基本原理
OFDM —— OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復(fù)用技術(shù),實(shí)際上OFDM是MCM MULTI-CarrioModulation,多載波調(diào)制的一種。其主要思想是:將信道分成熱感正交子信道,將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流,調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過在接收端采購相關(guān)技術(shù)來分開,這樣可以減少子信道之間的相互干擾ICI。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)貸款,因此每個(gè)子信道上的可以看出平坦性衰落,從而可以消除符號(hào)間的干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分,信道均衡變得相對(duì)容易。在向B3G/4G演進(jìn)的過程中,OFDM是關(guān)鍵的技術(shù)之一,可以結(jié)合分集,時(shí)空編碼,干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù),最大限度的提高了系統(tǒng)性能。包括以下類型:V-OFDM,W-OFDM,F-OFDM,MIMO-OFDM,多帶-OFDM。
發(fā)展歷史
上個(gè)世紀(jì)70年代,韋斯坦(Weistein)和艾伯特(Ebert)等人應(yīng)用離散傅里葉變換(DFT)和快速傅里葉方法(FFT)研制了一個(gè)完整的多載波傳輸系統(tǒng),叫做正交頻分復(fù)用(OFDM)系統(tǒng)。
OFDM是正交頻分復(fù)用的英文縮寫。正交頻分復(fù)用是一種特殊的多載波傳輸方案。OFDM應(yīng)用離散傅里葉變換(DFT)和其逆變換(IDFT)方法解決了產(chǎn)生多個(gè)互相正交的子載波和從子載波中恢復(fù)原信號(hào)的問題。這就解決了多載波傳輸系統(tǒng)發(fā)送和傳送的難題。應(yīng)用快速傅里葉變換更使多載波傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜度大大降低。從此OFDM技術(shù)開始走向?qū)嵱。但是?yīng)用OFDM系統(tǒng)仍然需要大量繁雜的數(shù)字信號(hào)處理過程,而當(dāng)時(shí)還缺乏數(shù)字處理功能強(qiáng)大的元器件,因此OFDM技術(shù)遲遲沒有得到迅速發(fā)展。
近些年來,集成數(shù)字電路和數(shù)字信號(hào)處理器件的迅猛發(fā)展,以及對(duì)無線通信高速率要求的日趨迫切,OFDM技術(shù)再次受到了重視。
在上個(gè)世紀(jì)60年代已經(jīng)提出了使用平行數(shù)據(jù)傳輸和頻分復(fù)用(FDM)的概念。1970年,美國發(fā)明和申請(qǐng)了一個(gè)專利,其思想是采用平行的數(shù)據(jù)和子信道相互重疊的頻分復(fù)用來消除對(duì)高速均衡的依賴,用于抵制沖激噪聲和多徑失真,而能充分利用帶寬。這項(xiàng)技術(shù)最初主要用于軍事通信系統(tǒng)。但在以后相當(dāng)長的一段時(shí)間,OFDM理論邁向?qū)嵺`的腳步放緩了。由于OFDM各個(gè)子載波之間相互正交,采用FFT實(shí)現(xiàn)這種調(diào)制,但在實(shí)際應(yīng)用中,實(shí)時(shí)傅立葉變換設(shè)備的復(fù)雜度、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)振蕩器的穩(wěn)定性以及射頻功率放大器的線性要求等因素都成為OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)的制約條件。在二十世紀(jì)80年代,MCM獲得了突破性進(jìn)展,大規(guī)模集成電路讓FFT技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不再是難以逾越的障礙,一些其他難以實(shí)現(xiàn)的困難也都得到了解決,自此,OFDM走上了通信的舞臺(tái),逐步邁向告訴數(shù)字移動(dòng)通信的領(lǐng)域。
應(yīng)用情況
由于技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性,在二十世紀(jì)90年代,OFDM廣泛用干各種數(shù)字傳輸和通信中,如移動(dòng)無線FM信道,高比特率數(shù)字用戶線系統(tǒng)(HDSL),不對(duì)稱數(shù)字用戶線系統(tǒng)(ADSL),甚高比特率數(shù)字用戶線系統(tǒng)娜HDSI〕,數(shù)字音頻廣播(DAB)系統(tǒng),數(shù)字視頻廣播(DVB)和HDTV地面?zhèn)鞑ハ到y(tǒng)。1999年,IEEE802.lla通過了一個(gè)SGHz的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),其中OFDM調(diào)制技術(shù)被采用為物理層標(biāo)準(zhǔn),使得傳輸速率可以達(dá)54Mbps。這樣,可提供25Mbps的無線ATM接口和10Mbps的以太網(wǎng)無線幀結(jié)構(gòu)接口,并支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)。這樣的業(yè)務(wù)完全能滿足室內(nèi)、室外的各種應(yīng)用場(chǎng)合。歐洲滇西組織(ETSI)的寬帶射頻接入網(wǎng)的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)Hiper耐2也罷PFDM定位它的調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。
2001年,IEEE802.16通過了無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)使用頻度的不同,具體可分為視距和非視距兩種。其中,使用2-11GHz許可和免許可頻段,猶豫在該頻段波長較長,適合非視距傳播,此時(shí)系統(tǒng)會(huì)存在較強(qiáng)的多徑效應(yīng),而在免許可頻段還訊在干擾問題,所以系統(tǒng)采用了抵抗多徑效應(yīng)、頻率選擇性衰落或窄帶干擾上有明顯優(yōu)勢(shì)的OFDM調(diào)制,多址方式為OFDMA。而后,IEEE802.16的標(biāo)準(zhǔn)每年都在發(fā)展,2006年2月,IEEE802.16e(移動(dòng)寬帶無線城域網(wǎng)接入空中接口標(biāo)準(zhǔn))形成了最終的出版物。的人,采用的調(diào)制方式仍然是OFDM。
2004年11月,根據(jù)眾多移動(dòng)通信運(yùn)營商、制造商和研究機(jī)構(gòu)的要求,3GPP通過被稱為LongTermEvolution(LTE)即“3G長期演進(jìn)”的立項(xiàng)工作。項(xiàng)目以制定3G演進(jìn)型系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范作為目標(biāo)。3GPP經(jīng)過激烈的討論和艱苦的融合,終于在2005年12月選定了LTE的基本傳輸技術(shù),即下行OFDM,上行SC(單載波關(guān)FDMA。OFDM由于技術(shù)的成熟性,被選用為下行標(biāo)準(zhǔn)很快就達(dá)成了共識(shí)。而上行技術(shù)的選擇上,由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些設(shè)備商認(rèn)為會(huì)增加終端的功放成本和功率消耗,限制終端的使用時(shí)間,一些則認(rèn)為可以通過濾波,削峰等方法限制峰均比。不過,經(jīng)過討論后,最后上行還是采用了SC一FDMA方式。擁有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的3G標(biāo)準(zhǔn)一一TD-SCDMA在LTE演進(jìn)計(jì)劃中也提出了TD-CDM-OFDM的方案B3G/4G是ITU提出的模板,并希望在2010年予以實(shí)現(xiàn)。B3G/4G的目標(biāo)是在高速移動(dòng)環(huán)境下支持高度100Mb/S的下行數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率,在室內(nèi)和靜止環(huán)境下支持高達(dá)1Gb/S的下行數(shù)據(jù)傳輸速率。而OFDM技術(shù)也將扮演重要的角色。
技術(shù)比較
CDMA與OFDM之技術(shù)比較
頻譜利用率、支持高速率多媒體服務(wù)、系統(tǒng)容量、抗多徑信道干擾等因素是目前大多數(shù)固定寬帶無線接入設(shè)備商在選擇CDMA(碼分多址)或OFDM(正交頻分復(fù)用)作為點(diǎn)到多點(diǎn)(PMP)的關(guān)鍵技術(shù)時(shí)的主要出發(fā)點(diǎn)。而這兩種技術(shù)在這些方面都各有所長,因此設(shè)備商需要根據(jù)實(shí)際情況權(quán)衡利弊,進(jìn)行綜合分析,從而做出最佳選擇。
CDMA技術(shù)是基于擴(kuò)頻通信理論的調(diào)制和多址連接技術(shù)。OFDM技術(shù)屬于多載波調(diào)制技術(shù),它的基本思想是將信道分成許多正交子信道,在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制,并且各個(gè)子載波并行傳輸。OFDM和CDMA技術(shù)各有利弊。CDMA具有眾所周知的優(yōu)點(diǎn),而采用多種新技術(shù)的OFDM也表現(xiàn)出了良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性、更高的頻譜利用率、更靈活的調(diào)制方式和抗多徑干擾能力。下面主要從調(diào)制技術(shù)、峰均功率比、抗窄帶干擾能力等角度分許這兩種技術(shù)在性能上的具體差異。
——調(diào)制技術(shù)。一般來說,無線系統(tǒng)中頻譜效率可以通過采用16QAM(正交幅度調(diào)制)、64QAM乃至更高階的調(diào)制方式得到提高,而且一個(gè)好的通信系統(tǒng)應(yīng)該在頻譜效率和誤碼率之間獲得最佳平衡。
在CDMA系統(tǒng)中,下行鏈路可支持多種調(diào)制,但每條鏈路的符號(hào)調(diào)制方式必須相同,而上行鏈路卻不支持多種調(diào)制,這就使得CDMA系統(tǒng)喪失了一定的靈活性。并且,在這種非正交的鏈路中,采用高階調(diào)制方式的用戶必將會(huì)對(duì)采用低階調(diào)制的用戶產(chǎn)生很大的噪聲干擾。
在OFDM系統(tǒng)中,每條鏈路都可以獨(dú)立調(diào)制,因而該系統(tǒng)不論在上行還是在下行鏈路上都可以容易地同時(shí)容納多種混合調(diào)制方式。這就可以引入“自適應(yīng)調(diào)制”的概念。它增加了系統(tǒng)的靈活性,例如,在信道好的條件下終端可以采用較高階的如64QAM調(diào)制以獲得最大頻譜效率,而在信道條件變差時(shí)可以選擇QPSK(四相移相鍵控)調(diào)制等低階調(diào)制來確保信噪比。這樣,系統(tǒng)就可以在頻譜利用率和誤碼率之間取得最佳平衡。此外,雖然信道間干擾限制了某條特定鏈路的調(diào)制方式,但這一點(diǎn)可以通過網(wǎng)絡(luò)頻率規(guī)劃和無線資源管理等手段來解決。
——峰均功率比(PAPR)。這也是設(shè)備商們應(yīng)該考慮的一個(gè)重要因素。因?yàn)镻APR過高會(huì)使得發(fā)送端對(duì)功率放大器的線性要求很高,這就意味著要提供額外功率、電池備份和擴(kuò)大設(shè)備的尺寸,進(jìn)而增加基站和用戶設(shè)備的成本。
CDMA系統(tǒng)的PAPR一般在5~11dB,并會(huì)隨著數(shù)據(jù)速率和使用碼數(shù)的增加而增加。目前已有很多技術(shù)可以降低CDMA的PAPR。
在OFDM系統(tǒng)中,由于信號(hào)包絡(luò)的不恒定性,使得該系統(tǒng)對(duì)非線性很敏感。如果沒有改善非線性敏感性的措施,OFDM技術(shù)將不能用于使用電池的傳輸系統(tǒng)和手機(jī)等。目前有很多技術(shù)可以降低OFDM的PAPR。
——抗窄帶干擾能力。CDMA的最大優(yōu)勢(shì)就表現(xiàn)在其抗窄帶干擾能力方面。因?yàn)楦蓴_只影響整個(gè)擴(kuò)頻信號(hào)的一小部分;而OFDM中窄帶干擾也只影響其頻段的一小部分,而且系統(tǒng)可以不使用受到干擾的部分頻段,或者采用前向糾錯(cuò)和使用較低階調(diào)制等手段來解決。
——抗多徑干擾能力。在無線信道中,多徑傳播效應(yīng)造成接收信號(hào)相互重疊,產(chǎn)生信號(hào)波形間的相互干擾,使接收端判斷錯(cuò)誤。這會(huì)嚴(yán)重地影響信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。
為了抵消這種信號(hào)自干擾,CDMA接收機(jī)采用了RAKE分集接收技術(shù)來區(qū)分和綁定多路信號(hào)能量。為了減少干擾源,RAKE接收機(jī)提供一些分集增益。然而由于多路信號(hào)能量不相等,試驗(yàn)證明,如果路徑數(shù)超過7或8條,這種信號(hào)能量的分散將使得信道估計(jì)精確度降低,RAKE的接收性能下降就會(huì)很快。
OFDM技術(shù)與RAKE接收的思路不同,它是將待發(fā)送的信息碼元通過串并變換,降低速率,從而增大碼元周期,以削弱多徑干擾的影響。同時(shí)它使用循環(huán)前綴(CP)作為保護(hù)間隔,大大減少甚至消除了碼間干擾,并且保證了各信道間的正交性,從而大大減少了信道間干擾。當(dāng)然,這樣做也付出了帶寬的代價(jià),并帶來了能量損失:CP越長,能量損失就越大。
——功率控制技術(shù)。在CDMA系統(tǒng)中,功率控制技術(shù)是解決遠(yuǎn)近效應(yīng)的重要方法,而且功率控制的有效性決定了網(wǎng)絡(luò)的容量。相對(duì)來說功率控制不是OFDM系統(tǒng)的基本需求。OFDM系統(tǒng)引入功率控制的目的是最小化信道間干擾。
——網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。由于CDMA本身的技術(shù)特性,CDMA系統(tǒng)的頻率規(guī)劃問題不很突出,但卻面臨著碼的設(shè)計(jì)規(guī)劃問題。OFDM系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的最基本目的是減少信道間的干擾。由于這種規(guī)劃是基于頻率分配的,設(shè)計(jì)者只要預(yù)留些頻段就可以解決小區(qū)分裂的問題。
——均衡技術(shù)。均衡技術(shù)可以補(bǔ)償時(shí)分信道中由于多徑效應(yīng)而產(chǎn)生的ISI。在CDMA系統(tǒng)中,信道帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信道的平坦衰落帶寬。由于擴(kuò)頻碼自身良好的自相關(guān)性,使得在無線信道傳輸中的時(shí)延擴(kuò)展可以被看作只是被傳信號(hào)的再次傳送。如果這些多徑信號(hào)相互間的延時(shí)超過一個(gè)碼片的長度,就可被RAKE接收端視為非相關(guān)的噪聲,而不再需要均衡。
對(duì)OFDM系統(tǒng),在一般的衰落環(huán)境下,均衡不是改善系統(tǒng)性能的有效方法,因?yàn)榫獾膶?shí)質(zhì)是補(bǔ)償多徑信道特性。而OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了多徑信道的分集特性,因此該系統(tǒng)一般不必再作均衡。
OFDM產(chǎn)生的過程
時(shí)分多路頻分多路OFDM
時(shí)分多路-- 頻分多路-- OFDM下面分析FDM系統(tǒng)相鄰載波相互干擾大小的影響因素。
.. 一個(gè)時(shí)域中單獨(dú)的寬度為Δt的矩形脈沖對(duì)應(yīng)連續(xù)頻譜:
.. 頻譜不是離散譜線,而是一個(gè)連續(xù)的sin(x)/x抽樣函數(shù)曲線。
Δt的變化使得對(duì)應(yīng)頻域的Δf也變化:
如果Δt趨向于0,對(duì)應(yīng)的Δf趨向于無窮大;
這對(duì)應(yīng)迪拉克脈沖,其頻譜為一條直線,包含所有頻率分量。
如果Δt趨向于無窮大,對(duì)應(yīng)的Δf趨向于0;這對(duì)應(yīng)時(shí)域中一條直
線,其頻譜為零頻處的一條譜線,表示DC分量。
二者之間存在以下的關(guān)系: Δf=1/ Δt
一個(gè)間隔為Tp,寬度為Δt的矩形脈沖序列也對(duì)應(yīng)著頻域的sin(x)/x形函數(shù),但此時(shí)只有離散譜線,譜線間隔為fp=1/Tp,譜線幅度隨sin(x)/x抽樣函數(shù)包絡(luò)變化。
周期矩形脈沖信號(hào)的頻譜
不同τ值時(shí)周期矩形信號(hào)的頻譜 (a) τ=T/5; (b) τ=T/10
不同T值時(shí)周期矩形信號(hào)的頻譜 (a) T=5τ; (b) T=10 τ
矩形脈沖與正交性之間有什么關(guān)系?
載波信號(hào)都是正弦函數(shù)信號(hào)。
一個(gè)頻率為fs=1/Ts的正弦波信號(hào)對(duì)應(yīng)頻譜為頻域中位于頻率fs和-fs的兩條離散譜線。
這些正弦信號(hào)載波是通過幅度和頻率變化來攜帶信息的(幅移鍵控和頻移鍵控)。
OFDM:
這些正弦載波不是連續(xù)從負(fù)無窮延伸到正無窮,而是在
特定的Δt之后幅度和相位發(fā)生變化。
因此已調(diào)載波信號(hào)由時(shí)域中一個(gè)被矩形窗截?cái)嗟恼倚?br />
號(hào)段組成,稱為burst packets 。
加矩形窗的Burst Packets:
優(yōu)勢(shì)與不足
優(yōu)勢(shì)
OFDM存在很多技術(shù)優(yōu)點(diǎn)見如下,在3G、4G中被運(yùn)用,作為通信方面其有很多優(yōu)勢(shì):
。1) 在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)。OFDM技術(shù)能同時(shí)分開至少1000個(gè)數(shù)字信號(hào),而且在干擾的信號(hào)周圍可以安全運(yùn)行的能力將直接威脅到目前市場(chǎng)上已經(jīng)開始流行的CDMA技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展壯大的態(tài)勢(shì),正是由于具有了這種特殊的信號(hào)“穿透能力”使得OFDM技術(shù)深受歐洲通信營運(yùn)商以及手機(jī)生產(chǎn)商的喜愛和歡迎,例如加利福尼亞Cisco系統(tǒng)公司、紐約Flarion工學(xué)院以及朗訊工學(xué)院等開始使用,在加拿大Wi-LAN工學(xué)院也開始使用這項(xiàng)技術(shù)。
(2) OFDM技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化,由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化,所以O(shè)FDM能動(dòng)態(tài)地與之相適應(yīng),并且接通和切斷相應(yīng)的載波以保證持續(xù)地進(jìn)行成功的通信;
(3) 該技術(shù)可以自動(dòng)地檢測(cè)到傳輸介質(zhì)下哪一個(gè)特定的載波存在高的信號(hào)衰減或干擾脈沖,然后采取合適的調(diào)制措施來使指定頻率下的載波進(jìn)行成功通信;
(4) OFDM技術(shù)特別適合使用在高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號(hào)散播的地區(qū)。高速的數(shù)據(jù)傳播及數(shù)字語音廣播都希望降低多徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響。
(5) OFDM技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在單載波系統(tǒng)中,單個(gè)衰落或干擾能夠?qū)е抡麄(gè)通信鏈路失敗,但是在多載波系統(tǒng)中,僅僅有很小一部分載波會(huì)受到干擾。對(duì)這些子信道還可以采用糾錯(cuò)碼來進(jìn)行糾錯(cuò)。
(6) 可以有效地對(duì)抗信號(hào)波形間的干擾,適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)信道中因?yàn)槎鄰絺鬏敹霈F(xiàn)頻率選擇性衰落時(shí),只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響,其他的子載波未受損害,因此系統(tǒng)總的誤碼率性能要好得多。
(7) 通過各個(gè)子載波的聯(lián)合編碼,具有很強(qiáng)的抗衰落能力。OFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集,如果衰落不是特別嚴(yán)重,就沒有必要再加時(shí)域均衡器。通過將各個(gè)信道聯(lián)合編碼,則可以使系統(tǒng)性能得到提高。
(8) OFDM技術(shù)抗窄帶干擾性很強(qiáng),因?yàn)檫@些干擾僅僅影響到很小一部分的子信道。
(9) 可以選用基于IFFT/FFT的OFDM實(shí)現(xiàn)方法;
(10) 信道利用率很高,這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要;當(dāng)子載波個(gè)數(shù)很大時(shí),系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。 (baud 即 波特;1 Baud = log2M (bit/s) ,其中M是信號(hào)的編碼級(jí)數(shù)。)
存在不足
雖然OFDM有上述優(yōu)點(diǎn),但是同樣其信號(hào)調(diào)制機(jī)制也使得OFDM信號(hào)在傳輸過程中存在著一些劣勢(shì):
(1)對(duì)相位噪聲和載波頻偏十分敏感
這是OFDM技術(shù)一個(gè)非常致命的缺點(diǎn),整個(gè)OFDM系統(tǒng)對(duì)各個(gè)子載波之間的正交性要求格外嚴(yán)格,任何一點(diǎn)小的載波頻偏都會(huì)破壞子載波之間的正交性,引起ICI,同樣,相位噪聲也會(huì)導(dǎo)致碼元星座點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)、擴(kuò)散,從而形成ICI。而單載波系統(tǒng)就沒有這個(gè)問題,相位噪聲和載波頻偏僅僅是降低了接收到的信噪比SNR,而不會(huì)引起互相之間的干擾。
(2)峰均比過大
OFDM信號(hào)由多個(gè)子載波信號(hào)組成,這些子載波信號(hào)由不同的調(diào)制符號(hào)獨(dú)立調(diào)制。同傳統(tǒng)的恒包絡(luò)的調(diào)制方法相比,OFDM調(diào)制存在一個(gè)很高的峰值因子。因?yàn)镺FDM信號(hào)是很多個(gè)小信號(hào)的總和,這些小信號(hào)的相位是由要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)序列決定的。對(duì)某些數(shù)據(jù),這些小信號(hào)可能同相,而在幅度上疊加在一起從而產(chǎn)生很大的瞬時(shí)峰值幅度。而峰均比過大,將會(huì)增加A/D和D/A的復(fù)雜性,而且會(huì)降低射頻功率放大器的效率。同時(shí),在發(fā)射端,放大器的最大輸出功率就限制了信號(hào)的峰值,這會(huì)在OFDM頻段內(nèi)和相鄰頻段之間產(chǎn)生干擾。
(3)所需線性范圍寬
由于OFDM系統(tǒng)峰值平均功率比(PAPR)大,對(duì)非線性放大更為敏感,故OFDM調(diào)制系統(tǒng)比單載波系統(tǒng)對(duì)放大器的線性范圍要求更高。
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