TWI493850B - 具相關性系統識別功能之監測方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種具相關性系統識別功能之監測方法,尤其是指一種將系統相關性識別技術方法應用於數位控制直流轉直流電源轉換系統,使系統中之電源轉換器模組、數位補償器或迴路增益的頻率響應能夠被即時監測,且藉由適應調整滑動視窗模組,使頻率響應之監測曲線平滑化,有效降低不理想效應造成中、高頻段監測資料分散的現象,以提高可辨識的頻率範圍之功效者。
按,隨著數位科技的進步與發展,體積小與多元化功能的電子產品不斷地推陳出新,導致更多的電路模組需整合在一起,如微處理器、通訊傳翰介面與資料轉換器等,而這些模組皆需要電源轉換器來提供穩定的電壓源;此外,一些高階應用裝置(例如:人造衛星、航太電子設備、工業伺服器等)其性能已不再是優劣的唯一指標,如何確保於長時間使用下,供應系統之電壓源持續保持極高的穩定度,以維持系統之良好運作則變成首要條件。
一般積體化的直流轉直流電源轉換系統可依照組態分為降壓(buck)、升壓(boost)、及降升壓(buck-boost)轉換器,其可大致分為四個部份所組合而
成,分別為控制降/升壓之電源轉換器主體、一負責監控輸出電壓情況之類比至數位轉換器(analog-to-digital converter,ADC)、一負責調控電壓輸出穩定的數位補償器(digital compensator),以及一控制適當能量輸出的數位脈波調變控制器(digital pulse-width modulator,DPWM);直流轉直流電源轉換系統之操作原理可簡述如下,數位補償器根據目前輸出電壓狀況計算出下一週期的責任週期控制(duty command),使得數位脈波調變控制器能根據數位補償器之要求輸出所需的責任週期,接著電源轉換器主體的功率電晶體開關根據責任週期訊號來決定導通與否,只要週而復始重複進行切換,系統即可產生穩定的直流電壓。
然,由於負載條件與電源轉換器主體(例如功率電晶體之導通電阻)本身的不確定性,導致數位補償器設計不易;再者,電感與電容元件的數值飄移(drift)、去耦合電容的選擇,以及寄生效應的影響都會影響到直流轉直流電源轉換系統的穩定度;因此為了減少造成直流轉直流電源轉換系統不穩定的因素,以及現今對於SoC高度整合以求產品輕薄短小的需求,有研究提出以參數式(parametric)的系統識別方法(system identification)以
分析直流轉直流電源轉換器的小訊號模型,其模型建立之方式首先必須事先知道系統的架構,以估測出系統模型的未知參數值(例如:轉移函數、狀態空間矩陣的係數等);然而模型是透過數學方法分析(例如狀態空間平均法)建構而得,其數學分析無法將所有因素皆納入考量,且對於高階且複雜的系統模型更是不易建構與分析,導致系統常因模型建構不準確而影響頻率之分析結果。
因此,如何針對上述缺陷予以改良,並於直流轉直流電源轉換系統中建構一個監測機制,使控制迴路可以被監測,再藉由分析系統迴路的響應,以協助使用者了解系統之狀況,進而得知系統是否穩定,無疑仍是目前本相關領域之人員急需思考解決之重要課題。
今,發明人即是鑑於現有於直流轉直流電源轉換系統其迴路響應之監測方法在實際實施上仍具有多處之缺失,於是乃一本孜孜不倦之精神,並藉由其豐富之專業知識及多年之實務經驗所輔佐,而加以改善,並據此研創出本發明。
本發明主要目的為提供一種將系統相關性識別技術方法應用於數位控制直流轉直流電源轉換系統,使系統中之電源轉換器模組、數位補償器或迴路增益的頻率響應能夠被即時監測,且藉由適應調整滑動視窗模組,使頻率響應之監測曲線平
滑化,有效降低不理想效應造成中、高頻段監測資料分散的現象,以提高可辨識的頻率範圍之功效者。
為了達到上述實施目的,本發明人提出一種具相關性系統識別功能之監測方法,係應用於一數位控制直流轉直流電源轉換系統,數位控制直流轉直流電源轉換系統包含有一電源轉換器模組、一耦接電源轉換器模組輸出端之類比至數位轉換模組、一耦接類比至數位轉換模組輸出端之數位補償器,以及一分別耦接數位補償器輸出端與電源轉換器模組之數位脈波調變控制模組,其具相關性系統識別功能之監測方法則包括有下列步驟:首先,使上述之數位控制直流轉直流電源轉換系統操作於穩態;之後,藉由一偽隨機二進制序列訊號產生器輸入訊號至數位控制直流轉直流電源轉換系統中;接著,以一記憶體單元儲存偽隨機二進制序列訊號以及一待監測路徑之輸出訊號;然後,利用一相關性分析處理模組將儲存於記憶體單元之資料進行相關性分析處理,並輸出一脈衝響應;接續,以一離散時間傅立葉轉換模組獲得脈衝響應之頻率響應;最後,利用一適應調整滑動視窗模組平滑化頻率響應,以使頻率響應之監測曲線平滑化,有效降低不理想效應造成中、高頻段監測資料分散的現象,達成提高可辨識的頻率範圍之功效。
如上所述的具相關性系統識別功能之監測方法,其中於輸出一脈衝響應後,可以一脈衝響應濾除模組截去脈衝響應擾動之部分;其中,脈衝響應濾除模組係選自脈衝響應平均法、高
斯視窗法以及脈衝響應截斷法所構成之群組;較佳係根據脈衝響應截斷法濾除處理。
如上所述的具相關性系統識別功能之監測方法,其中偽隨機二進制序列訊號產生器進一步包含將偽隨機二進制序列訊號之自相關函數與δ函數最小化之程序;此外,偽隨機二進制序列訊號較佳係具有週期性。
如上所述的具相關性系統識別功能之監測方法,其中相關性分析處理模組係包含一循環相關性分析處理程序,以改善由於偽隨機二進制序列訊號之自相關函數越趨近於δ函數時,監測過程所需花費於資料收集的時間相對冗長的問題。
如上所述的具相關性系統識別功能之監測方法,其中適應調整滑動視窗模組之滑動視窗寬度可隨著頻率的增加而對應變大。
如上所述的具相關性系統識別功能之監測方法,其中偽隨機二進制序列訊號係輸入至數位補償器之輸出端,且待監測路徑之輸出訊號係為類比至數位轉換模組之輸出訊號,使得本發明於適應調整滑動視窗模組完成後,可產生電源轉換器模組之頻率響應。
如上所述的具相關性系統識別功能之監測方法,其中偽隨機二進制序列訊號係輸入至數位補償器之輸入端,且待監測路徑之輸出訊號係為數位補償器之輸出訊號,使得於適應調整滑動視窗模組完成後,可產生平滑化之數位補償器的頻率響應;
藉此,達到可監測與驗證數位補償器的目標,以有效作為數位補償器係數設計與硬體成本之間的抉擇。
如上所述的具相關性系統識別功能之監測方法,其中偽隨機二進制序列訊號係輸入至數位補償器之輸入端,且待監測路徑之輸出訊號係為類比至數位轉換模組之輸出訊號,使得於適應調整滑動視窗模組完成後,可產生平滑化之迴路增益的頻率響應。
藉此,本發明於直流轉直流電源轉換系統中建構一個具相關性系統識別功能之監測方法,使控制迴路的頻率響應能夠被即時監測,再藉由分析系統迴路的響應,就如同於直流轉直流電源轉換系統中加入網路分析儀的功能,以協助使用者了解系統之狀況,進而得知系統是否穩定。
本發明之目的及其結構功能上的優點,將依據以下圖面所示之結構,配合具體實施例予以說明,俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。
首先,請參照第一圖所示,為本發明其一具體實施例之電性關係配置方塊圖,其係用以監測電源轉換器模組(11)之頻率響應,並請配合參閱第二圖本發明之方法步驟流程圖,本發明之具相關性系統識別功能之監測方法係應用於一數位控制直流轉直流電源轉換系統(1),且數位控制直流轉直流電源轉換系統(1)係操作於穩態,而本實施例之數位控制直流
轉直流電源轉換系統(1)包含有一電源轉換器模組(11)、一耦接電源轉換器模組(11)輸出端之類比至數位轉換模組(12)、一耦接類比至數位轉換模組(12)輸出端之數位補償器(13),以及一分別耦接數位補償器(13)輸出端與電源轉換器模組(11)之數位脈波調變控制模組(14),其具相關性系統識別功能之監測方法包括有下列步驟:步驟一(S1):藉由一偽隨機二進制序列訊號產生器(2)(pseudo random binary sequence generator,PRBS)輸入訊號至數位控制直流轉直流電源轉換系統(1)中;其中,偽隨機二進制序列訊號係具有週期性;步驟二(S2):以一記憶體單元(3)儲存偽隨機二進制序列訊號以及一待監測路徑之輸出訊號;於本其一具體實施例中,偽隨機二進制序列訊號係輸入至數位補償器(13)之輸出端,且待監測路徑之輸出訊號係為類比至數位轉換模組(12)之輸出訊號,藉以產生電源轉換器模組(11)之頻率響應;步驟三(S3):利用一相關性分析處理(correlation process)模組(4)將儲存於記憶體單元(3)之資料進行相關性分析處理,並輸出一脈衝響應;其中,於步驟三(S3)之後可進一步增加一步驟三-A(S3-A),係藉由一脈衝響應濾除模組(5)截去脈衝響應擾動
之部分;其中,脈衝響應濾除模組(5)可選自脈衝響應平均法(averaging impulse response)、高斯視窗法(gause windowing)以及脈衝響應截斷法(impulse-response truncation,IRT)所構成之群組,於本實施例中,脈衝響應濾除模組(5)係以脈衝響應截斷法處理;步驟四(S4):藉由一離散時間傅立葉轉換(discrete-time Fourier tfansform,DTFT)模組(6)獲得脈衝響應之頻率響應;以及步驟五(S5):透過一適應調整滑動視窗(adaptive sliding window smoothing,ASWS)模組(7)平滑化頻率響應。
此外,本發明所根據之原理係當一系統操作於穩態條件時,以小訊號分析此系統的小訊號模型可被等效為一個線性非時變的離散主統(linear time invariant discrete time system),而系統輸出之取樣訊號y〔n〕的數學表示式可表示為:
其中,h〔k〕為系統之離散時間脈衝響應,u〔k〕為輸入之測試訊號,而v〔n〕為系統所受到的雜訊干擾(例如:量測誤差、量化雜訊、切換雜訊等);再者,根據互相關(cr
oss-correlation)之定義:
其中,Ruy
為輸入訊號μ與輸出訊號y之互相關函數;因此,可將系統輸出之取樣訊號y〔n〕代入上述互相關之定義中,得到:
其中,Ruu
為輸入訊號μ之自相關(auto-correlation)函數;而為了取得系統的脈衝響應h〔k〕,假設當輸入訊號μ是一個白雜訊訊號(white noise),並假設系統受到的雜訊干擾v〔n〕與白雜訊輸入訊號μ係不同來源之雜訊(亦即Ruv
〔n〕=0);如此,可得到系統的脈衝響應h〔n〕乘上白雜訊之自相關函數的脈衝高度(impulse of height),即為輸入訊號μ與輸出訊號y之互相關(cross-correlation)函數Ruy
;然,一個具有無限頻寬的白雜訊訊號,純粹是理論假設,現實是無法被實現的,因此本發明之偽隨機二進制序列訊號產生器(2)進一步包含將偽隨機二進制序列訊號之自相關函數Ruu
與δ函數最小化之程序,以改善偽隨機二進制序列訊號所造成的非零雜訊(non-zero noise)對脈衝響應監測的誤差;此外,本發明之相關性分析處理模組(4)係包含一循環相關性分析處理(circular
correlation process)程序,以解決由於偽隨機二進制序列訊號之自相關函數越趨近於δ函數時,監測過程所需花費於資料收集的時間亦相對冗長的問題,其原理如第三~四圖所示,分別為傳統之非循環相關性分析以及本發明之循環相關性分析之處理程序示意圖,當針對有限長度L之偽隨機二進制序列訊號μ進行自相關分析時,第三、四圖皆為兩訊號之間延遲兩個時間單位(n=+2)的示意圈,其中n代表兩訊號之間的時間延遲;由第三圖之非循環相關性分析可知,由於右側的訊號已經位移,使得p=0與p=1的位置空了出來,為了能夠計算p=0與p=1這兩個位置的結果,必須補入零值以便計算,如此卻造成在其他時間延遲(n≠0),導致偽隨機二進制序列訊號之自相關函數Ruu
〔n≠0〕的計算結果非為定值;相反地,本發明則將位移出p=L的數值重新填回p=0與p=1的位置,即為循環的相關分析處理程序,造成兩資料序列在其他時間延遲(n≠0)其偽隨機二進制序列訊號之自相關函數Ruu
〔n≠0〕的計算結果皆為定值,可推得其結果如下:
其中L代表偽隨機二進制序列訊號之長度,α為擾動大小,如此即可有規則地改善輸入訊號的自相關函數Ruu
雜訊,使其更接近δ函數。
根據上述之具相關性系統識別功能之監測方法於數位控制直流轉直流電源轉換系統(1)實施使用時,請參閱第一圖所示,首先將數位控制直流轉直流電源轉換系統(1)操作於穩態,亦即觀測類比至數位轉換模組(12)輸出之離散誤差訊號e〔n〕是否持續保持為零,若離散誤差訊號e〔n〕持續為零,則數位補償器(13)的輸出數位訊號d〔n〕鎖定於一固定值,即為穩態之責任週期訊號值D〔n〕;接著,偽隨機二進制序列訊號產生器(2)所產生的訊號u〔n〕將與D〔n〕加總,使得數位脈波調變控制模組(14)接收的訊號為D〔n〕+u〔n〕,而數位脈波調變控制模組(14)因此而隨機地改變責任週期之導通時間大小,造成類比至數位轉換模組(12)之輸出訊號V0
〔n〕產生擾動;接著,記憶體單元(3)收集並儲存偽隨機二進制序列訊號產生器(2)所產生的訊號u〔n〕與類比至數位轉換模組(12)之輸出訊號V0
〔n〕直到整個監測過程結束;此外,本具體實施例其偽隨機二進制序列訊號為12bit,與切換週期同步為391kHz,而完成單週期監測所需之時間為10.49ms;最後,將記憶體單元(3)收集之資料經過以脈衝響應截斷法處理之脈衝響應濾除模組(5)將系統脈衝響應之非理想部分(亦即尾段的擾動)截去,再以離散時間傅立葉轉換模組(6)將系統的脈衝響應轉換為頻率響應,最後,以適應調整滑動視窗模組(7)平滑化頻率響應,以使電源轉換器模組(1
1)之頻率響應上資料點能夠趨近於數學理論曲線,增進頻率響應的可辨識範圍,令使用者易於辨識;其中,為使得於低頻段(小於20kHz)能有較少失真的現象,同時兼顧中頻至高頻段(大於20kHz)的資料點位置不過於分散,本發明之適應調整滑動視窗模組(7)之滑動視窗寬度可隨著頻率的增加而對應變大,其演算流程圖如第五圖所示,其中之初始參數值有總資料點的個數(total_length)、資料旗標(Index)、滑動視窗的寬度(sw)等,其中資料旗標即為視窗涵蓋範圍的中間資料點位置;當適應調整滑動視窗模組(7)開始處理時,資料旗標會小於總資料點的個數,接著以資料旗標為中心,向左右兩側取等同的資料,並連同旗標位置的資料一起加總並平均,將所得的平均值置換掉旗標位置的資料數值,然後每間隔10個資料旗標,增加1個滑動視窗的寬度;值得注意的,上述資料旗標間隔數值的選擇係與總資料點的個數以及監測系統的LC共振頻率有關,並不以10個為限,可為少於10個或多於10個。
請參閱第六圖所示,為本發明其二具體實施例之電性關係配置方塊圖,於本實施例中,大致與前述之其一較佳實施例相同,其不同之處在於偽隨機二進制序列訊號係輸入至數位補償器(13)之輸入端,且待監測路徑之輸出訊號係為數位補償器(13)之輸出訊號,使得於適應調整滑動視窗模組(7)完成後,可產生平滑化之數位補償器(13)的頻率響應;於
實施使用時,當數位控制直流轉直流電源轉換系統(1)操作於穩態時,數位補償器(13)的輸出數位訊號d〔n〕鎖定於一固定值D〔n〕,接著,數位補償器(13)輪入端的第一多工器(131)將切換至零輸入,與偽隨機二進制序列訊號產生器(2)所產生的訊號u〔n〕加總,以作為數位補償器(13)的輸入訊號,且數位補償器(13)輪出端的第二多工器(132)切換至穩態時的責任週期訊號D〔n〕輸出,以便保持數位控制直流轉直流電源轉換系統(1)在監測數位補償器(13)的過程,其輸出電壓不會有擾動訊號產生;接著,數位補償器(13)的輸出訊號d〔n〕以及偽隨機二進制序列訊號產生器(2)所產生的訊號u〔n〕經過相關性分析處理模組(4)、脈衝響應濾除模組(5)、離散時間傅立葉轉換模組(6)以及適應調整滑動視窗模組(7)便可取得監測數位補償器(13)的頻率響應。
請再參閱第七圖所示,為本發明其三具體實施例之電性關係配置方塊圖,於本具體實施例中,大致與前述之其二具體實施例相同,其不同之處在於偽隨機二進制序列訊號係輸入至數位補償器(13)之輸入端,且待監測路徑之輸出訊號係為類比至數位轉換模組(12)之輸出訊號,使得於適應調整滑動視窗模組(7)完成後,可產生平滑化之迴路增益的頻率響應;其中,偽隨機二進制序列訊號產生器(2)、記憶體單元(3)、相關性分析處理模組(4)、脈衝響應濾除模組(5)、離散時
間傅立葉轉換模組(6)以及適應調整滑動視窗模組(7)之使用方式及其功效皆與其一、二具體實施例相同,於此不再重複贅述。
由上述具相關性系統識別功能之監測方法與實施說明可知,本發明具有以下優點:
1.本發明於直流轉直流電源轉換系統中建構一個具相關性系統識別功能之監測方法,使控制迴路的頻率響應能夠被即時監測,再藉由分析系統迴路的響應,就如同於直流轉直流電源轉換系統中加入網路分析儀的功能,以協助使用者了解系統之狀況,進而得知系統是否穩定。
2.本發明具相關性系統識別功能之監測方法藉由適應調整滑動視窗模組,使頻率響應之監測曲線平滑化,有效降低不理想效應造成中、高頻段監測資料分散的現象,達成提高可辨識的頻率範圍之功效。
3.本發明以相關性分析系統識別功能監測,並觀察數位補償器係數之量化效應的方法,達到可監測與驗證數位補償器的目標,藉此可有效作為數位補償器係數設計與硬體成本之間的抉擇。
綜上所述,本發明具相關性系統識別功能之監測方法,的確能藉由上述所揭露之實施例,達到所預期之使用功效,且本發明亦未曾公開於申請前,誠已完全符合專利法之規定與要
求。爰依法提出發明專利之申請,懇請惠予審查,並賜准專利,則實感德便。
惟,上述所揭之圖示及說明,僅為本發明之較佳實施例,非為限定本發明之保護範圍;大凡熟悉該項技藝之人士,其所依本發明之特徵範疇,所作之其它等效變化或修飾,皆應視為不脫離本發明之設計範疇。
(1)‧‧‧數位控制直流轉直流電源轉換系統
(11)‧‧‧電源轉換器模組
(12)‧‧‧類比至數位轉換模組
(13)‧‧‧數位補償器
(131)‧‧‧第一多工器
(132)‧‧‧第二多工器
(14)‧‧‧數位脈波調變控制模組
(2)‧‧‧偽隨機二進制序列訊號產生器
(3)‧‧‧記憶體單元
(4)‧‧‧相關性分析處理模組
(5)‧‧‧脈衝響應濾除模組
(6)‧‧‧離散時間傅立葉轉換模組
(7)‧‧‧適應調整滑動視窗模組
(S1)‧‧‧步驟一
(S2)‧‧‧步驟二
(S3)‧‧‧步驟三
(S3-A)‧‧‧步驟三-A
(S4)‧‧‧步驟四
(S5)‧‧‧步驟五
第一圖:本發明其一具體實施例之電性關係配置方塊圖
第二圖:本發明具相關性系統識別功能之監測方法其步驟流程圖
第三圖:傳統之非循環相關性分析之處理程序示意圖
第四圖:本發明之循環相關性分析之處理程序示意圖
第五圖:本發明之適應調整滑動視窗模組其視窗寬度改變之演算流程圖
第六圖:本發明其二具體實施例之電性關係配置方塊圖
第七圖:本發明其三具體實施例之電性關係配置方塊圖
(1)‧‧‧數位控制直流轉直流電源轉換系統
(11)‧‧‧電源轉換器模組
(12)‧‧‧類比至數位轉換模組
(13)‧‧‧數位補償器
(131)‧‧‧第一多工器
(14)‧‧‧數位脈波調變控制模組
(2)‧‧‧偽隨機二進制序列訊號產生器
(3)‧‧‧記憶體單元
(4)‧‧‧相關性分析處理模組
(5)‧‧‧脈衝響應濾除模組
(6)‧‧‧離散時間傅立葉轉換模組
(7)‧‧‧適應調整滑動視窗模組
Claims (12)
- 一種具相關性系統識別功能之監測方法,係應用於數位控制直流轉直流電源轉換系統,其監測方法包括有下列步驟:步驟一:藉由一偽隨機二進制序列訊號產生器輸入偽隨機二進制序列訊號至該數位控制直流轉直流電源轉換系統中;步驟二:以一記憶體單元儲存該偽隨機二進制序列訊號以及一待監測路徑之輸出訊號;步驟三:利用一相關性分析處理模組將儲存於該記憶體單元之資料進行相關性分析處理,並輸出一脈衝響應;步驟四:以一離散時間傅立葉轉換模組獲得該脈衝響應之頻率響應;以及步驟五:透過一適應調整滑動視窗模組平滑化該頻率響應,其中該適應調整滑動視窗模組之滑動視窗寬度係隨著頻率的增加而對應變大。
- 如申請專利範圍第1項所述之具相關性系統識別功能之監測方法,其中該數位控制直流轉直流電源轉換系統係操作於穩態。
- 如申請專利範圍第1項所述之具相關性系統識別功能之監測方法,其中於該步驟三之後進一步增加一步驟三-A,係以脈衝響應濾除模組截去該脈衝響應擾動之部分。
- 如申請專利範圍第3項所述之具相關性系統識別功能之監 測方法,其中該脈衝響應濾除模組係選自脈衝響應平均法、高斯視窗法以及脈衝響應截斷法所構成之群組。
- 如申請專利範圍第4項所述之具相關性系統識別功能之監測方法,其中該脈衝響應濾除模組係根據該脈衝響應截斷法處理。
- 如申請專利範圍第1項所述之具相關性系統識別功能之監測方法,其中該偽隨機二進制序列訊號係具有週期性。
- 如申請專利範圍第1項所述之具相關性系統識別功能之監測方法,其中該偽隨機二進制序列訊號產生器進一步包含將偽隨機二進制序列訊號之自相關函數與δ函數最小化之程序。
- 如申請專利範圍第1項所述之具相關性系統識別功能之監測方法,其中該相關性分析處理模組係包含一循環相關性分析處理程序。
- 如申請專利範圍第1項所述之具相關性系統識別功能之監測方法,其中該數位控制直流轉直流電源轉換系統包含一電源轉換器模組、一耦接該電源轉換器模組輸出端之類比至數位轉換模組、一耦接該類比至數位轉換模組輸出端之數位補償器,以及一分別耦接該數位補償器輸出端與該電源轉換器模組之數位脈波調變控制模組。
- 如申請專利範圍第9項所述之具相關性系統識別功能之監測方法,其中該偽隨機二進制序列訊號係輸入至該數位補 償器之輸出端,且該待監測路徑之輸出訊號係為該類比至數位轉換模組之輸出訊號,於該步驟五完成後,產生該電源轉換器模組之頻率響應。
- 如申請專利範圍第9項所述之具相關性系統識別功能之監測方法,其中該偽隨機二進制序列訊號係輸入至該數位補償器之輸入端,且該待監測路徑之輸出訊號係為該數位補償器之輸出訊號,於該步驟五完成後,產生該數位補償器之頻率響應。
- 如申請專利範圍第9項所述之具相關性系統識別功能之監測方法,其中該偽隨機二進制序列訊號係輸入至該數位補償器之輸入端,且該待監測路徑之輸出訊號係為該類比至數位轉換模組之輸出訊號,於該步驟五完成後,產生該迴路增益之頻率響應。
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