JP2016063300A - Audio amplifier, electronic apparatus, and audio signal reproduction method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、オーディオ信号処理に関し、特にD級アンプに関する。 The present invention relates to audio signal processing, and more particularly to a class D amplifier.
近年、オーディオ分野において、音源のハイレゾ化が進められている。こうした状況のもと、音源のネットワーク配信などではDSD(Direct Stream Digital)と呼ばれるフォーマットの普及が進んでおり、それに対応した再生装置が求められている。DSD方式は、それ自体は従来から存在しており、SACD(スーパーオーディオCD)などでも採用されていた。 In recent years, high-resolution sound sources have been promoted in the audio field. Under such circumstances, a format called DSD (Direct Stream Digital) is widely used in network distribution of sound sources, and a reproducing apparatus corresponding to the format is required. The DSD method itself has conventionally existed and has been adopted in SACD (Super Audio CD) and the like.
図1は、DSDの再生システムを示す図である。再生システム500は、デシメーションフィルタ502、DSP(Digital Signal Processor)506、ノイズシェーパ508、パルス幅変調器510、D級アンプ512、スピーカ514を備える。
FIG. 1 is a diagram showing a DSD playback system. The
デシメーションフィルタ502により、ビットストリームS51の標本化周波数が、1/64倍に間引かれ、PCM(パルス符号変調)データS53に変換される。DSP506は、PCMデータ23に対して、ボリウム制御などさまざまなデジタル演算処理を施す。ノイズシェーパ508はΔΣ変調器を含み、オーディオ信号S54の量子化ノイズをオーディオ帯域外に分離する。パルス幅変調器510は、ノイズシェーパ508の出力データS55をパルス幅変調する。D級アンプ512は、パルス幅変調器510の出力パルスS56を増幅し、スピーカ514を駆動する。スピーカ514からは出力パルスS56を平滑化したアナログオーディオ信号S57が出力される。
The
DSD方式は、PDM(パルス密度変調)の一種であり、オーディオ波形が1ビットのパルス密度変調されたビットストリームとして記録され、原理的にはそれをローパスフィルタを通過させることで、もとのオーディオ波形を再生できる。ところが図1に示す従来の再生システム500では、ビットストリームをPCMデータに変換しているため、DSD方式の本来の利点が損なわれており、音質に関して改善の余地がある。
The DSD method is a kind of PDM (Pulse Density Modulation), in which an audio waveform is recorded as a 1-bit pulse density modulated bit stream, and in principle, it is passed through a low-pass filter to obtain the original audio. Can play waveforms. However, in the
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、高音質再生が可能なオーディオアンプの提供にある。 The present invention has been made in view of such a problem, and one of exemplary purposes of an aspect thereof is to provide an audio amplifier capable of high-quality sound reproduction.
本発明のある態様は、電気音響変換素子を駆動するオーディオアンプに関する。オーディオアンプは、DSDフォーマットの入力オーディオ信号を遅延させ、第1オーディオ信号を生成する遅延回路と、電気音響変換素子の一端と接続され、第1オーディオ信号に応じてスイッチングする第1D級アンプと、入力オーディオ信号をPCM(パルス符号変調)形式の第2オーディオ信号に変換するデシメーションフィルタと、第2オーディオ信号に、ボリウムの設定値に応じた係数を乗じ、第3オーディオ信号を生成するデジタルボリウム回路と、第3オーディオ信号をノイズシェーピングし、第4オーディオ信号を生成するノイズシェーパと、第4オーディオ信号をパルス変調された第5オーディオ信号に変換するパルス変調器と、電気音響変換素子の他端と接続され、第5オーディオ信号に応じてスイッチングする第2D級アンプと、を備える。 One embodiment of the present invention relates to an audio amplifier that drives an electroacoustic transducer. The audio amplifier delays the input audio signal in the DSD format and generates a first audio signal, a first class D amplifier connected to one end of the electroacoustic transducer and switching in accordance with the first audio signal; A decimation filter that converts an input audio signal into a second audio signal in PCM (pulse code modulation) format, and a digital volume circuit that generates a third audio signal by multiplying the second audio signal by a coefficient according to a set value of the volume. A noise shaper for noise shaping the third audio signal to generate a fourth audio signal, a pulse modulator for converting the fourth audio signal into a pulse-modulated fifth audio signal, and the other end of the electroacoustic transducer Connected to the second and switching according to the fifth audio signal It includes a grade amplifier, a.
この態様によると、電気音響変換素子の一端には、第1D級アンプによって、ボリウムの設定値によらない振幅を有するオーディオ信号が印加され、電気音響変換素子の他端には、第2D級アンプによって、ボリウムの設定値に応じた振幅、極性を有するオーディオ信号が印加される。これにより、電気音響変換素子の両端間に印加される駆動電圧は、ボリウムの設定値に応じて変化することとなり、音量を変化させることができる。また、駆動電圧の一部は、PCM変換処理を経ない純粋な1ビットオーディオ信号の成分を含むため、音質を改善できる。 According to this aspect, an audio signal having an amplitude that does not depend on the set value of the volume is applied to one end of the electroacoustic transducer by the first class D amplifier, and the second class D amplifier is applied to the other end of the electroacoustic transducer. Thus, an audio signal having an amplitude and a polarity according to the set value of the volume is applied. Thereby, the drive voltage applied between the both ends of the electroacoustic transducer changes according to the set value of the volume, and the volume can be changed. In addition, since a part of the drive voltage includes a component of a pure 1-bit audio signal that does not undergo PCM conversion processing, sound quality can be improved.
係数は、ボリウムの設定値が最小のときに、電気音響変換素子の一端のアナログオーディオ波形と他端のアナログオーディオ波形が同じ振幅、同じ極性を有するように定められてもよい。
これにより、電気音響変換素子の両端間の駆動電圧は実質的にゼロとなり、音量ゼロを実現できる。
The coefficient may be determined so that the analog audio waveform at one end and the analog audio waveform at the other end of the electroacoustic transducer have the same amplitude and the same polarity when the set value of the volume is minimum.
Thereby, the drive voltage between the both ends of the electroacoustic transducer becomes substantially zero, and a volume of zero can be realized.
また係数は、ボリウムの設定値が最大のときに、電気音響変換素子の一端のアナログオーディオ波形と他端のアナログオーディオ波形が同じ振幅、逆極性を有するように定められてもよい。
これにより、ある電源電圧が与えられるD級アンプのペアにおいて最大の音量を実現できる。
The coefficient may be determined so that the analog audio waveform at one end and the analog audio waveform at the other end of the electroacoustic transducer have the same amplitude and opposite polarity when the set value of the volume is maximum.
Thereby, the maximum volume can be realized in a pair of class D amplifiers to which a certain power supply voltage is applied.
遅延回路の遅延量は、デシメーションフィルタからパルス変調器までの、信号処理遅延および伝搬遅延と等しくなるよう定められてもよい。 The delay amount of the delay circuit may be determined to be equal to the signal processing delay and the propagation delay from the decimation filter to the pulse modulator.
オーディオアンプは、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。
「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。回路を1つのチップ上に集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。
The audio amplifier may be integrated on a single semiconductor substrate.
“Integrated integration” includes the case where all of the circuit components are formed on a semiconductor substrate and the case where the main components of the circuit are integrated. A resistor, a capacitor, or the like may be provided outside the semiconductor substrate. By integrating the circuit on one chip, the circuit area can be reduced and the characteristics of the circuit elements can be kept uniform.
本発明の別の態様は、電子機器に関する。電子機器は、電気音響変換素子と、電気音響変換素子を駆動する上述のいずれかのオーディオアンプと、を備えてもよい。 Another embodiment of the present invention relates to an electronic device. The electronic apparatus may include an electroacoustic transducer and any one of the above-described audio amplifiers that drives the electroacoustic transducer.
電子機器は、電気音響変換素子の一端とオーディオアンプの第1D級アンプの間に設けられた第1フィルタと、電気音響変換素子の他端とオーディオアンプの第2D級アンプの間に設けられた第2フィルタと、をさらに備えてもよい。 The electronic device is provided between the one end of the electroacoustic transducer and the first class D amplifier of the audio amplifier, and between the other end of the electroacoustic transducer and the second class D amplifier of the audio amplifier. And a second filter.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described constituent elements and the expression of the present invention converted between methods, apparatuses, etc. are also effective as an aspect of the present invention.
本発明のある態様によれば、DSDフォーマットの1ビットオーディオ信号を高音質で再生できる。 According to an aspect of the present invention, a 1-bit audio signal in DSD format can be reproduced with high sound quality.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. The embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合や、部材Aと部材Bが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
In this specification, “the state in which the member A is connected to the member B” means that the member A and the member B are physically directly connected, or the member A and the member B are electrically connected. The case where it is indirectly connected through another member that does not affect the state is also included.
Similarly, “the state in which the member C is provided between the member A and the member B” refers to the case where the member A and the member C or the member B and the member C are directly connected, as well as an electrical condition. It includes the case of being indirectly connected through another member that does not affect the connection state.
図2は、実施の形態に係るオーディオアンプ200の回路図である。オーディオアンプ200は、いくつかの外付け部品とともに電子機器(オーディオシステムともいう)100に内蔵される。具体的には電子機器100は、電気音響変換素子102、第1フィルタ104P、第2フィルタ104Nおよびオーディオアンプ200を備える。オーディオアンプ200は、ひとつの半導体基板に一体集積化された機能ICであり、オーディオ入力端子(AUDIN)にDSDフォーマットの1ビットオーディオ信号S11を受け、電気音響変換素子102を駆動する。電気音響変換素子102としては、スピーカ、ヘッドホン、イヤホンなどが例示される。第1フィルタ104Pは、オーディオアンプ200のP極出力端子(OUTP)と電気音響変換素子102の一端の間に設けられ、第2フィルタ104Nは、オーディオアンプ200のN極出力端子(OUTN)と電気音響変換素子102の他端の間に設けられる。
FIG. 2 is a circuit diagram of the
オーディオアンプ200は、遅延回路202、第1D級アンプ204、デシメーションフィルタ206、デジタルボリウム回路208、ノイズシェーパ210、パルス変調器212、第2D級アンプ214を備える。
The
オーディオアンプ200のオーディオ入力端子(AUDIN)には、音源106からのDSDフォーマット(1ビット)の入力オーディオ信号SINが入力される。遅延回路202は、DSDフォーマットの入力オーディオ信号SINを受け、所定時間τ、遅延させて第1オーディオ信号S1を生成する。第1オーディオ信号S1は、PCM変換を経ない、ピュアな1ビットオーディオ信号である。第1D級アンプ204は、OUTP端子および外付けのフィルタ104Pを介して電気音響変換素子102の一端と接続され、第1オーディオ信号S1に応じてスイッチングする。
The audio input of the audio amplifier 200 (Audin), the input audio signal S IN of the DSD format (1 bit) from the
デシメーションフィルタ206は、入力オーディオ信号SINをPCM(パルス符号変調)形式の第2オーディオ信号S2に変換する。デジタルボリウム回路208は、第2オーディオ信号S2に、ボリウムの設定値(指令値)VOLに応じた係数Kを乗じ、第3オーディオ信号S3を生成する。たとえばオーディオアンプ200は、マイクロコントローラ108からバスを介して設定値VOLを受信する。
ノイズシェーパ210は、第3オーディオ信号S3をノイズシェーピングし、第4オーディオ信号S4を生成する。ノイズシェーパ210はΔΣ変調器などで構成される。ノイズシェーパ210によりオーディオ帯域内のノイズが、20kHz以上のオーディオ帯域外に追い出される(ノイズシェーピング)。パルス変調器212は、第4オーディオ信号S4をパルス変調された第5オーディオ信号S5に変換する。たとえばパルス変調器212は、パルス幅変調器であってもよく、第5オーディオ信号S5は、PWM形式のオーディオ信号であってもよい。パルス変調器212は、デジタル回路であってもよいし、アナログ回路であってもよく、公知技術を用いて構成できる。なお、パルス変調方式は特に限定されず、PDM方式であってもよいし、PFM(パルス周波数)であってもよく、その出力S5がD級アンプ214に入力可能な1ビットデジタル信号であり、その時間平均波形がオーディオ波形に対応するデータとなっていればよい。第2D級アンプ214は、電気音響変換素子102の他端と接続され、第5オーディオ信号S5に応じてスイッチングする。
The
第1D級アンプ204および第2D級アンプ214は共通の電源電圧VDDを受けて動作し、したがって第1D級アンプ204、第2D級アンプ214それぞれの出力パルスの振幅(ハイレベル電圧)は等しい。
The first
図3は、ボリウム設定値VOLと、デジタルボリウム回路208の係数の関係を示す図である。係数Kは、ボリウムの設定値VOLが最小(音量が最小レベル)MINのときに、電気音響変換素子102の一端のアナログオーディオ波形SOUTPと他端のアナログオーディオ波形SOUTNが同じ振幅、同じ極性を有するように定められる。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the volume setting value VOL and the coefficient of the
また、係数Kは、ボリウムの設定値が最大(音量が最大レベル)MAXのときに、電気音響変換素子102の一端のアナログオーディオ波形SOUTPと他端のアナログオーディオ波形SOUTNが同じ振幅、逆極性を有するように定められる。
The coefficient K, when the set value is a maximum (volume maximum level) MAX of volume, one end of the analog audio waveform S OUTP and the other analog audio waveform S OUTN are the same amplitude of the
中間的な設定値VOLにおいては、係数Kは、最小値(たとえば−1)と最大値(たとえば+1)の間を、設定値VOLに応じて連続あるいは不連続で変化する。 In the intermediate set value VOL, the coefficient K changes between a minimum value (for example, -1) and a maximum value (for example, +1) continuously or discontinuously depending on the set value VOL.
また遅延回路202の遅延量τは、デシメーションフィルタ206からパルス変調器212までの、信号処理遅延および伝搬遅延と等しくなるよう定められる。
The delay amount τ of the
以上がオーディオアンプ200の構成である。続いてその動作を説明する。図4は、ボリウム値VOLを最大値から最小値へと変化させたときの、オーディオアンプ200の動作波形図である。
The above is the configuration of the
ボリウム設定値VOLが最大のとき、係数Kは負となり、電気音響変換素子102の両端のアナログオーディオ波形SOUTPとSOUTNは逆相となる。このとき、電気音響変換素子102の両端間の駆動波形SOUTP−SOUTNの振幅は最大となる。
When the volume setting value VOL is maximum, the coefficient K is negative, and the analog audio waveforms S OUTP and S OUTN at both ends of the
設定値VOLを低下させていくと、アナログオーディオ波形SOUTNの振幅が小さくなっていき、駆動波形SOUTP−SOUTNの振幅も小さくなっていく。 As the set value VOL is decreased, the amplitude of the analog audio waveform S OUTN is decreased, and the amplitude of the drive waveform S OUTP -S OUTN is also decreased.
係数Kがゼロとなると、電気音響変換素子102の他端の波形SOUTNはゼロとなる。このときの駆動波形はSOUTPと等しい。
When the coefficient K becomes zero, the waveform S OUTN at the other end of the
さらにボリウム設定値VOLが小さくなると係数Kが正となり、波形SOUTNがSOUTPと同相となる。そして設定値VOLの減少にしたがい、波形SOUTNの振幅は増大し、駆動波形SOUTP−SOUTNの振幅はさらに小さくなる。やがてボリウム設定値VOLが最小値となると、波形SOUTPとSOUTNが完全に一致し、駆動波形はゼロとなり、音量もゼロとなる。 Further, when the volume setting value VOL becomes smaller, the coefficient K becomes positive and the waveform S OUTN is in phase with S OUTP . As the set value VOL decreases, the amplitude of the waveform S OUTN increases and the amplitude of the drive waveform S OUTP -S OUTN further decreases. When the volume set value VOL eventually becomes the minimum value, the waveforms S OUTP and S OUTN completely coincide with each other, the drive waveform becomes zero, and the sound volume also becomes zero.
以上がオーディオアンプ200の動作である。続いてその利点を説明する。
実施の形態に係るオーディオアンプ200では、電気音響変換素子102の一端には、第1D級アンプ204によって、ボリウムの設定値VOLによらない振幅を有するオーディオ信号SOUTPが印加され、電気音響変換素子102の他端には、第2D級アンプ214によって、ボリウムの設定値VOLに応じた振幅および極性を有するオーディオ信号SOUTNが印加される。これにより、電気音響変換素子102の両端間に印加される駆動波形SOUTP−SOUTNは、ボリウムの設定値VOLに応じて変化することとなり、音量を変化させることができる。
The above is the operation of the
In the
ここで駆動波形の一部SOUTPは、PCM変換処理を経ない純粋な1ビットオーディオ信号の成分を含むため、図1のオーディオシステムに比べて、音質を改善できる。 Here, a part of the drive waveform S OUTP includes a component of a pure 1-bit audio signal that does not undergo PCM conversion processing, so that the sound quality can be improved compared to the audio system of FIG.
図5(a)〜(c)は、電子機器100の外観図である。図5(a)は電子機器100の一例であるディスプレイ装置600である。ディスプレイ装置600は、筐体602、スピーカ102L、102Rを備える。オーディオアンプIC300は筐体602に内蔵され、スピーカ102L、102Rを駆動する。
5A to 5C are external views of the
図5(b)は電子機器100の一例であるオーディオコンポ700である。オーディオコンポ700は、筐体702、スピーカ102L、102Rを備える。オーディオアンプIC300は筐体702に内蔵され、スピーカ102L、102Rを駆動する。
FIG. 5B shows an
図5(c)は電子機器100の一例である小型情報端末800である。小型情報端末800は、携帯電話、PHS(Personal Handy-phone System)、PDA(Personal Digital Assistant)、タブレットPC(Personal Computer)、オーディオプレイヤなどである。小型情報端末800は、筐体802、スピーカ102、ディスプレイ804を備える。オーディオアンプIC300は筐体802に内蔵され、スピーカ102を駆動する。
FIG. 5C illustrates a
図5(a)〜(c)に示すような電子機器にオーディオアンプIC300を用いることにより、高音質を実現できる。そのほか、オーディオアンプIC300は、インターホンなどにも利用可能である。
By using the
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。 Although the present invention has been described using specific terms based on the embodiments, the embodiments only illustrate the principles and applications of the present invention, and the embodiments are defined in the claims. Many variations and modifications of the arrangement are permitted without departing from the spirit of the present invention.
100…電子機器、102…電気音響変換素子、104…フィルタ、106…音源、108…マイクロコントローラ、200…オーディオアンプ、202…遅延回路、204…第1D級アンプ、206…デシメーションフィルタ、208…デジタルボリウム回路、210…ノイズシェーパ、212…パルス変調器、214…第2D級アンプ、SIN…入力オーディオ信号、S1…第1オーディオ信号、S2…第2オーディオ信号、S3…第3オーディオ信号、S4…第4オーディオ信号、S5…第5オーディオ信号。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
DSDフォーマットの入力オーディオ信号を遅延させ、第1オーディオ信号を生成する遅延回路と、
前記電気音響変換素子の一端と接続され、前記第1オーディオ信号に応じてスイッチングする第1D級アンプと、
前記入力オーディオ信号をPCM(パルス符号変調)形式の第2オーディオ信号に変換するデシメーションフィルタと、
前記第2オーディオ信号に、ボリウムの設定値に応じた係数を乗じ、第3オーディオ信号を生成するデジタルボリウム回路と、
前記第3オーディオ信号をノイズシェーピングし、第4オーディオ信号を生成するノイズシェーパと、
前記第4オーディオ信号をパルス変調された第5オーディオ信号に変換するパルス変調器と、
前記電気音響変換素子の他端と接続され、前記第5オーディオ信号に応じてスイッチングする第2D級アンプと、
を備えることを特徴とするオーディオアンプ。 An audio amplifier that drives an electroacoustic transducer,
A delay circuit for delaying an input audio signal in DSD format to generate a first audio signal;
A first class D amplifier connected to one end of the electroacoustic transducer and switching in accordance with the first audio signal;
A decimation filter for converting the input audio signal into a second audio signal in PCM (pulse code modulation) format;
A digital volume circuit for generating a third audio signal by multiplying the second audio signal by a coefficient corresponding to a set value of the volume;
A noise shaper for noise shaping the third audio signal to generate a fourth audio signal;
A pulse modulator for converting the fourth audio signal into a pulse-modulated fifth audio signal;
A second class D amplifier connected to the other end of the electroacoustic transducer and switching in accordance with the fifth audio signal;
An audio amplifier comprising:
前記電気音響変換素子を駆動する請求項1から6のいずれかに記載のオーディオアンプと、
を備えることを特徴とする電子機器。 An electroacoustic transducer;
The audio amplifier according to any one of claims 1 to 6, which drives the electroacoustic conversion element;
An electronic device comprising:
前記電気音響変換素子の他端と前記オーディオアンプの前記第2D級アンプの間に設けられた第2フィルタと、
をさらに備えることを特徴とする請求項7に記載の電子機器。 A first filter provided between one end of the electroacoustic transducer and the first class D amplifier of the audio amplifier;
A second filter provided between the other end of the electroacoustic transducer and the second class D amplifier of the audio amplifier;
The electronic apparatus according to claim 7, further comprising:
DSDフォーマットの入力オーディオ信号を遅延させ、第1オーディオ信号を生成するステップと、
電気音響変換素子の一端と接続された第1D級アンプが、前記第1オーディオ信号に応じてスイッチングするステップと、
前記入力オーディオ信号をPCM(パルス符号変調)形式の第2オーディオ信号に変換するステップと、
前記第2オーディオ信号に、ボリウムの設定値に応じた係数を乗じ、第3オーディオ信号を生成するステップと、
前記第3オーディオ信号をノイズシェーピングし、第4オーディオ信号を生成するステップと、
前記第4オーディオ信号をパルス変調し、第5オーディオ信号に変換するステップと、
前記電気音響変換素子の他端と接続された第2D級アンプが、前記第5オーディオ信号に応じてスイッチングするステップと、
を備えることを特徴とする再生方法。 An audio signal playback method comprising:
Delaying an input audio signal in DSD format to generate a first audio signal;
A step of switching a first class D amplifier connected to one end of the electroacoustic transducer in accordance with the first audio signal;
Converting the input audio signal into a second audio signal in PCM (pulse code modulation) format;
Multiplying the second audio signal by a coefficient corresponding to a set value of the volume to generate a third audio signal;
Noise shaping the third audio signal to generate a fourth audio signal;
Pulse-modulating the fourth audio signal and converting it to a fifth audio signal;
A second class D amplifier connected to the other end of the electroacoustic transducer switches in response to the fifth audio signal;
A playback method comprising:
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