(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易な構成でセンシング信号のデジタル変換を行う。【解決手段】無線通信装置１は、局部発振信号を用いて送信データの変調処理を行って、アンテナから送信する無線信号を生成する送信部３と、送信データを生成して送信部３に供給する信号処理部４と、ＡＤＰＬＬ（All Digital Phase Locked Loop）処理により、局部発振信号を生成するとともに、入力されたセンシング信号に相関するデジタル情報を信号処理部４に供給するＡＤＰＬＬ回路５と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
局部発振信号を用いて送信データの変調処理を行って、アンテナから送信する無線信号を生成する送信部と、
前記送信データを生成して前記送信部に供給する信号処理部と、
ＡＤＰＬＬ（All Digital Phase Locked Loop）処理により、前記局部発振信号を生成するとともに、入力されたセンシング信号に相関するデジタル情報を前記信号処理部に供給するＡＤＰＬＬ回路と、を備える、無線通信装置。
【請求項２】
前記ＡＤＰＬＬ回路は、前記センシング信号を打ち消すように前記デジタル情報を生成する、請求項１に記載の無線通信装置。
【請求項３】
前記デジタル情報は、前記センシング信号の逆位相のデジタル信号であり、
前記センシング信号は、前記ＡＤＰＬＬ回路のループ帯域よりも狭帯域の信号である、請求項１または２に記載の無線通信装置。
【請求項４】
前記センシング信号は、容量、インダクタ、抵抗、電流および電圧の少なくとも一つの変化に応じて、周波数、位相および振幅の少なくとも一つが変化する交流信号である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の無線通信装置。
【請求項５】
前記信号処理部は、前記デジタル情報に相関する前記送信データを前記送信部に供給する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の無線通信装置。
【請求項６】
前記局部発振信号に基づいて前記アンテナにて受信された無線信号の復調処理を行って、受信データを生成する受信部を備え、
前記信号処理部は、前記受信部で生成された前記受信データの信号処理を行う、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の無線通信装置。
【請求項７】
前記ＡＤＰＬＬ回路は、
前記デジタル情報に応じた発振周波数の発振信号を生成する発振器と、
前記発振信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジの数をカウントするカウンタと、
前記基準信号と前記発振信号との位相差をデジタル変換する時間−デジタル変換器と、
前記時間−デジタル変換器の出力に前記カウンタのカウント値を加算する加算器と、
前記加算器の出力に含まれる不要な周波数成分を除去して前記デジタル情報を生成するデジタルループフィルタと、を有する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の無線通信装置。
【請求項８】
前記発振器は、前記デジタル情報が入力されるデジタル制御端子と、前記センシング信号が入力されるアナログ制御端子と、を有し、
前記ＡＤＰＬＬ回路は、前記アナログ制御端子に入力される前記センシング信号を打ち消すように、前記デジタル制御端子に入力される前記デジタル情報を生成する、請求項７に記載の無線通信装置。
【請求項９】
前記発振器は、
前記センシング信号に応じた周波数で共振する共振部と、
前記共振部の共振周波数に応じた周波数の前記発振信号を生成する発振部と、を有する、請求項７または８に記載の無線通信装置。
【請求項１０】
測定対象の変化に応じて、周波数、位相および振幅の少なくとも一つが変化するセンシング信号を出力するセンサと、
前記センシング信号に相関する情報を含む無線信号を送信する無線通信装置と、を備え、
前記無線通信装置は、
前記無線信号を送受信するアンテナと、
送信データの変調処理を行って、局部発振信号を用いて前記アンテナから送信する前記無線信号を生成する送信部と、
前記送信データを生成して前記送信部に供給する信号処理部と、
ＡＤＰＬＬ（All Digital Phase Locked Loop）処理により、前記局部発振信号を生成するとともに、前記センシング信号に相関するデジタル情報を前記信号処理部に供給するＡＤＰＬＬ回路と、を有する、センシング装置。
【請求項１１】
それぞれ異なる測定対象の変化に応じて、周波数、位相および振幅の少なくとも一つが変化するセンシング信号を出力する複数のセンサと、
前記複数のセンサからの前記センシング信号に相関する情報を含む無線信号を送信する無線通信装置と、
前記無線信号を受信して、前記複数のセンサの前記センシング信号に関する信号処理を行う信号処理装置と、を備えた信号処理システムであって、
前記無線通信装置は、
前記無線信号を送受信するアンテナと、
送信データの変調処理を行って、局部発振信号を用いて前記アンテナから送信する前記無線信号を生成する送信部と、
前記送信データを生成して前記送信部に供給する信号処理部と、
ＡＤＰＬＬ（All Digital Phase Locked Loop）処理により、前記局部発振信号を生成するとともに、前記センシング信号に相関するデジタル情報を前記信号処理部に供給するＡＤＰＬＬ回路と、を有する、信号処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、無線通信装置、センシング装置および信号処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
橋脚などの構造物の劣化を診断するために、ＡＥ（Acoustic Emission）センサを用いる技術が検討されている。ＡＥセンサは、材料が変形あるいは亀裂が発生する際に、その材料に蓄えられていた歪エネルギーを弾性波として放出するものである。一つのＡＥセンサで検出可能な範囲は限られているため、巨大な構造物の場合には、その構造物の各所にそれぞれ別個にＡＥセンサを設けて、各ＡＥセンサでの検出データを信号処理装置にて定期的に収集して、構造物の劣化の度合を判断することになる。
【０００３】
ＡＥセンサの数が多い場合や、ＡＥセンサから信号処理装置までの距離が離れている場合、各ＡＥセンサの検出データを有線で伝送するのは現実的ではない。このため、各ＡＥセンサの検出データを無線で送信することが考えられるが、無線で信号を送信するのは、距離が長くなるに従って、より多くの電力を必要とし、かつノイズの影響も受けやすくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１５０２５９６５  Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本実施形態では、簡易な構成でセンシング信号のデジタル変換を行うことが可能な無線通信装置、センシング装置および信号処理システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施形態によれば、局部発振信号を用いて送信データの変調処理を行って、アンテナから送信する無線信号を生成する送信部と、
前記送信データを生成して前記送信部に供給する信号処理部と、
ＡＤＰＬＬ（All Digital Phase Locked Loop）処理により、前記局部発振信号を生成するとともに、入力されたセンシング信号に相関するデジタル情報を前記信号処理部に供給するＡＤＰＬＬ回路と、を備える、無線通信装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態による無線通信装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】第２の実施形態による無線通信装置の概略構成を示すブロック図。
【図３】第３の実施形態による無線通信装置の概略構成を示すブロック図。
【図４】第４の実施形態による無線通信装置の概略構成を示すブロック図。
【図５】第５の実施形態による無線通信装置の概略構成を示すブロック図。
【図６】第６の実施形態による無線通信装置の概略構成を示すブロック図。
【図７】センシング装置の概略構成を示すブロック図。
【図８】信号処理システムの概略構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本開示の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。
【０００９】
さらに、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態による無線通信装置１の概略構成を示すブロック図である。図１の無線通信装置１は、送信部３と、マイクロプロセッサ４と、ＡＤＰＬＬ回路５とを備えている。送信部３は、局部発振信号を用いて送信データの変調処理を行って、図１では不図示のアンテナから送信する無線信号を生成する。マイクロプロセッサ４は、送信データを生成して送信部３に供給する信号処理部である。以下では、マイクロプロセッサ４を単にプロセッサ４と呼ぶ。プロセッサ４は、信号処理部の機能以外の機能を備えていてもよいが、本実施形態では、プロセッサ４の信号処理部としての機能を主に説明する。
【００１１】
ＡＤＰＬＬ回路５は、ＡＤＰＬＬ（All Digital Phase Locked Loop）処理により、送信部３が変調処理に使用する局部発振信号を生成するとともに、入力されたセンシング信号に同期したデジタル情報を信号処理部に供給する。センシング信号は、不図示のセンサの検出信号である。センサの具体的な種類は問わない。センサは、例えばＡＥ（Acoustic Emission）センサでもよい。ＡＥセンサは、材料が変形あるいは亀裂が発生する際に、材料に蓄積されていた歪エネルギを弾性波として放出するセンサである。本実施形態では、センサの具体的な種類は問わないが、センシング信号は振幅が変化する交流信号であることを前提としている。
【００１２】
プロセッサ４が送信部３に供給する送信データは、ベースバンド帯域のデータである。送信部３は、ＡＤＰＬＬ回路５で生成された局部発振信号を用いて、送信データをＲＦ（Radio Frequency）帯域の無線信号に変換する。ＡＤＰＬＬ回路５は、アナログ値である時間情報をデジタル情報に変換する機能を有しており、このデジタル情報にて、発振信号の周波数を帰還制御する際に、センシング信号をデジタル変換してデジタル情報に重畳する。
【００１３】
このデジタル情報は、プロセッサ４に供給される。プロセッサ４は、デジタル情報に基づいて、センシング信号についての所定の信号処理を行い、その信号処理結果に基づいて送信データを生成する。そして、プロセッサ４は、生成した送信データを送信部３に供給する。このように、プロセッサ４は、センシング信号に相関する送信データを生成して送信部３に供給する。
【００１４】
以上により、センシング信号は、デジタル情報に変換されてプロセッサ４に送られた後、プロセッサ４は送信データを生成して送信部３に送信し、送信部３は送信データに応じた無線信号を生成して、アンテナから送信する。
【００１５】
後述するように、ＡＤＰＬＬ回路５は、センシング信号をデジタル情報に変換する際に、センシング信号を打ち消すようにデジタル情報を生成する。より詳細には、ＡＤＰＬＬ回路５は、センシング信号とは逆位相のデジタル情報を生成する。デジタル情報は、プロセッサ４に供給されるだけでなく、発振信号の発振周波数を帰還制御するためにも用いられる。センシング信号とは逆位相のデジタル情報を生成することで、センシング信号の信号成分を相殺することができ、センシング信号が入力されていない場合と同様のＡＤＰＬＬ制御を行って、発振信号の発振周波数を安定化させることができる。
【００１６】
このように、図１の無線通信装置１は、センシング信号をデジタル変換するための専用のＡ／Ｄ変換器を備えていないが、無線通信用のＡＤＰＬＬ回路５を用いて、センシング信号をデジタル変換したデジタル情報を生成する。よって、センシング信号をデジタル変換するための専用のＡ／Ｄ変換器が不要となり、簡易な構成で、センシング信号の取込機能を備えた無線通信装置１を実現できる。
【００１７】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、図１にアンテナ２と受信部６を追加したものである。図２は第２の実施形態による無線通信装置１の概略構成を示すブロック図である。図２の無線通信装置１は、図１の構成に加えて、局部発振信号に基づいてアンテナ２にて受信された無線信号の復調処理を行って受信データを生成する受信部６を備えている。すなわち、受信部６は、アンテナ２で受信されたＲＦ帯域の無線信号を、ＡＤＰＬＬ回路５で生成された局部発振信号を用いてベースバンド帯域の受信データに周波数変換する。
【００１８】
第２の実施形態においても、ＡＤＰＬＬ回路５は、センシング信号とは逆位相のデジタル情報を生成して、プロセッサ４に供給するとともに、このデジタル情報に基づいて発振信号の発振周波数を帰還制御する。センシング信号とデジタル情報とは、互いに逆位相であることから、互いに相殺し合って、発振信号の発振周波数を安定化させることができる。第２の実施形態によれば、送受信用に設けられているＡＤＰＬＬ回路５を流用して、センシング信号のデジタル変換と、デジタル変換後のデジタル情報のプロセッサ４への伝送とを行うことができる。
【００１９】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、第２の実施形態におけるＡＤＰＬＬ回路５の内部構成を具体化したものである。
【００２０】
図３は第３の実施形態による無線通信装置１の概略構成を示すブロック図である。図３の無線通信装置１内のＡＤＰＬＬ回路５は、時間−デジタル変換器（ＴＤＣ：Time to Digital Converter）１１と、カウンタ１２と、加算器１３と、デジタルループフィルタ（ＤＬＦ）１４と、電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）１５とを有する。
【００２１】
ＴＤＣ１１はＶＣＯ１５の発振信号と基準信号源１６で生成した基準信号との位相差をデジタル変換した信号を生成する。カウンタ１２は、発振信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジの数をカウントする。カウンタ１２は、発振信号の整数位相を検出し、ＴＤＣ１１は発振信号の小数位相を検出することになる。
【００２２】
加算器１３は、ＴＤＣ１１の出力とカウンタ１２の出力とを合算して、デジタル情報を生成する。デジタルループフィルタ１４は、デジタル情報に含まれる不要な高周波成分を除去する。デジタルループフィルタ１４には、周波数制御コードＦＣＷが入力されており、このコードＦＣＷによってデジタルループフィルタ１４の通過帯域を制御できる。デジタルループフィルタ１４から出力されたデジタル情報は、プロセッサ４に供給されるとともに、ＶＣＯ１５に供給される。
【００２３】
ＶＣＯ１５は、デジタル情報を入力するデジタル制御端子と、センシング信号を入力するアナログ制御端子とを有する。センシング信号は、ＡＤＰＬＬ回路５にとっては外乱と見なされ、ＡＤＰＬＬ回路５は、発振信号の発振周波数の帰還制御によって、外乱の影響を相殺しようとする。これにより、デジタル情報は、センシング信号とは逆位相の信号になる。センシング信号の周波数帯域がＡＤＰＬＬ回路５のループ帯域に比べて十分に狭ければ、デジタルループフィルタ１４から出力されたデジタル情報は、センシング信号のちょうど逆位相の信号となる。これにより、ＡＤＰＬＬ回路５は、センシング信号の影響を相殺させて、発振信号の発振周波数のＡＤＰＬＬ制御を行うことができる。デジタルループフィルタ１４から出力されるデジタル情報は、センシング信号をデジタル変換して、位相を反転させた信号であり、このデジタル情報はプロセッサ４に供給される。プロセッサ４は、専用のＡ／Ｄ変換器なしで、センシング情報をデジタル変換した信号を取得できる。
【００２４】
このように、第３の実施形態では、局部発振信号を生成するためのＡＤＰＬＬ回路５を流用して、センシング信号のデジタル変換を行うことができるため、センシング信号のデジタル変換用のＡ／Ｄ変換器を設ける必要がなくなり、無線通信装置１の内部構成を簡略化できる。
【００２５】
（第４の実施形態）
第４の実施形態は、図３のＶＣＯ１５の内部構成を具体化したものである。
【００２６】
図４は第４の実施形態による無線通信装置１の概略構成を示すブロック図である。図４の無線通信装置１内のＶＣＯ１５は、共振部１７と発振部１８とを有する。図４では、センシング信号がＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）容量１９である例を示しているが、センシング信号はＭＥＭＳ容量１９に限定されるものではない。共振部１７は、少なくともインダクタとキャパシタとを含む共振回路を有する。また、共振部１７には、例えばセンシング信号であるＭＥＭＳ容量１９が接続されている。ＭＥＭＳ容量１９が変化すると、共振部１７の共振周波数が変化する。発振部１８は、正帰還増幅器を有するＬＣ−ＶＣＯなどで構成されている。発振部１８は、共振部１７の共振周波数に応じた周波数の発振信号を生成する。
【００２７】
ＭＥＭＳ容量１９が変化すると、共振部１７の共振周波数が変化し、それに応じて発振部１８の発振周波数も変化する。この発振信号の発振周波数の変化は、ＡＤＰＬＬ回路５の外乱とみなされ、この発振信号の発振周波数の変化を打ち消す方向にデジタル情報が変化する。
【００２８】
以上により、第４の実施形態においても、ＭＥＭＳ容量１９の変化による共振部１７の共振周波数の変化を外乱として見なして、この外乱を打ち消す方向にデジタル情報を生成するため、ＭＥＭＳ容量１９の変化がデジタル情報として生成される。このデジタル情報は、プロセッサ４に供給される。
【００２９】
（第５の実施形態）
第５の実施形態は、第３の実施形態の一変形例であり、直接変調方式で無線信号を送信するものである。
【００３０】
図５は第５の実施形態による無線通信装置１の概略構成を示すブロック図である。図５の無線通信装置１は、送信部３を備えていないことと、加算器２０を新たに備えていることを除いて図３と共通する。
【００３１】
プロセッサ４から出力された送信データは、加算器２０に入力される。加算器２０は、送信時には、送信データと周波数制御コードとを加算した信号を、デジタルループフィルタ１４に供給する。デジタルループフィルタ１４は、加算器２０の出力信号に応じたデジタル情報を出力する。ＶＣＯ１５は、デジタル情報に基づいて直接変調された周波数の送信信号を生成する。この送信信号は、アンテナ２を介して無線送信される。このように、図５の無線通信装置１では、送信時には、ＡＤＰＬＬ回路５にて直接変調された送信信号を生成して、アンテナ２を介して送信する。よって、図３のような送信部３が不要となる。
【００３２】
一方、アンテナ２で受信された無線信号の受信処理は、図３と同様に行われる。この場合、ＶＣＯ１５は局部発振信号を生成し、受信部６は、局部発振信号を用いて受信信号をベースバンド帯域の信号に変換する。
【００３３】
センシング信号が入力された場合には、図３と同様に、センシング信号による外乱を打ち消す方向にデジタル情報が生成される。
【００３４】
このように、第５の実施形態では、直接変調方式で送信信号を送信するため、送信部３を省略することができ、図３よりも無線通信装置１の内部構成を簡略化できる。
【００３５】
（第６の実施形態）
第６の実施形態は、第４の実施形態の一変形例であり、直接変調方式で無線信号を送信するものである。
【００３６】
図６は第６の実施形態による無線通信装置１の概略構成を示すブロック図である。図６の無線通信装置１は、送信部３を備えていないことと、加算器２０を新たに備えていることを除いて図４と共通する。
【００３７】
図６の無線通信装置１は、図５と同様に、直接変調方式で送信信号を送信するため、送信部３を省略することができる。
【００３８】
図６の無線通信装置１においても、センシング信号に対応するＭＥＭＳ容量１９が変化すると、共振部１７の共振周波数が変化し、それに応じて発振部１８の発振信号の発振周波数が変化する。ＡＤＰＬＬ回路５は、ＭＥＭＳ容量１９の変化を外乱とみなして、その外乱を打ち消す方向にデジタル情報を生成する。これにより、デジタル情報は、ＭＥＭＳ容量１９の変化とは逆位相のデジタル信号となる。
【００３９】
上述した第１〜第６の実施形態による無線通信装置１は、センサに内蔵したり、センサに近接配置して、センサとともにセンシング装置を構成することができる。図７は第１〜第６の実施形態のいずれかの無線通信装置１とセンサ２１とを備えたセンシング装置２２の概略構成を示すブロック図である。図７のセンシング装置２２は、例えば一つの半導体ＩＣで構成したり、あるいは一つの回路基板上に実装可能である。センシング装置２２がセンシングする対象物は、必ずしも一つだけとは限らず、種々の対象物のセンシングを行う複数種類のセンシング装置２２を組み合わせて、各種の信号処理を行ってもよい。
【００４０】
橋脚や建物等の大規模な構造物の劣化の有無を診断する場合、図７のセンシング装置２２を構造物の複数箇所に配置し、各箇所のセンシング装置２２がセンシング信号を無線信号で送信し、これらセンシング信号を１箇所で受信して、構造物の劣化の有無を統合的に解析する信号処理システム２３を構築することが考えられる。センシング装置２２は、構造物のそれぞれ異なる場所に配置されており、各センシング装置２２でのセンシング信号を有線で伝送すると、配線が複雑になり、断線等のおそれがある上に、信号ケーブルを引き回すための部材コストと作業コストが必要となる。このため、各センシング装置２２でのセンシング信号は、各センシング装置２２内の無線通信装置１から無線で送信するのが望ましい。また、各センシング装置２２に対して有線にて電源供給を行うと、配線による電力損失が生じる上に電源ケーブルを引き回すための部材コストと作業コストが必要となる。このため、センシング装置２２に、太陽電池パネルや風力発電装置などの再生可能エネルギの発生装置を取り付けて、電源ケーブルにより外部から電源を供給することなしにセンシングに必要な電力を調達するのが望ましい。
【００４１】
図８は信号処理システム２３の概略構成を示すブロック図である。図８の信号処理システム２３は、複数のセンシング装置２２と、これらセンシング装置２２から無線で送信された送信データを受信して信号処理を行う信号処理装置２４とを備えている。図８では、一つの信号処理装置２４を示しているが、複数の信号処理装置２４で分担して信号処理を行ってもよい。
【００４２】
上述した実施形態で説明した無線通信装置、センシング装置および信号処理システムの少なくとも一部は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、無線通信装置、センシング装置および信号処理システムの少なくとも一部の機能を実現するプログラムをフレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。
【００４３】
また、無線通信装置、センシング装置および信号処理システムの少なくとも一部の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線（無線通信も含む）を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。
【００４４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
１  無線通信装置、２  アンテナ、３  送信部、４  マイクロプロセッサ、５  ＡＤＰＬＬ回路、６  受信部、１１  ＴＤＣ、１２  カウンタ、１３  加算器、１４  デジタルループフィルタ、１５  ＶＣＯ、１７  共振部、１８  発振部、１９  ＭＥＭＳ容量、２０  加算部、２１  センサ、２２  センシング装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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