KR101886774B1 - 무선통신 송신기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 대역통과필터를 사용하지 않고도 이미지 주파수를 갖는 신호를 제거할 수 있고, 소형화가 가능하며 하나의 집적회로 기판 상에 단일 칩으로 집적화될 수 있는 무선통신 송신기에 관한 것이다.

Description

무선통신 송신기{Transmitter For Wireless Communications}
본 발명에 따른 일 실시예는 무선통신 송신기에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명에 따른 일 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
도 1은 I(in-phase) 위상신호와 Q(quadrature phase) 위상신호를 입력받는 종래의 무선통신 송신기의 개략도이다.
일반적으로 무선통신 송신기는 무선통신 송신기에 대응되는 수신기에 데이터를 전송하기 위해 도 1에 도시한 바와 같이, 제 1 증폭부(110, first amplification unit), 믹서부(120, mixer unit), 국부발진부(130, local oscillation unit), 제1 필터부(140, first filter unit), 제 2 증폭부(150, second amplification unit) 및 안테나부(160, antenna unit) 등을 포함할 수 있다.
제 1 증폭부(110)는 한 쌍으로 이루어져, I 위상신호와 Q 위상신호를 각각 입력받아 증폭한다.
믹서부(120)는 I 위상신호와 Q 위상신호 각각을 혼합하기 위해 한 쌍으로 이루어진다.
믹서부(120)는 증폭된 기저대역(baseband)의 신호를 입력받고, 이 입력받은 신호를 무선으로 송신하기 위해, 더욱 높은 주파수를 갖는 신호로 주파수를 상향변환(upconversion)한다.
주파수 상향변환은 믹서부(120)에 의해 국부발진부(130)로부터의 신호와 제 1 증폭부(110)로부터 전달받은 증폭된 위상신호를 혼합함으로써 이루어진다.
믹서부(120)는 상향변환된 신호를 제 1 필터부(140)로 전송한다.
제 1 필터부(140)는 수신한 상향변환된 신호 중, 원치않는 신호 성분을 제거하여 제 2 증폭부(150)로 전달한다. 여기서 제 1 필터부(140)는 대역통과필터부(bandpass filter unit)일 수 있다.
제 2 증폭부(150)는 제 1 필터부(140)에서 걸러지고 남은 신호 성분을 증폭하고, 증폭된 신호를 안테나부(160)로 전달하여 무선 송신을 수행한다.
도 2는 도 1에 도시한 무선통신 송신기를 이용하여 주파수를 상향변환(upconversion)하는 방법을 나타낸 개념도이다.
+fa의 주파수를 갖는 신호와 이 신호의 이미지 주파수(image frequency)인 -fa의 주파수를 갖는 신호를 포함하는 입력신호가 믹서부(120)로 입력된다. 믹서부(120)는 국부발진부(130)로부터 fLO 주파수의 신호를 입력받고, 주파수 상향변환을 수행한다. 이미지 주파수가 존재하기 때문에 주파수-상향변환된 입력신호의 파형은 도 2의 (b)와 같다.
주파수 상향변환의 결과, fLO + fa의 주파수를 갖는 신호는 물론, fLO - fa의 주파수를 갖는 신호 또한 발생하게 된다. 원하는 신호를 fLO + fa의 주파수를 갖는 신호라고 가정하면, fLO - fa의 주파수를 갖는 신호를 제거해야 한다.
이러한 신호를 제거하기 위해, 다양한 형태의 필터를 이용할 수 있다.
제 1 필터부(140)는 주파수 상향변환된 신호 중, 원치않는 신호 성분을 제거하고 나머지 부분을 출력한다. 출력된 파형은 도 2의 (d)와 같다.
도 3은 도 1에 도시한 무선통신 송신기를 이용하여 주파수를 상향변환하는 방법의 일 실시예를 나타낸 개념도이다.
도 3은 +fa 및 -fa는 각각 2 GHz 및 -2 GHz이며, fLO는 13 GHz인 경우를 나타낸 것으로서, 원치 않는 신호는 11 GHz의 주파수를 갖는 신호가 된다.
이 경우, 제 1 필터부(140)는 중심 주파수가 15 GHz이고 통과대역폭(passband width)이 대략 1 GHz인 대역통과필터이다.
한편, 중심 주파수가 15 GHz이고 통과대역폭이 1 GHz인 대역통과필터를 제작하려면, 아주 작은 값을 갖는 인덕터(inductor)와 캐패시터(capacitor)가 필요하다.
그러나 이렇게 작은 값, 예컨대 수 nH의 인덕턴스(inductance) 값을 갖는 인덕터와 수 pF의 캐패시턴스 값을 갖는 캐패시터를 무선통신 송신기를 위한 하나의 집적회로에서 구현하는 것은 현실적으로 거의 불가능하다.
따라서, 원치않는 신호 예컨대, 이미지 주파수를 갖는 신호를 제거할 수 있으면서도 직접화가 가능한 크기를 갖는 새로운 형태의 무선통신 송신기가 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 대역통과필터를 사용하지 않고도 이미지 주파수를 갖는 신호를 제거할 수 있는 무선통신 송신기를 제공하는 데에 주된 목적이 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 다상필터(polyphase filter)를 사용하여 두 개의 위상신호 또는 네 개의 위상신호를 입력신호로 사용할 수 있는 무선통신 송신기를 제공하는 데에 일 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 입력신호 중 한 주파수 대역인 제 1 주파수 대역을 선택적으로 통과시키고, 다른 한 주파수 대역인 제 2 주파수 대역을 차단하는 필터부(filter unit); 소정의 발진주파수와 크기를 갖는 발진신호를 생성하는 국부발진부(local oscillation unit); 상기 필터부로부터 출력되는 필터신호와 상기 발진신호를 입력받아 상기 필터신호를 상기 제 1 주파수 대역보다 높은 주파수로 변환하는 믹서부(mixer unit); 상기 믹서부로부터의 출력을 증폭하는 증폭부(amplification unit); 및 상기 증폭부로부터 수신한 증폭신호를 전자기파(electromagnetic wave) 형태로 방사하는 안테나부(antenna unit)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선통신 송신기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 대역통과필터를 사용하지 않고도 이미지 주파수를 갖는 신호를 제거할 수 있는 무선통신 송신기를 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예의 다른 측면에 의하면, 다상필터를 사용하여 두 개의 위상신호 또는 네 개의 위상신호를 입력신호로 사용할 수 있도록 하는 무선통신 송신기를 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 밀리미터 대역(mmWave, 10 GHz 이상의 주파수 대역)에서 동작하는 무선통신 송신기를 집적회로로 집적화를 가능하게 하고, 집적회로에서 큰 면적을 차지하는 인덕터를 적어도 하나 제거하여 집적회로의 면적을 현저히 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 I(in-phase) 위상신호와 Q(quadrature phase) 위상신호를 입력받는 종래의 무선통신 송신기의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 무선통신 송신기를 이용하여 주파수를 상향변환(upconversion)하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 3은 도 1에 도시한 무선통신 송신기를 이용하여 주파수를 상향변환하는 방법의 일 실시예를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선통신 송신기의 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다상필터(polyphase filter)의 동작을 설명하기 위한 고주파통과필터(high-pass filter; HPF)의 회로도 및 주파수 응답 특성이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 다상필터의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다상필터의 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선통신 송신기를 이용하여 주파수를 상향변환(upconversion)하는 방법을 도시한 도면이다.
도 9는 도 8의 무선통신 송신기를 이용하여 주파수를 상향변환하는 방법의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 일 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 일 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서 제1, 제2, ⅰ), ⅱ), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무선통신 송신기를 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선통신 송신기의 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선통신 송신기는 이동통신용 무선통신 송신기에 집적화가 불가능한 대역통과필터를 사용하지 않고도 이미지 주파수를 갖는 신호를 제거할 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 4를 참조하면, 무선통신 송신기는 제 2 필터부(310), 믹서부(320), 국부발진부(330), 제 2 증폭부(340) 및 안테나부(350)를 포함한다.
제 2 필터부(310)는 저항성 소자(resistor), 용량성 소자(capacitor), 유도성 소자(inductor)와 같은 복수의 수동소자를 포함할 수 있다.
제 2 필터부(310)는 I 위상신호와 Q 위상신호를 입력받는다. 제 2 필터부(310)는 제 1 주파수 대역, 예컨대, 500 MHz 이상의 구간 중, 연속하는 하나의 주파수 대역의 신호을 선택적으로 통과시킨다. 또한, 제 2 필터부(310)는 제 2 주파수 대역, 예컨대, 1 GHz 미만의 구간 중 연속하는 하나의 주파수 대역의 신호를 차단한다. 즉, 제 2 필터부(310)는 원치않는 신호인 이미지 주파수를 갖는 신호 성분을 제거하고 필요한 주파수 대역을 갖는 신호 성분만 출력할 수 있다. 여기서, 제 1 주파수 대역과 제 2 주파수 대역은 주파수 축 상의 한 주파수를 중심으로 좌우대칭일 수 있다.
또한, 제 2 필터부(310)는 전술한 특징을 갖는 다상필터(polyphase filter)일 수 있다.
저항성 소자와 용량성 소자를 직렬로 연결하여 형성한 직렬 RC회로에서, 용량성 소자 양단에 인가되는 전압은 전류에 대하여 90°만큼 느리며, 저항성 소자 양단의 전압에 대하여 90°만큼 느리다. 다상필터는 이러한 특성을 이용하도록 다른 회로 구성요소와 결합되어 사용된다.
1차 다상필터는 통상적으로 네 개의 신호를 입력받고, 네 개의 신호를 출력한다. 하나의 입력단자인 제 1 입력단자는 저항성 소자를 경유하여 하나의 출력단자와 연결되고, 용량성 소자를 경유하여 다른 하나의 출력단자와 연결된다.
저항성 소자를 경유하여 출력된 신호와 용량성 소자를 경유하여 출력된 신호 사이에는 90°의 위상차가 발생한다.
나머지 하나의 입력단자인 제 2 입력단자로는, 제 1 입력단자에 입력되는 신호의 위상을 180°반전한 신호를 입력하므로 제 2 입력단자와 저항성 소자를 경유하여 출력된 신호와 제 2 입력단자와 용량성 소자를 경유하여 출력된 신호 사이에는 90°의 위상차가 발생한다.
또한, 제 2 필터부(310), 믹서부(320), 국부발진부(330), 제 2 증폭부(340) 및 안테나부(350)는 하나의 반도체 기판 상에 단일 칩(chip)으로 집적화(monolithic integration)될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다상필터의 동작을 설명하기 위한 고주파통과필터(high-pass filter; HPF)의 회로도 및 주파수 응답 특성이다.
도 5a와 같이 하나의 캐패시터와 하나의 저항으로 구성된 회로의 입력전압에 대한 출력전압의 주파수 응답(frequency response) 특성은 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112016125617340-pat00001
여기서, s, C 및 R은 각각 복소 변수(complex variable), 캐패시터의 캐패시턴스(capacitance) 값 및 저항의 저항(resistance) 값을 나타낸다.
도 5b에 나타낸 바와 같이 주파수 응답값이 무한대가 되는 s값 즉, 주파수 응답값의 분모를 0으로 만드는 극점(pole)은 s값이 1/RC일 때이며, 주파수 응답값이 0이 되는 s값 즉, 주파수 응답값의 분자를 0으로 만드는 영점(zero)은 s값이 0일 때, 즉 DC에 존재한다. 따라서, 도 5a의 회로는 주파수의 크기가 w0 보다 작은 저주파 성분을 저지시키고 고주파 성분은 통과시키는 고주파통과필터로 동작한다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 다상필터(polyphase filter)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는 도 5a의 고주파 통과 필터와 동일한 구성을 갖지만 입력값이 다르다. 이 다상필터는 90°의 위상차이가 있는 신호를 두 입력단자로 입력하여 주파수 응답값이 0이되는 주파수 값을 천이시키는 역할을 한다.
도 6a에 나타낸 다상필터에서 입력전압에 대한 출력전압의 주파수 응답 특성은 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018070233390-pat00002
여기서, j는 복소수의 허수부를 나타내기 위한 단위로 j2 = 1을 만족하는 허수이다.
주파수 응답값의 분모를 0으로 만드는 극점(pole)은 s값이 1/RC일 때이며, 주파수 응답값이 0이 되는 s값 즉, 주파수 응답 값의 분자를 0으로 만드는 영점(zero)은 s값이 -j/RC인 경우이다.
따라서, 도 6a의 회로는 도 5b의 주파수 응답 곡선과 형상은 같지만 영점이 주파수 축을 따라 음의 방향으로 j/RC만큼 평행이동된 도 6b와 같은 형상의 주파수 응답 곡선을 갖는다.
도 6a에 도시한 회로를 두 개 연결하여 2차 다상필터를 만들면 도 6c에 도시한 것과 같은 주파수 응답 곡선을 얻을 수 있다. 이 경우, w2와 w1 사이의 주파수를 갖는 성분이 통과하지 못하고 차단될 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다상필터의 회로도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다상필터는 2차 다상필터로서, 두 개 또는 네 개의 위상신호를 입력받고, 두 개 또는 네 개의 위상신호를 출력할 수 있다.
종래의 통신 시스템에서 사용하던 수십 MHz의 주파수 성분을 갖는 이미지 신호를 저지하기 위한 시정수(RC time constant) 값을 갖는 개별 저항 또는 캐패시터를 집적하기 어려웠지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 1 GHz 이상의 주파수 성분을 송신기 신호로 이용하는 시스템에서는 다상필터가 더욱 효과적이다.
예를 들어, 2 GHz 이하의 주파수 성분을 차단하려면, 저항의 저항값이 500 Ω이고 캐패시터의 캐패시턴스값은 1 pF이어야 한다. 더욱 정확하게는 저항값과 캐패시턴스값의 곱인 시정수 값이 차단 주파수(cut-off frequency)와 관계가 있으므로, 저항값과 커패시턴스값을 곱한 값의 역수가 원하는 주파수 값이 되도록 유지하여야 한다.
따라서, 도 7의 회로도에 도시된 복수의 저항 각각의 저항값과 복수의 캐패시터 각각의 캐패시턴스값이 500 Ω 및 1 pF가 되도록 형성하면, 이 다상필터는 2 GHz 이하의 주파수 성분을 갖는 이미지 신호를 차단할 수 있다.
한편, 도 1에 도시한 것과 같은 종래의 통신 시스템에서 사용하던 대역통과필터를 본 발명의 일 실시예에 따른 무선통신 송신기의 주파수에 적용하려면, 0.1 nH 이하의 인덕턴스값을 갖는 인덕터와 100 fF 이하의 캐패시턴스값을 갖는 캐패시터가 필요하다. 그러나 현재의 반도체 공정기술로는 이러한 값을 갖는 인덕터와 캐패시터를 소형의 무선통신용 단일 칩에 집적화하기가 어렵다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선통신 송신기를 이용하여 주파수를 상향변환(upconversion)하는 방법을 보인 개념도이다.
도 8의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, +fa의 주파수를 갖는 신호와 이 신호의 이미지 주파수인 -fa의 주파수를 갖는 신호를 포함하는 입력신호가 제 2 필터부(310)로 입력되면, 제 2 필터부(310)는 +fa의 주파수를 갖는 신호를 남겨둔 채, 이 신호의 이미지 주파수인 -fa의 주파수를 갖는 신호를 잘라낸다.
제 2 필터부(310)는 +fa의 주파수를 갖는 신호를 믹서부(320)로 전달한다.
믹서부(320)는 국부발진부(130)로부터 fLO 주파수를 갖는 발진신호를 입력받고, 제 2 필터부(310)로부터 +fa의 주파수를 갖는 입력받는다. 믹서부(320)는 이 두 가지 신호를 혼합하여 주파수 상향변환을 수행한다. 주파수 상향변환된 신호는 도 6의 (c)에 나타낸 바와 같이, fLO + fa의 주파수를 갖는다.
이 경우, 이미지 주파수를 갖는 신호의 세기가 미약하거나 거의 존재하지 않기 때문에, 종래의 기술에서처럼 별도의 필터를 믹서부(320)의 후단에 사용하여 걸러낼 필요가 없다.
제 2 증폭부(340)는 주파수 상향변환된 신호를 믹서부(320)로부터 수신한다. 제 2 증폭부(340)는 수신한 신호를 증폭하여 안테나부(350)로 전달하여 전자기파(electromagnetic wave)의 형태로 공기 중으로 방사(radiation)시킨다.
도 9는 도 8의 무선통신 송신기를 이용하여 주파수를 상향변환하는 방법의 일 실시예를 나타낸 개념도이다.
이 경우, +fa는 2 GHz이고, -fa는 2 GHz이며 fLO은 13 GHz이다. 이미지 주파수가 -2 GHz인 신호가 제 2 필터부(310)에 입력되면, 제 2 필터부(310)는 -2 GHz의 주파수 성분은 억제하고 2 GHz의 주파수 성분은 통과시켜 믹서부(320)로 전달한다.
믹서부(320)는 제 2 필터부(310)로부터 수신한 신호와 국부발진부(330)로부터 수신한 신호를 혼합하여 15 GHz의 주파수를 갖는 출력신호를 생성한다.
제 2 증폭부(340)는 믹서부(320)로부터 15 GHz의 주파수를 갖는 신호를 수신하여 증폭하고, 증폭된 신호를 안테나부(350)를 통해 방사한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다상필터는 저항성 소자(R1) 및 용량성 소자(C1)로만 구성된 2차 다상필터이다. 그러나 더욱 많은 숫자의 저항성 소자(R1)와 용량성 소자(C1)를 이용하여 차수를 증가시켜 필터의 스펙트럼(spectrum)을 원하는 형태에 가깝게 만들 수 있다.
이상의 설명은 본 발명에 따른 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명에 따른 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 일 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명에 따른 일 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110, 150, 340: 제 1 증폭부 120, 320: 믹서부
130, 330: 국부발진부 140: 제 1 필터부
150, 340: 제 2 증폭부 160, 350: 안테나부
310: 제 2 필터부

Claims (8)

  1. 입력신호 중 한 주파수 대역인 제 1 주파수 대역을 선택적으로 통과시키고, 다른 한 주파수 대역인 제 2 주파수 대역을 차단하는 필터부(filter unit);
    소정의 발진주파수와 크기를 갖는 발진신호를 생성하는 국부발진부(local oscillation unit);
    상기 필터부로부터 출력되는 필터신호와 상기 발진신호를 입력받아 상기 필터신호를 상기 제 1 주파수 대역보다 높은 주파수로 변환하는 믹서부(mixer unit);
    상기 믹서부로부터의 출력을 증폭하는 증폭부(amplification unit); 및
    상기 증폭부로부터 수신한 증폭신호를 전자기파(electromagnetic wave) 형태로 방사하는 안테나부(antenna unit)
    를 포함하며, 상기 제 1 주파수 대역은 500 MHz 이상의 구간 중, 연속하는 하나의 주파수 대역이고, 상기 제 2 주파수 대역은 1 GHz 미만의 구간 중 연속하는 하나의 주파수 대역이며, 상기 필터부는 두 개의 위상신호를 입력받는 다상필터(polyphase filter)를 포함하며,
    상기 제 2 주파수 대역은 상기 제 1 주파수 대역에 대한 이미지 주파수이며,
    상기 다상필터는 단일필터로서 상기 입력신호 중 상기 제 1 주파수 대역을 갖는 신호를 남겨둔 채, 상기 제 1 주파수 대역을 갖는 신호의 이미지 주파수인 상기 제 2 주파수 대역을 갖는 신호를 잘라내어, 상기 제 1 주파수 대역을 갖는 신호만을 상기 믹서부로 전달하는 것을 특징으로 하는 무선통신 송신기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수 대역 및 상기 제 2 주파수 대역은 주파수 축 상의 한 주파수를 중심으로 좌우대칭인 것을 특징으로 하는 무선통신 송신기.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다상필터는 복수의 저항(resistor)과 복수의 캐패시터(capacitor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선통신 송신기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 다상필터는 두 개의 위상신호를 추가적으로 입력받는 것을 특징으로 하는 무선통신 송신기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터부, 상기 국부발진부, 상기 믹서부, 상기 증폭부 및 상기 안테나부가 단일 칩(chip)으로 구현되는 것을 특징으로 하는 무선통신 송신기.
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