信号为什么需要调制？QAM DPSK常用调制全解析
本帖最后由 sunsili 于 2024-1-15 17:02 编辑信号为什么需要调制？QAM、DPSK...常用调制全解析
调制是什么意思?
如今，大多数无线服务都在使用复杂的载波调制方案。调制技术和元器件的持续改进以及纠错码的进步，促使信道容量更加接近香农定理设定的基础极限。那么，调制是什么意思？调制的分类？
调制是一种将需要传送的信号搬移到高频载波，实现频谱搬移的过程。把输入信号变换为通过信道传输波形的变换过程称为调制。通常把原始信号称为调制信号，也称基带信号；被调制的高频用于运载原始信号，因此称载波。
调制实现了信源的频谱与信道的频带匹配。
需要传送的信号是基带信号
需要传送的信号是基带信号。最开始是语音信号，现在是数字化的各种数据，包括程序，图片，语音，视频。调制的目的是什么?
通过对载波参数的改变, 将需要传输的信息（话音、数据等） 通过一定的媒介进行传输
信号为什么需要调制？
对于数字通信来说，调制使您能够使用窄频率带宽传输更多数据。
1.低频信号不适合在空中传播，天线尺寸与信号波长成正比，调制实现频谱搬移。
2.无线频谱资源有限，需要在指定的频率上进行发射接收，调制实现频率复用
3.增加信号在信道中传输时的抗干扰性能，提高频率效率
无线通信的调制技术
如今，大多数无线服务都在使用复杂的载波调制方案。调制技术和元器件的持续改进以及纠错码的进步，促使信道容量更加接近香农定理设定的基础极限。那么，常用的调制方式有哪些？
常用的调制方式有哪些？
调制方式基本可以分为数字调制和模拟调制
什么是模拟调制？调制的三种类型：调幅（AM）、调频（FM）、相位调制（PM）
模拟调制是用连续变化的信号去调制一个高频正弦波。模拟调制的三种方式：调幅（AM）、调频（FM）、相位调制（PM）。
调幅（Amplitude Modulation - AM）
调幅（AM） 可维持频率和相位常数并缩放振幅（与音频信号成正比）。在最简单的情况下，音频信号是正弦波，频域图看起来像三个音调 － 载波加上两个旁波带，以调制速率区隔。低频调制显示旁波带很靠近载波，而高频调制则显示旁波带离载波更远。它的调制方式改变的是信号的幅度或者强度。幅度调制是用于广播声音的调制类型。时域中的调幅（AM）范例频域中的调幅（AM）范例
调频（Frequency modulation - FM）
调频可让振幅维持恒定，并随时间改变波形频率（与音频信号成正比）。如果音频信号是正弦波，则在频域中，调频看起来像是信号载波加上与调制相符的旁波带。您可以使用贝索（Bessel）函数来确认。记住，在频域中看起来可能与 AM 完全一样。
频率调制的优点是可以限制信号上的幅度噪声，因为只有频率变化才能携带所需的信息。这可以通过使信号通过一个进入限制的阶段来实现，从而消除可能是噪声和一般信号变化的结果的幅度变化。如果有足够的信号使某个阶段进入限制状态，则任何信号强度变化都不会改变解调音频的电平，假设正在传输音频。因此，调制形式已被用于许多应用，包括高质量的模拟声音广播。时域中的调频（FM）范例频域中的 调频（FM） 范例
相位调制（Phase modulation - PM）
相位调制PM 同样也可让振幅维持恒定，但依照相位改变波形。在时域中，它看起来与 FM 完全一样。有时 FM 和 PM 又称为角度调制，因为在时域中它们看来非常相似。在频域中，PM 看起来像是信号载波加上与调制相符的旁波带。与调频一样，您可以使用贝索函数来确认这些旁波带。相位调制和频率调制有许多相似之处并且是相互联系的——一个是另一个的差分。然而，相位调制适用于数据传输，因此近年来它的使用迅速增长。数字调制
什么是数字调制？
数字调制是无线、卫星和地面通信行业中使用的一个术语，指数字状态由载波相对相位和/ 或幅度表示的一种调制。虽然我们讨论的是数字调制，但是应记住这种调制并不是数字的，而真正是模拟的。调制是按照调制( 基带) 信号的幅度变化成比例地改变载波的幅度、频率或相位。参见图。在数字调制中，基带调制信号是数字式的，而调制过程不是数字的。在数字调制中，信息包含在载波的相对相位、频率或幅度中
基带信号是数字信号的调制方式
数字信号，就是只有有限种信息状态的信号。例如现在最基本的010101的信号，只有0和1两种状态的组合。
数字调制方式的进化，就是提升数据传输速率的方法！让每一个周期发送的符号，包含更多信息，换言之要求离散的可选状态点增多
调制信号的描述方式
如前所述，模拟调制信号和数字调制信号的唯一区别是载波状态的改变是连续（无穷多）还是离散（有限个）。从传统时域和频域的表示上看，两种调制是非常相似的。在模拟调制中应用的调幅 (AM)、调频 (FM)和调相 (PM)，在数字调制中分别称为幅移键控 (ASK)、频移键控 (FSK)和相移键控 (PSK)。而数字调制中常用的正交幅度调制 (QAM)是典型的矢量调制，同时改变载波的幅度和相位。任何调制方案都有它的优点和不足，带宽和成本是主要问题。模拟调制和数字调制到底有什麽区别呢？
例如，当我们选择复杂的调制制式以得到最好的噪声抗扰度时，它将占用更多的信道空间，从而限制了信道上的用户数。选择窄带宽能兼顾信号信息和抗扰度。在一些案例中，为补偿噪声或信道噪声，我们可能需要发送更高的功率。如果设计不好，过大的功率会使放大器进入非线性区，造成输出信号的失真。或者附加的功率造成对其它信道的干扰。调制方案越复杂，就越难实现，工程要求会更多，从而也增加了成本。基本调制方案包括幅度、频率和相位调制。调制信号可以使用幅度和相位（矢量）的极坐标来表示。I/Q调制由于频谱效率较高，因而在数字通信中得到广泛采用。
模拟调制和数字调制的区别
模拟调制信号和数字调制信号的唯一区别是载波状态的改变是连续（无穷多）还是离散（有限个）
模拟调制和数字调制在本质上是一样的，都是将需要传递的信息通过变换过程即改变载波的特征参数而携带在载波上。载波有三个特征参数可以改变，即幅度、相位和频率。分别针对这三个特征参数进行改变就称为调幅、调相和调频。数字调制称为矢量调制，因为同时改变两个以上的参数，如幅度和相位。
在信息论中，称信道无差错传输信息的最大信息速率为信道容量，记为C。从信息论的观点来看，各种信道可概括为两大类：离散信道和连续信道。所谓离散信道就是输入与输出信号都是取值离散的时间函数；而连续信道是指输入和输出信号都是取值连续的。这里主要讨论后者即调制信道，仅从说明概念的角度考虑，我们只讨论连续信道的信道容量。
1948年，香农(Shannon)提出了信息论，导出了香农公式。其结论为：
[*] 在给定B、S/N 的情况下，信道的极限传输能力为 C，而且此时能够做到无差错传输（即差错率为零）。这就是说，如果信道的实际传输速率大于 C 值，则无差错传输在理论上就已不可能。因此，实际传输速率一般不能大于信道容量 ，除非允许存在一定的差错率。2. 提高信噪比 S/N（通过减小 N 或增大 S ），可提高信道容量 C。特别是，若 N→0，则 C →∞，这意味着无干扰信道容量为无穷大；3. 增加信道带宽 ，也可增加信道容量 ，但做不到无限制地增加。
通常，把实现了极限信息速率传送（即达到信道容量值）且能做到任意小差错率的通信系统，称为理想通信系统。香农只证明了理想通信系统的“存在性”，却没有指出具体的实现方法。先进的数字调制技术是实现更高系统容量的重要手段。一方面宽带调制使B增大，不仅有效增加系统容量，而且提高抗干扰能力；另一方面数字调制和编码结合提供更大的处理增益，使每个用户需要的S/N下降，使通信容量增大。通信系统从模拟系统转向数字系统，其中一个根本原因在于系统抗噪声性能的好坏。模拟调制和数字调制的区别
模拟调制信号要反映的对象是连续变化的波形。
数字系统以误码率或误帧率来衡量接收质量。由于数字系统接收机中使用最佳接收机技术（匹配或相关接收），采用最大似然判决来得到较好的信噪比。数字调制信号要反应的对象是离散的电平状态，即使在调制或传输过程中对信号波形造成变化，对传输的离散状态可能不会造成损害。模拟调制信号的载波特征参数变化有无穷多的状态，任何连续状态变化过程中的误差都会造成信息的损失，通信质量完全取决于S/N。数字调制信号的载波变化状态是有限的，离散的，非有效状态的误差不会造成信息的损失，因此数字调制信号可以承受更大的噪声。
通信系统从模拟系统转向数字系统，其中一个根本原因在于系统抗噪声性能的好坏
• 模拟调制信号基于对连续波形信号的传输，需完成对信号连续变化过程的精确描述和检测，其载波特征参数变化有无穷多的状态，任何连续状态变化过程中的误差都会造成信息的损失，通信质量完全取决于S/N。• 数字调制信号基于对离散状态的传输，只需完成对离散时间点信号状态的控制和判决，其载波变化状态是有限的和离散的，非有效状态的误差不会造成信息的损失。因此数字调制信号可以承受更大的噪声。为什么全部商用通信系统从模拟转向数字调制?
随着无线通信系统的发展，全部商用通信系统从模拟转向数字，是德科技总结了以下几点原因:更大的系统容量 长距离通信也能保证通信质量 数据传输能力但是数字系统设计与模拟系统一样，也需要考虑多种因素的折衷。这些折衷因素主要是系统信息带宽与可得到射频带宽限制的折衷。抗噪声性能好坏以及电池供电时间长短；选用不同调制格式以使系统性能达到某种意义上的最优化。大多数通信系统的优化着眼于下列三类要素：带宽效率、功率效率或价格效率。带宽效率描述一个调制体制在有限的带宽内可容纳数据的能力。功率效率描述这个系统在最低功率电平下可靠的传送信息的能力。在多数系统中，带宽效率具有高的优先级。价格在系统优先选择中处于支配地位，通常要求低价格的无线电设备。过去用牺牲功率和带宽效率的办法来获得低价格的无线电设备是可行的，而现在已不可能，因为无线电频谱变得越来越昂贵。所以在射频通信设计中必须考虑这些参数的折衷。调制格式
简单调制格式
开/关键控(OOK）是最基础的调制格式，通过调节幅度来实现调制信号， 在OOK中：当激光源开启时，表示“1”；当激光源关闭时，表示“0”。换句话说，当光幅度超过某个水平时，表示“1”；当光幅度低于这个水平时，表示“0”。OOK的星座图。在OOK中，相位是随机的。
复合调制格式
通过复合调制可以在一个信号状态内（表示为‘符号’）对多个比特进行编码，复合传输不是发送二进制数据流，而是将多个比特编码变成一个新符号，然后发送这些符号的数据流，比如正交相移键控(QPSK）使用4个符号对每2个比特进行编码。如图1所示，2个比特编码成1个新符号，通过这种方式，相同的带宽可以传输两倍的数据量。采用更高级的调制格式，使用单个符号定义更多比特，可以继续提高数据传输速率。图1.编码概念：使用符号表示比特串，这里用一个字母符号表示2个比特
为什么采用复合调制？
使用OOK 时，信道干扰或衰减会在100 Gbps 及以上速率造成严重的干扰，这是因为随着频谱扩大的信道开始与临近信道重叠，OOK信号所占用的带宽巨大，信号经过波长滤波器整形， 结果会产生串扰和调制信息质量下降。复合调制方案使用光波的所有参数（幅度和频率或相位）进行信息编码， 可以有效改善频谱效率，采用复合调制方案，比如正交相移键控（QPSK）可以解决这些问题。图 2. ITU 网格中的信号频谱
调制方式（PDM、强度、IQ、WDM）
图3为电磁波（电场）的数学描述，电磁波中包含两个偏振分量Ex和Ey。这些正交分量在偏振多路复用(PDM)中用作两个不同的信道来发送独立信号。在波分复用（WDM）中，不同的频率ω用作不同信道，在这些频率/波长上进行独立的数据传送。对于复合调制方案来说，除了幅度E之外，光波的相位Ф也可以经过调制用于定义上述符号。调制光波的电场也可以用I/Q图中的复数平面来描述。这里，I是同相或实部，Q是正交或虚部，如图4所示（在去除了波的时间和空间依赖性之后，仅用于一个偏振面）。符号对应于图（也称为“星座图”）上的一个点（也称为“星座点”），由极坐标中的I和Q值通过幅度E和相位φ定义。星座点对应的是符号时钟时间，也称为“检测决策点”。图3. 电磁波的数学描述图4.符号的I/Q表示
图5显示了QPSK中的4个符号的星座点。QPSK是一种复合调制类型，使用4个符号对每2个比特进行编码。星座点位于半径为E的圆上。这意味着符号只是相位不同（相邻两点的相位差大约为π/2），幅度是相同的。在时域中，4个符号可使用幅度相同、相位不同的两个波形的组合来表示。
图5.QPSK的4个符号/星座点，一个符号编码2比特
图6.QPSK和OOK星座图比较
相移键控（PSK）
什么是相移键控（PSK）？
相移键控是一种数字调制方法。这种方法用于通过调制否则会改变被称为参考信号的载波信号的相位来传输数据。通过使用有限数量的单独信号，可以用任何一种数字调制方法来表示数字数据。这种调制方法使用有限数量的相位，其中每个相位都可以分配二进制数字。通常，每个阶段都编码相等数量的位。每个位模式形成由确切相位表示的符号。
二进制相移键控(2PSK)
二进制相移键控(2PSK)的原理
相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在二进制相移键控(2PSK)中，通常用初始相位0和π分别表示二进制相位“0”和“1”。
二进制相移键控（BPSK），是最简单的相移键控形式，它具有两个相隔180°的相位值，例如：0和π。幅度是恒定的。与OOK相比，这两个符号的间距很大，可免受失真和噪声的干扰。因此，BPSK适合超长距离应用，例如数据速率为40 Gbps的海底光纤网络。BPSK的不足之处是每个符号仅表示1比特，与OOK相同，因此不适合用于100 Gbps及数据速率更高的应用。BPSK相对于OOK的劣势是它很难确定信号的绝对相位。需要采用更复杂、更昂贵的方法比如相干检测。对于OOK，光电二极管可以检测出承载信息的幅度，称为“直接检测”。图7.OOK和BPSK星座图对比
什么是差分相移键控(DPSK)？
差分相移键控常称为二相相对调相，记作2DPSK。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。
差分相移键控(DPSK)，为了避免进行相干检测，需要对BPSK进行修改。对于DPSK信号，π的相位变化表示0，而不是绝对相位π。如果从一个比特到下一个比特的相位没有发生改变，可以称之1。在接收机一侧，数据流被分成两个相同的流，两个流之间有一个比特周期的时延（差分）。将两个数据流混合在一起，就能生成一个信号，光电探测器可以直接检测到该信号，这种混合信号的强度更高。与OOK类似，DPSK每个符号中仅有1比特，因而不适合数据速率极高的应用。
图8.DPSK信号直接检测
正交相移键控(QPSK)
QPSK的1个符号表示2个比特。4个星座点的相位相差π/2，而幅度是恒定值。相对于OOK和BPSK，QPSK可在带宽不变的情况下让数据速率翻倍，这意味着，它也能够在一半带宽上提供原有的数据速率。QPSK通常用于100 Gbps的数据速率。信号相位检测要求使用相干技术。
正交相移键控编码规则
QPSK的每个码元含有2b的信息，用ab代表两个比特。发送码元序列在编码时需要先将每两个比特分成一个双比特组ab。ab有4中排列方式，即00,01,10,11,代表了4种相位。各种排列的相位之间的关系按照格雷码安排。采用格雷码的好处，在于相邻相位所代表的两个比特只有一位不同，降低了因相位误差造成错判的概率，从而使总误比特率降低。
差分正交相移键控(DQPSK)。
为避免接收机端上的QPSK出现由光纤引起的相移所造成的相位模糊现象，可采用DQPSK，通过差分已传输符号间的相移来表示信息。4个可能的相移值通常为：0、-π/2、π/2或π。DQPSK的误码率（BER）低于QPSK，但对离差 (dispersion)的容限程度不高。与OOK类似，DQPSK信号可被直接检测。
正交幅度调制
什么是正交幅度调制？
正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation - QAM）是一种在两个正交载波上进行幅度调制的调制方式。这两个载波通常是相位差为90度（π/2）的正弦波，因此被称作正交载波。这种调制方式因此而得名。在QAM中，数据信号由相互正交的两个载波的幅度变化表示。
使用QAM调制方案可以让数据速率达到400 Gbps或更高。QAM信号的调制和解调更加复杂，要比其他制式的成本要高。换句话说，高阶QAM的星座点比纯粹PSK更加分散。它们不容易受到噪声和失真的影响，BER也会降低。当进制数较低时，一般为8进制以下，则选用PSK传输技术更为经济。在2n-QAM方案中，2n星座点表示每个符号有一组n比特，通常分布在正方形点阵（参见图9）。2-QAM（最低阶QAM）每符号仅有1比特。在对应1和0的两个星座点之间，幅度保持不变，但存在π的相位差。因此，2-QAM实际上与BPSK是同一个方案。同样，4-QAM与QPSK不同，但两者的星座图是一样的，只有1个幅度值，4个星座点之间的相位差为π/2。8-QAM有2个幅度值和4个相差π/2的相位值，每个点表示3个比特。在其他的2n-QAM方案（n是奇数）中，很难使星座点呈现正方形点阵分布，会对BER性能带来负面影响；实际上，8-QAM方案并不实用。相反，16-QAM的频谱 效率是8-QAM的两倍，且BER的增幅很小，因而更受欢迎。
图9.QAM方案的星座点以正方形点阵分布
幅移键控和相移键控（APSK）。在APSK中,幅度和相位均被调制。与QAM不同的是,它的星座点分布在I/Q平面中的同心圆上。这个概念被引入到卫星系统（射频功率放大器具有非线性特性）。因此需要一个能够容忍非线性放大的调制方案（包含较少的幅度）。图10对比了16-QAM和16-APSK的星座图，其中QAM和APSK幅度不同。在光纤中，APSK可应用到非线性噪声场景中，用于改善对非线性光纤特征的容忍度。当数据速率高达400 Gbps及以上时,16-QAM的星座点间距较大，更易实施且光信噪比性能更佳，因而是首选的方案。
图 10. APSK方案的星座图和对应的 QAM 制式
图11.不同调制方式时域和频域特性
复合调制结合其他传输方法
复合调制方案还能与其他传输方法结合使用。例如，在PDM中，第二个光波信号与第一个光波信号正交偏振，可承载独立的信息，并通过同一条光纤进行传输。使用正交相移键控(QPSK)的话，传输速率可以增加一倍，通过PDM还可以使传输速率再增加一倍，如图12。
图12. 使用复合调制、偏振复用和频谱整形提高100 Gbps数据信号的频谱效率
信号速度
我们现在实际上使用两种不同的速度。第一种是以每秒比特数为单位的比特率ftx，也称为“传输速率”。第二种是符号率S，表示每秒传输的符号数，单位为波特。它也因此通常被称为“波特率 ”。Nsymbols是按字母顺序的符号数量，符号率的计算公式如下：
如果信号也被偏振复用，那么这个结果要除以2。以一个100-Gbps QPSK信号为例，符号率S = (100 Gbps) / log2(4比特/符号)/(2偏振) = 25 Gbaud。最低光占用带宽是25 GHz。
因此，复合调制信号所需的带宽并不取决于数据速率，同时与符号数量有关。这也意味着，以给定数据速率编入单个符号中的比特数目越多（Nsymobls越高），光占用带宽就会越小。换句话说，当符号速率不变时，可以通过增加每个符号的比特数，同时保持占用的光学带宽来提高数据速率，用于提高频谱效率。
香农极限
香农极限是什么意思？
上个世纪 40 年代，美国数学家和电子工程师克劳德‧香农（信息理论之父）发现，在任何通信信道内，能够准确无误地传输数据的最大速度与噪声和带宽有关。他将这个最大比特率称为“信道容量”，也就是目前众所周知的“香农极限”。香农极限（或称香农容量）指的是在信道上进行无差错传输的理论最大传输速率，是香农定理在有限带宽的信道上的理论。
香农－哈特利定理
信道容量 ：
其中 B 表示测得的带宽 (Hz)，S 表示接收的信号平均功率 (W)，N 表示平均噪声功率 (W)。
S/N是信噪比，那么信道容量和信号传输使用的带宽有关，而与载波所在的频率无关。
香农极限定理是在 Hartley's law 和 Nyquist rate 基础之上发展的。
信道容量可以通过增加带宽或优化信噪比 (SNR = S/N) 来增加。
实际上，该定理给出了理论上的最大值，但没有说明哪种信号概念可以让我们最接近这一极限。
实际上，SNR 是基本的限制因数。无论在现在还是未来，它都需要不断优化，因为当数据速率超过 100 Gbps 时，远距离通信需要更好的信噪比性能才能在给定带宽内达到香农极限。
香农极限（或称香农容量）指的是在信道上进行无差错传输的理论最大传输速率，是香农定理在有限带宽的信道上的理论。
利用电光效应控制光信号相位（MZ相位调制器）
在传输OOK信号时，只需要由电信号直接调制激光源（DML），得到的光信号具有二进制强度。但如果需要对相位进行调制，这类简洁的低成本方法则很难实现。构建相位调制器时，我们可以借助特定晶体（例如铌酸锂）的折射率n受局域电场强度影响的“电光效应”：n=n0+aE+bE2+…，n0为E=0时折射率，一次项为线性电光效应，称为pokels，二次为kerr效应。因此电压越高，折射率越大。n与场强有关系，那么光在晶体内的传播速度（折射率）和波长也与场强有关系。再由v=C/n，v=fλ，v为传播速度，C为光速，n为介质折射率。折射率越高，速度越慢，波长越短。因此，如果向晶体应用电压，那么穿过晶体的光波长减小，并且可以通过选择适当的电压来控制出射光的相位（参见图13）。
图 13. 施加的电压U越高，光在晶体内的传播速度就越慢，可用于控制输出光的相位
什么是Mach-Zehnder调制器？
Mach-Zehnder调制器就是电光效应的一个应用实例。将一个光束一分为二，其中一束或两束经过类似上述的相移铌酸锂元件完成相位调制。两个信号之间存在相位差ΔΦ， 该值取决于两个信号路径之间的电压差ΔU。因此，两个调制信号重新组合时，ΔU也可以确定信号是相长干涉或者相消干涉。图14的方框图显示了发射光功率与ΔU之间的周期关系。半波电压（Vπ）是功率传输相变π需要的电压，表示调制器0功率和100%输入功率传输之间的电压差。
图14.调制器发射功率与电压的周期关系，其中Vπ是0与100%功率传输之间的电压差
Mach-Zehnder调制器的相移效应也可以使用IQ图来描述。图15是一个正弦波示例，具有恒定的幅度，相对相位Φ = 0。在信号分离之后，每个分支上只有一半的功率。
① 在紫色示例中，调制器支路没有施加任何电压，因此两个支路（假设长度相等）的信号相相位保持不变Φ = 0。这样的重新组合得到的正弦波具有与之前一样的幅度。② 在红色示例中，信号在下分支上经历了π⁄2的相移，而在上分支上的经历了3π⁄2的相移。深灰色示例则与之相反。两个示例的共同点是：两个支路信号合成时，光信号相位相差π，产生相消干涉，两个矢量相加为零。因此，输出端没有信号。③ 在浅灰色示例中，调制器的电压进行了调整，使得信号在两个分支上的相位都偏移π。如果叠加这两个信号，会产生相长干涉。所生成的正弦波信号的原始振幅偏移Φ = π。
图 15. Mach-Zehnder调制器的相移、时域及IQ图示例
QPSK信号传输的MZ调制器
QPSK调制在1个符号中编码2个比特，因此传输速率比OOK快一倍。4个符号在IQ图中表现为处于同一个圆的4个星座点，这意味着我们仅在一个振幅上处理信号。这些点之间的间隔为π⁄2。在发射机中，电比特流到解多路复用器分为信号的I和Q部分。这两个部分都可以直接 通过MZ调制器对支路激光信号的相位单独进行调制。使用MZ调制器调制下方支路（Q支路）信号，实现π⁄2的相移。两个支路信号重新组合之后，得到图16下方所示的QPSK信号。
图16.用于调制QPSK信号的发射机设置
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