© Fraunhofer IDMT Übertragungssysteme WS 2011/2012 Vorlesung 12 Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg [email protected] Kontakt: Dipl.-Ing.(FH)

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Übertragungssysteme

WS 2011/2012

Vorlesung 12

Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg

[email protected]

Kontakt:

Dipl.-Ing.(FH) Sara Kepplinger / Dipl.-Inf. Thomas Köllmer

[email protected]

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Prof. Dr.-Ing. Karlheinz Brandenburg, [email protected] Seite 2

Videocodierung – H.264

Digitaler Rundfunk

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2003 Standardisiert: MPEG-4 Part 10: H.264/AVC

Deutlich höhere Komprimierungsleistung als MPEG2/H.262

Anwendungsgebiete: BluRay, Youtube, DVB-S2, DVB-H …

Profile: Baseline, Extended, Main, High, High 10, High 4:2:2, High 4:4:4

Level: von 64kBit/s bis 240 MBits/s

MPEG4- AVC (H.264)

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Slice-Groups

Verschiedene Arten der Prädiktion in einem Bild möglich

Spatial Directional Prediction

Prädiktion anhand der bereits dekodierten Daten eines Bildes

MPEG4- AVC (H.264) - Neuerungen

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Bewegungsvorhersage

Blockgröße variabel

Suche im Viertelpixelraster

Deblocking Filter

Entropiecodierung

Arithmetische Codierung als Option möglich (CABAC, Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding)

MPEG4- AVC (H.264) - Neuerungen

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MPEG4- AVC (H.264)

H.264 Encoder

Quelle: A. Bovik: The essential guide to video processing

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Videocodierung – H.264

Digitaler Rundfunk

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Terrestrische Systeme

Digital Audio Broadcasting DAB/DAB+

Digital Radio Mondiale DRM/DRM+

Satellitenbasierte Systeme

WorldSpace

ARIB

Sirius / XM Radio

Digitaler Hörfunk: Überblick

12. Vorlesung – Digitaler Hörfunk 1. Terrestrische Systeme 2. Satellitenbasierte Systeme

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DAB: Einführung

Großbritannien: 60% Bevölkerungsabdeckung

Frequenz-Zuteilung ist Schlüsselentscheidung!

Markt für 800 Mio Radio-Geräte in Europa

Robuster Empfang im mobilen Einsatzbereich

CD-ähnliche Audio-Qualität bei 192 kbit/s

Zusätzliche Datendienste

Insgesamt: hohe Nutz-Datenrate > 1,5 Mbit/s

1. Terrestrische Systeme: DAB 2. Satellitenbasierte Systeme

12. Vorlesung – Digitaler Hörfunk

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DAB: Gebietsabdeckung 2007

Quelle: www.digitalradio.de



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DAB: Blockdiagramm Sender

Quelle: Seminar „Digitaler Rundfunk“ an der Univ. Erlangen, 2000



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DAB: Blockdiagramm Sender




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Band III:

z.B. f = 224,25 MHz = Fernsehkanal 12

flächendeckend

L-Band:

f = 1452 .. 1492 MHz

hohe Kosten

lokale Versorgung

Terrestrisches Sendernetz = Gleichwellennetz

Spektrums- und leistungseffiziente Techniken

ETS 300401 (30 MHz – 3 GHz)

DAB: Sendefrequenzen




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Problem DAB-Lösung

Zeitabhängiges Fading (Durch Mehrwegeausbreitung beim Fahren

Zeitinterleaving

Frequenzabhängiges Fading

(Durch stationäre Mehrwege-ausbreitung)

Breitbandigkeit, Frequenzinterleaving

Dopplerverschiebung

(Durch Bewegung des Fahrzeuges)

Wahl des Unterträgerabstands bei COFDM in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz

(Unterträgerabstand abhängig vom DAB-Mode)

Am Empfänger verzögert eintreffende Signale (Delay Spread durch Mehrwegeausbreitung)

Schutzintervall zwischen aufeinanderfolgenden Symbolen (Länge abhängig vom DAB-Mode

Übertragungsfehler RCPC-Kodes als Kanalfehlerschutz

Probleme beim Mobilempfang



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DAB: Übertragungsformat




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DAB: Aufbau des Multiplex


Drei verschiedene Übertragungswege: 1. Synchronisationskanal (Synchronisation channel)

Null- und Phasenreferenz-Symbol 2. FIC (Fast Information Channel)

Steuerung- und Dekodierungsinformationen (MCI – Multiplex Configuration Information)

SI (Service Information): Nach Auswertung des FIC kann Empfänger die Nutzdaten dekodieren

Gliederung in FIBs (Fast Information Blocks) 3. MSC (Main Service Channel)

Eigentliche Nutzdaten (Programme und Datendienste des Ensembles) Gliederung in Common Interleaved Frames (CIFs) Aufteilung der CIFs in CU ( Capacity Unit)



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Fast Information Data Channel (FIDC)

Programme Associated Data (PAD)

Packet Mode

DAB: Transportmechanismen für Datendienste




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DAB: Programmbegleitende Daten (PAD)


F-PAD ( Fixed Programme Associated Data ):

Unmittelbare mit dem Hörfunkprogramm zusammenhängende Daten

X-PAD ( Extended Programme Associated Data )

Texte ("Dynamic Label")

In-house-Daten

Daten für geschlossene Benutzer

Multimedia Object Transfer (MOT)

PAD-Inhaltsverzeichnis



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Stream Mode

Übertragung von Datenströmen

Konstante Datenrate: n * 8 kbit/s

z.B. Hörfunkprogramme, Ton mit MPEG-1 Layer II kodiert

Paket Mode

Übertragung von Datenströmen - mit geringer Datenrate ( < 8 kbit/s) oder - zeitlich stark schwankendes Datenaufkommen - Datenaufkommen asynchron ist

Reine Datendiensten

DAB: Stream & Packet Mode




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Standardprotokoll für DAB

Multiplex auf Segmentebene durch eindeutige Transport-ID

Header Core:

Objekt-Typ und Größe

Header Extension:

Content Name

Version Number

Start Validity

Expire Time

... sonstige Objekt-Parameter

Transport der Information als Objekte begrenzter Länge (max. Objektlänge: ca. 255 Mbyte)

DAB: Multimedia Object Transfer Protocol




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DAB: Packet Mode & Multimedia Object Transfer Protocol



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DAB: Übertragungsprotokoll




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Traffic Message Channel (TMC)

Datendienst bestehend aus nach “Alert C“-Protokoll digital codiertenVerkehrsnachrichten

- Bezug der numerischen Zahlencodewerte auf die Informationstafeln * event * location * severity * duration * alternative route

Organisation der Zahlencodewerte in Gruppen, bestehend aus < 38 bit Information

Transport der Nachricht im FIDC in FIGs

DAB: Zusatzdienste




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Dynamic Label:

Funktion: Ausgabe kurzer Textnachrichten (Labels) auf dem alpha-numerischen Display

Zum Transport: Aufteilung der Labels in bis zu 8 Segmente aus bis zu 16 Zeichen; eingeschränkte Formatierung möglich.

Grundlegende Struktur einer X-PAD Datengruppe mit Dynamic Label-Segment

Typische Anwendung:

Kurznachrichten, Wettervorhersagen, Titel/Interpret v. aktuellem Lied

DAB: Zusatzdienste




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DAB: Blockdiagramm Empfänger




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DAB-System erlaubt ankommende Signale zu summieren, wenn die verzögerten Signale innerhalb des Schutzintervalles eintreffen

Später eintreffende Signale erzeugen Eingeninterferenzen

maximal möglicher Senderabstand:

dMaxSender =1.2 tguard * c

DAB-Mode I IV II III

dMaxSender [km] 90 45 22,5 11,25

Leistungsersparnis DAB zu FM bis zu 10dB

mehrere kleine Sender anstatt einem Sender mit großer Leistung wie bei FM, vermindert Störleistung in benachbarten Sendergebieten und benötigt weniger Gesamtleistung

Leistungsökonomie



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Leistungsökonomie von DAB-Gleichwellennetzen im Vergleich zu FM

Leistungsökonomie



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Frequenzökonomie wird durch die Größe des Gleichwellennetzes bestimmt

Je größer das Versorgungsgebiet, desto frequenzökonomischer ist DAB

Bei kleinen Versorgungsgebieten spielt der Entkopplungsabstand eine wichtige Rolle

Entkopplungsabstand legt Abstand fest, um gleichen Frequenzblock zur Versorgung eines weiteren Gebietes zu verwenden ohne die Versorgungsqualtität zu beeinträchtigen

CEPT für VHF-Bereich

Ideale Darstellung, aber dennoch geeignet um Interferenzpotential und Entkopplungsabstand für Gleichwellennetze zu ermitteln

Spektrumseffizienz des DAB-Gleichwellennetzes im Vergleich zu FM-Netzen in MFN-Technik um Faktor bis drei verbessert

Frequenzökonomie



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CEPT-Referenznetz für den VHF-Bereich

Frequenzökonomie



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Erweiterung zu DAB

Erbt volle Funktionalität von DAB

Mischbetrieb mit DAB möglich

Benutzt MPEG-2 Transportstrom für Audio und Video

H.264 für Video

BSAC (Bit Sliced Arithmetic Coding) und HE-AAC für Audio

MPEG-4 BIFS (Binary Format for Scenes) für interaktive Inhalte

Testbetrieb in Deutschland eingestellt

Zur Zeit eingesetzt in Südkorea, (Einsatz in Frankreich geplant)

DMB (Digital Multimedia Broadcasting)

1. Terrestrische Systeme: DMB 2. Satellitenbasierte Systeme


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MPEG-4 Video(AVC)

MPEG-4 Audio(BSAC / HE-AAC)

MPEG-4Interactive Content

BIFS: Core2D Profile

MPEG-4 SLEncapsulation



MPEG-2 TS Multiplexing

Forward Error Correction

Eureka-147 Stream Mode (DAB)

DMB (Digital Multimedia Broadcasting)

1. Terrestrische Systeme: DMB 2. Satellitenbasierte Systeme


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DAB+ wurde als ETSI TS 102 563 standardisiert: “Digital Audio Broadcasting (DAB); Transport of Advanced Audio Coding (AAC) audio”

HE-AAC V2

audio coder

Audio Super

Framing

Reed-Solomon CoderAnd

Virtual interleaver

DAB main service channel

multiplexer

Scope of ETSI TS 102 563

DAB +

1. Terrestrische Systeme: DAB+2. Satellitenbasierte Systeme


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Vorteile:

Mehr Sender können in einem Multiplex untergebracht werden

Neue Empfänger sind rückwärtskompatibel mit existierenden MPEG Audio Layer II Angeboten

Stabilere Audioübertragung als bei herkömmlichen DAB (verbesserter Fehlerschutz)

DAB +

1. Terrestrische Systeme: DAB+2. Satellitenbasierte Systeme


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Standardisiert als ETSI ES 201 980 in 2003

DRM wurde für den Einsatz bei Frequenzen unter 30 MHz entwickelt

Langwelle, Mittelwelle, Kurzwelle

Die Nutzung dieses Frequenzbereichs ist die einfachste Möglichkeit mit geringer technischer Infrastruktur große Gebiete zu versorgen.

Bisherige boadcastbasierte Verfahren in diesem Frequenzbereich nutzen die sehr ineffiziente Zweiseitenband AM und liefern nur eine sehr geringe Audioqualität

Unterstützte Kanalraster: 4,5 / 5 / 9 / 10 / 18 / 20 kHz

Durch die Nutzung von DRM in Verbindung mit High Efficiency AAC soll nahezu FM Qualität erreicht werden.

Digital Radio Mondiale (DRM)

1. Terrestrische Systeme: DRM2. Satellitenbasierte Systeme


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Conceptual DRM transmission block diagram

normal/[high]protection

sourceencoder(s)

precoder

precoder

precoder

mu

ltiple

xe

r

normal prot.

[high prot.]

normal prot.

[high prot.]

energy dispersal

channelencoder

cell interleaver

OFDM signal

generator modulator

OF

DM

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MSC

energy dispersal

channelencoder

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energy dispersal

channelencoder

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tion

DR

M tra

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sign

al

MSC: Main Service ChannelFAC: Fast Access ChannelSDC: Service Description Channel




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DRM Source Encoding

SBR Encoder(configuration dependent)Audio

Signal

AACEncoder

Audio Super Framing Mux and

ChannelCoding

CELPEncoder

HVXCEncoder

AAC: Advanced Audio CodingCELP: Code Excited Linear PredictionHVXC: Harmonic Vector eXcitation Coding




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DRM Konsortium beschließt die Ausweitung des DRM Standards auf den Bereich bis 120MHz (UKW) DRM+

Beibehaltung von HE-AAC v2

Schmalbandig mit Kanalbandbreite 50-100kHz

CD-Qualität (Stereo, 5.1 Mehrkanalton)

Rein lokale Versorgung

DRM+

1. Terrestrische Systeme: DRM+2. Satellitenbasierte Systeme


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WorldSpace

Private Firma mit Sitz in Washington DC

1992 gegründet

Satelliten-Radio für die „Dritte Welt“

XM-Radio/Sirius Radio

Zwei ehemals konkurrierende Firmen in den USA, mittlerweile: Sirius|XM Radio

Satelliten-Radio für USA/Amerika

ARIB (Association of Radio Industries and Businesses)

Japanisches Satelliten-Radio System

Digital Audio Radio Broadcasting via Satellite (DARS)

1. Terrestrische Systeme: 2. Satellitenbasierte Systeme


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Digitaler Satellitenrundfunk

1. Terrestrische Systeme2. Satellitenbasierte Systeme


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WorldSpace: Coverage

1. Terrestrische Systeme2. Satellitenbasierte Systeme: WorldSpace


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WorldSpace: Überblick

3 Satelliten (evtl. Ausbau auf bis zu 6):

Afristar (21o Ost, Start Okt. 1998), Asiastar (105o Ost, Start März 2000), Ameristar (in Planung)

TDM Downlink im L-Band (1.6 GHz) 6 Beams pro Satellit Netto-Datenrate/Beam: 96 * 16 kbps Audio-Compressionsverfahren: MP3 Audio-Datenraten: 8 - 128 kbps in 8 kbps Schritten Signal wird von verschiedenen Uplink-Stationen am Satellit zu einem

Beam zusammengefügt Terrestrische Unterstützung der Abdeckung durch Repeater ist

geplant Time Diversity: 4.32 s



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Broadcast Segment Space Segment Repeater Segment Receiver Segment

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Audio Image Data

TDM FormatEncoder

(Service Component Layer to Broadcast

Transport Layer)

TDM FormatEncoder

(Broadcast Channel Transport Layer to Multiplex Transport

Layer)

QPSKModulator

Geo-stationary Satellite with

Transparent andProcessed Payloads

QPSKDemod.

MCMModulator

MCMDemod.

QPSKDemod.

Audio Image Data

TDM / MCMformat

decoder

Transport Layer

adaptation

TDM / MCMSelector

Stu

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WorldSpace: ISO-OSI-Modell



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WorldSpace: Digitales Format des Service Layer



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WorldSpace: Time Diversity



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WorldSpace: Time Diversity und Space Diversity



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WorldSpace: Repeater Konzept



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Satellitengestützt und terrestrisch

Sendebereich: 2.630 - 2.655 MHz

In-Band Repeater (Gap-Filler)

Direct: Empfangsfreqenz = Sendefreqenz

Frequency Conversion:Empfangsfrequenz = 11 oder 12 GHz

MPEG-2 Systemarchitektur für den Service Layer

Audio-Compressionsverfahren: AAC

Für den mobilen Empfang ausgelegt

64 CDM-Kanäle möglich, in der Praxis aber nur 30 Kanäle bei Multipfad-Empfang

Pilot-Kanal zur besseren Synchronisation und für Kontrolldaten-Übermittlung

ARIB: Überblick

1. Terrestrische Systeme2. Satellitenbasierte Systeme: ARIB


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ARIB: Sendeseite (1)



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ARIB: Sendeseite (2)



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ARIB: Digitales Format für den Pilot-Kanal



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ARIB: Interleaver auf Bit-Ebene



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ARIB: Blockschaltbild des Interleavers



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ARIB: CDM-QPSK-Signal



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ARIB: Blockschaltbild des Receivers



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XM – Satelliten Radio

Marktvorraussetzungen in den USA

Städte mit dichter Besiedelung

Große Flächen mit geringer Bebauung

Mobilempfang spielt große Rolle

Hohe Programmvielfalt üblich

Conditional Access üblich $9.95

Systemüberblick

Gleichwellennetz mit 2.3 GHZ (S-Band)

Bis zu 100 Programme

2 Satelliten im geostationären Orbit

Hybrid-Technik: Satellit (QPSK) und terrestrische Repeater (OFDM/MCM) in bebauten Gebieten

1. Terrestrische Systeme2. Satellitenbasierte Systeme: XM Radio


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GEO

stationär in 35786km Höhe am Äquator

Umlaufzeit 24h

HEO (highly elliptical Orbit)

Elliptische Bahn um die Erde (13000 – 30000km)

geosynchrone Umlaufzeit 24h

XM - Satelliten



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GEO stationär

+ gleichbleibende stabile Empfangsverhältnisse

+ „Beam Forming“ möglich

+ für Redundanz weiterer Satellit

+ einfache Antenne ausreichend

durch feste Position am Äquator wird mit dem Breitengrad der Elevationswinkel kleiner

HEO

+ hoher Elevationswinkel

- höhere Anforderung an die Antennenkonstruktion

- Empfangseigenschaften ändern sich mit der Zeit

- mehrere Satelliten notwendig

- Kein beam-forming möglich

XM - Satelliten



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Spatial diversity:

Ein zweites (identisches) Signal wird von einem weiteren Satelliten auf einer andern Position im Orbit ausgesstrahlt

Time diversity:

zweifaches zeitversetztes Ausstrahlen des selben Signals

Terrestrial Repeater:

Ergänzung durch terrestrische Ausstrahlung in Gebieten mit unzureichenden Satellitenempfang (Städte)

XM – Diversity Concept



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Links: Spatial Diversity (z.B. Stadt)

Unten: Time Diversity




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XM – Multiplex Struktur



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Nächste Vorlesung:

Dienstag, 17.01. 2012, 13:00 Uhr, K-HS 2

Nächstes Seminar:

Montag, 09.01. 2012, 17:00 Uhr, SrHU 129

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