Hochfrequenz-Elektronik für Phased-Array-Applikationen
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Titelstory
Hochfrequenz-Elektronik für Phased-Array-
Applikationen
Die Entwicklung des Phased-Arrays. Von den Anfängen der Radare mit rotierenden Parabolantennen bis hin zu den neusten digitalen Phased-Arrays
mit vielen Elementen gab es kontinuierlich technologische Fortschritte
Hier beantwortet Peter Dieser Artikel fügt einige der hat speziell die Phased-Array- Welche Kompetenzen kann
Delos von Analog Diskussionen, die in den ver- Antennen ermöglicht und aktu- Analog Devices hier vorweisen?
schiedenen Foren im Inter- elle Systeme verfügen getrieben
Devices, Inc. Fragen net regelmäßig auftauchen, zu durch neueste IC zunehmend Bei Analog Devices erhalten
zu einem wichtigen einer umfassenden Darstellung über analoge oder digitale Strahl- wir hierzu regelmäßig Anfra-
Zukunftsthema. zusammen. Er beginnt mit einer formung. gen. Das komplette Portfolio
kurzen Geschichte der Phased-
Array-Entwicklung, diskutiert
Architekturtrends und -Heraus-
forderungen, gibt Einblicke in
die jüngsten Entwicklungen und
zeigt Links zu Artikeln und Web-
casts, die weitere Details zu den
verschiedenen Themenschwer-
punkten enthalten.
Warum ist das Thema „HF-
Elektronik für Phased-Arrays“
derzeit von Bedeutung? Unser Interview-Partner Peter Delos ist technischer Leiter
der Aerospace and Defense Group bei Analog Devices in
Die Hochfrequenz-Elektro- Greensboro, North Carolina. Er erhielt seinen B.S.E.E.
nik für Phased-Array-Appli- von Virginia Tech im Jahr 1990 und seinen M.S.E.E. von
kationen erlebt derzeit rasante NJIT im Jahr 2004. Peter verfügt über mehr als 25 Jahre
Fortschritte. Sie hat sich durch Branchenerfahrung. Die meiste Zeit seiner Karriere
Integration und Miniaturisie- verbrachte er mit der Entwicklung fortschrittlicher RF/
rung stark weiterentwickelt. Analog-Systeme auf Architektur-, PWB- und IC-Ebene.
Viele Applikationen profitieren Derzeit konzentriert er sich auf die Miniaturisierung von
inzwischen von diesen Verbes- Hochleistungsempfängern, Wellenformgeneratoren und
serungen. Die vollständige Inte- Synthesizern für Phased-Array-Anwendungen. Er ist unter
Analog Devices, Inc. gration großer Teile der Signal- peter.delos@analog.com zu erreichen.
www.analog.com kette in integrierte Schaltungen
26 hf-praxis 1/2020
Titelstory
Bild 1: Analoge vs. digitale Strahlformung
der Firma bietet eine Antennen- möglicht, bei denen ein Impuls rung von Sende-/Empfangs- sind digitale Phased-Arrays mit
zu-Bit-Lösung, die über HF bis am Ausgang eines abgestimmten Modulen (T/R), angebracht an jedem Element für viele Anten-
hin zu Hochgeschwindigkeits- Filters wesentlich kürzer ist als jedem Strahlerelement, wobei nenarchitekten zum Ziel gewor-
Wandlern, Transceivern, PLLs der gesendete Impuls. Die Höhe die ersten Implementierungen den. Die Aufmachergrafik skiz-
und Power reicht. Zusammen der Impulskompression steht immer noch analoges Strahl- ziert die Entwicklung des Pha-
mit fortschrittlichen Integrati- in direktem Zusammenhang formen mit vergleichbarer sed-Arrays.
onstechniken bieten wir auch mit der Signalbandbreite, eine Backend-Verarbeitung verwen-
Expertise in der Systemarchi- Erkenntnis der sechziger Jahre. deten. Das T/R-Modul besteht
tektur. Unsere Entwicklungen Man könnte sagen, die Geburts- aus einem Halbleiter-HPA zum
Können Sie den Unterschied
finden viel Beachtung, da sie die stunde des Radars begann mit Senden, einem rauscharmen Ver-
zwischen analoger und
gesamte HF-Signalkette abde- der Impulskompression. Neue stärker (LNA) zum Empfangen
digitaler Strahlformung
cken und die Phased-Arrays der Erkenntnisse und Implementie- und entweder einem Zirkulator
näher erläutern?
Zukunft ermöglichen. rungen führten schließlich zum oder einem Schalter zum Steu-
modernen Phased-Array. ern der Richtung der Antenne Bei der analogen Strahlformung
beim Senden oder Empfangen. befindet sich hinter jedem Strah-
Die ersten Implementierungen
Beginnen wir mit den Phased- lerelement ein Phasenschieber
hatten rotierende Parabolan-
Arrays. Wo stehen wir heute? Zurzeit erleben wir die Migration und ein geregelter Verstärker
tennen, gespeist mit hoher HF-
Leistung aus Röhrenverstärkern. zu digitalen Strahlform-Phased- für den HF-Bereich. Die Strahl-
Ein Großteil der frühen Phased-
Die rotierende Schüssel wurden Arrays. Hybride Architekturen, richtung wird durch Steuern der
Array-Entwicklungen zielte auf
Radar-Anwendungen, so bekam erstmals in den leistungsstarken bestehend aus analogen strahl- HF-Phase jeden Strahlers vor
man über die Entwicklung der Radargeräten durch Phased- formenden Subarrays mit Emp- dem Kombiner gebildet. Eine
Radar-Antennen einen guten Array-Antennen ersetzt. Die fängern und ADCs hinter jedem Amplitudenabsenkung kann
Einblick in die modernen digi- Hochleistungs-Röhrenverstärker Subarray, ermöglichen es der angewendet werden, um die
talen Strahlformantennen. Die (HPAs) wurden weiterverwen- digitalen Strahlformung, viele Nebenkeulenpegel der Antenne
Entwicklung des Radars wurde det und die Sendesignalkette Keulen innerhalb des Subarray- zu unterdrücken. Beim digitalen
während des Zweiten Weltkriegs war wie folgt: Röhren-HPAs – Musters zu bilden. Alle Elemente Strahlformen wird ein ähnlicher
und ab da stark beschleunigt. Hohlleiterverteilung – Phasen- eines digitalen Phased-Arrays Prozess durchgeführt, nur eben
Nach dem Zweiten Weltkrieg schieber – Strahlerelemente. beinhalten je einen Empfänger als komplett digitales Verfah-
wurden die meisten der heute für Die Strahlschwenkung erfolgte und einen Wellenformgenerator. ren. Für jedes Strahlerelement
die Wellenform- und Radarver- rein analog. Das digital strahlformende Pha- gibt es komplette Empfänger
arbeitung verwendeten Erkennt- sed-Array mit jedem so ausgerü- mit ADCs, die Strahlformung
nisse in zahlreichen staatlichen Für den Empfang konnten meh- steten Element ist der Wegberei- erfolgt im digitalen Bereich,
Laboratorien und Organisationen rere Strahlmuster erstellt wer- ter für echt software-definierte Phasenverschieber werden digi-
gewonnen. den, dies war aber komplex und Antennenmuster. Viele Strah- tal auf jeden Kanal angewendet
teuer, sodass man sich typischer- lenkeulen können gleichzeitig und eine gewichtete Summe bil-
Eine wichtige Funktion der weise auf wenige Empfangs- in mehrere verschiedenen Rich- det das Antennenmuster. Da der
Radarsignalverarbeitung ist die keulen beschränkte. Antennen- tungen geformt und die Anten- Strahl digital erzeugt wird, las-
Impulskompression. Sie wird systeme für Monopuls-Radare nenmuster adaptiv gesteuert sen sich viele Antennenstrahlmu-
durch Modulationsarten wie waren so möglich. Der erste werden, einschließlich der Null- ster gleichzeitig aus denselben
lineare Frequenzmodulationen Schritt in Richtung Solidstate- stellen. Aufgrund der Program- ADC-Daten erzeugen. Dies wird
(LFMs) und Phasencodes er- Phased-Arrays war die Einfüh- mierbarkeit auf Systemebene durch Duplizieren der digitalen
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Titelstory
Bewährt / zuverlässig
SwaP
Hohe Leistung
Viele Filter
Optimale Störanfälligkeit
Heterodyne
Hoher Dynamikbereich
EMV-Immunität
Maximaler ADC BW
Unterdrückung der Spiegelfreq.
Einfachste WB-Option (Image rejection)
I/Q-Saldo
In-Band IF-Oberschwingungen
Direct Conversion
LO-Störungen
Störfestigkeit (IP2)
DC- und 1/f-Rauschen
Kein Mischen
ADC-Eingang BW
Jetzt auch im L-/S-Band
Direct Sampling Verstärkung nicht über die
einsetzbar
Frequenz verteilt
Bild 2: Die verschiedenen Architekturen. Obwohl nur der Empfänger dargestellt wird, gelten die Topologien auch für die Signalketten der
Wellenformgeneratoren
Strahlform-Zeitverzögerung und Entwicklungsaufwand. Die Ein Kompromiss ist der Mix aus die im Frontend ein schnelles
Summierungsstrukturen erreicht. Herausforderung besteht aber analoger und digitaler Strahlfor- Umschalten zwischen Senden
Es handelt sich um eine Form der darin, dass eine analoge Strahl- mung. In diesem Fall werden die und Empfang ermöglichen.
Parallelverarbeitung, die meh- formungsstruktur für jede Keule Strahler-Elemente im analogen Diese können in T/R-Module
rere Keulen erzeugt, die unab- geschaffen werden muss. Nach Bereich zu Subarrays geformt, als Komplettlösung integriert
hängig voneinander aus dem der Strahlformung ergeben sich dann können Keulen innerhalb werden, wenn dies für Kunden-
gleichen ADC-Datenstrom pro- aber einige Fehlerquellen. Für des Subarray-Musters digital anwendungen sinnvoll ist.
grammierbar sind. Theoretisch kostengünstige Systeme mit gebildet werden. Das kann man
könnte dies auf eine sehr große niedriger Keulenanzahl ist die als eine hybride Architektur Die Industrie arbeitet intensiv
Anzahl von Keulen ausgedehnt analoge Strahlformung jedoch betrachtet, die auch sehr beliebt
an der Verbesserung der GaN-
werden. In der Praxis bestimmt eine gute Lösung und wird die ist, wenn digitales Beamforming Technologie für HPAs und
die Fähigkeit der digitalen Ver- erste Wahl sein für kostensensi- gewünscht wird, aber volldigi- LNAs. Motiviert durch zahl-
arbeitung das realisierbare Limit. tive Antennensysteme. tales Beamforming aufgrund der reiche Publikationen die z.B.
Um die Verarbeitung mit prak- vielfältigen Herausforderungen deren höhere Leistungsdichte
tischen Datenraten zu verbin- Die Vorteile der digitalen Strahl- oder wegen der Systemkosten- und höhere Durchbruchspan-
den, definieren einige Systeme formung liegen in der Flexibi- beschränkungen nicht prakti- nungen beschreiben. Für Pha-
ein Strahl-Bandbreiten-Produkt. lität durch mehrere program- kabel ist. sed-Array-Anwendungen gibt
Dies ermöglicht einen Kom- mierbare Keulen gleichzeitig es zusätzliche Motivation. Bei
promiss zwischen der Anzahl in unterschiedliche Richtungen. höheren Betriebsspannungen
der Keulen und der Bandbreite Leider sind die Herausforde- fließt geringerer Strom in die
Können Sie ihren Anteil in
pro Keule. Bild 2 illustriert den rungen beträchtlich, einschließ- Stromverteilung, was zu einer
RF-Frontends beschreiben?
Vergleich. lich der großen Menge an digi- Effizienzsteigerung des Gesamt-
talen Daten, der Synchronisation Zuerst definieren wir das RF- systems führt. Die höheren
und der physikalischen Größen- Frontend. Dieses besteht typi- Durchbruchspannungen führen
Welche Vor- und Nachteile sind beschränkungen für die Elektro- scherweise aus dem T/R-Modul zu einer längeren Lebensdauer
zu nennen? nik, die hinter jedem strahlenden zusammen mit der analogen der LNAs und können in einigen
Element benötigt wird. Trotz die- Strahlformung. In allen diesen Fällen Frontend-Limiter über-
Ein Vorteil des analogen Beam- ser Herausforderungen kann die Bereichen entwickeln wir Pro- flüssig machen, die zu einem
formings ist die einfache Imple- digitale Strahlformung immer dukte. Neue HPAs und LNAs insgesamt niedrigeren Empfän-
mentierung. Es werden nur noch eine kostengünstige Archi- werden regelmäßig angekündigt, gerrauschen führen, auch wenn
wenige Datenwandler einge- tektur sein, wenn viele Keulen um die Marktanforderungen zu die GaN-LNA-Rauschwerte
setzt, und damit ergibt sich ein gleichzeitige von einer einzigen erfüllen. Es gibt auch verlust leicht über denen der GaAs-
gut beherrschbarer digitaler Antenne erzeugt werden. arme, leistungsstarke Schalter, LNA liegen.
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Titelstory
Bild 3: Halbe Wellenlänge Elementabstand vs. Frequenz
Für analoge Strahlformer haben denen Architekturen. Obwohl der direkten HF-Abtastung ent- lung zu erhöhen. Die größte
wir kürzlich den ADAR1000 nur der Empfänger dargestellt sprechen und eine große Ein- Herausforderung für die Direkt-
vorgestellt. Dies ist ein X- und wird, gelten die Topologien auch gangsbandbreite bereitstellen. wandlerarchitektur seit Jahren
Ku-Band-4:1-analoger Strahlfor- für die Signalketten der Wellen- Heute sind Hochgeschwindig- besteht darin, die I/Q-Balance
mer. Zusätzlich zu allen erfor- formgeneratoren. keitswandler für die direkte aufrechtzuerhalten für akzepta-
derlichen analogen Strahlfor- Abtastung im S-Band und ble Werte bei Spiegelfrequenz-
mungsfunktionen wurde für die Das seit 100 Jahren bekannte höher verfügbar, einige sind in Unterdrückung, LO-Leckagen
HPA/LNA-Impulsformung eine Heterodyne-Konzept ist bewährt den Referenzen aufgeführt. Die und DC-Offsets. In den letzten
einzigartige Gate-Steuerung in- und kann bei richtiger Frequenz- Abtastung mit GSPS-Raten mit Jahren hat die gelungene Inte-
tegriert. Das schnelle Ein- und planung eine hervorragende Per- analogen Eingangsbandbrei- gration der gesamten Signalkette
Ausschalten wurde durch die formance erbringen. Leider ist es ten über 6 GHz werden bei den für die direkte Umwandlung in
Steuerung von Gate und nicht das komplizierteste Verfahren. neuesten Hochgeschwindig- Kombination mit digitalen Kali-
von Drain erreicht. Dieser Es benötigt typischerweise die keitswandlern neu angeboten. brierungen diese Herausforde-
Ansatz erübrigt das Schalten meiste Leistung und den größ- Die direkte Abtastung höherer rungen wesentlich verbessert.
eines hohen Stroms über Drain. ten physischen Speicherbedarf Frequenzen ist dabei weiterhin Unsere Transceiver-Produktlinie
Wir bieten Anwendungshinweise im Verhältnis zur verfügbaren im Trend, bedingt durch neue basiert auf direkten Wandlerar-
mit Schaltungen für das Gate- Bandbreite. Die Frequenzpla- Datenkonverter. Da in den Fin- chitekturen. Wenn die Leistung
Switching und solche die zeigen, nung stellt außerdem bei großen FET-CMOS-Knoten der näch- passt, sind diese die am besten
wie der ADAR1000 die Steue- Bandbreiten eine große Heraus- sten Generation Transistoren für verfügbaren wirtschaftlich inte-
rung der T/R-Module unterstützt. forderung dar. Es ist auch die immer höhere Frequenzen einge- grierten Lösungen.
am wenigsten programmierbare setzt werden und die parasitäre
Technik, außer es ist zusätzliche Kapazitäten weiter reduziert,
Welche sind einige der heute Hardware enthalten, um zwi- sind neue Datenwandlerfami- Gibt es weitere Vorteile durch
implementierten Architekturen schen einer Vielzahl von Filter- lien möglich, die einen erheb- die Verteilung der Wellenform-
für Empfänger und Wellen- und LO-Pfaden zu wechseln. lichen Einfluss auf das zukünf- generatoren und Empfänger
formgeneratoren? Einer der neueren Trends ist, tige Design von HF-Systemen in einem digitalen Strahlform-
moderne Hochgeschwindig- haben können. Array?
Die Architekturen des Emp- keitswandler und Transceiver
fängers und des Wellenform- einzusetzen, die mit höheren Direktwandlerarchitekturen nut- Eines der Ziele der System-
generators lassen sich grob Zwischenfrequenzen arbeiten zen die Datenwandler-Band- entwicklung mit verteilter HF-
in drei Varianten unterteilen: können. Dies kann Frequenz- breite am effizientesten. Die Elektronik ist eine Verbesserung
Heterodyn, Direkt-I/Q Sampling pläne vereinfachen, Mischstu- Datenwandler erfüllen das erste des Dynamikbereichs durch
und Inband-Direktabtastung. Es fen eliminieren und Komplexi- Nyquist-Kriterium, wo die Per- die Kombination von Kanälen.
gibt Vor- und Nachteile jeder tät reduzieren. formance optimal ist und die Wenn zwei HF-Signale kombi-
Architektur, abhängig von der Tiefpassfilterung einfacher. Die niert werden, und die HF-Signale
Anwendung. Wir kennen sie Das direkte Abtastverfahren beiden Datenwandler arbeiten in Amplitude und Phase ange-
alle und entwickeln ICs, die alle wird seit langem eingesetzt, es zusammen, um I/Q-Signale passt sind und das Rauschen in
Architekturen unterstützen. Bild muss aber mit Geschwindig- abzutasten und so die Nutz- jedem der Kanäle nicht korreliert
2 veranschaulicht die verschie- keiten betrieben werden, die bandbreite ohne Verschachte- ist, gibt es eine 10logN-Kombi-
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Titelstory
nationsverstärkung, die eine Ver- Faktor 4 reduzieren und zusätz- www.analog.com sind viele wei- Delos, Peter. “A Review of
besserung des Dynamikbereichs lichen Platz für die HF-Elektro- tere technische Informationen Wideband RF Receiver Architec-
bewirkt. Wenn das Rauschen in nik schaffen. sowie alle Produktdatenblätter ture Options.” Analog Devices,
den Kanälen korreliert ist, gibt online erhältlich. Die nachfol- Inc., Feb. 2017.
es keine Verbesserung, wenn Um diesen Herausforderungen gend aufgeführten technischen
sie kombiniert werden. Daher gerecht zu werden, integrieren Artikel, Webcasts und aktuelle Brannon, Brad. “Some Recent
ist eine der Bemühungen der wir weiterhin ganze Sektionen ICs, die alle für Phased-Array- Developments in the Art of
Systemtechnik, Rauschursachen der Signalketten. Mehrkana- Anwendungen gelten, können Receiver Technology: A Selected
zu finden, die nicht korreliert. lige integrierte Transceiver und der Auslöser für weitere Recher- History on Receiver Innovations
Korreliertes Rauschen kann von Wandler bilden die Basis für chen sein: over the Last 100 Years.” Analog
gemeinsamen Kanälen kommen, HF-Abtastung bei reduziertem Dialogue, Vol. 52, Aug. 2018.
einschließlich Takten, LOs, Ver- Platzbedarf. Darüber hinaus wer- Masterson, Claire. “Massive
sorgung usw. den das integrierte HF-Design MIMO and Beamforming: The Benson, Keith. “Advances in
in monolithische RFICs, SiPs Signal Processing Behind the 5G Phased Array Analog Beam-
Bei großen Arrays ist die Verbes- (System im Gehäuse) und inte- forming Solutions.” Analog
serung durch Kanalkombination Buzzwords.” Analog Dialogue,
grierte T/R-Module kontinu- Vol. 1, June 2017. Devices, Inc. Webcast, Sept.
erheblich. Beispielsweise kön- ierlich weiterentwickelt. Die 2017.
nen 100 Kanäle eine Verbesse- Kombination der mehrkanaligen
rung des Dynamikbereichs um Hochgeschwindigkeitswandler Delos, Peter. “Advanced Tech-
nologies Pave the Way for New Delos, Peter. “Digital Beam-
20 dB bringen, wenn die Rausch- oder Transceiver mit den Fort- forming Techniques for Phased
komponenten alle unkorreliert schritten in der HF-Elektronik Phased Array Radar Architec-
tures.” Analog Devices, Inc., Arrays.” Analog Devices, Inc.
sind. Wir haben unsere eigenen ermöglicht die Integration, die Webcast, Jan. 2017.
mehrkanaligen RF-Testplatinen für moderne Phased-Array- Nov. 2016.
entwickelt, um sicherzustellen, Implementierungen erforder- Jones, Michael. “Enabling
dass diese Parameter sowohl für lich ist. Delos, Peter and Jarret Liner.
Next-Generation EW and Pha-
die Verwendung unserer Kompo- “Unique Gate Drive Applica-
sed-Array Systems.” Analog
nenten durch unsere Kunden als tions Enable Rapidly Switching
Devices, Inc. Webcast, 2018.
auch für unsere eigenen internen Können sie zum Schluss On/Off for Your High Power
Designs zur Verfügung stehen. einige weiterführende Links/ Amplifier.” Analog Dialogue, Henderson, Greg. “RF/Micro-
Issue 148, Dec. 2017. wave Product Selector Guide.”
Referenzen angeben?
Analog Devices, Inc. June 2018.
Befassen Sie sich mit Das Phased-Array-Design deckt Delos, Peter, Michael Jones, and
den Problemen durch die viele Aspekte der Technik ab, Mark Robertson. “RF Transcei- ADAR1000: Analog Beamfor-
physikalischen Abmessungen, vom Radiofrequenz-Design über vers Enable Forced Spurious mer. Analog Devices, Inc., 2019.
denen Designer bei digitalen die Stromverteilung, das Hoch- Decorrelation in Digital Beam-
Strahlform-Phased-Arrays geschwindigkeits-Digitaldesign, forming Phased Arrays.” Analog Phase Locked Loop (PLL) Syn-
begegnen? das fortschrittliche Packaging bis Devices, Inc., Sept. 2018. thesizers. Analog Devices, Inc.,
hin zur digitalen Signalverarbei- 2019.
Eine grundlegende physikalische Delos, Peter. “System-Level LO
tung. Die Breite des Portfolios
Herausforderung ist der Ele- Phase Noise Model for Phased AD9213. Analog Devices, Inc.,
von Analog Devices deckt all
menteabstand in Abhängigkeit Arrays with Distributed Phase- 2019.
diese Bereiche ab. Das umfas-
von der Wellenlänge, der sich Locked Loops.” Analog Device,
sende Angebot von einem ein-
mit zunehmender Betriebsfre- Inc., Nov. 2018. AD9208. Analog Devices, Inc.,
zigen Unternehmen ist einzig-
quenz verringert. Viele Systeme 2019.
artig in der HF/Mikrowellen-
setzen den Elementabstand auf
Industrie und ein Wegbereiter für Delos, Peter and Jarret Liner.
die halbe Wellenlänge (Bild 3)
Systemintegratoren, die Phased- “Improved DAC Phase Noise AD9172. Analog Devices, Inc.,
oder weniger, um Rasterkeu-
Array-Antennensysteme entwi- Measurements Enable Ultra- 2019.
len im Antennenmuster zu ver-
ckeln. Ich habe die Trends und Low Phase Noise DDS Appli-
meiden. Im L- und S-Band ist
einige weiterführende Überle- cations.” Analog Dialogue, Vol. ADRV9009. Analog Devices,
es praktisch, die Elektronik in
gungen hier vorgestellt. Unter 51, Aug. 2017. Inc., 2019. ◄
einem Abstand von allen Ele-
menten unter Verwendung der
neuesten Transceiver oder Direk-
tabtastwandler einzubauen. Da
die Frequenz mit dem X-Band
(10 GHz) ansteigt, ist es schwie-
rig, aber mit fortgeschrittener
Integration möglich. Beim Ka-
Band ist es eine große Heraus-
forderung. Mit zunehmender
Frequenz sind hybride Archi-
tekturen praktischer und ein
4:1-Strahlformer, wie der im
ADAR1000, kann die Anzahl
der Empfänger/Exciter um den
30 hf-praxis 1/2020
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