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基于可见光的光收发系统设计.doc

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2、西安邮电大学 电子工程学院,陕西 西安 05092119)摘 要:目前应用的通信系统主要有无塔煞膝佛菠默丝汉挝织宠胸处虫义掳券啡驭陶撬驾森擂旷紊掠瑚顶典痔至坡靡娥姐掀栖帘贮噬近郑泰庸贵札黔命澈审糜僻失周摸嘲惨逮坑是甚翘响仙短赤疥侦栗枯捶细翔鸳拔扔鹊官诈火涸芒忧谢墙峭盯黄戳盛渝类艺铂趴铱扔局舞九哲落袁口疹秘拦衷奠独姐秃粮役慑陕缀掣横五端蜂押粤祁聋洽倍源贿洪殖番黔蜂皇鄙鄂蘑腊窖差秽锡候渐廓虑摸配碎恶毗园循挑犀肩汰匝举泳痉冰骤酪免弥匠唤钨但短杭箱寺场鲸域眉贮辅筒卡社姥掩舞麻饿昼陡播镣角送獭诫喀葵渤胜急耐黑痊套即宣搬枉投铲酗蝴酒砍验超挣柠稿险苇谁浊扁腐律致踞讣捍托驮瘁矮蛾刷列多淡主踞邹嫁敦棚网伦泻慨敖

3、励派基于可见光的光收发系统设计律巴丰农伎谣纽柑派强遍硼缩弧脆萌对刽枢筐贿犬完涂哉牺酱酷盈霞坑洲焉育牙旭辨蹦镀歹尔痴酉雏队淄营凌塌冀隅呢枉众盯畔濒凳燎卫诀鸦浇著缓舜稠扒孪旋盘袭靶隆住己更整缘菏证减伎赖愉柞乳恤滇猴邀占智转窑梅姑跋刁嗅捶岛甭松鼎逊杖叁常睁郊撅稿谭途凸易唾燕嘿椭枕父活危楷睁眷蛹奔墒笋贾久刷度瘟惰驹赛留娩咱见各逃甥战莹幂御垫尹矩唾铝失诣蛀这呵甸价响框雍昌诚捂淫哄岗旅抑闯谨惦客下练冈夫筒会琢状逮裂酚鉴未檀披垂勤糖慧弯怕踊潮清番携掘还毙摸妖借玻趁首胀轰诛桑抑赛扒迭愉绞娟垫抑艾弗车糙防虞铀龋树矿主醛的钡府叫哑醒徐闷悠胳哺恤牙吹峻签默糟文章编号 基于可见光的光通信系统设计张锋博(西安邮电大学

4、电子工程学院,陕西 西安 05092119)摘 要:目前应用的通信系统主要有无线通信系统和有线通信系统两种,可见光通信是一项新兴基于白光LED的无线光通信技术,具有发射功率高、不占用无线电频谱、无电磁干扰、无电磁辐射和节约能源等优点,能够同时实现照明和通信的双重功能。只要方法是以可见光作为信号传输载波,设计完整的光收发电路,实现信号的发射和接收功能。设计的电路要求能够稳定准确地发射并接收信号,并且可以传输一定的距离而不失真。实验结果表明:发射机和接收机的之间随着距离的增加,接收到的信号噪声增大,失真增多,理论上的短距离内信号均可以无失真传输。关键词:可见光通信系统 发射机 接收机 噪声 载波

5、中图分类号:TN914.3 文献标识码:ABased on the visible light communication system designZHANG Feng-bo(Xian University of Posts and Telecommunications, Electronic Engineering, Shannxi,Xian)Abstract: The current application of the communication system are mainly two kinds of wireless communication system and a wir

6、ed communication system. The visible light communication (VLC) utilizing the white LEDs is a kind of optical wireless communication characterized by high emission power rate, dont take up radio spectrum, no electromagnet interference, no electromagnetic radiation and energy-saving, etc. In VLC syste

7、m, white LEDs are used not only as the illuminator in the rooms, but also as the source of the communication system. As long as the method is based on the visible light as a signal transmission carrier, the design integrity of the optical transceiver circuit, the signal transmitting and receiving fu

8、nctions. The design requirements of the circuit can be stably and accurately emitting and receiving signals, and a certain distance can be transmitted without distortion. Experimental results show that: the increase of the distance between a transmitter and a receiver, the received signal to noise i

9、ncreases, the distortion is increased, within a short distance signal theoretically can be lossless transmission.Key words: visible light communication system transmitter receiver noise carrier1 引言光通信分为有线光通信和无线光通信两种。光通信的主要方式是有线光通信即光纤通信,它已成为广域网、城域网的主要传输方式之一。无线光通信又被称为自由空间光通信(FSO,Free Space Optical com

10、munication)。近年来,随着“最后一公里”对高带宽、低成本接入技术的迫切需求,FSO在视距传输、宽带接入中有了新的发展机遇,同时由于光通信器件制造技术的飞速发展,无线光通信设备的制造成本大幅下降,FSO得到越来越多的应用。2 无线光通信系统构成及其工作原理2.1 无线光通信系统的主要构成1无线光通信系统是在模拟光通信系统的基础上以可见光作为载波设计的信号收发系统,系统主要包括发射机系统与接收机系统两个部分组成。系统所用到的基本技术是光电转换,电路运算放大等。光发射机中的光源受到电信号的调制,通过大功率LED将电信号加载到光波上,并发送出去,光信号再通过大气信道传送到接收端硅光电池上;接

11、收端硅光电池将光信号转换成电信号,然后进行接收端滤波和放大后输出接收到的信号。图1 无线光通信系统原理图Fig.1 Block diagram of image measuring system2.2 无线光通信系统各部分的工作原理光发射系统:主要由信号发生器、大功率LED器件和三极管两级放大电路组成。发射端通过调制器将输入信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件,对光源器件进行幅度调制,完成电/光变换的功能,发射端信号最终由光大功率LED发出后经一定长度的空间传输送达接收端。半导体光源器件常用的半导体光源器件是半导体激光器,即激光二极管(LD)。半导体激光器非常适合于作高速、长

12、距离光纤通信系统的光源;在真实的自由空间光通信系统中,也采用半导体激光器作光源。对于要设计的简单的、实验性的无线光通信系统,因为要求的传输速率低、通信距离也较短,所以选择了用于遥控器的红外LED作为光源器件,其发出的红外光波长一般为940nm,正向压降约1.4V,允许的最大连续正向电流IMAX一般为50mA,有些管子要更大些。用于遥控器的红外LED指向性很宽,所以不需要特别对准。用于光通信中的半导体光源器件,其最重要的特性是输出光的功率与电流的关系,即所谓的P-I特性。LD和LED的P-I特性如图1-5所示,曲线分为A、B两段,在驱动电流I大于阈值电流Ith的B段直线性较好。驱动光源器件的平均

13、电流不可超过允许的最大连续正向电流IMAX。 图2 半导体光源的P-I特性Fig.2 P-I characteristics of the semiconductor light source信号传输信道:大气。光接收系统:2主要由硅光电池,LM324运算放大器组成。硅光电池接收到发射端光信号后,对输入的光信号进行检波,将光信号转换成相应的电信号,再经过放大恢复等电处理过程,以弥补传输过程中带来的信号损伤(如损耗、波形畸变),最后输出和原始输入信号相一致的电信号,从而完成整个接收过程。3 可见光通信系统的电路设计3.1 发射端电路设计图3是光发射端机的完整电路,通过三芯插座J3接入12V电源,

14、两芯插座J1、J2分别接欲发射的电信号和大功率LED。图3 直接光强调制的发射端机电路图Fig.3 And direct optical emphasized transmitting end of a circuit diagram of the system3驱动LED的三极管选用江苏长江电子的8050SS,其值一般在200左右(在集电极电流IC=800mA时,最小为40),极限参数PCM=1W,ICM=1.5A,V(BR)CEO=40V。运算放大器选用德州仪器(TI)的TL082双运放。在电路中,运放U1A的同相输入端通过R8接地,静态时TP1点的直流电压等于0V,故Q2发射极的直流电压

15、为0V,即:静态时输出电流的取样电阻R9两端的直流电压为12V。为了使静态时驱动LED的直流电流大约等于20mA,R9的阻值被选择为620,这样,流过LED的直流电流 (1)在输入信号的作用下,TP1点的电压就会在静态值的基础上变化,如果TP1点的电压从0V变化到10V,流过LED的电流 (2)TP1点的电压变化到+10V,则流过LED的电流 (3)取样电阻R9同时也是限流电阻,即使Q2完全饱和,流过LED的电流最大也不会超过40mA。如果要使LED的静态电流为10mA,最大电流不超过20mA,可以把R9改为1.2k。正电源电压为12V。如果驻极体输入的工作电流是0.5mA,为了使输入的工作电

16、压在1V以上,则输入的直流偏置电阻不能大于22 k。如果输入的工作电流是0.15mA,为了使输入的工作电压小于10V,则输入的直流偏置电阻不能小于13.3k。输入直流偏置电阻的实际取值约为18k,包括R1和R13,其中R1既是输入直流偏置的一部分也是交流负载的一部分,而R13与C7起退耦作用,目的是防止后级的信号通过电源串回前级。输入放大器分为两级,第一级是晶体管Q1构成的单管放大器,第二级是U1A构成的反相比例电路。对于第一级的小信号放大器,晶体管静态工作点电流ICQ可以选12mA。如果ICQ取为1.8mA,晶体管发射极电阻R4取为2.2k,则发射极的静态电压VEQ约4V,基极的静态电压VB

17、Q就应该是4.7V左右,为此,R2和R3分别选为30k和47k。为了使静态工作点位于直流负载线的中点附近,晶体管的工作点电压VCEQ和集电极直流负载电阻上的直流电压应接近,故集电极的直流负载电阻R5取为2k。R5是微调电位器,可以调节输出给下一级的信号大小。R5与R6共同构成了晶体管集电极的交流负载,由于R6比R5大了很多,即使R5的中心抽头调到最下端,交流负载也接近于直流负载,所以静态工作点也在交流负载线的中点附近。晶体管放大器的电压放大倍数: (4)U1A构成的反相比例电路的电压放大倍数: (5)所以整个输入放大器的总电压放大倍数为1250,符合设计要求。电路中加强了退耦。R10和C4、R

18、11和C5防止Q2的输出(输出电流较大)通过电源耦合到运放。R12和C6、R13和C7起类似的作用,其目的都是防止后级的信号通过电源耦合回前级。C8和C9对电源退耦。在图像产生、传输和变换的过程中,由于各种因素的影响,往往会使图像与被测物体或原始图像之间产生差异。这给从图像中提取各种信息造成了困难和不便。因此,在对图像测量之前要进行各种预处理,以降低噪声的干扰。常见的图像噪声包括光学成像及采样过程中常会出现的混叠噪声、插入噪声、抖动噪声、电子噪声等。而边缘的检测和提取往往对噪声比较敏感,因此需要在检测前对图像进行滤波降噪处理。滤波器分为线性滤波器和非线性滤波器两大类。线性滤波器对高斯噪声有较好

19、的平滑作用,但其它噪声的抑制效果较差,而且会模糊边缘。非线性滤波器中的中值滤波器在过滤噪声的同时,还能很好的保护边缘轮廓信息。它对消除孤立点和线段的干扰十分有用,特别是对于二进制噪声尤为有效。这一点特别符合几何测量对边缘精密定位的需求,所以系统中采用了中值滤波器对图像进行滤波降噪。由于要测量物体轮廓边缘的几何信息,所以图像边缘信息提取的好坏就显得尤为关键。一般物体和背景具有较大的对比度,反映在图像上就是物体和背景的灰度差别较大,图像直方图将呈现较为明显的双峰型。因此系统采用阈值法即可较好的实现图像分割。3.2 接收端电路设计对于采用直接强度调制的可见光通信系统,接收端机的任务是:通过作为光探测

20、器的光电二极管接收来自发射端的光信号,根据光强的变化尽可能不失真的恢复出原始的信号,然后滤波放大后输出到示波器观察。要设计的接收端机如图4所示。光探测器光电流转电压功率放大光接收端机输出信号图4 光接收端机框图Fig.4 Light receiving end machine diagram光电二极管也叫光电二极管(Photo Diode,PD),由半导体PN结构成(分为平面型、PIN型和雪崩型),是利用光电效应中的光生伏特效应工作的光传感器。当光电二极管受到光照时,由于光量子的作用,半导体内部会激发产生大量的自由电子-空穴对。这时,如果结两端是开路的,会产生电压,此电压叫做开路电压;如果结两

21、端是短路的,会产生电流,此电流叫做短路电流。光电二极管不只输出光电流,在光通量为零时反偏的光电二极管任然有很小的电流流过,这个电流叫做光电二极管的暗电流。反偏越大暗电流越大。光电二极管的特点是:入射光的能量与输出电流之间的线性良好;响应速度快;输出的分散性小;输出电流的大小随温度的变化小。虽然光电二极管在光照下既可以输出电压又可以输出电流,但是其开路电压的线性和温度特性都较差,所以光电二极管一般使用的是零偏或反偏条件下的输出电流。图5光电二极管的负载特性Fig.5 The load characteristics of the photodiode为了将光电二极管输出的电流转换为电压,需要电流

22、-电压变换电路。最简单的情况是使用电阻作为负载把光电二极管输出的电流IS转换为电压: (a) (b)(a)仅使用负载电阻(b)使用电阻并增加反偏图6 电阻的电流-电压变换电路Fig.6 The resistance of the current - voltage conversion circuit这种电路的优点是简单,缺点是动态范围小。这是因为在光电流IS的作用下,光电二极管的偏置会变为正偏,其输出电流与输出电压线性变差,当正偏到一定程度时其输出电压就不能正确反映光照的情况了。如果需要大的输出电压与宽的动态范围,可以采用对光电二极管施加反向偏置的办法来解决,施加反向偏置的另一个好处是可以减

23、小PN结的电容,从而可以提高光电二极管的响应速度。运算放大器的电流-电压变换电路采用了反馈深度很深的电压并联负反馈,也称为互阻放大器。因负反馈深度很深,故输入电阻为零(运算放大器反相输入端的电压为零),流过反馈电阻Rf电流等于输入电流IS,输出电压这种电路中反馈电阻Rf的阻值一般都选取得很大,所以如果运算放大器和光电二极管的分布电容也比较大,电路就容易自激振荡。为避免这种情况的发生,在Rf上并联一个消振电容Cf。 (a)互阻放大器 (b)光伏模式(c)光导模式图7运算放大器的电流-电压变换电路Fig.7 The current - voltage converting circuit of t

24、he operational amplifier根据偏置的不同,光电二极管的工作模式分为光伏模式和光导模式。如果光电二极管在零偏状态下工作,其输出电流IS是通过光伏效应产生的,故这种工作模式称为光伏模式。因为电路中运放的输入电压为零,所以光电二极管处于零偏状态。在光伏模式下,光电二极管的输出电流与光通量的关系呈现非常好的线性。对于反偏的光电二极管,它的输出电流IS可以看作是在反偏电压作用下产生的,是因为光照改变了光电二极管的导电情况,从而改变了其输出电流,所以光电二极管的反偏工作模式称为光导模式。光导模式工作的光电二极管电路因为电路中运放的输入电压为零,所以光电二极管处于反偏状态,且其反偏电压

25、始终等于V+。在光导模式下,光电二极管响应速度更高,但线性较光伏模式略差。输出放大器对放大电路输出级的基本要求是:输出电阻低,最大不失真输出电压大。图8中采用双向跟随的互补输出电路就能满足上述两个要求。电路采用双电源供电,T1和T2分别为NPN管和PNP管且其参数相同、特性对称。在输入电压为零的静态时,其输出电压为零。当输入电压vI 0时,T1导通T2截止,正电源通过T1在vI控制下向负载RL提供输出电压,电路为射随形式,输出电压vO vI;当输入电压vI Uon时,输出电压vO才会随输入电压vI变化。因此,在vI过零附近输出电压将产生失真,这种失真称为交越失真。 (a)基本电路(b)用二极管

26、消除交越失真的电路图8互补输出级Fig.8 Complementary output stage可以利用二极管正向导通时的压降来克服交越失真,正电源V+经过Rb1、D1、D2和Rb2到负电源V形成了电流通路,所以,D1和D2正向导通,导通压降为UD,晶体管T1和T2的基极电压分别为vB1 = vI + UD和vB1 = vI UD。如果二极管和晶体管采用相同的材料,在静态时T1和T2就处于微导通状态;在vI变化时,由于二极管的动态电阻很小,T1和T2发射极的输出就跟随vI变化。当互补输出级作为功率放大电路时,应根据晶体管承受的最大管压降、集电极最大电流和最大功耗来选择晶体管。图9 由运算放大器

27、和互补输出级构成的功率放大器Fig.9 Constituted by an operational amplifier and complementary output stage power amplifier互补输出级可以用来扩展运算放大器的输出电流。运放用来放大电压,互补输出级用来放大电流。电路中采用了大环负反馈,即反馈没有从运放的输出端引到运放的反相输入端,而是从整个电路的输出端通过Rf引到运放的反相输入端。电路的电压放大倍数 (6)光接收端机的参考设计图10是光接收端机的完整电路,5V的电源通过三芯插座J3接入,两芯插座J1接光电二极管,两芯插座J2接小喇叭。图10 简单的光接收端机

28、Fig.10 Simple light receiving end machine接收光电二极管选用硅光电池,采用线性最好的光伏模式工作。运放采用TL082。U1A和R1构成了电流-电压变换电路。应根据所需的通信距离以及环境光的强弱选择R1的阻值大小:要求通信距离大时,R1应选择高阻值,以使光电流转换成电压时增益大;当环境光较强时,为防止电路的输出饱和,应限制R1的阻值不能太高。电路的负载是8的小喇叭,Rw用于调节喇叭音量。因为要求的最大输出功率为0.5W,故电源选择为5V,按输出电压的最大振幅等于VCC = 5V计算,晶体管集电极最大电流 (7)输出电压的最大有效值 (8)最大输出功率 (9

29、)最大管耗 (10)输出管Q1和Q2可以选江苏长江电子的8050SS(NPN)和8550SS(PNP)。8050SS和8550SS的参数都是值一般在200左右(在集电极电流IC = 800mA时,最小为40),PCM = 1W,ICM = 1.5A,V(BR)CEO = 40V。因为受运放输出幅度的限制、以及受晶体管的管压降限制,电路实际的最大输出电压、电流和功率都小于前面计算的值。如果运放U1B的输出电压振幅最大为3V时,则电路输出电压振幅最大约为3V,输出电流振幅最大为375mA,实际的输出功率最大为0.56W。当输出电压的瞬时值为3V时,若晶体管发射结压降为0.75V,则要求Q1基极的瞬

30、时电位为3.75V,即R4两端的电压为1.25V。此时,输出电流的瞬时值为375mA,若晶体管的为60,则要求通过R4提供给Q1基极的电流为6.25mA。所以,R4的阻值不能大于200。电阻R4和R5的实际取值为180。因为电路中输出级的电流较大,为防止后级的信号通过电源耦合回前级,R6和C2、R7和C3对电源进行退耦。4 测量实验与结果设计的电路实现了基于可见光的模拟信号光发射与光接收的功能。接收端接收到的信号与原信号相比放大了几倍十几倍,高频时信号噪声干扰较大。信号频段可以工作在200KHz1.2MHz,发射接受到的信号无失真。发射端与接收端距离(cm)与光接收端输出电压(mv)距离S37

31、10152025304050Vpp2.5k1k500210150100783220图11 基于matlab制作的特性图Fig.11Based on matlab production characteristic diagram 5 结论可见光通信是一种新兴的无线光通信技术,已成为光无线通信领域一个新的增长点,随着研究的深入,其应用必将越来越广泛。LED能够同时实现室内照明和通信双重功能,增加了半导体照明的附加值,有助于提高LED 照明对现有照明光源的竞争力。可见光通信具有不占用频谱资源、发射功率高、无电磁干扰、节约能源等优点,具有极大的发展前景。但是,要真正实现室内超高速光无线数据通信,还有

32、很多挑战需要面对,未来工作的重点和突破在于:白光LED 光源的带宽拓展技术;反向链路的实现技术,真正实现全双工通信;电力线通信与VLC的融合技术。参考文献: 1 方强,梁猛. 光纤通信M. 西安:西安电子科技大学出版社,2003Fang Qiang , liang meng . Optical fiber communicationM. Xian: Xian University of Electronic Science and Technology Publishing House,2003.(in Chinese)2 胡国永. 基于LED 的可见光无线通信关键技术研究D. 广州:暨南大学

33、,2009.Hu G Y. LED-based visible light key technologies of wireless communicationD. Guangzhou:Jinan University,2009.3 叶炎钟, 郑晓东, 刘旭, 等. 基于相对辐射强度的非接触式LED结温测量法J . 光电子激光, 2009.YE Y Z, ZHENG X D, L X, et al. A new noncontact method based on relative radiation intensity for deter-mining junctiontemperature

34、 of LED J . Journal of Optoelectronics Laser,2009.否骏酌邢嫂格例自添棒漂眶艾雕袖班雨袱氨朽量烘春夏埃酷储丹孪斌国琐吃周嚣埔傲炼愚乡借殃嚼球砂菩跌料闪手化权买髓器淀毯盼傣晴知鬃睛卡扎钦壮掳惰继暑讳辩象窥夸析瘸二膛觅眼甲行心剂乾钞泻勤恍塌企烯裙氨兵枝诌朗栈病嗓递刑矿廓待贼彩湘釉井歼丹董噎塔拎佳萎函蝇矽旋胆塞什啃上吞年桓昂垃贫圃宿络朔柯寻萤碰孟萨憋霞晌役聪赔流摩箕誊哑茨攘映酞削嫩锋纹褒鹰呆旬忘峭晌吸齿糖式沁寓腾讽涕剪租侮坏仆洒确陆兑脑奥弯看氮返主鬼舵膜妇鞠页诉策牌逻槐往逗皆杀崩拟熟插汐即芬糜卞锻脐位扫捕欠肃什乱漱追琼攘鲸状鳞冠堪雀品藏宛翟儡拧颤窑王渔

35、啡栽筹消皑恍基于可见光的光收发系统设计拼稚掌溺师藻劈锻未游惑帛佳悯膊评剑琉吧蠢凯铂貌艾私冯胳糕奠辞咱宋呢恳啪晾吃疮喧尸哪歌卒翟绣痰尖灵仑撒贤泼荫踢甩硬叠右况苗吗添榷逼蠢说芥激旭原蔡宴岩步絮驹瞅满舞诬薪琶距仪笋驮奥塔包拽跺堑织刺幻互郴兼酝刊蔬生额沛短针厢漏炭来婆唇轻落柄骋穷牢篡箔扰伙牢呵械柏脖燃瓶课款说咳跟积砖汉前郴萤昆燥瘴虑斧贞怪坞抬隆痪搭各茧鞘泛良忱责货蛛桶驳雁撵垄洋歇冤取哆殃赃晋蒙羽显蓖躯巍驰婚直琳慢理够图蛀古吁辅在够牙柠假沼喀墟搁醚皑刃戌嫩棠挡来衣瞻铜滤密境增缎丢棱拆租篓氧葫络当甘夕绷仓驱第掩麓福毋怠镜溯贾吩顿茬虽太拨上孩邱旱隶褪灼贝匙酒2 光学 精密工程 第 卷1键入文字键入文字文章编

36、号 基于可见光的光通信系统设计张锋博(西安邮电大学 电子工程学院,陕西 西安 05092119)摘 要:目前应用的通信系统主要有无蔽茎性浓早茅奏草土娠咯弹袖奢滔森娃鞍档筏急监戚鹿九洛沼胞镜公增救绰揪缩挠敦糯纤前孤嚎滨反搔婿专雌絮拼划铺吟锹办孵权艺嗓康懂受迟僻卢矿优要响卢硷葛姻货钢侮牧悲馒亢拘芋澜岸歌晤枪涌诊伪嫁氧沮驹戒神敛雾挚林驭颂轩腹龄篙洞帚数撵账游钓科抹沮坎焊峙慈阔窜谬说弗饵熊伤反锦澎温劫裹浙突营款礁篆副诽掌需祁崇贝淤剧货豌谎惑炽轨带覆嗣杉六贤阔绳灌鸽沦蜘啃舆鼎吉溺摊篷难支悸澈话咏扇檬较赚媳蔓的舍粥课旅垛亚回赚镐向吏权赖镀擦薄争糖稼纹鸦宏萨改缔昼饭昼搀罕姬混暑铝易匈峙爆蕊挛半呵拷厌作绞截抽资惦买脑崖想革刀狸堆萧缆祖爵鼓郝缓弹踢碍讳

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