JP5532900B2 - Information transmission device using sound - Google Patents
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Description
この発明は、主として音響を用いて符号を伝送する情報伝送装置に関する。 The present invention relates to an information transmission apparatus that mainly transmits codes using sound.
音響を用いて情報を伝送する場合、情報を拡散符号で拡散変調して音響として放音することが考えられる。 When transmitting information using sound, it is conceivable that information is spread-modulated with a spreading code and emitted as sound.
このような技術は従来提案されておらず、音響を伝送媒体に利用する符号伝送技術としては、特許文献1、2に示すようなものがあった。特許文献1の方式は、可聴音帯域の搬送波をベースバンド信号で変調し、この変調信号にマスカー音を付加して聴こえにくくして伝送する方式である。特許文献2の方式は、振幅変調を用いて音声信号に電子透かしを埋め込む方式である。
Such a technique has not been proposed in the past, and there have been those shown in
情報を拡散変調する場合において、情報の伝送効率を向上しようとすると、拡散符号を多重化して複数の情報を並行して伝送することが考えられる。しかし、音響を用いた拡散変調は電波に比べてチップレートを高くすることができないため、伝送効率を向上するためには拡散符号の周期を長くすることができない。短い周期の拡散符号は自己相関特性が高くなく、多重化した場合にそれぞれの拡散符号の相関特性が悪化し、復調の精度を確保することが困難になるという問題点があった。 In the case of spread modulation of information, in order to improve the transmission efficiency of information, it is conceivable to multiplex spread codes and transmit a plurality of pieces of information in parallel. However, since spread modulation using sound cannot increase the chip rate compared to radio waves, the period of the spread code cannot be increased in order to improve transmission efficiency. A short cycle spread code does not have a high autocorrelation characteristic, and when multiplexed, the correlation characteristic of each spread code deteriorates, making it difficult to ensure the accuracy of demodulation.
この発明は、音響を用いて、多様な情報の効率的な伝送が可能な情報伝送装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an information transmission apparatus capable of efficiently transmitting a variety of information using sound.
請求項1の発明は、相互相関が低く互いの巡回周期が異なる複数の拡散符号を並行して発生し、該複数の拡散符号、および、該複数の拡散符号をそれぞれ位相反転させた複数の拡散符号を出力する拡散符号発生部と、データシンボルを入力するデータシンボル入力部と、前記データシンボル入力部から入力されたデータシンボルに基づいて前記複数の拡散符号および前記位相反転させた複数の拡散符号から1つの拡散符号を選択する拡散変調部と、前記選択された拡散符号を差動符号化する差動符号化部と、前記差動符号化された拡散符号を音響として出力する音響出力部と、を備えたことを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, a plurality of spreading codes having low cross-correlation and different cyclic periods are generated in parallel, and the plurality of spreading codes and the plurality of spreading codes obtained by inverting the phases of the plurality of spreading codes, respectively. A spread code generator for outputting codes; a data symbol input for inputting data symbols; and the plurality of spread codes and the plurality of spread codes obtained by inverting the phases based on the data symbols input from the data symbol input A spread modulation unit that selects one spread code from the above, a differential coding unit that differentially codes the selected spread code, and an acoustic output unit that outputs the spread code that has been differentially coded as sound , Provided.
請求項2の発明は、前記差動符号化部と前記音響出力部との間に、前記拡散符号をアップサンプリングするアップサンプリング部、前記拡散符号をキャリア信号と乗算して周波数シフトする周波数シフト部、をさらに備えたことを特徴とする。
The invention of
請求項3の発明は、前記周波数シフト部は、音響信号の高音部まで拡散符号の周波数をシフトし、前記音響出力部は、他の音響信号を入力し、該他の音響信号の高音域をカットするローパスフィルタと、該ローパスフィルタで高音域をカットされた他の音響信号と、前記周波数シフトされた拡散符号とを加算合成する加算器と、を備えていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, the frequency shift unit shifts the frequency of the spread code to the high frequency part of the acoustic signal, the acoustic output unit inputs another acoustic signal, and the high frequency range of the other acoustic signal is reduced. A low-pass filter for cutting, and an adder that adds and synthesizes another acoustic signal whose high-frequency range has been cut by the low-pass filter and the frequency-shifted spread code are provided.
この発明では、送信するデータシンボルに応じた拡散符号を選択して音響出力することにより、データシンボルを伝送する。拡散符号を複数準備することにより、拡散符号の1周期当たりに多様なデータシンボルの伝送が可能になる。またさらに、拡散符号の位相をシフト(たとえば位相反転)することにより、より多様なデータシンボルの伝送が可能になる。 In the present invention, a data symbol is transmitted by selecting a spreading code corresponding to the data symbol to be transmitted and outputting it acoustically. By preparing a plurality of spreading codes, various data symbols can be transmitted per cycle of the spreading code. Furthermore, by shifting the phase of the spread code (for example, phase inversion), more various data symbols can be transmitted.
この発明によれば、音響を用いてデータシンボルを伝送する場合において、複数の拡散符号を用いることにより、多様なデータシンボルの伝送が可能になる。 According to the present invention, when data symbols are transmitted using sound, various data symbols can be transmitted by using a plurality of spreading codes.
図面を参照してこの発明の実施形態である音響通信方式および音響通信システムについて説明する。 An acoustic communication system and an acoustic communication system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
≪音響通信システム≫
図1は、この発明の実施形態である音響通信システムの構成を示す図である。この音響通信システムは、送信装置1、受信装置2で構成される。
≪Acoustic communication system≫
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an acoustic communication system according to an embodiment of the present invention. This acoustic communication system includes a
送信装置1は、データ重畳部10、アナログ回路部11およびスピーカ12を有している。データ重畳部10はデータ符号Dを拡散処理して音響信号Sの高音域に重畳する回路部である。データ重畳部10の構成および動作の詳細は後述する。
The
アナログ回路部11は、D/Aコンバータおよびオーディオアンプを含み、データ重畳部10から出力されたデジタルの合成信号をアナログ信号に変換し、増幅してスピーカ12に供給する。スピーカ12は、アナログ回路部11から入力された合成信号を音響として放音する。放音された合成信号音は空間を伝搬して受信装置2のマイク22へ到達する。
The
受信装置2は、マイク22、アナログ回路部23、復調部21を有している。アナログ回路部23は、マイク22が収音した音声信号を増幅するアンプ、オーディオ信号をデジタル信号に変換するA/Dコンバータを有している。復調部21は、収音した音声信号に含まれている拡散信号を検出し、その拡散信号に重畳されているデータ符号Dを復調する回路部である。復調部21の構成および動作の詳細は後述する。
The
≪データ重畳部≫
図2は、送信装置1のデータ重畳部10の構成例を示す図である。音響信号入力部31から入力された音響信号S(音楽、音声など)は、LPF32によって高域がカットされる。LPF32のカットオフ周波数は、聴感と変調信号に割り当てる帯域幅に基づいて決定される。カットオフ周波数を低くしすぎると音響信号Sの音質が劣化する。同時に、低いカットオフ周波数に合わせて変調信号の帯域周波数を下げると、変調信号が聴取者の聴感上耳に付きやすくなる。逆に、LPF32のカットオフ周波数を高くしすぎると、変調信号の帯域を広くすることができず、データ符号の伝送品質が低下する。したがって、LPF32のカットオフ周波数は、LPF32を通過させた音響信号の聴感評価および要求される変調信号の帯域幅等を考慮して決定される。
≪Data superimposition part≫
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the
LPF38で高域をカットされた音響信号Sはゲイン調整部33によって利得が調整される。利得が調整された音響信号Sは加算器34に入力される。なお、入力された音響信号が中低音帯域のみ周波数成分を有し、高音帯域に成分が存在しないような信号の場合には、LPF32は省略してもよい。
The gain of the acoustic signal S whose high frequency is cut by the
データ符号入力部35はデータ符号Dを読み込んで変調部37に入力する。拡散符号発生部36は2種類の拡散符号を並行且つ同期させて発生し、変調部37に入力する。拡散符号としては、M系列等の一定の巡回周期を持つ擬似乱数符号列が用いられる。2つの疑似乱数符号列は、相互相関が低い組み合わせが選択される。データ符号入力部35は、拡散符号の1巡回周期ごとに2シンボルのデータ符号Dを変調部37に入力する。
The data
変調部37は、入力された2シンボルのデータ符号Dに基づき、2つの拡散符号(拡散符号A,拡散符号B)のいずれかを選択し、その選択した拡散符号の位相を決定する拡散処理を行う。
The
図3(A)は変調部37の構成を示す図である。図3(B)は変調部37のセレクタ70の選択ルールを示す図である。変調部37は、拡散符号Aの位相を反転させるインバータ71A、拡散符号Bの位相を反転させるインバータ71B、および、データ符号Dに基づいて拡散符号を選択するセレクタ70を備えている。セレクタ70は、入力された2シンボルのデータ符号に基づいて正位相の拡散符号A(A)、反転された拡散符号A(barA)、正位相の拡散符号B(B)および反転された拡散符号B(barB)のいずれかを選択して出力する。2ビットの送信シンボルに基づく拡散符号の選択ルールは図3(B)に示すとおりである。これにより、1周期の拡散符号で2ビットのデータを表現することが可能になる。
FIG. 3A shows a configuration of the
変調部37により2ビットずつのデータ符号Dに基づいて選択・変調(以下、単に変調と呼ぶ。)された拡散符号MPNは、差動符号化部38によって差動符号DMPNに変換される。差動符号化処理は、拡散符号の各チップの値をその絶対値から前チップからの変化を表す値に置き換える処理である。この差動符号化により、受信側において、送信側に正確に同期したクロックが無くても、遅延検波を用いて高精度にシンボルを復調することができる。
The spread code MPN selected and modulated (hereinafter simply referred to as modulation) based on the 2-bit data code D by the
図3(C)は差動符号化部38の例を示す図である。差動符号化部38は、拡散符号MPNが一方の入力端子に入力されるXOR回路45と、XOR回路45の出力を1チップ遅延してXOR回路45の他方の入力端子に戻す1チップ遅延回路46で構成されている。XOR回路45の出力を1チップ遅延してフィードバックすることにより、XOR回路45は、入力された拡散符号MPNとXOR回路45の1クロック前の出力との比較結果を差動符号DMPNとして出力する。すなわち、拡散符号MPNの各チップの絶対値が、差動符号DMPNでは、直前の差動符号DMPNのチップとの位相変化の有無に置き換えられる。これにより、受信側において、連続する2チップを比較することにより拡散符号MPNを復元することができる。
FIG. 3C is a diagram illustrating an example of the
図4に、上記データ符号D、拡散符号PN,MPN,DMPNの波形例を示す。同図(A)が拡散符号発生部36が発生した拡散符号PNである。同図(B)がデータ符号入力部35によって入力されたデータ符号Dである。同図(C)がデータ符号Dで巡回周期ごとに位相変調された拡散符号MPNである。同図に示すデータ符号列Dは“10”であるため、拡散符号MPNの1周期目は位相が正転、2周期目は位相が反転している。同図(D)は変調された拡散符号MPNを差動符号化した符号列(差動符号)DMPNである。この符号列は、拡散符号MPNの各チップの値と直前のチップの差動符号DMPNの値との比較結果(排他的論理和)による値である。なお、差動符号DMPNは、−1,1の2値の信号に変換される。
FIG. 4 shows waveform examples of the data code D, the spread codes PN, MPN, and DMPN. FIG. 4A shows the spread code PN generated by the
2値信号化された差動符号DMPNは、アップサンプリング部39に入力される。アップサンプリング部39は、入力された符号列をアップサンプリングする。拡散符号発生部36が発生した拡散符号PNのチップレートとこのアップサンプリング部39におけるアップサンプリング率により、送信(放音)される拡散符号のチップレートおよび帯域幅が決定される。
The differential code DMPN converted into a binary signal is input to the
図2にもどって、アップサンプリング処理された信号(差動符号DMPN)は、LPF40に入力される。LPF40は、チップ間干渉を抑制しつつベースバンド信号の帯域を制限するフィルタでありナイキストフィルタと呼ばれるものである。ナイキストフィルタは、インパルス応答がシンボル・レートでリングする(0を通過する)特性を有するフィルタであり、一般的にコサイン・ロールオフ・フィルタと呼ばれるFIRフィルタで構成される。フィルタの次数、ロールオフ率α等は、適用する条件等に応じて決定される。
Returning to FIG. 2, the upsampled signal (differential code DMPN) is input to the
なお、この実施形態では、受信側においてもLPF54(図5参照)でフィルタリングを行うため、このLPF40と受信側のLPF54で完全なナイキストフィルタとなるように、それぞれが、ルートレイズド・コサイン・ロールオフ・フィルタで構成される。
In this embodiment, since filtering is also performed by the LPF 54 (see FIG. 5) on the reception side, each of the root raised cosine roll-off is set so that the
LPF40によって帯域制限、波形整形された信号は乗算器42においてキャリア(搬送波)信号と乗算され、高域へ周波数シフトされる。キャリア信号発生部41が発生するキャリア信号の周波数は任意であるが、周波数シフトされた拡散符号の帯域がLPF32のカットオフ周波数以上で、スピーカ、マイク等の音響機器の可動周波数帯域、および、信号圧縮を含むデジタル信号処理部(CODEC)の符号化周波数帯域の範囲に納まるように設定する。
The signal subjected to band limitation and waveform shaping by the
高域へ周波数シフトされた変調信号MDMPNはゲイン調整部43によってゲイン調整される。ゲイン調整された変調信号MDMPNは加算器34で音響信号Sと加算合成される。この合成信号が外部に出力される。ゲイン調整部43のゲインは、適用する環境やシステムで許される放音音圧レベル、要求される伝播距離、聴感評価等に基づいて決定される。なお、ゲイン調整部43のゲインを、LPF32から出力される音響信号Sのレベルに応じて適応的に制御してもよい。例えば、音響信号Sのレベルが大きい場合には、マスキング効果が期待できるので変調信号MDMPNのレベルも上げて雑音に対する利得を上げ、音響信号Sのレベルが小さい場合には、音響信号Sの聴感が悪化しないように変調信号MDMPNのレベルを下げると言う制御をすることも可能である。
The
≪復調部≫
図5は、受信装置2の復調部21の構成例を示す図である。復調部21には、マイク22で収音され、アナログ回路部23でA/D変換された合成信号が入力される。入力された合成信号は、HPF51に入力される。HPF51は合成信号から音響信号成分を除去し、キャリア信号で周波数シフトされた拡散信号成分MDMPNを取り出すためのフィルタである。HPF51のカットオフ周波数は、変調信号帯域の下限周波数に設定される。HPF51によって抽出された変調信号MDMPNは、遅延器52および乗算器53に入力される。遅延器52の遅延時間は、拡散符号の1チップ分の時間に設定される。送信側において拡散符号がN倍にアップサンプリングされている場合、遅延器52の遅延時間によりアップサンプリングされたNチップの符号列が遅延される。乗算器53は、HPF53の1チップ分のサンプルと、遅延器52の1チップ分のサンプルとを乗算する。この処理が上述した遅延検波処理である。この遅延検波処理によって、差動符号化された信号MDMPNが、元の拡散符号MPNを含む信号に変換される。このように、送信側に差動符号化処理、受信側に遅延検波を採用することにより、受信側において、復調時にキャリア信号を再生せずに符号列を復調することが可能になる。
≪Demodulation part≫
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of the
乗算器53の乗算出力は、LPF54に入力される。LPF54は、キャリア成分をフィルタリングしてベースバンド信号を抽出するとともに、余計な雑音をフィルタリングしてSN比を向上させるためのフィルタであり、送信側で使用したLPF(ナイキストフィルタ)40と同様の特性のものである。なお、上述したように、変調部のLPF40とこのLPF54とを合わせて完全なナイキストフィルタ特性となるようにそれぞれルート特性のフィルタとされている。
The multiplication output of the
LPF54の出力は、2つの整合フィルタ55A,Bへ入力される。整合フィルタ55A,Bは、送信側の拡散符号発生部36が発生した拡散符号の1周期と同じ長さのフィルタである。整合フィルタ55Aは、送信側の拡散符号発生部36Aが発生した拡散符号AをN倍にアップサンプリングした符号列を係数に持つFIRフィルタで構成される。整合フィルタ55Bは、送信側の拡散符号発生部36Bが発生した拡散符号BをN倍にアップサンプリングした符号列を係数に持つFIRフィルタで構成される。すなわち、整合フィルタ55A,Bのフィルタ係数列は、拡散符号A,Bの各チップをN回ずつ繰り返したものである。
The output of the
整合フィルタ55A,Bは、LPF54の出力波形と拡散符号A,Bとの畳み込み演算を実行し、それらの相関値を出力する。伝送路で受けた妨害や雑音は、拡散符号とは相関が低いため、整合フィルタが出力する相関値に大きな影響を与えない。
The matched filters 55A and 55B perform a convolution operation between the output waveform of the
整合フィルタ55Aは、拡散符号AまたはbarAが入力されたとき、その符号列が整合したタイミングで強い相関ピークを出力する。拡散符号Aが入力された場合には正のピークが現れ、拡散符号barAが入力された場合には負のピークが現れる。また、整合フィルタ55Bは、拡散符号BまたはbarBが入力されたとき、その符号列が整合したタイミングで強い相関ピークを出力する。拡散符号Bが入力された場合には正のピークが現れ、拡散符号barBが入力された場合には負のピークが現れる。拡散符号Aと拡散符号Bとは相互相関が低いため、整合フィルタ55Aは拡散符号Bに反応せず、整合フィルタ55Bは拡散符号Aに反応しない。
When the spreading code A or barA is input, the matched
整合フィルタ55A,Bの出力は、符号判定部56へ入力される。符号判定部56は、整合フィルタ55A,Bの出力から正負の大きなピークを検出し、どちらのフィルタにピークが現れたか、および、そのピークの正負に基づいて2ビットのデータシンボルを判定する。その判定ルールは図6に示すとおりである。すなわち、整合フィルタ55Aに正のピークが現れた場合には“00”、整合フィルタ55Aに負のピークが現れた場合には“01”、整合フィルタ55Bに正のピークが現れた場合には“10”、整合フィルタ55Bに負のピークが現れた場合には“11”とする。これにより、拡散符号1周期で2ビットのデータ符号を復調することができる。符号判定部56は復号したデータ符号Dを出力する。
Outputs of the matched
以上のような構成によって、聴感上少ない違和感で音響信号に符号変調信号を重畳し空間放音伝送しても周波数変動や妨害に対して高い堅牢性を持つ音響伝送システムを、比較的軽い処理負荷で実現することが可能であり、且つ、データ符号の高速な伝送が可能になる。 With the above configuration, an acoustic transmission system that has high robustness against frequency fluctuations and disturbances even when spatially transmitted by superimposing a code modulation signal on the acoustic signal with a little sense of incongruity, has a relatively light processing load. And data code can be transmitted at high speed.
このように、この実施形態では、拡散符号を差動符号化して差動符号列を生成している。差動符号化することにより、受信側に送信側と正確に同期したクロックが無くても、符号列の各チップの符号の反転の有無を用いて元の拡散符号を復調することが可能になる。また、この差動符号化された拡散符号を周波数シフトしている。周波数をシフトすることにより、差動符号の帯域が、ベースバンドから音響として放音・伝送可能な周波数帯域にシフトされる。また、拡散符号を可聴帯域より高域にシフトすることにより、楽音などの音響信号とミキシングして放音することが可能になる。 As described above, in this embodiment, a differential code string is generated by differentially encoding a spread code. By performing differential encoding, it is possible to demodulate the original spreading code using the presence or absence of inversion of the code of each chip of the code string even if the receiving side does not have a clock accurately synchronized with the transmitting side. . Further, the differentially encoded spread code is frequency shifted. By shifting the frequency, the band of the differential code is shifted from the baseband to a frequency band that can be emitted and transmitted as sound. Also, by shifting the spreading code to a higher frequency than the audible band, it is possible to mix and emit sound signals such as musical sounds.
≪尚書き≫
上記実施形態では、エラー訂正符号の付加等については記載していないが、送信装置側でエラー訂正やインターリーブ等を使用した場合には、受信装置側で、受信シンボルに対してそれらの処理を追加すればよい。
≪Read more≫
In the above embodiment, addition of an error correction code or the like is not described, but when error correction or interleaving is used on the transmission device side, those processing is added to the received symbol on the reception device side. do it.
この実施形態では、伝送するデータシンボルとして2ビットのデータ符号を用いているが、伝送するデータシンボルはビットデータに限定されない。 In this embodiment, a 2-bit data code is used as a data symbol to be transmitted, but the data symbol to be transmitted is not limited to bit data.
この実施形態では、2種類の拡散符号から1つを選択し、且つ、その拡散符号を反転することにより、拡散符号の1周期に2ビットのデータ符号を伝送しているが、3種類以上の拡散符号を用いれば、より多ビットのデータ符号の伝送が可能になる。 In this embodiment, by selecting one from two types of spreading codes and inverting the spreading code, a 2-bit data code is transmitted in one cycle of the spreading code. If a spread code is used, transmission of a data code having a larger number of bits becomes possible.
また、拡散符号を反転することなく、多数の拡散符号を準備してそれを選択するようにしてもよい。さらに、拡散符号の位相シフトは反転(180度)に限定されない。 Alternatively, a number of spreading codes may be prepared and selected without inverting the spreading code. Furthermore, the phase shift of the spread code is not limited to inversion (180 degrees).
また、複数の拡散符号はその長さが同一でなくてもよい。異なる長さの拡散符号を複数用いてもよい。 Further, the lengths of the plurality of spreading codes may not be the same. A plurality of spreading codes having different lengths may be used.
なお、上記実施形態では、キャリア信号と差動符号DMPNとの乗算を実数領域の演算で行っているが、ヒルベルト変換によりキャリア信号を複素数に変換し、複素領域での乗算で差動符号DMPNの帯域シフトをしてもよい。 In the above-described embodiment, multiplication of the carrier signal and the differential code DMPN is performed by arithmetic in the real number domain. However, the carrier signal is converted to a complex number by Hilbert transform, and the differential code DMPN is multiplied by multiplication in the complex domain. Band shifting may be performed.
1 受信装置
2 送信装置
10 データ重畳部
21 復調部
36(36A,36B) 拡散符号発生部
37 変調部
55(55A,55B) 整合フィルタ
56 符号判定部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
データシンボルを入力するデータシンボル入力部と、
前記データシンボル入力部から入力されたデータシンボルに基づいて前記複数の拡散符号および前記位相反転させた複数の拡散符号から1つの拡散符号を選択する拡散変調部と、
前記選択された拡散符号を差動符号化する差動符号化部と、
前記差動符号化された拡散符号を音響として出力する音響出力部と、
を備えた音響を用いた情報伝送装置。 Spread code generation that generates a plurality of spread codes having low cross-correlation and different cyclic periods in parallel, and outputs the plurality of spread codes and a plurality of spread codes obtained by inverting the phases of the spread codes. And
A data symbol input section for inputting a data symbol;
A spread modulation unit that selects one spread code from the plurality of spread codes and the plurality of spread codes whose phases are inverted based on data symbols input from the data symbol input unit;
A differential encoding unit that differentially encodes the selected spreading code;
An acoustic output unit for outputting the differentially encoded spread code as sound;
An information transmission device using sound provided with.
前記拡散符号をアップサンプリングするアップサンプリング部、
前記拡散符号をキャリア信号と乗算して周波数シフトする周波数シフト部、
をさらに備えた請求項1に記載の音響を用いた情報伝送装置。 Between the differential encoding unit and the acoustic output unit,
Upsampling unit upsampling prior Symbol spreading code,
A frequency shift unit that multiplies the spreading code by a carrier signal to shift the frequency;
Information transmission apparatus using an acoustic according to claim 1, further comprising a.
前記音響出力部は、他の音響信号を入力し、該他の音響信号の高音域をカットするローパスフィルタと、該ローパスフィルタで高音域をカットされた他の音響信号と、前記周波数シフトされた拡散符号とを加算合成する加算器と、を備えている請求項2に記載の音響を用いた情報伝送装置。 The acoustic output unit receives another acoustic signal, and a low-pass filter that cuts a high-frequency range of the other acoustic signal; another acoustic signal that has been cut-off by the low-pass filter; and the frequency-shifted The information transmission apparatus using sound according to claim 2, further comprising: an adder that adds and synthesizes the spread code.
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