にダウン・コンバータの局部発振器による掃引回数は信号として扱える範囲であって、それはベースバンドI、Q信号を得るに至るまでの、経路のなかでフィルタの帯域幅が最も狭いものの通過帯域で、それは通過帯域が平坦とみなされる平坦帯域幅:Fltとすると、最大掃引速度σmaxは次式によって求められる。
窓関数を掛けるタイミングと間隔を任意に移動することにより、得られるスペクトラムのポイント数を任意に変更できるとともに、同じデータに対してその変更も出来る。 By arbitrarily moving the timing and interval for applying the window function, the number of spectrum points obtained can be arbitrarily changed, and the same data can be changed.
1−1 アナログ方式による周波数ダウン・コンバータ
1−2 A/D変換器
1−3 信号処理部
1−4 ミキサ
1−5 局部発振器
1−6 バンド・パス・フィルタ
1−7 直交検波回路
1−8 ロー・パス・フィルタ
2−1 ダウン・コンバータ
2−2 A/D変換器
2−3 (デジタル)信号処理部
2−4 インター・フェイス
3−1 ミキサ
3−2 局部発振器
3−3 バンド・パス・フィルタ
4−1 A/D変換器
4−2 局部発振器
4−3 (デジタル)信号処理部
4−4 直交検波回路
4−5 数値制御発振器(NCO)
4−6 ロー・パス・フィルタ
4−7 FFT演算回路
4−8 窓関数処理部
4−9 FFT処理部
Flt 平坦帯域幅1-1 Analog Frequency Down Converter 1-2 A / D Converter 1-3 Signal Processing Unit 1-4 Mixer 1-5 Local Oscillator 1-6 Band Pass Filter 1-7 Quadrature Detection Circuit 1-8 Low pass filter 2-1 Down converter 2-2 A / D converter 2-3 (digital) signal processing unit 2-4 Interface 3-1 Mixer 3-2 Local oscillator 3-3 Band pass Filter 4-1 A / D converter 4-2 Local oscillator 4-3 (digital) signal processor 4-4 Quadrature detection circuit 4-5 Numerically controlled oscillator (NCO)
4-6 Low Pass Filter 4-7 FFT Operation Circuit 4-8 Window Function Processing Unit 4-9 FFT Processing Unit Flt Flat Bandwidth
Claims (1)
ミキサ回路と、
直交検波回路及びロー・パス・フィルタと、
FFT演算回路とを備え、
前記局部発振器は固定された周波数による局部発振信号に代えて、一定時間ごとに均一の割合で周波数が増加又は減少する掃引信号を発するものであって、
前記ミキサ回路は掃引信号と任意に帯域制限された入力RF信号の和又は差をIF信号として抽出するものであって、
前記直交検波回路及びロー・パス・フィルタは、抽出された該IF信号を実数部及び虚数部からなる複素信号に分離して、該複素信号における差の成分のみを抽出してベースバンド信号に変換するものであって、
前記FFT演算回路は掃引信号を相殺して該ベース・バンド信号における周波数成分のみを抽出するために、掃引補償信号と窓関数の積を該ベース・バンド信号に乗ずる窓関数処理演算をおこなった後、FFT処理を実行するものであることを特徴とするFFT型周波数解析装置。A local oscillator,
A mixer circuit;
A quadrature detection circuit and a low pass filter;
An FFT operation circuit,
The local oscillator generates a sweep signal whose frequency is increased or decreased at a uniform rate every fixed time, instead of a local oscillation signal with a fixed frequency,
The mixer circuit extracts a sum or difference between a sweep signal and an input RF signal arbitrarily band-limited as an IF signal,
The quadrature detection circuit and the low-pass filter separate the extracted IF signal into a complex signal composed of a real part and an imaginary part, and extract only a difference component in the complex signal to convert it into a baseband signal To do,
After the FFT operation circuit performs the window function processing operation to multiply the base band signal by the product of the sweep compensation signal and the window function in order to cancel the sweep signal and extract only the frequency component in the base band signal An FFT type frequency analysis apparatus that performs FFT processing.
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