DE19532989C1 - Multiplikative Mischstufe - Google Patents
Multiplikative MischstufeInfo
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Description
Mischstufen werden in der Schaltungstechnik häufig eingesetzt, insbesondere zur
Umsetzung der Frequenz eines Eingangssignals in einen anderen Frequenzbe
reich; ein Hauptanwendungsfall hierzu ist in der Rundfunktechnik die Erzeugung
der Zwischenfrequenz (die beispielsweise in superheterodynamischen Empfän
gerstufen benötigt wird) aus dem HF-Eingangssignal. Mischstufen werden entwe
der als einfach realisierbare additive Mischstufen ausgebildet - hier wird das Ein
gangssignal zusammen mit einem Oszillatorsignal (LO-Signal) einer Schaltungs
komponente mit nicht-linearer Kennlinie zugeführt und durch deren Nicht-Linea
rität eine Vielzahl von Mischprodukten erzeugt - oder als multiplikative Misch
stufen realisiert - hier wird durch eine kombinierte Schaltungsanordnung aus einer
Verstärkerstufe (in der Regel Verstärkertransistoren) und einer Schaltstufe (in der
Regel Schalttransistoren) eine echte Signalmultiplikation mit einem Oszillatorsi
gnal vorgenommen. Da bei additiven Mischstufen eine Vielzahl unerwünschter
Mischprodukte entstehen (insbesondere tritt die Oszillatorfrequenz am Schal
tungsausgang auf), werden in einigen Frequenzbereichen bevorzugt multiplikative
Mischstufen eingesetzt; die Standard-Konfiguration einer multiplikativen Misch
stufe basiert auf der sogenannten Gilbert-Zelle, wie sie beispielsweise in der Lite
raturstelle P. Gray, R. Meyer: "Analysis and Design of Analog Integrated Cir
cuits", 3. Auflage, John Wiley & Sons, 1993, S. 670, beschrieben ist. Weiterhin
wird in der DE 35 02 294 A1 ein Frequenzumsetzer mit einer Mischstufe und in
der DE 26 08 939 A1 ein Mischer beschrieben, die jeweils eine Verstärkerstufe,
eine Schaltstufe und einen Lokaloszillator aufweisen.
Ein generelles Problem bei Mischstufen ist die üblicherweise mit ZF/2-Störung
bezeichnete Tatsache, daß infolge des Mischvorgangs die doppelte Oszillatorfre
quenz gebildet und zum Eingang der Mischstufe rückgeführt wird; am Eingang
der Mischstufe liegen neben dem erwünschten Eingangssignal (Nutzsignal) auch
eine Reihe unerwünschter Signale (Störsignale) an - falls eines der Störsignale
eine um die halbe Zwischenfrequenz vom Nutzsignal beabstandete Frequenz und
eine ausreichende Amplitude aufweist, wird durch Intermodulation zweiter Ord
nung dieses Störsignals mit dem Signal der doppelten Oszillatorfrequenz ein uner
wünschtes Mischprodukt mit der Frequenz des Nutzsignals erzeugt, das das ge
wünschte Nutzsignal am Eingang der Mischstufe überdecken kann.
Meistens werden die Auswirkungen der ZF/2-Störung mittels hochselektiver Ein
gangsfilter lediglich gedämpft (jedoch nicht unterdrückt), wobei die Eingangsfilter
zudem das Rauschverhalten negativ beeinflussen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache multiplikative Mischstu
fe anzugeben, bei der die negativen Auswirkungen der doppelten Oszillatorfre
quenz ohne störende Effekte unterdrückt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Eingangssignal am Eingang
der Schaltstufe und das Ausgangssignal am Ausgang der Schaltstufe in differen
tieller Form, d. h. als Gegentaktsignale vorliegen, während das Oszillatorsignal als
Gleichtaktsignal vorliegt; daher müssen zur Kompensation der doppelten Oszilla
torfrequenz Gleichtaktsignale beeinflußt werden - Gegentaktsignale sollten dage
gen nicht beeinträchtigt werden. Bei der vorgestellten multiplikativen Mischstufe
wird mittels einer als Dreipol oder Vierpol ausgebildeten und zwischen dem Ein
gang und dem Ausgang der Schaltstufe angeordneten Kompensationsstufe das am
Eingang und Ausgang der Schaltstufe mit gegensätzlicher Phasenlage anliegende
Signal der doppelten Oszillatorfrequenz innerhalb der Mischstufe "kurzgeschlos
sen" und somit am Schaltungseingang der Mischstufe in seiner Amplitude wesent
lich reduziert bzw. unterdrückt, ohne daß die Mischstufe in ihrer eigentlichen
Funktion der Signalmischung beeinflußt wird. Hierzu wird durch die Kompensa
tionsstufe zunächst in einem ersten Additionsschritt das Signal der doppelten Os
zillatorfrequenz sowohl am Eingang der Schaltstufe als auch am Ausgang der
Schaltstufe in jeweils einer Phasenlage getrennt summiert, anschließend werden in
einer zweiten Additionsschritt die beiden Summen als Summanden mit jeweils ge
gensätzlicher Phasenlage addiert. Aufgrund der gegensätzlichen Phasenlage der
beiden Summanden wird vorteilhafterweise eine Kompensation des Signals der
doppelten Oszillatorfrequenz erreicht (Gleichtaktsignal), ohne daß bei dieser
"ZF/2-Unterdrückung" das zur Mischung erforderliche Gegentaktsignal beeinflußt
wird.
Die Kompensationsstufe kann als als Dreipol oder Vierpol mit drei oder vier An
schlußpins ausgebildet werden, wobei die Kompensationsstufe über zwei An
schlußpins mit dem Eingang (mit den beiden Eingangsanschlüssen) der Schaltstu
fe und über einen Anschlußpin bzw. über zwei Anschlußpins mit dem Ausgang
(mit einem Ausgangsanschluß bzw. mit den beiden Ausgangsanschlüssen) der
Schaltstufe verbunden ist. Die Kompensationsstufe weist eine zur Anzahl ihrer
Anschlußpins korrespondierende Zahl an Schaltungskomponenten auf (d. h. 3
oder 4 Schaltungskomponenten): jeweils ein Anschluß der Schaltungskomponen
ten ist mit einem der Anschlußpins der Kompensationsstufe verbunden, der
jeweils andere Anschluß der Schaltungskomponenten ist an einem gemeinsamen
Knotenpunkt zusammengeführt. Die Schaltungskomponenten der Kompensa
tionsstufe sind sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig jeweils untere
inander symmetrisch ausgebildet: als Vierpol weist die Kompensationsstufe
sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig jeweils zwei identisch ausgebildete
Schaltungskomponenten auf; als Dreipol weist die Kompensationsstufe eingang
sseitig zwei identisch ausgebildete Schaltungskomponenten und ausgangsseitig
eine Schaltungskomponente auf. Durch diese Anordnung der Schaltungskompo
nenten der Kompensationsstufe werden die oben beschriebenen beiden Addi
tionsschritte des Signals der doppelten Oszillatorfrequenz in geeigneter Weise
phasenrichtig durchgeführt: da die eingangsseitig verbundenen Schaltungskompo
nenten identisch sind, heben sich am gemeinsamen Knotenpunkt der Kompensa
tionsstufe Eingangs-Gegentaktsignale auf; Gleichtaktsignale dagegen bilden sich
ab, werden aber durch den ausgangsseitig identischen Mechanismus kompensiert.
Die Additionen der beiden Additionsschritte können mittels beliebiger, für Gleich
spannung sperrender Schaltungskomponenten vorgenommen werden, vorzugswei
se mittels Schaltungskomponenten mit proportional zur Frequenz zunehmender
Admittanz (d. h. Schaltungskomponenten, deren Impedanz mit steigender Fre
quenz abnimmt); bsp. können die Additionen über kapazitive Kopplung mittels
Kondensatoren als Schaltungskomponenten der Kompensationsstufe durchgeführt
werden (dies hat den Vorteil, daß durch die kapazitive Überbrückung der
Schaltstufe auch die interne Stromquelle mit der doppelten Oszillatorfrequenz
kurzgeschlossen wird).
Die Kompensationsstufe zur ZF/2-Unterdrückung kann bei allen multiplikativen
Mischstufen mit Verstärkerstufe und Schaltstufe eingesetzt werden: bsp. bei einer
als sog. "Gilbert-Zelle" ausgebildeten multiplikativen Mischstufe, bei der die Ver
stärkerstufe zwei in Emitterschaltung betriebene Verstärkertransistoren und die
Schaltstufe vier Schalttransistoren aufweist, oder bei einer multiplikativen Misch
stufe, bei der die Verstärkerstufe zwei in Basisschaltung betriebene Verstär
kertransistoren aufweist, oder bei einer multiplikativen Mischstufe, bei der die
Schaltstufe mittels eines Dioden-Ringmischers realisiert wird, oder bei einer mit
tels MOS-Transistoren realisierten multiplikativen Mischstufe. Die multiplikative
Mischstufe kann insbesondere wegen ihrer geringen Oszillatorstörstrahlung in
Empfangssystemen mit beschränkter Oszillatorstörstrahlung (d. h. bsp. in Emp
fangssystemen für. Breitbandkabelnetze) oder aufgrund der reduzierten Ne
benempfangsstellen in Empfangssystemen mit beschränktem Nebenempfang (d. h.
bsp. in Autoradios) eingesetzt werden.
Anhand der Zeichnung mit den Fig. 1 und 2 soll die multiplikative Mischstufe
näher beschrieben werden; hierbei zeigt die Fig. 1 ein prinzipielles Blockschalt
bild der multiplikativen Mischstufe und die Fig. 2 ein mittels Bipolartransistoren
realisiertes Ausführungsbeispiel der multiplikativen Mischstufe für HF-Anwen
dungen in Rundfunkempfängerschaltungen.
Gemäß dem Prinzipschaltbild der Fig. 1 besteht die multiplikative Mischstufe l
aus der Verstärkerstufe 10, der Schaltstufe 20, der Kompensationsstufe 30 und
dem Lokaloszillator 40.
Die zur Verstärkung des Eingangssignals UIN mit der Frequenz fIN dienende Ver
stärkerstufe 10 ist eingangsseitig an die beiden Schaltungseingänge IN1, IN2 der
multiplikativen Mischstufe 1 angeschlossen, an denen das Eingangssignal UIN in
differentieller Form (als Gegentaktsignal) anliegt (zur Erzeugung des Gegentakt-
Eingangssignals kann bsp. ein Symmetrierüberträger Verwendung finden); aus
gangsseitig ist die Verstärkerstufe 10 mit den beiden Eingangsanschlüssen E1, E2
der Schaltstufe 20 verbunden. Die zur Umpolung des Eingangssignals UIN di
enende Schaltstufe 20 besteht aus den vier Schaltelementen S1, S2, S3, S4, die
von dem an die beiden Steueranschlüsse SE1, SE2 der Schaltstufe 20 angeschlos
senen Lokaloszillator 40 mit dem Oszillatorsignal ULO der Oszillatorfrequenz fLO
angesteuert werden; die beiden Ausgangsanschlüsse A1, A2 der Schaltstufe 20
sind mit den beiden Schaltungsausgängen OUT1, OUT2 der multiplikativen
Mischstufe 1 verbunden, an denen das Ausgangssignal UOUT in differentieller
Form (als Gegentaktsignal) mit der Frequenz fOUT als Mischprodukt aus dem Ein
gangssignal UIN mit der Frequenz fIN und dem Oszillatorsignal ULO des Loka
loszillators 40 mit der Frequenz fLO ansteht. Die als Vierpol mit den vier An
schlußpins P1, P2, P3, P4 ausgebildete Kompensationsstufe 30 ist zwischen dem
Eingang der Schaltstufe 20 und dem Ausgang der Schaltstufe 20 angeordnet,
wobei die beiden Anschlußpins P1, P2 jeweils mit einem Eingangsanschluß E1,
E2 der Schaltstufe 20 und die beiden Anschlußpins P3, P4 jeweils mit einem Aus
gangsanschluß A1, A2 der Schaltstufe 20 verbunden sind; die Kompensationsstufe
30 weist vier für Gleichspannung sperrende Schaltungskomponenten 31, 32, 33,
34 auf, deren jeweils erster Anschluß mit einem der Anschlußpins P1, P2, P3, P4
und deren jeweils zweiter Anschluß mit einem gemeinsamen Knotenpunkt K ver
bunden ist. Die beiden eingangsseitig an den Anschlußpins P1 und P2 angeschlos
senen Schaltungskomponenten 31 und 32 sind gleichartig (identisch zueinander)
ausgebildet, ebenso die beiden an den Anschlußpins P3 und P4 angeschlossenen
Schaltungskomponenten 33 und 34. Durch die Anordnung der Schaltungs
komponenten 31, 32, 33, 34 und deren Wirkungsweise für Gleichtaktsignale und
Gegentaktsignale (Gleichtaktanteile des an den Eingangsanschlüssen E1 und E2
anliegenden Signals werden unterdrückt, Gegentaktanteile des an den Eingangsan
schlüssen E1 und E2 anliegenden Signals dagegen ungestört belassen) wird das an
den Eingangsanschlüssen E1, E2 der Schaltstufe 20 bzw. an den Ausgangsan
schlüssen A1, A2 der Schaltstufe 20 anstehende Signal der doppelten Os
zillatorfrequenz fLO mittels zweier Additionsschritte (zumindest weitgehend) kom
pensiert.
Gemäß der Fig. 2 ist die multiplikative Mischstufe 1 als sog. "Gilbert-Zelle" rea
lisiert: sie besitzt einen symmetrischen Aufbau aus einer als Differenzverstärker
stufe ausgebildeten Verstärkerstufe 10 mit den beiden NPN-Verstärkertransistoren
T1, T2, der das Eingangssignal UIN zugeführt wird, und einer darauf aufgesetzten
Schaltstufe 20 mit vier NPN-Schalttransistoren T3, T4, T5, T6 (der Transistor T3
bildet das Schaltelement S1 der Fig. 1, der Transistor T4 bildet das Schaltele
ment S2, der Transistor T5 das Schaltelement S3 und der Transistor T6 das
Schaltelement S4). Durch die Schalttransistoren T3, T4, T5, T6 wird das an den
beiden Eingangsanschlüssen E1, E2 der Schaltstufe 20 anliegende Ausgangssignal
der Differenzverstärkerstufe 10 im Rhythmus des vom Lokaloszillator 40 generi
erten und an den Steueranschlüssen SEI, SE2 der Schaltstufe 20 anstehenden
Oszillatorsignals ULO mit der Frequenz fLO im Gegentakt umgepolt und das
gewünschte Mischprodukt an den Ausgangsanschlüssen A1, A2 der Schaltstufe 20
ausgegeben. An den beiden Schaltungsausgängen OUT1, OUT2 der multiplika
tiven Mischstufe 1 ist bsp. ein ZF-Filter angeschlossen, das das Ausgangssignal
UOUT auf die gewünschte Zwischenfrequenz (bsp. 10,7 MHz) filtert.
Da die Schaltstufe 20 zwei Paare von Schalttransistoren T3, T6 bzw. T4, T5 ent
hält, die jeweils nach der halben Periode des Oszillatorsignals ULO vom leitenden
in den nicht-leitenden Zustand bzw. umgekehrt übergehen, entsteht an den Kollek
toren der Schalttransistoren T3, T4, T5, T6 (d. h. an den Ausgangsanschlüssen AI,
A2) und an den Emittern der Schalttransistoren T3, T4, T5, T6 (d. h. an den Ein
gangsanschlüssen E1, E2) ein Signal mit jeweils entgegengesetzter Phasenlage,
das als wesentliche Frequenzkomponente die doppelte Oszillatorfrequenz 2·fLO
enthält. Zur Unterdrückung dieses auf die Schaltungseingänge IN1, IN2 der mul
tiplikativen Mischstufe 1 rückwirkenden störenden Signals der doppelten Oszilla
torfrequenz 2·fLO wird mittels der aus vier Kondensatoren C1, C2, C3, C4 beste
henden und die Anschlußpins P1, P2, P3, P4 aufweisenden Kompensationsstufe
30 das Signal von den Emittern der Schalttransistoren T3, T4, T5, T6 (bzw. von
den Kollektoren der Verstärkertransistoren T1 und T2) kapazitiv an den Schal
tungsausgang OUT1, OUT2 der multiplikativen Mischstufe I gekoppelt. Hierzu
summieren die beiden mit einem Anschluß an den Anschlußpin P3 bzw. P4 und
mit dem anderen Anschluß am gemeinsamen Knotenpunkt K angeschlossenen
identischen Kondensatoren C3 bzw. C4 in einem ersten Additionsschritt das an
den Ausgangsanschlüssen A1, A2 der Schaltstufe 20 (den Kollektoren der Schalt
transistoren T3, T5 bzw. T4, T6) anliegende Gleichtaktsignal, durch die beiden
mit einem Anschluß an den Anschlußpin P1 bzw. P2 und mit dem anderen An
schluß am gemeinsamen Knotenpunkt K angeschlossenen identischen Kondensa
toren C1 bzw. C2 wird dieses Summensignal an die Eingangsanschlüsse E1, E2
der Schaltstufe 20 (die Emitter der Schalttransistoren T3, T5 bzw. T4, T6) geleitet
und in einem zweiten Additionsschritt mit dem dort ebenfalls anstehenden (aber
eine entgegengesetzte Phasenlage aufweisenden) Signal der doppelten Oszillator
frequenz 2·fLO summiert; somit werden die störenden Anteile des Signals der
doppelten Oszillatorfrequenz 2·fLO weitgehend unterdrückt bzw. kompensiert,
wobei aufgrund der Vorgabe jeweils identischer Kapazitätswerte für die Kon
densatoren C3 und C4 bzw. C1 und C2 Gegentaktsignale und damit die Misch
eigenschaften der multiplikativen Mischstufe 1 nicht beeinflußt werden.
Bsp. wird von der multiplikativen Mischstufe I eine Mischfrequenz als ZF-
Frequenz von 10,7 MHz generiert, wobei zur Unterdrückung der ZF/2-Störstelle
bei der Frequenz fLO ± 5,35 MHz für die Kondensatoren C1 und C2 der Kapazi
tätswert 3 pF und für die Kondensatoren C3 und C4 ebenfalls der Kapazitätswert 3
pF gewählt wird.
Claims (9)
1. Multiplikative Mischstufe (1) mit
- - einer Verstärkerstufe (10) zur Verstärkung eines am Schaltungseingang (IN1, IN2) der multiplikativen Mischstufe (1) in differentieller Form anlie genden Eingangssignals (UIN) mit einer bestimmten Eingangsfrequenz (fIN),
- - einer am Ausgang der Verstärkerstufe (10) angeschlossenen Schaltstufe (20) zur Generierung eines am Schaltungsausgang (OUT1, OUT2) der multiplikativen Mischstufe (1) in differentieller Form ausgegebenen Aus gangssignals (UOUT) der gewünschten Mischfrequenz (fOUT), die vier Schaltelemente (S1, S2, S3, S4), zwei Eingangsanschlüsse (E1, E2), zwei Ausgangsanschlüsse (A1, A2) und zwei Steueranschlüsse (SE1, SE2) auf weist,
- - und einem mit den beiden Steueranschlüssen (SE1, SE2) der Schaltstufe
(20) verbundenen Lokaloszillator (40) zur Erzeugung eines Oszillator
signals (ULO) mit bestimmter Oszillatorfrequenz (fLO),
dadurch gekennzeichnet: - - zwischen den Eingangsanschlüssen (E1, E2) und den Ausgangsan schlüssen (A1, A2) der Schaltstufe (20) ist eine als Dreipol oder Vierpol ausgebildete Kompensationsstufe (30) mit einer ihrer Polzahl entspre chenden Anzahl von Anschlußpins (P1, P2, P3, P4) und von Schaltungs komponenten (31, 32, 33, 34) angeordnet,
- - zwei Anschlußpins (P1, P2) der Kompensationsstufe (30) sind jeweils mit einem Eingangsanschluß (E1, E2) der Schaltstufe (20) und der mindestens eine weitere Anschlußpin (P3, P4) der Kompensationsstufe (30) ist mit ei nem Ausgangsanschluß (A1, A2) der Schaltstufe (20) verbunden,
- - ein Anschluß der Schaltungskomponenten (31, 32, 33, 34) der Kompensa tionsstufe (30) ist jeweils mit einem Anschlußpin (P1, P2, P3, P4) der Kompensationsstufe (30) und der andere Anschluß der Schaltungskompo nenten (31, 32, 33, 34) der Kompensationsstufe (30) mit einem gemeinsa men Knotenpunkt (K) verbunden,
- - die für Gleichspannung sperrenden Schaltungskomponenten (31, 32, 33, 34) der Kompensationsstufe (30) sind sowohl eingangsseitig als auch aus gangsseitig untereinander derart symmetrisch ausgebildet, daß die an den Eingangsanschlüssen (E1, E2) der Schaltstufe (20) und die an den Aus gangsanschlüssen (A1, A2) der Schaltstufe (20) anstehenden Gleichtaktsi gnale phasenrichtig zunächst sowohl an den Eingangsanschlüssen (E1, E2) der Schaltstufe (20) als auch an den Ausgangsanschlüssen (A1, A2) der Schaltstufe (20) summiert werden und anschließend die beiden Summen am gemeinsamen Knotenpunkt (K) der Kompensationsstufe (30) addiert werden.
2. Multiplikative Mischstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
beiden, eingangsseitig mit den an die Eingangsanschlüsse (E1, E2) der Schaltstufe
(20) angeschlossenen Anschlußpins (P1, P2) der Kompensationsstufe (30) verbun
denen Schaltungskomponenten (31, 32) identisch ausgebildet sind.
3. Multiplikative Mischstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kompensationsstufe (30) als Vierpol ausgebildet ist, und daß die beiden,
ausgangsseitig mit den an die Ausgangsanschlüsse (A1, A2) der Schaltstufe (20)
angeschlossenen Anschlußpins (P3, P4) der Kompensationsstufe (30) verbun
denen Schaltungskomponenten (33, 34) identisch ausgebildet sind.
4. Multiplikative Mischstufe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schaltungskomponenten (31, 32, 33, 34) der Kompensationsstufe (30) eine zur
Frequenz umgekehrt proportionale Impedanz aufweisen.
5. Multiplikative Mischstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Schaltungskomponenten (31, 32, 33, 34) der Kompensations
stufe (30) als passive Zweipole mit zwei Anschlüssen ausgebildet sind.
6. Multiplikative Mischstufe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schaltungskomponenten (31, 32, 33, 34) der Kompensationsstufe (30) als Kon
densatoren (C1, C2, C3, C4) ausgebildet sind.
7. Multiplikative Mischstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) der Schaltstufe (20) als paarwei
se angeordnete Schalttransistoren (T3, T4, T5, T6) ausgebildet sind.
8. Multiplikative Mischstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) der Schaltstufe (20) als Dioden
ausgebildet sind.
9. Multiplikative Mischstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Verstärkerstufe (10) als Differenzverstärker mit Verstärkertransi
storen (T1, T2) ausgebildet ist.
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DE19532989A DE19532989C1 (de) | 1995-09-07 | 1995-09-07 | Multiplikative Mischstufe |
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Publications (1)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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