朱紅 康驪 張愛兵

（1 空間電子信息技術(shù)研究院，西安 710100）

（2 北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191）

1 引言

數(shù)據(jù)處理與傳輸系統(tǒng)（簡稱數(shù)傳系統(tǒng)）是遙感衛(wèi)星上的重要有效載荷，承載著遙感數(shù)據(jù)的星地傳輸任務(wù)，其工作流程主要是從星上遙感載荷獲取到觀測數(shù)據(jù)開始，經(jīng)壓縮編碼、數(shù)傳合路、信道編碼、調(diào)制、功率放大、空間輻射、射頻接收、解調(diào)、譯碼等一系列處理，到最終恢復(fù)出遙感數(shù)據(jù)。

數(shù)傳合路技術(shù)是數(shù)傳中的一項關(guān)鍵技術(shù)，其方案設(shè)計遵循空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）制訂的高級在軌系統(tǒng)（Advanced Orbiting Systems，AOS）［1-5］標(biāo)準(zhǔn)，主要技術(shù)特征是采用虛擬信道（Virtual Channel，VC）機(jī)制，對輸入的多路載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的打包和標(biāo)識，形成等長的虛擬信道數(shù)據(jù)單元（Virtual Channel Data Unit，VCDU），使用虛擬信道動態(tài)調(diào)度策略［6］完成VCDU 的復(fù)接［7-8］，實現(xiàn)多用戶數(shù)據(jù)在同一空間物理信道上的共享傳輸。由于各路虛擬信道數(shù)據(jù)的特性不同，需要在入口端設(shè)置獨立的數(shù)據(jù)緩存，以適應(yīng)與虛擬信道調(diào)度過程的不同步。

2 遙感數(shù)傳設(shè)計

2．1 數(shù)據(jù)接口設(shè)計

某遙感衛(wèi)星的高分辨率相機(jī)輸出8路電荷耦合器件（CCD）的圖像數(shù)據(jù)（CCD1～CCD8），相機(jī)采用推掃方式成像，圖像數(shù)據(jù)按行送出，每行包括圖像輔助數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，其中圖像輔助數(shù)據(jù)不壓縮。相機(jī)／數(shù)傳之間的數(shù)據(jù)接口如圖1所示。相機(jī)圖像數(shù)據(jù)通過壓縮編碼處理后形成壓縮碼流，再通過數(shù)傳合路單元處理后形成兩路組幀數(shù)據(jù)流，送空間物理信道下傳。數(shù)傳采用四相相移鍵控（QPSK）調(diào)制方式，于是兩路組幀數(shù)據(jù)流分別作為QPSK 調(diào)制器的I路輸入數(shù)據(jù)（In-phase，同相分量）和Q 路輸入數(shù)據(jù)（Quadrature，正交分量）。

圖1 相機(jī)／數(shù)傳之間數(shù)據(jù)接口Fig．1 Data interface between camera and data transmission system

壓縮編碼器的每個模塊獨立接收和處理1 路CCD 圖像，采用條帶壓縮方式和基于小波的分層樹集合分裂編碼（Set Partitioning in Hierarchical Trees，SPIHT）［10］壓縮算法，將數(shù)據(jù)率降低到數(shù)傳帶寬范圍內(nèi)，同時減小誤碼擴(kuò)散影響，并確保重建圖像質(zhì)量滿足任務(wù)需求。為抵御信道誤碼，確保數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，對圖像壓縮數(shù)據(jù)采用RS（255，243）糾錯編碼，并同圖像輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，形成壓縮碼流后輸出，輸出數(shù)據(jù)信號時序如圖2所示。圖2中，參數(shù)T、Tz、Tn表示門控信號的周期、正程長度、逆程長度，單位均為ms。參數(shù)xd和zd均表示局部的有效數(shù)據(jù)傳輸長度，參數(shù)yd表示間歇期長度，參數(shù)nd表示yd和zd的重復(fù)次數(shù)，xd、yd、zd的單位均為byte。在正程區(qū)域內(nèi)傳輸有效數(shù)據(jù)（有效數(shù)據(jù)量＝xd＋nd·zd），逆程為空閑期。各參數(shù)取值為T＝17．7、Tz＝14．633 5、Tn＝3．066 5、xd＝2048，yd＝384，zd＝255，nd＝180。

圖2 壓縮編碼器輸出數(shù)據(jù)信號時序Fig．2 Output data signal timing of compression encoder

數(shù)傳合路單元接收多路壓縮碼流，采用CCSDS AOS標(biāo)準(zhǔn)編碼技術(shù)完成多路高速復(fù)接，整合成碼速率恒定的I、Q 路組幀數(shù)據(jù)流，送入星地物理信道傳輸。按照CCSDS 協(xié)議分層模型，壓縮碼流數(shù)據(jù)屬于空間鏈路層（Space Link Sub-network，SLS）中的非定界位流數(shù)據(jù)（Bit streaming）。SLS層又劃分為兩個子層：虛擬信道鏈路控制子層（Virtual Channel Link Control sublayer，VCLC）和虛擬信道訪問子層（Virtual Channel Access sublayer，VCA）。VCLC子層完成載荷及其壓縮數(shù)據(jù)位流的組織；VCA 子層完成虛擬信道的復(fù)用和組幀。數(shù)傳合路單元處于SLS 層與空間物理信道（space physical channel）之間，采用位流協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Bitstream Protocol Data Unit，B-PDU）組織數(shù)據(jù)幀。

2．2 傳輸幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

使用統(tǒng)一的傳輸幀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多路壓縮碼流的共享信道傳輸，首先將輸入的壓縮碼流數(shù)據(jù)放入BPDU 數(shù)據(jù)域形成B-PDU 數(shù)據(jù)單元，對B-PDU 數(shù)據(jù)單元分配虛擬信道形成VCDU 數(shù)據(jù)單元，對VCDU數(shù)據(jù)單元進(jìn)行高速復(fù)接和組幀，對幀格式的重要區(qū)域進(jìn)行RS糾錯編碼，填入RS校驗信息形成編碼虛擬信道單元（Coded Virtual Channel Data Unit，CVCDU），再經(jīng)偽隨機(jī)化和添加同步碼，最終形成信道訪問數(shù)據(jù)單元（Channel Access Data Unit，CADU）下行傳輸幀。CADU 傳輸幀的幀長度和BPDU 位流數(shù)據(jù)區(qū)長度是數(shù)傳碼速率設(shè)計所需的兩個重要控制參數(shù)。

2．3 數(shù)傳碼速率設(shè)計

確定傳輸幀結(jié)構(gòu)后需要進(jìn)一步確定虛擬信道數(shù)據(jù)對傳輸帶寬的需求，并以此為依據(jù)設(shè)計一個固定的數(shù)傳碼速率，以適應(yīng)空間物理信道傳輸和地面接收端同步處理需要。采用式（1），可算出單路CCD圖像數(shù)據(jù)傳輸所需的碼速率ri（Mbit／s）

式中：i表示CCD的序號；x1i，x2i表示CCD圖像行周期（ms）、每行包含的輔助數(shù)據(jù)量（bit）；y1i，y4i表示壓縮條帶包含的行數(shù)、條帶壓縮包格式開銷（bit）；m，n表示對條帶壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行RS糾錯編碼采用的分組長度（byte）、信源長度（byte）；z1，z2表示CADU 傳輸幀的幀長度（byte）、B-PDU 位流數(shù)據(jù)區(qū)長度（byte）；中間變量Xi表示對單個條帶進(jìn)行圖像壓縮后所得的數(shù)據(jù)量（bit）；函數(shù)C（x）表示將變量x向上舍入為最接近的整數(shù)。采用式（2），可算出Xi

式中：x3i，x4i表示每行包含的像元數(shù)量、像元量化位數(shù)（bit）；y2i，y3i表示數(shù)據(jù)壓縮比、壓縮數(shù)據(jù)量浮動率；函數(shù)C（x）表示將變量x向上舍入為最接近的整數(shù)。

式（1）、（2）中，參數(shù)取值為x1i＝0．276 562 5，x2i＝256，x3i＝4096，x4i＝8，y1i＝64，y2i＝6，y3i＝0，y4i＝16，m＝255，n＝243，z1＝1066，z2＝1024。代入式（1）可得ri＝22．645 Mbit／s，于是8 路CCD 圖像數(shù)據(jù)傳輸所需的數(shù)傳碼速率r＝8·ri＝181．16 Mbit／s。數(shù)傳碼速率R設(shè)計為190Mbit／s，設(shè)計余量為R-r＝8．84Mbit／s，設(shè)計裕度為（R-r）／R＝4．65%。設(shè)計裕度是以在數(shù)傳組幀數(shù)據(jù)流中插入填充幀的形式表現(xiàn)出來的，它在數(shù)值上同填充幀率的統(tǒng)計平均值相當(dāng)。

3）迭代運算單元內(nèi)部邏輯折疊共享：由算法流程可知，符號判決之后需要進(jìn)行加或減操作，設(shè)計中即使采用寄存器共享也需要6個加法器來實現(xiàn)算法，然而通過分析可以發(fā)現(xiàn)：同一時刻僅有3個加法器處于工作狀態(tài)，這樣可以復(fù)用加法器來減少邏輯資源，如圖3所示。

2．4 數(shù)傳合路方案設(shè)計

在數(shù)傳合路處理前，首先對各路虛擬信道數(shù)據(jù)進(jìn)行獨立的緩沖存儲。緩存的容量用位寬和深度度量，位寬指一次讀／寫操作的比特位數(shù)，深度指最多可存儲多少個數(shù)據(jù)位寬的數(shù)據(jù)量。只要確定了虛擬信道數(shù)據(jù)傳輸對相應(yīng)緩存深度的需求值，就等于確定了對緩存容量的需求值。緩存的數(shù)據(jù)位寬為8bit，因此先將壓縮碼流數(shù)據(jù)位寬由2bit轉(zhuǎn)換成8bit后再存入緩存。緩存的輸入、輸出端分別使用異步時鐘（時鐘頻率為32 MHz）、同步時鐘（時鐘頻率為95 MHz）控制模式。各路虛擬信道輸入信號中的有效數(shù)據(jù)獨立寫入相應(yīng)的緩存，輸出端在同步時鐘驅(qū)動下利用幀格式同步計數(shù)器作為狀態(tài)機(jī)，以計數(shù)值為同步控制信號完成緩存狀態(tài)判斷、虛擬信道傳輸時隙分配、緩存數(shù)據(jù)讀取，以及CADU 組幀等一系列操作。對8路CCD 壓縮碼流進(jìn)行數(shù)傳合路處理時，本文設(shè)計了兩種備選方案。為便于表述，各路CCD 及其虛擬信道（VC）的對應(yīng)關(guān)系約定為CCDk→VCk（k為整數(shù)，1≤k≤8）。

第一種數(shù)傳合路方案如圖3所示，各路CCD 壓縮碼流數(shù)據(jù)經(jīng)位寬轉(zhuǎn)換后，送入相應(yīng)的先進(jìn)先出數(shù)據(jù)緩存器（FIFO）進(jìn)行緩存，然后在虛擬信道調(diào)度管理程序的控制下，將VC1～VC8數(shù)據(jù)同時數(shù)傳合路到I幀和Q 幀中。每從某路緩存讀出8bit數(shù)據(jù)后，就將其拆分為高4bit和低4bit，高4bit嵌入到I幀傳輸，低4bit嵌入到Q 幀傳輸。于是在任意一個傳輸幀時隙，同步的I幀和Q 幀均傳輸了同一個虛擬信道的數(shù)據(jù)，且分別包含了該虛擬信道的一半數(shù)據(jù)量。

圖3 第一種數(shù)傳合路設(shè)計方案Fig．3 First multiplexing scheme

第二種數(shù)傳合路方案如圖4所示，各路CCD 壓縮碼流數(shù)據(jù)經(jīng)位寬轉(zhuǎn)換后，送入相應(yīng)的FIFO 進(jìn)行緩存，然后在虛擬信道調(diào)度管理程序的控制下，將VC1～VC4數(shù)據(jù)數(shù)傳合路到I幀，每從VC1～VC4中的某路緩存讀出8bit數(shù)據(jù)后，不做拆分，直接嵌入到I幀傳輸。將VC5～VC8數(shù)據(jù)數(shù)傳合路到Q 幀，每從VC5～VC8中的某路緩存讀出8bit數(shù)據(jù)后，不做拆分，直接嵌入到Q 幀傳輸。于是在任意一個傳輸幀時隙，同步的I幀和Q 幀傳輸?shù)奶摂M信道不同（不算保留的填充幀）。以下對數(shù)傳合路方案的緩存需求進(jìn)行定性分析。

圖4 第二種數(shù)傳合路設(shè)計方案Fig．4 Second multiplexing scheme

為緩解緩存中數(shù)據(jù)的大量積壓，數(shù)傳合路方案采用了基于剩余量優(yōu)先的虛擬信道調(diào)度策略，即對緩存數(shù)據(jù)存取深度取最大值的虛擬信道進(jìn)行優(yōu)先處理。為便于簡潔地描述和分析緩存數(shù)據(jù)存取深度的動態(tài)變化情況，引入變量Dk（t）、Mk（t）、Dk、Tk。Dk（t）表示在t時刻，第k路虛擬信道緩存的動態(tài)存取深度；Mk（t）表示Dk（t）在≤t歷史中的最大值；Dk為Mk（t）的全局最大值，即第k路虛擬信道數(shù)據(jù)傳輸對緩存深度的最小需求值；Tk表示Mk（t）到達(dá)Dk的時刻。Dk（t）的更新過程為：如果在t時刻寫入1個位寬數(shù)據(jù)，Dk（t）值就加1；如果在t時刻讀出1個位寬數(shù)據(jù)，Dk（t）就減1。虛擬信道數(shù)據(jù)是間歇式寫入緩存的，且寫入的平均速率顯著小于突發(fā)讀出數(shù)據(jù)率。因此，隨著時間的推移，Dk（t）～t關(guān)系呈周期性漲落特性。Mk（t）的更新過程為，在每幀的起始時刻t＝n·tF（n為正整數(shù)，tF表示CADU 傳輸幀的一幀持續(xù)時間）進(jìn)行判斷，如果Dk（t）＞Mk（t），則Mk（t）＝Dk（t），否則Mk（t）值保持不變。隨著時間的推移，Mk（t）～t關(guān)系呈階梯遞增特性。如果數(shù)傳碼速率設(shè)計值R保證了一定的設(shè)計余量，則必定存在一個時刻Tk，使得在該時刻之后緩存的讀／寫操作過程進(jìn)入動態(tài)平衡狀態(tài)，即當(dāng)t＝Tk時，Mk（t）進(jìn)行了最后一次更新，更新后的值為Dk，而當(dāng)t＞Tk時Mk（t）保持Dk值不變。

在每幀的起始時刻，檢測虛擬信道緩存的動態(tài)存取深度Dk（t）值，選擇存取深度取最大值的緩存判斷是否還滿足Dk（t）≥2·z2（數(shù)傳合路方案1）或者Dk（t）≥z2（數(shù)傳合路方案2）的條件，如果滿足，則當(dāng)前幀就傳輸該虛擬信道數(shù)據(jù)，否則就插入填充幀虛擬信道（在接收端剔除），以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。采用數(shù)傳合路方案1時，在每幀的起始時刻，需要檢測8個虛擬信道，雖然訪問特定的虛擬信道緩存一次可能就會讀出2·z2數(shù)據(jù)量，但平均來講，對該虛擬信道緩存的重訪周期需要8幀時間，在此過程中，數(shù)據(jù)寫入過程不會停止，因此，在較長的重訪周期內(nèi)緩存中的數(shù)據(jù)會積壓較多，對緩存容量的需求也就較高。而采用數(shù)傳合路方案2時，在每幀的起始時刻只需要檢測4個虛擬信道，雖然訪問特定的虛擬信道緩存一次只可能讀出z2數(shù)據(jù)量，但平均來講，對該虛擬信道緩存的重訪周期縮短到4幀時間，因此，在較短的重訪周期內(nèi)緩存中的數(shù)據(jù)積壓會較少，對緩存容量的需求也就較低，定量的結(jié)果需要對數(shù)傳合路方案進(jìn)行動態(tài)仿真分析才能獲得。

3 數(shù)傳合路處理的動態(tài)仿真分析

3．1 仿真分析流程

本文采用動態(tài)仿真分析方法對數(shù)傳合路方案的緩存需求進(jìn)行快速、定量的評估。仿真分析流程如圖5所示。在仿真分析的過程中，使用寫時隙表示寫時鐘，使用讀時隙表示讀時鐘。各路緩存的寫時隙相互獨立，每路平均寫入速率為21．67 Mbit／s。讀時隙對同一組緩存共用。采用數(shù)傳合路方案1時，虛擬信道VC1～VC8使用同一讀時隙，突發(fā)讀出速率為190Mbit／s；采用數(shù)傳合路方案2時，虛擬信道VC1～VC4使用同一讀時隙，虛擬信道VC5～VC8使用同一讀時隙，突發(fā)讀出速率均為95 Mbit／s。對于寫操作過程，在寫時隙如果有輸入數(shù)據(jù)，就寫入緩存，并對Dk（t）值進(jìn)行相應(yīng)的增量更新。對于讀操作過程，在每幀的起始時刻，檢測各路緩存的Dk（t）值并進(jìn)行判斷，只有當(dāng)滿足判決條件時，才會啟動對緩存的突發(fā)讀操作過程，同時對Dk（t）值進(jìn)行相應(yīng)的減量更新。在程序運行過程中，實時監(jiān)測Mk（t）變量的數(shù)值變化情況，當(dāng)Mk（t）數(shù)值遞增到一個穩(wěn)定狀態(tài)（即數(shù)值不再變化）時，表示處理過程已達(dá)到平衡狀態(tài)，此時可以停止程序運行，獲取仿真結(jié)果并進(jìn)行分析。

圖5 數(shù)傳合路處理的仿真分析流程Fig．5 Flow chart of multiplexing simulation

3．2 仿真結(jié)果及分析

3．2．1 虛擬信道分布仿真結(jié)果

在I、Q 路組幀數(shù)據(jù)流中，虛擬信道隨時間分布的仿真結(jié)果如圖6所示。采用數(shù)傳合路方案1時，縱軸表示的是虛擬信道VC1～VC8的序號。采用數(shù)傳合路方案2時，只給出了I幀的虛擬信道分布結(jié)果（Q 幀的虛擬信道分布結(jié)果同I幀類似），縱軸表示的是虛擬信道VC1～VC4的序號。填充幀的虛擬信道序號為0。從仿真結(jié)果數(shù)據(jù)分析，采用數(shù)傳合路方案1時的虛擬信道重訪周期平均為0．718 1ms，等于8幀時間（每幀時長約為89．77μs）；采用數(shù)傳合路方案2時的虛擬信道重訪周期平均為0．359 1ms，等于4幀時間。較小的重訪周期有利于緩解緩存中數(shù)據(jù)的積壓程度，從這層意義上講，數(shù)傳合路方案2對緩存容量的需求會較低一些。

圖6 虛擬信道在組幀數(shù)據(jù)流中的分布Fig．6 Virtual channel distribution in frame streams

3．2．2 填充幀比率仿真結(jié)果

在I、Q 路組幀數(shù)據(jù)流中，填充幀比率的仿真結(jié)果如圖7、圖8所示（分別表示了0～100ms、100～400ms時間段中的填充幀比率變化情況）。從仿真結(jié)果可以看出，隨著時間的推移，兩種數(shù)傳合路方案的填充幀比率均逐漸收斂于一個統(tǒng)計平均值5%。該值同數(shù)傳碼速率設(shè)計裕度計算值4．65%比較吻合，較小的誤差是因為計算值附加了一定的余量。

圖7 填充幀比率隨時間的變化情況（0～100ms）Fig．7 Filled frame ratio variation with time（0～100ms）

圖8 填充幀比率隨時間的變化情況（100～400ms）Fig．8 Filled frame ratio variation with time（100～400ms）

從仿真結(jié)果還可以看出，在同一時刻，數(shù)傳合路方案1的填充幀比率明顯更大一些。這是因為，采用該方案時，虛擬信道重訪周期更長，且在啟動突發(fā)讀操作前對虛擬信道緩存存取深度的判決指標(biāo)更高，造成緩存的數(shù)據(jù)存取深度不能及時滿足預(yù)定的判決條件，也就未能及時觸發(fā)突發(fā)讀操作過程，因此，只能插入更多的填充幀以保持?jǐn)?shù)傳幀的連續(xù)性。填充幀比率較大，則信道利用率較低，虛擬信道緩存中累積的數(shù)據(jù)量也會更多，對緩存存取深度的需求就相應(yīng)較高。因此，從信道利用率以及對緩存存取深度的需求角度看，采用數(shù)傳合路方案2更合理一些。再從統(tǒng)計特性上看，數(shù)傳合路方案1填充幀比率波動較大，收斂較慢，均方差為0．022；而數(shù)傳合路方案2填充幀比率波動就較小，收斂較快，均方差為0．018，說明其處理過程能更快地進(jìn)入到平穩(wěn)狀態(tài)。

3．2．3 緩存存取深度仿真結(jié)果

通過對緩存存取深度的動態(tài)仿真分析，發(fā)現(xiàn)采用兩種數(shù)傳合路方案時，均是虛擬信道VC8的緩存深度需求值最大，其它虛擬信道的緩存深度需求值略低一點。在0～50ms時間段中，虛擬信道VC8緩存的動態(tài)存取深度D8（t）及其歷史最大值M8（t）隨時間的變化情況如圖9所示；在0～1500ms時間段中，虛擬信道VC8緩存的動態(tài)存取深度歷史最大值M8（t）隨時間的變化情況如圖10所示。

從圖9所示的仿真結(jié)果可知，隨著時間的推移，D8（t）呈現(xiàn)出一定周期性的漲落特性，這是緩存數(shù)據(jù)讀／寫動態(tài)過程表現(xiàn)出的現(xiàn)象，而緩存數(shù)據(jù)讀／寫具有間歇性慢寫和突發(fā)性快讀的特點；隨著時間的推移，M8（t）呈現(xiàn)出一種階躍式遞增特性，在0～15ms的早期時間段內(nèi)增長速度較快，在15ms以后增長速度逐漸放緩。

圖9 緩存存取深度隨時間的變化Fig．9 Stored data amount variation with time in the buffer

從圖10所示的仿真結(jié)果可知，隨著時間的推移，M8（t）的增長速度逐漸放緩，直到達(dá)到一個頂峰值后就不再增長，此時數(shù)據(jù)處理過程達(dá)到了動態(tài)平衡。采用數(shù)傳合路方案1，M8（t）在T8＝1 430．459 ms 時，達(dá)到其頂峰值D8＝10 064（≈9．83K＞8K）；而采用數(shù)傳合路方案2，M8（t）在T8＝722．456 ms時，達(dá)到其頂峰值D8＝8020（≈7．83K＜8K）。可見，數(shù)傳合路方案2對緩存深度需求值更低（降低了9．83-7．83＝2K），采用地址空間深度配置為8K 的緩存，就可以滿足其處理需求。相比之下，至少需要地址空間深度配置為16K的緩存，才能滿足數(shù)傳合路方案1的處理需求。

圖10 緩存存取深度歷史最大值的變化情況Fig．10 Maximum-value evolution of stored data amount in the buffer

4 結(jié)束語

針對緩存容量受限條件下多路載荷數(shù)據(jù)合路傳輸?shù)膯栴}，基于CCSDS AOS標(biāo)準(zhǔn)的虛擬信道復(fù)用機(jī)制，提出了兩種數(shù)傳合路方案。利用計算機(jī)仿真技術(shù)，對兩種方案的性能進(jìn)行了動態(tài)分析，擇優(yōu)選擇了數(shù)傳合路方案2，只須采用地址空間深度配置為8K的緩存，即可滿足數(shù)傳合路處理的需求。該方案已應(yīng)用到某衛(wèi)星工程項目的數(shù)傳系統(tǒng)產(chǎn)品中，通過了地面測試、試驗以及在軌飛行驗證。本文以8路高分辨率圖像傳輸為實例進(jìn)行了數(shù)傳合路研究，其設(shè)計思想和動態(tài)分析方法，可為后續(xù)航天器更多種類遙感數(shù)據(jù)的數(shù)傳合路設(shè)計提供參考。

（References）

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