所有電子設(shè)計(jì)工程師和科學(xué)家都曾執(zhí)行過(guò)電氣訊號(hào)分析,簡(jiǎn)稱訊號(hào)分析。透過(guò)這項(xiàng)基本量測(cè),他們可洞察訊號(hào)細(xì)節(jié)并獲得重要的訊號(hào)特性資訊。不過(guò)訊號(hào)分析的成效,主要取決于量測(cè)儀器的效能,而頻譜分析儀與向量訊號(hào)分析儀是兩種最常用于電氣訊號(hào)分析的測(cè)試設(shè)備。
頻譜分析儀是廣為使用的多用途量測(cè)工具,可量測(cè)輸出訊號(hào)相較于頻率的大小(magnitude),以便瞭解已知和未知訊號(hào)的頻譜功率。向量訊號(hào)分析儀則可同時(shí)量測(cè)分析儀中頻(IF)頻寬之輸出訊號(hào)的大小與相位,并經(jīng)常用來(lái)對(duì)已知訊號(hào)執(zhí)行通道內(nèi)量測(cè),例如誤差向量幅度(EVM)、域碼功率,及頻譜平坦度。過(guò)去,頻譜分析儀與向量訊號(hào)分析儀是兩種各自獨(dú)立的儀器,但隨著量測(cè)技術(shù)不斷突飛勐進(jìn),量測(cè)設(shè)備商現(xiàn)在已可將它們整合于一機(jī),并通稱為頻譜分析儀。
利用這類分析儀提供的強(qiáng)大量測(cè)與分析功能,工程師可快速而全面地洞察他們開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的元件或系統(tǒng)。為了善用頻譜分析儀的各項(xiàng)功能,使用者必須瞭解其運(yùn)作方式,以全面滿足特定應(yīng)用的量測(cè)需求。
認(rèn)識(shí)頻譜分析儀的基本塬理
使用者除了需瞭解分析儀的各種功能外,還需認(rèn)識(shí)頻譜分析的基本運(yùn)作塬理。過(guò)去,示波器通常被用來(lái)執(zhí)行時(shí)域量測(cè),以便觀察電氣訊號(hào)在某一段時(shí)間內(nèi)的變化,但這樣并無(wú)法窺探訊號(hào)的全貌。為了充分掌握元件或系統(tǒng)的效能,工程師必須在頻域中分析訊號(hào),而這正是頻譜分析儀的工作。不過(guò),隨著數(shù)位技術(shù)大幅躍進(jìn),各種儀器間的分野已不再那么涇渭分明。例如,有些示波器現(xiàn)在也可執(zhí)行向量訊號(hào)分析,而訊號(hào)分析儀則開(kāi)始提供多項(xiàng)時(shí)域量測(cè)功能。雖然如此,示波器還是最適合用來(lái)執(zhí)行時(shí)域量測(cè),訊號(hào)分析儀則是最理想的頻域量測(cè)工具。
在頻域中,如果訊號(hào)涵蓋一個(gè)以上的頻率,頻譜分析儀會(huì)依照頻率將其劃分為一個(gè)一個(gè)的頻譜,并且顯示各個(gè)頻率中的訊號(hào)位準(zhǔn)。此時(shí),使用頻域量測(cè)技術(shù)有許多好處。比方說(shuō),頻譜分析儀可以清楚分辨示波器無(wú)法辨識(shí)的訊號(hào)資訊。此外,使用頻譜分析儀量測(cè)訊號(hào)時(shí),使用者可將量測(cè)頻寬調(diào)窄,以大幅減少雜訊。由于現(xiàn)在很多系統(tǒng)都是在頻域中運(yùn)作,因此儀器必須能夠在頻域中分析訊號(hào),以避免受到鄰近通道頻率的干擾。
執(zhí)行頻域量測(cè)時(shí),工程師只需一臺(tái)頻譜分析儀,便可輕易量測(cè)訊號(hào)的頻率、功率、諧波內(nèi)容、調(diào)變、突波以及雜訊。完成前述量測(cè)后,工程師便可確認(rèn)總諧波失真、佔(zhàn)用頻寬、訊號(hào)穩(wěn)定度、輸出功率、交互調(diào)變失真、功率頻寬、載波雜訊比,以及其他各種量測(cè)結(jié)果。
快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)分析儀或掃描調(diào)諧(swept-tuned)分析儀,都是執(zhí)行頻域量測(cè)(或頻譜分析)的理想工具。FFT分析儀可擷取一段時(shí)域訊號(hào),并使用數(shù)位取樣技術(shù)將訊號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)位訊號(hào),接著再執(zhí)行必要的數(shù)學(xué)運(yùn)算將其轉(zhuǎn)換為頻域訊號(hào),最后在螢?zāi)恢酗@示頻譜分布圖。此外,F(xiàn)FT分析儀提供即時(shí)訊號(hào)顯示功能,因此可擷取定期、隨機(jī)及暫態(tài)訊號(hào),并可量測(cè)訊號(hào)的相位與大小。相較之下,掃描調(diào)諧分析儀可掃描工程師亟欲觀測(cè)的整個(gè)頻率範(fàn)圍,以便檢視所有頻率中的訊號(hào)。如此一來(lái),工程師可在更寬的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍與頻率範(fàn)圍中執(zhí)行量測(cè)。掃描調(diào)諧分析儀是工程師最愛(ài)用,也是用途最廣的頻域量測(cè)工具。
不論是FFT分析儀或掃描調(diào)諧分析儀,都可用于頻譜監(jiān)測(cè)、雜波放射、純量網(wǎng)路分析,以及電磁干擾等各式各樣的量測(cè)應(yīng)用,以便量測(cè)頻率、功率調(diào)變、失真,以及雜訊等。這些分析儀支援3 Hz至325 Hz以上的頻率範(fàn)圍,動(dòng)態(tài)範(fàn)圍可達(dá)-172 dBm至+30 dBm。
剖析頻譜分析儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)
為了瞭解頻譜分析儀的運(yùn)作塬理,我們需剖析其內(nèi)部硬體結(jié)構(gòu)。圖一顯示傳統(tǒng)的掃描調(diào)諧分析儀的主要組成元件。本文稍后我們將看到,現(xiàn)代訊號(hào)分析儀已將其中的類比硬體元件,全面更換為數(shù)位電路,特別是中頻與基頻部分。雖然如此,檢視下面的方塊圖,有助于快速瞭解分析儀的基本運(yùn)作塬理。
圖一 傳統(tǒng)掃描頻譜分析儀方塊圖
上圖顯示的分析儀使用一個(gè)3埠混頻器,可將輸入訊號(hào)從某一個(gè)頻率轉(zhuǎn)移到另一個(gè)頻率。混頻器會(huì)將輸入訊號(hào)送至其中一個(gè)埠,然后將本地震盪器(LO)輸出訊號(hào)送至另一個(gè)埠。由于混頻器是非線性元件,因此在輸出端出現(xiàn)的頻率,并不會(huì)在輸入端出現(xiàn)。這些頻率是塬始輸入訊號(hào),以及兩個(gè)頻率相加與相減的訊號(hào)。這種差頻訊號(hào)又稱為IF訊號(hào)。
此外,上圖顯示的IF濾波器是帶通濾波器,可作為偵測(cè)訊號(hào)的「視窗」。使用者可直接在分析儀面板上變更分析頻寬(RBW)。此分析儀提供多種可變的RBW設(shè)定,因此使用者可在不同的掃描與訊號(hào)狀況下獲得最佳量測(cè)結(jié)果,并且獲致出色的頻率選擇性(selectivity)、訊號(hào)雜訊比(SNR),以及量測(cè)速度。一般而言,將RBW調(diào)窄,有助于提昇選擇性與SNR特性,因而可觀察到更細(xì)微的頻率分布,但掃描速度與軌跡更新率會(huì)因而下滑。最佳的RBW設(shè)定與訊號(hào)特性息息相關(guān)。
檢波器可將分析儀的IF訊號(hào)轉(zhuǎn)換為基頻或視訊訊號(hào),以便進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)為可在LCD螢?zāi)簧蠙z視的數(shù)位訊號(hào)。藉由搭配使用波封檢波器(envelope detector)與類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC),使用者可將視訊輸出訊號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)位訊號(hào),并且在分析儀顯示器的Y軸上呈現(xiàn)訊號(hào)大小。
使用者可選擇多種不同的檢波器模式,以便清晰顯示量測(cè)訊號(hào)。在分析正弦波時(shí),工程師通常使用正偵測(cè)模式(positive detection mode),在一段時(shí)間的曲線顯示點(diǎn)上呈現(xiàn)最大訊號(hào),這種模式又稱為分段顯示(display bucket)或是bin。此外,負(fù)偵測(cè)模式(negative detection mode)可顯示最小訊號(hào);而取樣偵測(cè)模式(sample detection mode)則可顯示每一個(gè)bin之時(shí)間間隔中點(diǎn)的訊號(hào)大小。
如需同時(shí)顯示訊號(hào)與雜訊的話,正常(Rosenfell)模式是最理想的偵測(cè)模式,因?yàn)檫@個(gè)「智慧型」偵測(cè)模式會(huì)隨著輸入訊號(hào)的不同而動(dòng)態(tài)地改變偵測(cè)方式。如果訊號(hào)在分段持續(xù)過(guò)程中上升又下降,則可假設(shè)此訊號(hào)為雜訊,因而輪流使用正、負(fù)偵測(cè)模式。如果過(guò)程中訊號(hào)一直上升,則推斷其為正常訊號(hào),并使用正峰值偵測(cè)模式。
使用者可用平均偵測(cè)與視訊濾波等方式,將波封偵測(cè)振幅(envelope-detected amplitude)的變異進(jìn)行平滑處理。平均偵測(cè)使用在bin時(shí)間間隔中收集到的所有資料來(lái)進(jìn)行平滑處理。這項(xiàng)功能可有效地量測(cè)數(shù)位調(diào)變訊號(hào)中的雜訊或類雜訊訊號(hào)。工程師通常使用真均方根(RMS)檢波器來(lái)執(zhí)行功率平均偵測(cè),例如量測(cè)復(fù)雜訊號(hào)的功率。
視訊濾波器是位在波封檢波器之后,類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器之前的低通濾波器。這項(xiàng)元件可確認(rèn)視訊放大器的頻寬,并可用來(lái)將螢?zāi)伙@示的曲線平均化或平滑化。藉由改變視訊頻寬(VBW)設(shè)定,您可降低頻譜分析儀雜訊的峰值對(duì)峰值(peak-to-peak)變異,因此可以輕易發(fā)現(xiàn)被雜訊掩蓋掉的訊號(hào)。
您還可使用視訊平均與曲線平均功能,將波封偵測(cè)振幅的變異平滑化。利用視訊平均處理功能將視訊濾波器的截止頻率降低,那么視訊系統(tǒng)便不會(huì)再隨著通過(guò)IF頻率之波封訊號(hào),產(chǎn)生快速的變異。分析儀能夠產(chǎn)生的平滑度,由VBW對(duì)RBW的比值決定。當(dāng)比率為0.01以下,可提供更佳的平滑效果。
曲線平均功能可逐點(diǎn)平均兩個(gè)或多個(gè)頻率掃描,并將每個(gè)顯示點(diǎn)上的新值,與已經(jīng)平均過(guò)的資料再重新進(jìn)行平均處理,最后顯示的曲線會(huì)逐漸與多個(gè)掃描之平均曲線融合。曲線平均處理不會(huì)影響掃描時(shí)間。
認(rèn)識(shí)頻譜分析儀的規(guī)格
使用頻譜分析儀之前,請(qǐng)先瞭解其規(guī)格,確保該儀器能提供您需要的量測(cè)效能。確認(rèn)了規(guī)格后,您便可預(yù)測(cè)分析儀在特定量測(cè)狀況下的執(zhí)行效能,以及量測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。下面介紹主要的頻譜分析儀規(guī)格:
˙頻率範(fàn)圍
頻率範(fàn)圍是分析儀量測(cè)某一段頻率的範(fàn)圍。請(qǐng)確認(rèn)您的頻譜分析儀涵蓋量測(cè)應(yīng)用所需的基本頻率範(fàn)圍,并且確認(rèn)儀器是否支援高頻的諧波或突波訊號(hào),或是低頻的基頻與中頻(IF)訊號(hào)。
˙頻率準(zhǔn)確度
˙頻率範(fàn)圍
頻率範(fàn)圍是分析儀量測(cè)某一段頻率的範(fàn)圍。請(qǐng)確認(rèn)您的頻譜分析儀涵蓋量測(cè)應(yīng)用所需的基本頻率範(fàn)圍,并且確認(rèn)儀器是否支援高頻的諧波或突波訊號(hào),或是低頻的基頻與中頻(IF)訊號(hào)。
˙頻率準(zhǔn)確度
˙解析度
頻譜分析儀的解析度,是指儀器分辨兩個(gè)一樣大小之相鄰訊號(hào)的能力。當(dāng)RBW愈寬,就愈難分辨兩個(gè)相鄰的訊號(hào)。RBW濾波器的頻寬大小,關(guān)係著分析儀是否能夠分辨兩個(gè)等幅訊號(hào),例如濾波器頻寬如為3-dB,則兩個(gè)訊號(hào)之間的間隔必須大于或等于3-dB。
圖二 在此雙音調(diào)(two-tone)測(cè)試中,兩個(gè)相鄰的訊號(hào)間隔10 kHz。
??????? 當(dāng)RBW=10-kHz時(shí),要分辨兩個(gè)大小一樣的訊號(hào)并不難,但所產(chǎn)生的失真可能會(huì)被掩蓋掉。如果RBW為3-kHz,選擇性為15:1,就很容易出現(xiàn)這樣的問(wèn)題。在此案例中,量測(cè)所需的RBW為1 kHz,則兩個(gè)大小差距60 dB的訊號(hào),彼此間至少須間隔30-dB頻寬,才能夠分辨出較小的訊號(hào)
好在工程師所分析的訊號(hào)大小通常都不一樣。由于兩個(gè)訊號(hào)會(huì)同時(shí)描繪(trace out)濾波器形狀(filter shape),因此較小的訊號(hào)可能會(huì)被掩蓋在較大訊號(hào)的濾波器邊緣。當(dāng)訊號(hào)大小的差異愈大,出現(xiàn)這種情形的可能性就愈高,如圖二所示。
RBW選擇性即濾波器形狀,它和相位雜訊,是決定兩個(gè)不同大小之相鄰訊號(hào),是否可被清楚分辨的重要因素。將RBW設(shè)得愈窄,頻譜分析儀的解析度就愈高,但這樣卻會(huì)拉長(zhǎng)整體頻率掃描時(shí)間,因?yàn)镽BW濾波器需要一段時(shí)間來(lái)達(dá)到完全響應(yīng)。具有自動(dòng)耦合掃描時(shí)間的頻譜分析儀,可依據(jù)選定的頻距、RBW和VBW,來(lái)自動(dòng)選擇所允許的最快掃描時(shí)間。此外,不同的頻譜分析儀,其掃描速度也各不相同。
˙靈敏度
接收器的靈敏度代表儀器在某些測(cè)試環(huán)境下能夠接收微小訊號(hào)的能力。所有接收器(包括頻譜分析儀)多多少少都會(huì)有一些內(nèi)部產(chǎn)生的雜訊,而頻譜分析儀的靈敏度以RBW設(shè)為最低時(shí)之顯示平均雜訊位準(zhǔn)(DANL)來(lái)表示,單位為dBm。
DANL亦即儀器在特定頻寬下的雜訊位準(zhǔn)。如果輸入訊號(hào)低于雜訊位準(zhǔn)時(shí),我們就無(wú)法用頻譜分析儀量這個(gè)微小訊號(hào)。一般而言,頻譜分析儀的靈敏度約在-135 dBm到-165 dBm之間。如欲獲得最佳靈敏度,請(qǐng)將RBW設(shè)為最低、充分進(jìn)行平均處理、將射頻輸入衰減設(shè)到最小,并且使用前置放大器。不過(guò)提高頻譜分析儀的靈敏度,可能會(huì)與降到失真或是增加動(dòng)態(tài)範(fàn)圍等其他量測(cè)需求相衝突。
˙失真
叁階交互調(diào)變與諧波失真等失真量測(cè)是慣用的元件特性分析方法,但需注意頻譜分析儀本身也會(huì)產(chǎn)生失真,因而導(dǎo)致量測(cè)誤差。如果頻譜分析儀內(nèi)部失真的程度與DUT之外部失真不相上下,量測(cè)誤差便會(huì)增加。在最糟狀況下,內(nèi)部失真可能會(huì)完全蓋過(guò)DUT的失真。儀器製造商可直接設(shè)定頻譜分析儀的失真程度,或是與動(dòng)態(tài)範(fàn)圍規(guī)格整併在一起。
圖叁 二階失真會(huì)以基礎(chǔ)訊號(hào)增量的平方增加,而叁階失真則以立方增加。
??????? 叁階截?cái)帱c(diǎn)(TOI)是評(píng)量頻譜分析儀是否能夠處理大訊號(hào)而且不會(huì)失真的指標(biāo)。TOI較高的分析儀,通常可以提供絕佳動(dòng)態(tài)範(fàn)圍與準(zhǔn)確度,以便量測(cè)失真與雜訊
在進(jìn)行量測(cè)之前,使用者須先確認(rèn)分析儀產(chǎn)生的失真是否會(huì)影響量測(cè)結(jié)果。例如,在執(zhí)行雙音調(diào)測(cè)試時(shí),指定儀器的失真產(chǎn)物(叁階失真)大于50 dB,而二階失真(諧波失真)大于40 dB。這些數(shù)值可作為分析儀必備的最低規(guī)格。為減少內(nèi)部失真所導(dǎo)致的量測(cè)誤差,內(nèi)部失真必須比測(cè)試規(guī)格小很多。
圖叁顯示非線性元件的失真。為了確認(rèn)失真到底是由分析儀內(nèi)部所產(chǎn)生,亦或是DUT所導(dǎo)致,我們需進(jìn)行衰減測(cè)試。首先將射頻輸入訊號(hào)衰減10dB,如果螢?zāi)恢惺д娈a(chǎn)物的大小沒(méi)變,那就可確定是DUT所產(chǎn)生的失真。但如果螢?zāi)伙@示的訊號(hào)大小改變了,那么失真可能有一部分是訊號(hào)分析儀內(nèi)部所產(chǎn)生的,而非完全是DUT所致。
˙動(dòng)態(tài)范圍
頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍是指在一次量測(cè)中可測(cè)得的最大與最小訊號(hào)的差值,因而可量測(cè)到更小的不確定性,如圖四所示。動(dòng)態(tài)範(fàn)圍的單位為dB。分析儀的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍是指可以可靠地執(zhí)行訊號(hào)量測(cè)的範(fàn)圍。動(dòng)態(tài)範(fàn)圍經(jīng)常被誤解與誤判,因?yàn)閮x器的顯示範(fàn)圍、量測(cè)範(fàn)圍、雜訊位準(zhǔn)、相位雜訊,以及突波響應(yīng),都對(duì)于動(dòng)態(tài)範(fàn)圍影響甚鉅,如圖五所示。
圖四 您可用圖形方式呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)範(fàn)圍。
??????
??????? 本圖顯示在同一動(dòng)態(tài)範(fàn)圍圖中的訊號(hào)對(duì)雜訊(signal-to-noise)和訊號(hào)對(duì)失真(signal-to-distortion)曲線。當(dāng)不同曲線相交時(shí),亦即內(nèi)部產(chǎn)生的失真位準(zhǔn)等于顯示平均雜訊位準(zhǔn)(DANL),則動(dòng)態(tài)範(fàn)圍最大。這一點(diǎn)同時(shí)也是最大混頻器位準(zhǔn)。
為了獲得最佳的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍,請(qǐng)選擇具備最佳靈敏度的分析儀,亦即具有最窄RBW、最小輸入衰減,并徹底執(zhí)行平均處理的機(jī)型。請(qǐng)持續(xù)衰減輸入訊號(hào)并查看訊號(hào)大小是否改變,以確認(rèn)分析儀的失真情形。接著,請(qǐng)?jiān)诓桓淖冇嵦?hào)大小的狀況下將衰減器設(shè)為最低。
圖五 圖中顯示各個(gè)動(dòng)態(tài)範(fàn)圍的定義,
藉此工程師可得知道哪一種動(dòng)態(tài)範(fàn)圍最適合哪一個(gè)特定應(yīng)用
現(xiàn)代訊號(hào)分析儀
傳統(tǒng)的頻譜分析儀無(wú)法因應(yīng)現(xiàn)代數(shù)位調(diào)變無(wú)線系統(tǒng)的測(cè)試需求,而新型分析儀的問(wèn)市,則滿足了
這類系統(tǒng)的通道功率測(cè)試、解調(diào)變量測(cè)等新型態(tài)測(cè)試需求。此外,新式頻譜分析儀擁有齊備的功
能,可支援更廣泛的標(biāo)準(zhǔn)與特性,例如出色的振幅準(zhǔn)確度、頻距和頻率準(zhǔn)確度、修正係數(shù),以及
限制線(limit line)、測(cè)試余裕,及通過(guò)/不通過(guò)指示等等,因此可有效執(zhí)行前述測(cè)試。有些機(jī)型甚至
提供即時(shí)訊號(hào)擷取功能,以便在一段時(shí)間內(nèi),擷取與某一訊號(hào)相關(guān)之所有資訊。
圖六 現(xiàn)代頻譜分析儀之基本架構(gòu)方塊圖,本圖為Agilent X 系列訊號(hào)分析儀之方塊圖
相較于傳統(tǒng)的頻譜分析儀,新型分析儀配備各種不同的元件,并且重新安排了功能模組,并且將ADC的位置移到處理流程的前端,如圖六所示。新型分析儀的全數(shù)位化IF濾波器可用嶄新方式處理訊號(hào),進(jìn)而大幅提昇準(zhǔn)確度、動(dòng)態(tài)範(fàn)圍及速度。
其內(nèi)建的數(shù)位訊號(hào)處理器(DSP)讓分析儀能夠量測(cè)日益復(fù)雜的訊號(hào),同時(shí)也進(jìn)一步增加動(dòng)態(tài)範(fàn)圍與準(zhǔn)確度,并且加快掃描速度。在需要更大動(dòng)態(tài)範(fàn)圍時(shí),可透過(guò)掃描分析模式處理訊號(hào),但如需在窄小頻寬中快速進(jìn)行掃描的話,則可使用FFT分析模式處理訊號(hào)。
更重要的是,新型頻譜分析儀提供內(nèi)建的單鍵式功率量測(cè)功能,包含佔(zhàn)用頻寬、通道功率,以及相鄰?fù)ǖ拦β实攘繙y(cè)功能,并支援適合不同特定應(yīng)用的量測(cè)軟體,因此可針對(duì)一般測(cè)試應(yīng)用提供單鍵式量測(cè)、靈活地進(jìn)行數(shù)位調(diào)變分析,并且提供功率與數(shù)位調(diào)變量測(cè)功能,以滿足無(wú)線通訊應(yīng)用的量測(cè)需求。
這類新機(jī)型還增強(qiáng)了顯示功能,例如聲譜圖(spectrogram)功能可分析隨時(shí)間變化的訊號(hào)頻譜,而軌跡縮放功能讓使用者能輕易放大觀察軌跡資料。I/Q基頻輸入有助于彌補(bǔ)基頻與射頻訊號(hào)間的差距,如圖七所示。此外,新型頻譜分析儀提供寬頻訊號(hào)分析能力,非常適合用于頻寬高達(dá)幾百M(fèi)Hz的高速航太與國(guó)防、新興通訊和蜂巢式行動(dòng)通訊應(yīng)用。
圖七 Agilent PXA和MXA分析儀提供選配的I/Q基頻輸入以及標(biāo)配的500 MSa深度擷取記憶體
結(jié)語(yǔ)
訊號(hào)分析儀是量測(cè)與分析各種元件與系統(tǒng)之特性的絕佳工具。如欲善用訊號(hào)分析儀來(lái)準(zhǔn)確量測(cè)訊號(hào)并且適當(dāng)?shù)亟庾x與分析量測(cè)結(jié)果,您需對(duì)其運(yùn)作塬理與特性有基本的認(rèn)識(shí)。
評(píng)論
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