JP3905331B2 - 無線デバイス用送信器と送信器内のパワー増幅器の効率を改善する方法と装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は携帯電話器に関し、特に時分割多重アクセス（time division multiplie access;ＴＤＭＡ）電話内の非線形パワー増幅器の使用が可能となるような線形化技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話は現代社会においてありふれたものとなっている。携帯電話によりユーザーはあらゆる場所で電話をかけたり受けたりすることが出来る。
【０００３】
初期の時代は、携帯電話はアナログ伝送技術を用いて基地局と通信していた。しかし、近年ＴＤＭＡのようなデジタル技術が携帯電話（ワイヤレス電話）で開発されている。ＴＤＭＡは時分割多重化技術を用いてデジタル無線サービスを提供する技術として無線電話の世界で用いられている。ＴＤＭＡは無線周波数を複数のタイムスロットに分割し、このタイムスロットを必要に応じて携帯電話に割り当てることにより機能している。このようにして１個の周波数で複数データチャンネルを同時にサポートすることが出来る。
【０００４】
図１は従来のＴＤＭＡ無線電話（携帯電話）の関連部分を表すブロック図である。
【０００５】
図１に於いて、変調信号が可変利得増幅器５０２に入力され、その後パワー増幅器５０４に入力されて送信される。パワー増幅器５０４から出力された信号の一部をエンベロープ検出回路５０６が検出し、この検出した信号が修正回路５０８に出力される。修正回路５０８は、検出ダイオードの線形領域の特性に基づいて、可変利得増幅器５０２の入力／出力（Ｉ／Ｏ）特性を、パワー増幅器５０４の非線形領域特性とは逆の特性を用いて、線形特性を近似するよう可変利得増幅器５０２のＩ／Ｏ特性を修正する。
【０００６】
一般的に、パワー増幅器５０４は、遠く離れた受信用基地局に無線信号を送信するのに必要なエネルギーを提供する。無線デバイスに於いては、パワー増幅器５０４はデバイスのバッテリーの主要な消費源である。パワー増幅器５０４の効率を増加させることは、通話時間と待機時間を長くし、無線デバイスの軽量化と小型化に寄与できる。
【０００７】
パワー増幅器５０４の線形性を減少させることにより利点が得られるが、又別の制約も存在する。例えば、現在の産業界の標準では送信出力信号の最大歪みレベルを規定している。従来では線形パワー増幅器を用いて出力信号がクリアーで歪みのないものとなるようにしている。パワー増幅器の線形性のレベルが高くなると送信信号の歪みレベルが低くなる。しかし、線形性と効率とは逆比例の関係にある。高効率を有するパワー増幅器は非線形パワー増幅器である。
【０００８】
線形性と効率の２つの要件をバランスさせることが好ましい。
【０００９】
効率を犠牲にすることなくパワー増幅器の線形性を改善することは、線形化回路を非線形増幅器に導入することである。この考えの背景にあるものは、線形化装置は線形パワー増幅器よりもＤＣパワーの消費が遙かに少ないということである。線形化回路を従来方法で実行することは「フィードフォワード」線形化技術を用いることである。このフィードフォワード線形化技術は、日本特許特開平７−１７３６６１（出願人：沖電気工業，公開日１９９７年１月２１日）に開示されている。
【００１０】
しかし、従来の線形化方法は更に余分な回路を必要とし、これにより無線送信器のコストと信頼性が上昇することになる。更にこのような従来の線形化技術はＣ級増幅器への適用に対しては十分なテストがなされていない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本方法の目的は、パワー増幅器の線形性を犠牲にすることなく、特にＴＤＭＡ送信器の効率を改善する方法と装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、本発明の送信器は請求項１に記載した特徴を有する。即ち、パワー増幅器（１０８）と、ルートレイズドコサインフィルター（１０６）と、前記パワー増幅器により増幅された変調信号に対し第１レベルの線形を与えるために前記ルートレイズドコサインフィルターに適用される第１の組のパラメータ（１０２）と、前記パワー増幅器により増幅された変調信号に対し第２レベルの線形を与えるために前記ルートレイズドコサインフィルターに適用される第２の組のパラメータ（１０４）とを有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の送信器内のパワー増幅器の効率を増加させる方法は、請求項１０に記載した特徴を有する。即ち、（Ａ） パワー増幅器の送信パワーが所定レベル以下のときには、ルートレイズドコサインフィルター内で第１の組のパラメータを設定するステップと、（Ｂ） パワー増幅器の送信パワーが所定レベル以上のときには、ルートレイズドコサインフィルター内で第２の組のパラメータを設定するステップとを有することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は多重アクセス技術、例えばＴＤＭＡ，ＣＤＭＡ，ＦＤＭＡ等を用いた移動電話システムで使用されるパワー増幅器を線形化する方法と装置を提供する。
【００１５】
歪んだ出力信号により生成される問題は、そのスペクトラムが拡散することである。隣接する別のチャネルは、特にスペクトラム拡散に弱いが、その理由は不用なスペクトラム拡散の結果がフィルタで除去できないからである。基礎理論によれば、入力信号が振幅変調されたときにのみ隣接するチャネルに対するスペクトラム拡散の問題が発生する。例えば、ＴＤＭＡ標準（ＩＳ−１３６）によれば入力信号は振幅変調されている。振幅変調は入力信号を特殊なナイキスト型に整形することにより行われる。この整形はシンボル間干渉（Inter-Symbol Interference;ＩＳＩ）を回避するために必要である。
【００１６】
送信器に対するＩＳＩの測定値はエラーベクトル振幅（Error Vector Magnitude;ＥＶＭ）である。一方、線形性の測定値は隣接チャネルパワー（Adjacent Channel Power;ＡＣＰ）である。ＴＤＭＡ標準ではＡＣＰの値は２６dB以上であり、線形増幅器（即ち、ＡＣＰ＝２９dBの増幅器）に対してはＥＶＭの値は約４％である。非線形増幅器（即ち、ＡＣＰ＝２６dBの増幅器）に対してはＥＶＭの値は約６％である。ＴＤＭＡ標準ではＥＶＭの値は１２．５％を要求している。このことは線形性が改善される場合（即ち、ＡＣＰの値が増加する場合）には、ＥＶＭの値は増加する余地があることを意味している。
【００１７】
前述の議論から判るように、拡散スペクトラムを決定するファクターは入力信号の整形をすることである。整形は、ルートレイズドコサインフィルター（root raised cosine filter ;ＲＲＣＦ）によりベースバンドで行われる。ＲＲＣＦパラメータを変化させることは、パルス整形を変化させることにつながる。そしてこの変化はＡＣＰの改善につながるが、ＩＳＩを劣化させることになる。
【００１８】
平方根レイズドコサインフィルター（Square-root raised cosine filter ;ＲＲＣＦ）は、あらゆる承認された無線変調標準に含まれている。レイズドコサインフィルター（ＲＲＣＦを含む）は、厳密にバンド幅が制限された信号を生成するために無線通信で広く用いられる。これは隣接するチャネルバンドで使用されるために変調信号が作り出す干渉を低減させるために好ましい。これにより通信システムはチャネル帯域（バンド幅）に対してナイキストレイトに近いレートで信号を送ることができ且つ、チャネル歪みとシンボル間干渉（ＩＳＩ）の原因となる過剰なサイドローブのフィルタリングを必要としない。
【００１９】
平方根或いはルートレイズドコサインフィルターは、多くの通信アプリケーションで用いられている。ＲＣパルス形状（波形）は２つの部分に分割され、１つは送信器用に他の１つは受信器用である。この場合各サイドはいわゆるマッチドフィルター対を形成するルートレイズドコサインフィルターを有する。
【００２０】
ＲＣパルス形状は、ベースバンド（データ上で）或いはＲＦ（変調器の出力点で）の何れかで実行される。多くの実際のアプリケーションでは、例えばルックアップテーブル内のパルス形状のサンプル値を記憶するデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を用いたベースバンドのアプローチを採用している。これ等の値はサンプルクロック周波数で読み出されてシンボルを生成して変調及び転送を行う。
【００２１】
ＲＲＣＦにおいては、その目的はＲＲＣＦパラメータを調節することにより、ＩＳＩ要件とＡＣＰ要件との間の妥協点を見出すことである。この調整はフレキシブルでなければならない。ＲＲＣＦパラメータは出力信号が仕様書が許す以上に拡散したときには基の値に戻らなければならない。
【００２２】
ここに本明細書に開示した実施例は、１つ或いは複数のＲＲＣＦと共に使用するＲＲＣＦのフィルターパラメータの追加の組を含み、何れの時にもＲＲＣＦフィルターパラメータの２つの組の間での選択権を与える。ＲＲＣＦフィルターパラメータは無線デバイスの動作モードに基づいて選択される。特にここに開示した実施例に於いてはＲＲＣＦパラメータの１つの組が無線デバイスが高い（例、最大）パワーで送信しているときには自動的に選択され、それが実行され、無線デバイスがそれよりも低いパワーで送信しているときには別の組が自動的に選択されて実行される。
【００２３】
斯くして、高い送信レベルにおいて変調信号出力の整形（成形）は送信パワーのレベルに従って変化する。このことは特に高いパワーレベル出力信号に対してはシンボル間干渉（ＩＳＩ）を増加させるが、ＡＣＰを改善することはない（即ち、スペクトラム拡散を低減させて送信パワー増幅器の線形性を改善する）。
【００２４】
ＲＲＣＦパラメータを自動的に選択することにより、自動線形機能（adaptable linearization）を有する。安価で容易に実現可能なパワー増幅器が多重アクセスシステム、例えばＴＤＭＡ，ＦＤＭＡ，ＣＤＭＡ等で実現することが出来る。実際に送信器の効率は大幅に改善することが出来（例えば、１０％から２０％或いはそれ以上）、これはより大きな非線形領域でパワー増幅器を動作させる必要がない。
【００２５】
効率及び／又は線形性は他の機器に悪影響を及ぼすことなく大幅に改善することが出来るために小電流しか必要としない非線形増幅器を用いることが出来る。これはバッテリーの充電時間を減らし、デバイスの小型化に役立つ。
【００２６】
図２は少なくとも複数の異なる動作フィルターパラメータにアクセスする適用型（自動）ルートレイズドコサインフィルターＲＲＣＦを含む無線デバイス（例、ＴＤＭＡ，ＣＤＭＡ，ＦＤＭＡの携帯電話）の送信器部分を表す。
【００２７】
特に、図２に示すようにルートレイズドコサインフィルタ１０６は正規動作用フィルターパラメータ１０２或いは高送信パワー用フィルターパラメータ１０４を具備して構成される。ルートレイズドコサインフィルタ１０６は、変調信号に対し変調信号を線形化して出力パワー増幅器１０８を効率的に線形化し、回路の追加も少なくパワーも少ないようなより効率的なパワー増幅器を構成できる。
【００２８】
図３Ａ−３Ｄは、シミュレートした結果を得るために用いられるブロック図である。
【００２９】
特に、図３Ａ−３Ｄに於いては送信器は、ＱデータストリームとＩデータストリームを受信するデータ符号化器２７２を有する。
【００３０】
一対のルートレイズドコサインフィルタ２７１ａ，２７１ｂが、それぞれＱデータストリームとＩデータストリームをフィルタ処理する。ルートレイズドコサインフィルタ２７１ａ，２７１ｂはベースバンド内にある。
【００３１】
ＲＲＣＦでフィルタ処理された入力ＱデータストリームとＩデータストリーム（即ち、デジタルベースバンドデータストリーム）は、適宜の変調器、例えば直交振幅変調器（ＱＡＭ）２７３で変調されてＲＦ信号を出力する。
【００３２】
アップコンバータ２７４は、この変調された信号を適宜のＲＦ周波数に変換して、それを送信器が用いる。
【００３３】
ＲＦ送信器部分２７５は、２段パワー増幅器（第１段プリアンプ２７６と第２段パワー増幅器２７７）を有する。
【００３４】
パワー増幅器は入力信号の形状を変化させて線形化して、非線形効果に関連する拡散スペクトラムを減らす。入力信号の形状の変化はルートレイズドコサインフィルタ２７１ａ，２７１ｂのパラメータを変化させることにより行われる。従ってパワー増幅器は送信されたパワーが高いときには非線形モードで動作して、これにより効率が改善される。
【００３５】
ＲＲＣＦはパワー増幅器が、ハイパワーモードにあるときには第１の組のパラメータを用いる。非線形が原因で増加したＩＳＩは、ハイパワー時で隣接するシンボル間を区別することが容易に出来るために障害とはならない。
【００３６】
ローパワーモードで動作するとき（例えば、最大パワーで動作しないとき）、ＲＲＣＦの第２の組のパラメータがダウンロードされる。これにより全体的なシンボル間干渉（ＩＳＩ）が低下する。
【００３７】
図４は様々なβの値に対するレイズドコサイン周波数応答を表す図である。
【００３８】
図５はシミュレーションの結果として理想的な線形増幅器と、パワー増幅器内の非線形性を三段階悪くした状態を表すスペクトラムのプロット図である。
【００３９】
図５に示すように線形パワー増幅器は狭いスペクトラムＬを用い、一方、幾分非線形のパワー増幅器は広いスペクトラムＮＬ１を用い、これは図５に示すように例えば−４０dＢ以上である。
【００４０】
この考えを拡張すると更に非線形のパワー増幅器は、更に広いスペクトラムＮＬ２を用い、非常に非線形のパワー増幅器は更に広いスペクトラムＮＬ３を用いる。
【００４１】
本発明はＲＲＣＦのフィルターパラメータ間の関係と、送信された信号が利用するスペクトラム量について明確にし、出力スペクトラムに対する所望の制約に基づいてＲＲＣＦフィルターパラメータを調整する。
【００４２】
非線形パワー増幅器の出力がハイレベル（例、最大レベル）にあり、そして元のものと信頼形にある場合には、ＲＲＣＦの実現は、ＲＲＣＦの特定のパラメータの決定を含み、それ以外の場合には非線形パワー増幅器の出力拡散スペクトラムが許容範囲内にあるとき、例えばハイレベル（最大レベル）以下にあるときには従来のパラメータを用いる。
【００４３】
図７Ａは送信パワーレベルが２９．４１dBｍを示す。図７ＢにはＲＭＳのベクトルエラーが６．１２％（ｒｍｓ）の場合で、変調の割合を示し、図７Ｃは−３０ｋＨｚに−２５．８５dB（これは所望の仕様である−２６dBを越えている）の変調に起因する平均パワーを示す。このことはスペクトラム拡散は許容された隣接するチャネルパワーの特定値以上であることを示している。
【００４４】
しかし、本発明によればＲＲＣＦフィルターのパラメータは、高送信パワー用フィルターパラメータ１０４に変化させて、その結果得られた隣接チャネルパワーが仕様の範囲にはいるようにすることが出来る。このことは図８Ａ−８Ｃに示した結果で明らかである。
【００４５】
測定装置は、ＲＲＣＦのパラメータを調節できる機能を有していないために（多くの測定デバイスも同様な問題がある）、ナイキストフィルタを用いて図８Ａ−８Ｃを作成した。ナイキストフィルタは高送信パワー用フィルターパラメータ１０４を有するＲＲＣＦフィルタをこの実施例ではシミュレートする。
【００４６】
図８Ａには送信パワーが２９．４９dBｍを示し、これは図７Ａと実質的に同一である。図８ＢはＲＭＳベクトルエラーが１４．２９％（ｒｍｓ）の場合を示し、ベクトルエラーが増加していることを示す（これはシミュレートしたＲＲＣＦパラメータを変化させることから予測出来ることである）。しかしこのことは大したことではなく、その理由は図８Ｃに示すように隣接するチャネルパワーは−２６dB以上に十分に減衰しているからである。特に図８Ｃに示すように−３０ｋＨｚでの変調に起因した平均パワーは−２７．２４dBにまで改善されている。
【００４７】
ＲＲＣＦパラメータの決定はＲＦシミュレータソフトウエア（ＨＰ−ＥＥＳＯＦから市販されているＯＭＮＩＳＹＳ）を用いて行われた。このシミュレートした測定は、汎用の電話器モデルに対し形成された送信器モデルで行われた。
【００４８】
本発明の実験は、ＡＮＲＩＴＳＵのテスト装置上でＴＤＭＡシステムに対し行われた。本発明はＴＤＭＡシステムの実施例で行われ証明されたが、本発明は他の多重アクセス通信システム、例えばＣＤＭＡ，ＦＤＭＡ等にも等しく適用できる。
【００４９】
生成器ＭＳ３６７０Ｂの出力からの変調信号が増幅器に与えられた。この増幅器の出力信号は、ＴＤＭＡパワーメータＭＳ８６０４Ａで測定した。図６は図７Ａ−７Ｃと８Ａ−８Ｃのシミュレーションが行われたＲＦパワーレベルの組を示す。
【００５０】
まず、増幅器に線形モードで動作が行われるようバイアスがかけられた。このモードに於いて、増幅器はＥＶＭが約３．５％でＡＣＰが約２９dBの出力パワーの約２９dBｍを分配した。ＤＣ電流の消費は０．７１Ａであった。
【００５１】
その後この増幅器が非線形モードで動作するよう再度バイアスをかけた。同一の出力パワーを得るために入力パワーレベルを増加させた。線形の場合のパワーレベル（−２９dB）でＡＣＰは２６db以下（最大許容可能値）で、ＥＶＭは約６％（図７Ａ−７Ｃ）で、ＤＣ電流消費は０．５５Ａに減少した。
【００５２】
その後、入力データストリームの形状を変化させた。ＡＮＲＩＴＳＵの装置における入力データストリームの形状を変化させる唯一の方法は、フィルタの種類を変化させることであった。成形フィルタはＲＲＣＦからＮＹＱ（Nyquist）に変えた。入力パワーを調整して前の場合と同じ出力パワーの値（約２９dBｍ）を得た。そのパワーレベルでＡＣＰの値は２７dBより良好となるよう変化した。しかし、ＥＶＭの値は１４％以上にジャンプした（図７Ａ−７Ｃ）。ＤＣ消費は非線形の場合と同じである。即ち、０．５５Ａであった。
【００５３】
このシミュレーションの方法は、本発明の実験的な証明方法と基本的には一致する。即ち、まずパワー増幅器が圧縮点の値（ＰidB＝２８．５dBｍ）を変化させることにより非線形モードとなるよう調整した。その後、入力パワーを増加させて出力パワーは線形モードと同一となるよう調整した（約２７．５dBｍ）。この場合のＡＣＰの値は、約２４dBｍであった。
【００５４】
ＲＲＣＦのバンド幅をその後５％低下させた。これによりＡＣＰは約２７．５dBｍに改善され、ＥＶＭの値は依然として許容可能である（約９％）。
【００５５】
元のＲＲＣＦパラメータに戻す方法は簡単である。本発明によれば、２つの組のルートレイズドコサインフィルターパラメータを用意した。１つは元のパラメータの組であり、他は修正したパラメータの組である。電話器が最大パワーレベルで送信を必要とする場合には、修正されたフィルターパラメータがダウンロードされる。電話器が３dB以上パワーレベルを低下させるよう指示を受けると元のパラメータが再びダウンロードされる。
【００５６】
他の実施例は、複数のルックアップテーブルを用いて実現可能である。切り替えは、異なるフィルター係数をダウンロードすることにより行われるために、実際にはＲＲＣＦの異なるパラメータはこの本発明の解決方法に対しコストを上乗せすることはない。
【００５７】
特許請求の範囲の発明の要件の後ろに括弧で記載した番号は本発明の一実施例の態様関係を示すもので本発明の範囲を限定するものと解釈してはならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のＴＤＭＡ電話器の関連部分を表す図。
【図２】 本発明による複数の異なる動作パラメータにアクセス可能な適用型ルートレイズドコサインフィルタ（root raised cosine filter ;ＲＲＣＦ）を有する無線デバイス（ＴＤＭＡ無線電話器）の関連送信器部分を表す図。
【図３Ａ】 シミュレートした結果を得るために用いられる詳細ブロック図。
【図３Ｂ】 シミュレートした結果を得るために用いられる詳細ブロック図。
【図３Ｃ】 シミュレートした結果を得るために用いられる詳細ブロック図。
【図３Ｄ】 シミュレートした結果を得るために用いられる詳細ブロック図。
【図４】 様々なβの値に対するレイズドコサイン周波数応答を表す図。
【図５】 シミュレーションの結果として理想的な線形増幅器と、パワー増幅器内の非線形性を三種類悪くした状態を表すスペクトラムのプロット図。
【図６】 図７と図８のシミュレーションを行った際のＲＦパワーレベルの組を表す図。
【図７Ａ】 本発明により正規のパラメータを用いた非線形増幅器とＲＲＣＦを有する送信器の実験結果を表す図。
【図７Ｂ】 本発明により正規のパラメータを用いた非線形増幅器とＲＲＣＦを有する送信器の実験結果を表す図。
【図７Ｃ】 本発明により正規のパラメータを用いた非線形増幅器とＲＲＣＦを有する送信器の実験結果を表す図。
【図８Ａ】 本発明により高出力パワーパラメータを具備したＲＲＣＦをシミュレートするナイキストフィルタと非線形増幅器を含む送信器の実験結果を表す図。
【図８Ｂ】 本発明により高出力パワーパラメータを具備したＲＲＣＦをシミュレートするナイキストフィルタと非線形増幅器を含む送信器の実験結果を表す図。
【図８Ｃ】 本発明により高出力パワーパラメータを具備したＲＲＣＦをシミュレートするナイキストフィルタと非線形増幅器を含む送信器の実験結果を表す図。
【符号の説明】
１０２ 正規動作用フィルターパラメータ
１０４ 高送信パワー用フィルターパラメータ
１０６ ルートレイズドコサインフィルタ
１０８ 出力パワー増幅器
２７１ ルートレイズドコサインフィルタ
２７２ データ符号化器
２７３ 直交振幅変調器（ＱＡＭ）
２７４ アップコンバータ
２７５ ＲＦ送信器部分
２７６ 第１段プリアンプ
２７７ 第２段パワー増幅器
５０２ 可変利得増幅器
５０４ パワー増幅器
５０６ エンベロープ検出回路
５０８ 修正回路

Claims (10)

1. パワー増幅器、及び
   少なくとも２つの異なる動作フィルターパラメータにアクセスする適用型ルートレイズドコサインフィルター
   からなり、前記少なくとも２つの異なる動作フィルターパラメータが、
   前記パワー増幅器により増幅された変調信号に対し第１レベルの線形化を実行するために前記ルートレイズドコサインフィルターに適用される第１の組のパラメータ、及び
   前記パワー増幅器により増幅された変調信号に対し第２レベルの線形化を実行するために前記ルートレイズドコサインフィルターに適用される第２の組のパラメータ
   を含み、
   前記第１の組のパラメータと前記第２の組のパラメータのどちらか一方が送信パワーのレベルに基づいて選択されることを特徴とする無線デバイスの送信器。
2. 前記パワー増幅器は非線形パワー増幅器であることを特徴とする請求項１記載の送信器。
3. 前記無線デバイスは、ＴＤＭＡ装置であることを特徴とする請求項１記載の送信器。
4. 前記無線デバイスは、ＦＤＭＡ装置であることを特徴とする請求項１記載の送信器。
5. パワー増幅器の送信パワーが所定レベル以下のときには、ルートレイズドコサインフィルター内で第１の組のパラメータを設定するステップと、
   パワー増幅器の送信パワーが所定レベル以上のときには、ルートレイズドコサインフィルター内で第２の組のパラメータを設定するステップとを含むことを特徴とする送信器内のパワー増幅器の効率を改善する方法。
6. 前記第１の組のパラメータは、ＴＤＭＡシステムでのシンボル間干渉を低下させることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記パワー増幅器は、非線形増幅器であることを特徴とする請求項５記載の方法。
8. パワー増幅器の送信パワーが所定レベル以下のときには、ルートレイズドコサインフィルター内で第１の組のパラメータを設定する手段と、
   パワー増幅器の送信パワーが所定レベル以上のときには、ルートレイズドコサインフィルター内で第２の組のパラメータを設定する手段とを含むことを特徴とする送信器内のパワー増幅器の効率を改善する装置。
9. 前記第１の組のパラメータはＴＤＭＡシステムでのシンボル間干渉を低下させることを特徴とする請求項８記載の装置。
10. 前記パワー増幅器は、非線形増幅器であることを特徴とする請求項８記載の装置。

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