JP2009278602A - デジタル通信方式及び無線機 - Google Patents

Abstract

【課題】 提案済みのデジタルＳＳＢ無線機において、雑音及びフェージングの影響を大幅に削減できる無線機を提供すること。
【解決手段】 正弦波状の単一の周波数で同一の周期の基準信号及びデータ信号からなる変調波で搬送波を振幅変調し、帯域制限された単側波帯で送信する。受信側では、そのエンベロープ波形から雑音成分等の信号成分以外の成分を取り除き、基準信号のレベルに基づいてデータ信号を精度良く測定してそのエンベロープ波形を特定し、デジタルデータを復号する。
【選択図】図２

Description

本発明は、デジタル信号を送受信する通信方式及び無線機に関する。

従来のデジタル通信方式においては、変調方式が周波数又は位相変調方式であるので、周波数及び電力利用効率が十分でなかった。そこで、本発明者等は、周波数及び電力利用効率の良い単側波帯を使用し、周波数及び電力利用効率を改善した無線通信方式及び無線機を既に提案しているが、雑音に対しての対策が十分でなかった。（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）
特願２００１−１５７４７１ 特願２００１−３８４２０５ 特願２００５−３３０８０２

発明が解決しようとする課題

本発明者等が既に提案しているＳＳＢ無線通信方式及び無線機は、通過帯域幅が狭い場合、前記データ信号の幅を狭くすること、つまりデータ信号の周波数を高くすることができないため雑音と区別するのが難しい。さらに、変調方式が振幅変調方式であるので、信号によっては振幅値が非常に小さくなる。これにより、雑音の影響が大きくなり、誤り率が大きくなると言う問題点があった。

本考案においては、変調周波数が正弦波で一定で、データの変化速度も一定であるが、雑音においては、周波数が殆ど固定されていないこと、振幅の変化速度が遅いこと、さらに通過帯域内の雑音電力は通過帯域内の全雑音の合成であり、その振幅の変化はさらに遅くなることを利用して、信号成分を特定して雑音を除き、雑音の影響を大幅に削減している。これにより、受信入力に雑音が多い場合においても、誤り率が非常に小さいデジタル通信方式及び無線機を提供することを目的としている。

課題を解決する為の手段

請求項１のデジタル通信方式及び無線機は、送信側において所定の幅と所定の周期になるように形成された一定振幅で正弦波状の基準信号とこの基準信号と、同じ幅で且つその基準信号の振幅を基準とした多値のデジタル値を表現する振幅を持つデータ信号とを変調入力としている。さらに前記データ信号において、ある基準信号とその次の基準信号との間で伝送する全てのデータを一つのグループとし、全てのデータの組み合わせのそれぞれにおいて、前記データ信号の多値の値を前記データとは関係なく、送信側出力のエンベロープ波形の直流バイアス値が各ブロック同一で一定となるように設定して、前記変調入力で搬送波を振幅変調して単側波帯で送信する。
受信側において、中間周波増幅器の出力信号に含まれる定周期の信号をピーク検波して、そのピーク値が所定値になるように、又は中間周波増幅器の出力を平均値検波してその平均値が所定値になるように前記中間周波増幅器の利得を調整し、その調整された出力をエンベロープ検波回路に入力し、前記検波回路の出力から帯域ろ波回路により信号分を取り出し、その信号分を所定の直流バイアスの低周波増幅器に入力する。帯域ろ波回路の出力に含まれる雑音成分は、非常に小さいので、その出力のピーク値を所定の振幅値まで増幅すれば、雑音の影響を大幅に削減した送信側エンベロープ波形と略同等の波形（エンベロープ波形）を得られることになる。その波形のピーク値である基準信号の振幅値と、データ信号の切り替わる前後の指定された個所の振幅値を比較して、基準信号間の各データ信号のデジタル値を検出し、そのパターンを検出することにより、雑音等にほとんど影響されない前記基準信号間の全てのデータを再現することが可能となり、前記目的を達成するものである。

請求項２のデジタル通信方式及び無線機においては、送信側において所定の幅と所定の周期になるように形成された一定振幅で正弦波状の基準信号と、この基準信号と同じ幅で且つその基準信号の振幅を基準とした多値のデジタル値を表現する振幅を持つデータ信号とを変調入力として、搬送波を振幅変調して単側波帯で送信する。ただし、前記データ信号のデジタル値は、ある基準信号とその次の基準信号との間で伝送する全てのデータを一つのグループとし、送信側出力のエンベロープ検波波形が所定の波形になるように設定される。
受信側において、中間周波増幅器の出力信号に含まれる定周期の信号をピーク検波して、そのピーク値が所定値になるように、又は中間周波増幅器の出力を平均値検波してその平均値が所定値になるように前記中間周波増幅器の利得を調整し、その調整された出力をエンベロープ検波回路に入力し、前記エンベロープ検波回路の出力を帯域阻止ろ波回路と雑音検出回路に入力する。帯域阻止ろ波回路においては、雑音分を除いてその出力を結合回路に入力する。ここでは、信号分と直流分を通過させる帯域通過ろ波回路でもよい。雑音検出回路においては、雑音の大きさ等を測定して、その大きさ等に応じた大きさの直流を出力し結合回路に入力する。結合回路においては、帯域阻止ろ波回路からの入力から雑音検出回路からの入力を差し引いて直流増幅回路に出力する。直流増幅回路においては、その出力をピーク検波し、そのピーク値が所定の値になるように利得を調整する。以上の操作により、直流増幅回路の出力からは、雑音等の信号以外の成分がほとんど取り除かれるので、直流増幅回路の出力の波形は、送信側出力のエンベロープ波形とほぼ同じものとなる。これにより、その入力のピーク値である基準信号の振幅値と、データ信号の切り替わる前後の指定された個所の振幅値を比較して、基準信号間の各データ信号のデジタル値を検出し、その波形のパターンを特定することにより、雑音等にほとんど影響されない前記基準信号間の全てのデータを再現することが可能となり、前記目的を達成するものである。

発明の効果

本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されているような効果を奏する。

前記のように、雑音は、その周波数が固定されることは殆どなく、その振幅の変化は遅く、さらに、エンベロープ波形における信号の周波数と同じ高い周波数の成分は非常に少ないので、雑音と区別するのは容易である。したがって、信号のみを抽出するのは容易となり、実質Ｓ／Ｎが高くなり、受信感度が大きく改善される。つまり、ビット誤り率が従来のデジタル無線機に比べて大きく改善される。そのため短波帯通信では、地球の裏側でも、高速データの受信が可能になる。

従来の方式の振幅変調波は、周波数は固定されることは少なく、振幅の変化は遅い。しかし、本方式は、周波数は変化せず、１サイクル毎に振幅値が変化するので振幅の変化は非常に早くなっている。従って、従来の方式の振幅変調波との区別が容易となり、従来の方式の振幅変調波からの混信は大きく改善される。

周波数、位相変調波の振幅値は、基本的には一定であるので、周波数、位相変調波との区別は容易で、周波数、位相変調波からの妨害を少なくできる。そのため、ラジコンに使用すると、前記受信感度が大きく改善されることにより制御範囲が広くなるとともに、他のラジコン等の無線局からの妨害による誤動作が少なくなる。

電力効率が優れているので、電力は小さい。これにより、スペクトラム拡散方式の無線機に与える妨害は小さい。また、通過帯域幅がスペクトラム拡散方式の無線機の通過帯域幅と比べて非常に狭いので、スペクトラム拡散方式の無線機とは並存が可能である。

フェージングに対しても、信号の周波数成分が高い周波数成分のみであるのでＡＧＣの立ち上がり、立ち下がり速度を、十分速く設定でき、十分な対応速度をえられる。さらに、受信入力が雑音レベルまで落ちても、十分なビット誤り率が得られるので、フェージングに対して十分対応できる。特に短波帯通信においては、より安定した通信が可能となる。

データ伝送効率も、雑音に対してほとんど影響を受けないので、雑音が多い場合では、既に提案済みの「ＳＳＢ無線通信方式及び無線機」より高い伝送効率が得られる。請求項１の受信機は、請求項２の受信機より雑音の影響を受けないが、エンベロープ検波波形の通り数が少ないので、伝送効率においては、請求項２の受信機より劣る。従って、雑音の大きさによって、どちらかを選択する。

信号周波数が一定であるので、帯域外出力（搬送波周波数の高調波周波数は除く）も一定の周波数となり、帯域内周波数とは離れているので、容易に大幅に減衰できる。従って、同一ゾーン内で隣接チャネルを使用できる。

発明を実施する為の最良の形態

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の送信側無線機の全体構造を示す図であり、図４は送信側無線機各部の出力波形を示す図である。この発明の実施形態においては、多値のデジタル信号を伝送するもので、変調周波数（この実施例では１９．２ｋＨｚ）を単一周波数の正弦波とし、 この振幅値に信号を乗せ、その信号の一つに最大で一定振幅、一定間隔の基準信号を設け、データ信号をその間に複数個（ｋ−１、この実施例では３個）を挿入する。前記基準信号間のデータ信号は、直前の基準信号の振幅を基準とした多値のデジタル信号を表示するが、それぞれが個別に多値のデジタル信号を表示するのでなく、全データ信号を一組とし、各データ信号に設定されるデジタル値の組み合わせの中から条件に合う一つを一つのデータ信号とし、基準信号間の全てのデジタルデータを表す。これを変調波（図４のａ）として局部搬送波を振幅変調し（図４のｂ）、一方の単側帯波（この実施例では上側帯波）（図４のｄ）で送信する。

図１において、シンセサイザ回路１１は、本発明のデジタル無線機の送信動作に必要な各種の周波数信号を発生する。ただし、受信側に自局の周波数情報を知らせる為に前記基準信号の周期又は幅を搬送波に同期させることが必要な場合は、前記各種の周波数信号は、それぞれ同期させて発生する。

帯域ろ波回路１２には、シンセサイザ回路１１からの一定振幅でデューティ比５０％の矩形波（実施例では１９．２ｋＨｚ）が入力されて、正弦波の変調周波数波が出力され、可変抵抗減衰回路１３に入力される。

可変抵抗減衰回路１３においては、制御回路１４からの信号により、基準信号及びデータ信号の幅毎に減衰量を変化させる。前記減衰量は基準信号の減衰量を基準として決定されるが、それぞれ個別に決定されるのでなく、次の基準信号までのデータ信号の全てを一組として決定され、前記データ信号それぞれの減衰量は、前記基準信号間のデジタルデータの内容によって決定される。各データ信号の多値のデジタル値は、送信側出力のエンベロープ検波波形（図３のｅ）の直流値が所定値になるように設定される。但し、請求項２においては、直流値の設定は行わないで直流値は任意となる。ここで、基準信号及びデータ信号の幅をτ秒とし、基準信号間のデータ信号の数に１を足した数をｋとした場合、前記波形の通り数が２^ｍとなったとすれば、デジタルデータの伝送速度はｍ／ｋ×１／τＢｐｓなる。実施例において、１／ｆ_１＝τ＝１／４、８００秒、ｋ＝４とした場合、ｍ＝１４となったとすれば、伝送速度は、１４／４×４，８００＝１６．８ｋＢｐｓとなる。

制御回路１４は、デジタルデータ、基準信号の間隔及び信号の幅を入力として、各信号の減衰量を指定する信号を一定の幅（τ）で前記可変抵抗減衰器１３に出力する。

低域ろ波回路１５は、前記可変抵抗減衰回路１３で減衰量の変化時に発生する変調波（ｎｆ_１）の高調波成分を削除する。この出力波形は、図４（ａ） となる。

変調回路１６では、局部搬送波ｆ_２（この実施例では４７６．２ｋＨｚ）を前記変調波（ｎｆ_１）［図４（ａ）］で変調して、図４（ｂ）のように振幅変調された被変調波を発生する。この前記被変調波は、通常の振幅変調波であるから、局部搬送波、下側帯波及び上側帯波を含んでいる。図４（ｃ）はその上側帯波のみを表している。この上側帯波が中心周波数ｆ_２＋ｎｆ_１（この実施例では４９５．６ｋＨｚ）、帯域幅１／τＨｚ（この実施例では４．８ｋＨｚ）の帯域通過ろ波回路１７によりフィルタリングされて図４（ｄ）に示されるような単側帯波信号として出力される。

前記単側波帯信号は、送信混合回路１８で第２局部発振周波数ｆ_３と混合されてシフトアップされ、帯域通過ろ波回路１９でろ波され、高周波増幅回路２０で増幅され送信混合回路２１に入力される。送信混合回路２１では第一局部発振周波数ｆ_４と混合され、高周波増幅回路２２で増幅され、帯域通過ろ波回路２３でろ波され、さらに送信電力増幅回路２４で増幅され、空中線同調回路２５を経て、空中線２６から、ｆ_４＋ｆ_３＋ｆ_２＋ｎｆ_１の周波数で送信される。

図２は、本発明の実施の形態に係る請求項１の受信側無線機の全体構成を示す図であり、図５は、前記受信側無線機各部の出力波形を示す図である。

受信側無線機においては、前記送信波［図４（ｄ）］を受信し、中間周波数に変換した後、自動利得制御回路にて中間周波数回路の出力のピーク値を一定とし、その出力をエンベロープ検波する。その検波出力から信号成分の直流成分を除いた信号成分を抽出し、その抽出された信号成分を所定の直流バイアスの低周波増幅回路に入力する。更に自動利得制御回路にて低周波増幅回路の出力のピーク値を所定の値に増幅して、前記ピーク値とデータ信号の切り替わる点との値を比較して、基準信号間の波形を特定し、その波形からデジタルデータを特定して出力する。また、前記中間周波数回路の出力を同期検波した後、前記と同様な動作を行うことによってデジタルデータを出力することも可能である。但し、この場合、変調周波数はデータ信号の基本波周波数より十分高いことが必要である。

ここで、図２、図５を参照して、請求項１の受信側の受信動作の詳細を説明する。

送信側の無線機から送信された送信波（ｆ_４＋ｆ_３＋ｆ_２＋ｎｆ_１）がアンテナ３１に入力される。

前記アンテナ３１からの出力は、帯域通過ろ波回路３２、高周波増幅回路３３及び帯域通過ろ波回路３４を経て混合回路３５に入力される。混合回路３５ではこの入力された信号とシンセサイザ回路３９からの第１局部発振周波数ｆ_４とをミキシングし、帯域通過ろ波回路３６を介して第１中間周波数信号（ｆ_３＋ｆ_２＋ｎｆ_１）を得る。

第１中間周波数信号（周波数＝ｆ_３＋ｆ_２＋ｎｆ_１）は、中間周波増幅回路３７で増幅される。さらに、混合回路３８でシンセサイザ回路３９からの第２局部発振周波数ｆ_３とミキシングされ、帯域通過ろ波回路４１でろ波されて、第２中間周波数信号（周波数＝ｆ_２＋ｎｆ_１）となる。

第２中間周波数信号（周波数＝ｆ_２＋ｎｆ_１）は、中間周波増幅回路４２に入力される。その出力は、ピーク検波回路４３に入力されてその出力が利得制御回路４４に入力される。その入力により、その利得制御回路４４は、中間周波増幅回路４２の出力のピーク値が所定値となるように制御する。この出力波形の一例は、図５（ａ）又は（ｃ）となる。

中間周波増幅回路４２の出力は、エンベロープ検波回路５１に入力され、エンベロープ検波波形を出力する。前記エンベロープ波形に含まれる信号分を帯域通過ろ波回路５２によって抽出する（実施例ではｆ_１／２及びｆ_１／４）。

前記抽出された信号分（実施例ではｆ_１／２及びｆ_１／４）は、所定の直流バイアスに設定された低周波増幅回路５３に入力される。低周波増幅回路５３の出力は、振幅測定回路５６及びピーク検出回路５４に入力される。ピーク検出回路５４では、その入力のピーク値と所定値を比較して、その差に比例した信号を利得制御回路５５に出力する。その信号により、利得制御回路５５は、低周波増幅回路５３の出力のピーク値を所定値になるように制御する。この出力波形の一例は、図５（ｂ）又は（ｅ）となる。

振幅測定回路５６においては、低周波増幅回路５３から入力された基準信号の振幅値（ピーク値）を基準値として設定し、その基準信号から各信号の長さ（実施例ではτ秒）毎に（信号の切り替わる直前又は直後に、実施例では図５のｆの↓の点）、その基準値との差を測定して、その基準信号とその次の基準信号間の波形を特定し、その波形を示す信号を復号回路５７に出力する。

復号回路５７においては、振幅測定回路５６からの波形を示す信号により、その信号に対応するデジタルデータ群を特定し、デジタルデータを出力する。

中間周波増幅回路４２の出力の一部は、ピーク検出回路５８に入力される。ピーク検出回路５８では、基準信号のピークを検出して、同期信号発生回路５９に出力する

同期信号発生回路５９においては、シンセサイザ回路３９の発振周波数を制御するパルス信号を発生して、シンセサイザ回路３９に出力する。

シンセサイザ回路３９においては、その発振周波数を前記パルス信号に同期させる。
これにより、基準信号の周期が送信周波数に同期していれば、受信側シンセサイザ回路の発振周波数は、送信側局部発振周波数に同期することになる。

図３は、本発明の実施の形態に係る請求項２の受信側無線機の全体構成を示す図であり、図６は、前記受信側無線機各部の出力波形を示す図である。

受信側無線機においては、前記送信波を受信し、中間周波数に変換した後、自動利得制御回路にて中間周波数回路の出力のピーク値を一定とし、その出力をエンベロープ検波する。その検波出力から雑音成分を除いた信号成分及び直流分を抽出し、結合回路に出力する。また、雑音電力の大きさに応じた直流を結合回路に入力する。結合回路においては、前記二つの入力から抽出された信号成分を直流増幅回路に入力し、更に自動利得制御回路にてその出力のピーク値を所定の値に増幅して、前記ピーク値とデータ信号の切り替わる点との値を比較して、基準信号間の波形を特定し、その波形からデジタルデータを特定して出力する。また、中間周波数回路の出力を同期検波した後、前記と同様な動作を行うことによってデジタルデータを出力することも可能である。

ここで、図３、図６を参照して、請求項２の受信側の受信動作の詳細を説明する。
但し、検波回路５１までの動作は、前期請求項１の場合と同じであるので省略し、検波回路５１の出力から説明する。

検波回路５１の出力は、帯域阻止回路６１及び雑音検出回路６３に入力される。雑音が無視される程度に少ない場合、帯域阻止回路６１の出力は入力と同じとなり、雑音検出回路の出力はゼロとなる。雑音が多い場合は、帯域阻止回路の出力は、直流成分以外の雑音成分が除去されて出力され、その出力波形の一例は図６（ｃ）となる。雑音検出回路は、前記雑音成分の大きさに応じた直流分を出力する。この出力波形の一例は、図６の（ｂ）となる。

帯域阻止回路６１及び雑音検出回路６３の出力は、結合回路６２に入力される。結合回路６２においては、帯域阻止回路６１の出力に含まれる雑音成分の直流分を、雑音検出回路６３からの入力により打ち消して、結合回路の出力を信号成分のみにして直流増幅回路６４に出力する。この出力波形の一例は、図６（ｃ）となる。

直流増幅回路６４において、直流増幅回路６４の出力は、振幅測定回路６７及びピーク検出回路６５に入力される。ピーク検出回路６５では、その入力のピーク値と所定値を比較して、その差に比例した信号を利得制御回路６６に出力する。その信号により、利得制御回路６６は、直流増幅回路６４の出力のピーク値を所定値になるように制御する。この直流増幅回路の出力波形の一例は、図６（ｄ）となる。この出力波形は、送信側の出力波形と略同じとなる。

振幅測定回路６７においては、直流増幅回路６４から入力された基準信号の振幅値（ピーク値）を基準値として設定し、信号の切り替わる前後の指定された箇所｛実施例では図６（ｄ）の↓の点｝で、その基準値との差を測定して、その基準信号とその次の基準信号間の波形を特定し、その波形を示す信号を復号回路６８に出力する。

復号回路６８においては、振幅測定回路６７からの波形を示す信号により、その信号に対応するデジタルデータ群を特定し、デジタルデータを出力する。

本発明のデジタル通信方式及び無線機は、基本的な変復調方式であるので、ラジコンから放送機器・通信機器までの短波帯以上の大部分の無線通信方式及び無線機に利用することができる。

送信側無線機の全体構成を示す図である。 第１の受信側無線機の全体構成を示す図である。 第２の受信側無線機の全体構成を示す図である。 送信側無線機各部の波形を示す図である。 第１の受信側無線機各部の波形を示す図である。 第２の受信側無線機各部の波形を示す図である。

符号の説明

１１，３９ シンセサイザ回路
１２、１７、１９、２３、３２、３４、３６、４１，５２ 帯域通過ろ波回路
１３ 可変抵抗減衰器
１４ 制御回路
１５ 低域通過ろ波回路
１６ 振幅変調回路
１８、２１、３５，３８ 混合回路
２０，２２、３３ 高周波増幅回路
２４ 送信電力増幅回路
２５ 空中線同調回路
２６、３１ 空中線
３７、４２ 中間周波増幅回路
４３、５４、６５ ピーク検波回路
４４、５５、６６ 利得制御回路
５１、エンベロープ検波回路
５３ 低周波増幅回路
５６、６７ 振幅測定回路
５７、６８ 複合回路
５８ ピーク検出回路
５９ 同期信号発生回路
６１ 帯域阻止ろ波回路
６２ 結合回路
６３ 雑音検出回路
６４ 直流増幅回路

Claims (2)

1. 送信側において、所定の幅と所定の周期になるように形成された一定振幅で正弦波状の基準信号と、この基準信号と同じ幅で且つその基準信号の振幅を基準とした多値のデジタル値を表現する振幅を持つ正弦波状のデータ信号とを変調入力とする手段と、
   一つの基準信号から次の基準信号までの間のデータ信号を一つのグループとして、各データ信号のデジタル値の組み合わせで表現し、その各データ信号のデジタル値の組み合わせが、送信側出力のエンベロープ波形の直流バイアス値が一定で各ブロックとも同一となるように選定する手段とを有して、
   前記変調入力によって搬送波を振幅変調して単側波帯で送信し、
   受信側において、中間周波増幅器の出力信号に含まれる定周期の信号をピーク検波して、そのピーク値が所定値になるように、前記中間周波増幅器の利得を調整し、その調整された出力をエンベロープ検波回路に入力する手段と、
   前記エンベロープ検波回路の出力を帯域通過ろ波回路を介して直流バイアス値が所定の値に設定された低周波増幅器に入力し、その出力のピークを検出してそのピーク値が所定値になるように増幅する手段と、
   前記低周波増幅器の出力のピーク値である基準信号の振幅値と、前記データ信号の切り替わる前後の指定された個所の振幅値を比較して、エンベロープ検波波形を特定し、その波形からデジタルデータ群を出力することによりデジタルデータを伝送することを特徴とするデジタル通信方式及び無線機。
2. 送信側において、所定の幅と所定の周期になるように形成された一定振幅で正弦波状の基準信号と、この基準信号と同じ幅で且つその基準信号の振幅を基準とした多値のデジタル値を表現する振幅を持つ正弦波状のデータ信号とを変調入力とする手段と、
   一つの基準信号から次の基準信号までの間のデータ信号を一つのグループとして、各データ信号のデジタル値の組み合わせで表現し、その各データ信号のデジタル値の組み合わせが、送信側出力のエンベロープ波形が所定の波形となるように選定する手段とを有して、
   前期変調入力により搬送波を振幅変調して単側波帯で送信し、
   受信側において、中間周波増幅器の出力信号に含まれる定周期の信号をピーク検波して、そのピーク値が所定値になるように、前記中間周波増幅器の利得を調整し、その調整された出力をエンベロープ検波回路に入力する手段と、
   前記エンベロープ検波回路の出力を帯域阻止ろ波回路及び雑音検出回路に入力し、前記雑音検出回路においては、雑音成分を取り出してその成分の大きさを測定し、その大きさに適応した大きさの直流に変換して合成回路に入力し、前記帯域阻止ろ波回路においては、雑音成分を除いて前記合成回路に入力する手段と、
   前記合成回路においては、前記帯域ろ波回路の出力から前記帯域回路阻止ろ波回路の出力を差し引いて直流増幅回路に入力し、前記直流増幅回路の出力をピーク検波してそのピーク値が所定値になるように増幅する手段と、
   前記直流増幅器の出力のピーク値である基準信号の振幅値と、次の基準信号までの間にあるそれぞれのデータ信号の指定された個所の振幅値を比較して、エンベロープ検波波形を特定し、その波形からデジタルデータ群を出力することによりデジタルデータを伝送することを特徴とするデジタル通信方式及び無線機。

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