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文檔簡(jiǎn)介

1、 掌握線性相位FIR數(shù)字濾波器的特點(diǎn) 掌握窗函數(shù)設(shè)計(jì)法 理解頻率抽樣設(shè)計(jì)法 了解設(shè)計(jì)FIR濾波器的最優(yōu)化方法 理解IIR與FIR數(shù)字濾波器的比較第七章第七章 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法IIR數(shù)字濾波器:數(shù)字濾波器:可以利用模擬濾波器設(shè)計(jì)但相位非線性FIR數(shù)字濾波器:數(shù)字濾波器: 可以嚴(yán)格線性相位,又可任意幅度特性因果穩(wěn)定系統(tǒng)可用FFT計(jì)算但階次比IIR濾波器要高得多一、線性相位FIR濾波器的特點(diǎn) FIR濾波器的單位沖激響應(yīng):( )01h nnN10( )( )NnnH zh n z系統(tǒng)函數(shù):在 z 平面有N 1 個(gè)零點(diǎn)在 z = 0 處是N 1 階極點(diǎn) h(n)為實(shí)序列時(shí),

2、其頻率響應(yīng):1、線性相位條件()()jjH ee 即群延時(shí) 是常數(shù)( )dd 0( ) 第二類線性相位:( ) 第一類線性相位:10()( )Njj nnH eh n e()( )jHe 線性相位是指 是 的線性函數(shù) ()()jjH ee 10()( )Njj nnH eh n e( ) 第一類線性相位()jjH ee 10() coscosNjnH eh nn 10() sinsinNjnH eh nn 1010sinsincoscosNnNnh nntgh nn 1100sincoscossin0NNnnh nnh nn 10sin0Nnh nnn第一類線性相位 的充要條件:( ) ( )

3、(1)01h nh NnnN 12Nn = (N 1) /2 為h(n)的偶對(duì)稱中心 10sin0Nnh nnn第二類線性相位 的充要條件:0( ) ( )(1)01h nh NnnN 12N0/2 n = (N 1) /2 為h(n)的奇對(duì)稱中心2、線性相位FIR濾波器頻率響應(yīng)的特點(diǎn)1100( )( )(1)NNnnnnH zh n zh Nn z 1(1)0( )NNmmh m z (1)1()NzH z 1mNn 令系統(tǒng)函數(shù):( )(1)01h nh NnnN 由1(1)0( )NNmmzh m z (1)11 ( )( )()2NH zH zzH z得11(1)001( )( )2NN

4、nNnnnh n zzh n z1(1)01( )2NnNnnh nzzz11122120( )2NNnnNNnzzzh n (1)1 ()NH zzH z 由11221cos 221sin 2jNNnnz eNnzzNjn 11122120( )2NNnnNNnzzH zzh n112011201( )cos2()( )1( )sin2jNNjnjz eNNjnNeh nnH eH zNjeh nn cos2jxjxeex 頻率響應(yīng):( )(1)h nh Nn 11201()( )( )cos2jNNjjz enNH eH zeh nn12N1)h(n)偶對(duì)稱為第一類線性相位1( )2N 相

5、位函數(shù): 頻率響應(yīng):( )(1)h nh Nn 11201()( )( )sin2jNNjjz enNH eH zjeh nn12N112201( )sin2NNjjnNeh nn0/22)h(n)奇對(duì)稱1( )22N 相位函數(shù):為第二類線性相位3、幅度函數(shù)的特點(diǎn)1)h(n)偶對(duì)稱,N為奇數(shù)11cos(1)cos22NNNnn 11cos22NNn對(duì)呈偶對(duì)稱101( )( )cos2NnNHh nn幅度函數(shù):1cos2Nn-32011( )2 ( )cos22NnNNHhh nn121112cos()22NmNNhhmm12Nnm令120( )( )cos()NnHa nn1(0)2Nah其中

6、:11,.,2Nn1( )22Na nhn( )0, , 2 H對(duì)呈偶對(duì)稱cos()0, 2 n對(duì),呈偶對(duì)稱120( )( )cos()NnHa nn2)h(n)偶對(duì)稱,N為偶數(shù)12012 ( )cos2NnNh nn101( )( )cos2NnNHh nn幅度函數(shù):2112cos22NmNhmm2Nnm令/211( )( )cos2NnHb nn( )22Nb nhn1,.,2Nn 其中:1201( )2 ( )cos2NnNHh nn( )H對(duì)呈奇對(duì)稱( )01Hz 則是零點(diǎn)1 cos02n時(shí)1z 為零點(diǎn)故不能設(shè)計(jì)成高通、帶阻濾波器 ( )0, 2H對(duì)呈偶對(duì)稱/211( )( )cos2

7、NnHb nn3)h(n)奇對(duì)稱,N為奇數(shù)11sin(1)sin22NNNnn 11sin22NNn對(duì)呈奇對(duì)稱101( )( )sin2NnNHh nn幅度函數(shù):1sin2Nn -3201( )2 ( )sin2NnNHh nn12112sin()2NmNhmm12Nnm令121( )( )sin()NnHc nn1( )22Nc nhn11,.,2Nn其中:1( )02Nh nNh奇對(duì)稱且 為奇數(shù)( )0, 2H故對(duì), 呈奇對(duì)稱( )01Hz 則是零點(diǎn)0, , 2 sin()0n時(shí)121( )( )sin()NnHc nnsin()0, 2 n因?qū)?,呈奇?duì)稱4)h(n)奇對(duì)稱,N為偶數(shù)101

8、( )( )sin2NnNHh nn幅度函數(shù):12012 ( )sin2NnNh nn1201( )2 ( )sin2NnNHh nn2112sin22NmNhmm2Nnm令/211( )( )sin2NnHd nn( )22Nd nhn1,.,2Nn 其中:( )01Hz 則是零點(diǎn)10, 2 sin02n時(shí)n ( )0, 2H對(duì)呈奇對(duì)稱n nh(n)為奇對(duì)稱時(shí),有900相移,適用于微分器和900移相器,而選頻濾波器采用h(n)為偶對(duì)稱時(shí)( )H對(duì)呈偶對(duì)稱/211( )( )sin2NnHd nn4、零點(diǎn)位置( )0iH z*, 1/iizz即 也是零點(diǎn)(1)1( )()NH zzH z 得:

9、由1)若 z = zi 是H(z)的零點(diǎn),則 z = zi-1 也是零點(diǎn)2)h(n)為實(shí)數(shù),則零點(diǎn)共軛成對(duì)線性相位濾波器的零點(diǎn)是互為倒數(shù)的共軛對(duì) 即共軛成對(duì)且鏡像成對(duì)(1)1()( )0NiiiH zzH z 1 已知FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)為: (1) h(n)長(zhǎng)度N=6 h(0)=h(5)=1.5 h(1)=h(4)=2 h(2)=h(3)=3(2) h(n)長(zhǎng)度N=7 h(0)= h(6)=3 h(1)= h(5)= 2 h(2)=h(4)=1 h(3)=0試分別說(shuō)明它們的幅度特性和相位特性各有什么特點(diǎn)。 解解: (1) 由所給h(n)的取值可知,h(n)滿足h(n)=h(N1n),

10、所以FIR濾波器具有A類線性相位特性: 5 . 221)(N由于N=6為偶數(shù)(情況2), 所以幅度特性關(guān)于=點(diǎn)奇對(duì)稱。 (2) 由題中h(n)值可知, h(n)滿足h(n)=h(N1n), 所以FIR濾波器具有B類線性相位特性: 32212)(N由于7為奇數(shù)(情況3), 所以幅度特性關(guān)于=0, , 2三點(diǎn)奇對(duì)稱。2 已知第一類線性相位FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)長(zhǎng)度為16, 其16個(gè)頻域幅度采樣值中的前9個(gè)為: Hg(0)=12, Hg(1)=8.34, Hg(2)=3.79, Hg(3)Hg(8)=0 根據(jù)第一類線性相位FIR濾波器幅度特性Hg()的特點(diǎn), 求其余7個(gè)頻域幅度采樣值。 解解:

11、因?yàn)镹=16是偶數(shù)(情況2), 所以FIR濾波器幅度特性Hg()關(guān)于=點(diǎn)奇對(duì)稱, 即Hg(2)=Hg()。 其N點(diǎn)采樣關(guān)于k=N/2點(diǎn)奇對(duì)稱, 即Hg(Nk)=Hg(k) k=1, 2, , 15綜上所述, 可知其余7個(gè)頻域幅度采樣值: Hg(15)=Hg(1)=8.34, Hg(14)=Hg(2)=3.79, Hg(13)Hg(9)=0二、窗函數(shù)設(shè)計(jì)法 1、設(shè)計(jì)方法10()( )()Njj njdnH eh n eHe1( )2jj nddh nHeed( )( )( )dh nw n h nw(n):窗函數(shù)序列要選擇合適的形狀和長(zhǎng)度以低通濾波器為例討論:線性相位理想低通濾波器的頻率響應(yīng):(

12、)0,jjccdcceHe 1sin()( )2()ccjj nccdcnh needn其理想單位抽樣響應(yīng):中心點(diǎn)為 的偶對(duì)稱無(wú)限長(zhǎng)非因果序列 取矩形窗:( )( )Nw nRn 1sin201 120cccNnnNh nNnn其它( )01( )( ) ( )0ddh nnNh nh n w nn其它則FIR濾波器的單位抽樣響應(yīng):12N按第一類線性相位條件,得sin()( )()ccdcnh nn 加窗處理后對(duì)頻率響應(yīng)的影響:時(shí)域乘積相當(dāng)于頻域卷積1()2jjjdH eHeW ed 1120sin2()( )sin2NNjjj nRnNW ew n ee而矩形窗的頻率響應(yīng):( )( ) (

13、)dh nh n w nsin2 ( )sin2RNW其幅度函數(shù): 理想濾波器的頻率響應(yīng):12()( )NjjddHeHe11()221()( )()2NNjjjdRH eHeWed 121( )()2NjdReHWd1( )0cdcH其幅度函數(shù):則FIR濾波器的頻率響應(yīng): 1( )()2dRHHWd其幅度函數(shù): (0)( )RHW近似于的全部積分面積()0.5(0)cHH2cHN為最大值,正肩峰2cHN為最小值,負(fù)肩峰( )H隨,繞零值波動(dòng)( )(0)HH隨,繞波動(dòng)0c2cN2cN2cN2cN1( )( )()2dRHHWd幅度函數(shù):加窗函數(shù)的影響: 不連續(xù)點(diǎn)處邊沿加寬形成過(guò)渡帶,其寬度(兩

14、肩峰之間的寬度)等于窗函數(shù)頻率響應(yīng)的主瓣寬度。n在 處出現(xiàn)肩峰值,兩側(cè)形成起伏振 蕩,振蕩的幅度和多少取決于旁瓣的幅度和多少2cNn改變N只能改變窗譜的主瓣寬度,但不能改變主瓣與旁瓣的相對(duì)比例。其相對(duì)比例由窗函數(shù)形狀決定,稱為Gibbs效應(yīng)sinsinsin22 ( )sin22RNNxWNNxN幅度函數(shù):2、各種窗函數(shù) 窗函數(shù)的要求:u窗譜主瓣盡可能窄以獲得較陡的過(guò)渡帶u盡量減少窗譜最大旁瓣的相對(duì)幅度以減小肩峰和波紋( )( )Nw nRnn矩形窗4N主瓣寬度最窄:旁瓣幅度大 1120()( )NNjjj nRRnWew n eWe窗譜:sin2( )sin2RNW幅度函數(shù): 三角形(Bar

15、tlett)窗21012( )212112nNnNw nnNnNN8N主瓣寬度寬:旁瓣幅度較小 12()NjjW eWe窗譜:2sin24( )sin2NWN幅度函數(shù): 1N 12( )1cos( )21Nnw nRnN8N22( )0.5( )0.25RRRWWWWNN1N 2( )0.540.46cos( )1Nnw nRnN8N22( )0.54( )0.23RRRWWWWNN1N 24( )0.420.5cos0.08cos( )11Nnnw nRnNN12N22( )0.42( )0.25RRRWWWWNN440.04RRWWNN1N 凱澤(Kaiser)窗 :第一類變形零階 貝塞爾

16、函數(shù)0( )I 2002111( )( )nINw nI01nN改變 可同時(shí)調(diào)整主瓣 寬度和旁瓣幅度 旁瓣幅度 但主瓣寬度窗函數(shù)窗譜性能指標(biāo)加窗后濾波器性能指標(biāo)旁瓣峰值/dB主瓣寬度過(guò)渡帶寬阻帶最小衰減/dB矩形窗三角形窗漢寧窗海明窗布拉克曼窗凱澤窗-13-25-31-41-57-5724443.35.55-21-25-44-53-74-80/ 2 / N/ 2 / N7.865阻帶最小衰減只由窗形狀決定過(guò)渡帶寬則與窗形狀和窗寬N都有關(guān) 下面介紹用窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器的步驟。 (1)根據(jù)技術(shù)要求確定待求濾波器的單位取樣響應(yīng)hd(n)。如果給出待求濾波器的頻響為Hd(ej)

17、,那么單位取樣響應(yīng)用下式求出:1( )()2jjddh nHee d22101( )()MjkjknMMMdkhnHeeM(7.2.17) (7.2.18) 根據(jù)頻率采樣定理,hM(n)與hd(n)應(yīng)滿足如下關(guān)系:( )()( )MdMrhnh nrM Rn如果hd(n)很難直接求解,就采用頻率域采樣方法求其近似,取M個(gè)點(diǎn): 例如,理想低通濾波器如(7.2.1)式所示,求出單位取樣響應(yīng)hd(n)如(7.2.2)式,重寫(xiě)如下: (2)根據(jù)對(duì)過(guò)渡帶及阻帶衰減的要求,選擇窗函數(shù)的形式,并估計(jì)窗口長(zhǎng)度N。設(shè)待求濾波器的過(guò)渡帶用表示,它近似等于窗函數(shù)主瓣寬度。 (3) 計(jì)算濾波器的單位取樣響應(yīng)h(n),

18、 h(n)=hd(n)w(n)sin()1( ),()2cdnNh nn (4)驗(yàn)算技術(shù)指標(biāo)是否滿足要求。設(shè)計(jì)出的濾波器頻率響應(yīng)用下式計(jì)算:10()( )Njj nnH eh n e 例7.2.1 用矩形窗、漢寧窗和布萊克曼窗設(shè)計(jì)FIR低通濾波器,設(shè)N=11,c=0.2rad。 解 用理想低通作為逼近濾波器,按照(7.2.2)式,有sin()( ),010()1(1)52sin(0.2 (5)( ),010(5)cddnh nnnNnh nnn 用漢寧窗設(shè)計(jì):( )( )( ),0102w( )0.5(1 cos)10dHnHnh nh nnnnn用布萊克曼窗設(shè)計(jì): 11( )( )w ( )

19、22w ( )(0.420.5cos0.08cos)( )1010dBlBlh nh nnnnnRn圖7.2.7 例7.2.1的低通幅度特性3、窗函數(shù)法的設(shè)計(jì)步驟n給定理想的頻率響應(yīng)函數(shù)及技術(shù)指標(biāo)()jdHe2,n求出理想的單位抽樣響應(yīng)( )dh nn根據(jù)阻帶衰減選擇窗函數(shù)( )w nn計(jì)算頻率響應(yīng) ,驗(yàn)算指標(biāo)是否滿足要求()jH e/NAn根據(jù)過(guò)渡帶寬度確定N值( )( )( )dh nh nw nn求所設(shè)計(jì)的FIR濾波器的單位抽樣響應(yīng)公式法:()jdHe( )dh n, ( )( )dMMNh nhn當(dāng)時(shí)IFFT法:1( )2jj nddh nHeed( )()Mdrhnh nrM計(jì)算其I

20、FFT,得:對(duì) M點(diǎn)等間隔抽樣:()jdHe2()jkMdHe4、線性相位FIR低通濾波器的設(shè)計(jì)/2/0.2ppspsf /2/0.4ststsstsf 250dB解:1)求數(shù)字頻率例:設(shè)計(jì)一個(gè)線性相位FIR低通濾波器,給定抽樣頻率為 ,421.5 10 (/sec)srad 321.5 10 (/sec)prad 通帶截止頻率為 ,323 10 (/sec)strad 阻帶起始頻率為 ,阻帶衰減不小于-50dB,幅度特性如圖所示2)求hd(n)()0,jjccdcceHe ccsf()11( )22ccjj njndh needed1sin()()ccnnnn12N1/220.3psts 2

21、( )0.540.46cos( )1Nnw nRnN20.2stps 6.6330.2AN1162N4)確定N 值250dB3)選擇窗函數(shù):由 確定海明窗(-53dB)6.6N海明窗帶寬:5)確定FIR濾波器的h(n)( )( ) ( )dh nh n w n33sin 0.3160.540.46cos( )1616nnRnn6)求 ,驗(yàn)證()jH e若不滿足,則改變N或窗形狀重新設(shè)計(jì)4 用矩形窗設(shè)計(jì)線性相位低通FIR濾波器, 要求過(guò)渡帶寬度不超過(guò)/8 rad。 希望逼近的理想低通濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)Hd(ej)為(1) 求出理想低通濾波器的單位脈沖響應(yīng)hd(n);(2) 求出加矩形窗設(shè)計(jì)的低通

22、FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)h(n)表達(dá)式, 確定與N之間的關(guān)系; (3) 簡(jiǎn)述N取奇數(shù)或偶數(shù)對(duì)濾波特性的影響。 |0 | 0e)e (cjjdcaHccjjjjddc11( )(e)edeed22sin() ()nnh nHnn(2) 為了滿足線性相位條件, 要求, N為矩形窗函數(shù)長(zhǎng)度。 因?yàn)橐筮^(guò)渡帶寬度 rad, 所以要求, 求解得到N32。 加矩形窗函數(shù), 得到h(n): 21Na8N48)()()(sin)()()(cdnRanannRnhnhNNnNaNnanan其它021, 1 0)()(sinc(1) (3) N取奇數(shù)時(shí), 幅度特性函數(shù)Hg()關(guān)于=0, , 2三點(diǎn)偶對(duì)稱, 可實(shí)

23、現(xiàn)各類幅頻特性; N取偶數(shù)時(shí), Hg()關(guān)于=奇對(duì)稱, 即Hg()=0, 所以不能實(shí)現(xiàn)高通、 帶阻和點(diǎn)阻濾波特性。 5、線性相位FIR高通濾波器的設(shè)計(jì)()()1( )2ccjnjndh neded1sinsin()1()ccnnnnn()=()cc高通濾波器全通濾波器低通濾波器其單位抽樣響應(yīng):12N()0jjcdeHe其它理想高通的頻響:5 用矩形窗設(shè)計(jì)一線性相位高通濾波器, 要求過(guò)渡帶寬度不超過(guò)/10 rad。 希望逼近的理想高通濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)Hd(ej)為其它0 | e)e (jjdcaH(1) 求出該理想高通的單位脈沖響應(yīng)hd(n); (2) 求出加矩形窗設(shè)計(jì)的高通FIR濾波器的單位

24、脈 沖響應(yīng)h(n)表達(dá)式, 確定與N的關(guān)系; (3) N的取值有什么限制?為什么?)(sin)(sin)(1cnananjjdd1( )(e ) ed2nh nH)()(sin)(cananan(1) 直接用IFTHd(ej)計(jì)算: h(n)=hd(n)RN(n)=)()()(sin)(cnRnnnN(2) 為了滿足線性相位條件: h(n)=h(N1n)要求滿足12N(3) N必須取奇數(shù)。 因?yàn)镹為偶數(shù)時(shí)(情況2), H(ej)=0, 不能實(shí)現(xiàn)高通。 根據(jù)題中對(duì)過(guò)渡帶寬度的要求, N應(yīng)滿足:, 即N40。 取N=41。N4106、線性相位FIR帶通濾波器的設(shè)計(jì)1221()()1( )2jnjn

25、dh neded21211sinsin1nnnnn1221(,)=()() 帶通濾波器低通濾波器低通濾波器其單位抽樣響應(yīng):120()0jjdeHe其它理想帶通的頻響:12N6 理想帶通特性為 | |0 | e)e (cccjjdBBHa(1) 求出該理想帶通的單位脈沖響應(yīng)hd(n); (2) 寫(xiě)出用升余弦窗設(shè)計(jì)的濾波器的h(n)表達(dá)式, 確定N與之間的關(guān)系; (3) 要求過(guò)渡帶寬度不超過(guò)/16 rad。 N的取值是否有限制?為什么?7、線性相位FIR帶阻濾波器的設(shè)計(jì)2112()()()1( )2jnjnjndh nededed12121sinsinsin1nnnnnn1221()=()()帶阻

26、濾波器,高通濾波器+低通濾波器其單位抽樣響應(yīng):12N120,()0jjdeHe 其它理想帶阻的頻響:三、頻率抽樣設(shè)計(jì)法 1、設(shè)計(jì)方法 對(duì)理想頻率響應(yīng)等間隔抽樣 作為實(shí)際FIR數(shù)字濾波器的頻率特性的抽樣值2( )( )()jddkNH kHkHe0,1,.,1kN( )h n( )H z()jH e10()( )()Njj njdnH eh n eHe1( )()2jj nddh nHeed( )( )( )dh nw n h n窗函數(shù)設(shè)計(jì)法:1101( )( )1NNkkNzH kH zNWz 102NjkH eH kkN12sin12( )sin2NjNeN 11(1)20sin21sin2

27、kNNjNjjNkkNNH eeH kekNN內(nèi)插公式: 抽樣點(diǎn)上,頻率響應(yīng)嚴(yán)格相等n抽樣點(diǎn)之間,加權(quán)內(nèi)插函數(shù)的延伸疊加 n變化越平緩,內(nèi)插越接近理想值,逼近誤差較小1、線性相位的約束1)h(n)偶對(duì)稱,N為奇數(shù) 12NjjH eHe( )(2)HH 2kjkjNkH kH eH ekN kHH幅度偶對(duì)稱:1 2112kNkkNN 相位函數(shù):2kN 設(shè)用理想低通作為希望設(shè)計(jì)的濾波器,截止頻率為c,采樣點(diǎn)數(shù)N,Hg(k)和(k)用下面公式計(jì)算: N=奇數(shù)時(shí),( )()1,0,1,2,( )0,1,2,11( ),0,1,2,1ggcgcccHkHNkkkHkkkkNkNkk kNN (7.3.1

28、3)2)h(n)偶對(duì)稱,N為偶數(shù)12()( )NjjH eHe( )(2)HH 2kjkjNkH kH eH ekN kHH 幅度奇對(duì)稱:11kkN 相位函數(shù):2kN N=偶數(shù)時(shí), ( )1,0,1,2,( )0,1,2,1()1,0,1,2,1( ),0,1,2,1gcgcccgcHkkkHkkkkNkHNkkkNkk kNN (7.3.14) 2. 逼近誤差及其改進(jìn)措施 如果待設(shè)計(jì)的濾波器為Hd(ej),對(duì)應(yīng)的單位取樣響應(yīng)為hd(n),1( )()2jj nddh nHeed 則由頻率域采樣定理知道,在頻域02之間等間隔采樣N點(diǎn),利用IDFT得到的h(n)應(yīng)是hd(n)以N為周期,周期性延

29、拓乘以RN(),即( )()( )dNrh nh nrN Rn 由采樣定理表明,頻率域等間隔采樣H(k),經(jīng)過(guò)IDFT得到h(n),其Z變換H(z)和H(k)的關(guān)系為120110121( )( )12()( )()1 sin(/2)( )sin(/2)N NjkNNjkNjzH kH zNezH eH kkNNeN 圖7.3.1 理想低通濾波器增加過(guò)渡點(diǎn) 頻率響應(yīng):12(0) sin2sin2NjjNHH eeN 1sinsin22sinsin22MkkkNNH kNNkkNNN 12NM當(dāng)N為奇數(shù)時(shí):12NM 當(dāng)N為偶數(shù)時(shí): 增加過(guò)渡帶抽樣點(diǎn),可加大阻帶衰減,但導(dǎo)致過(guò)渡帶變寬n增加N,使抽樣點(diǎn)變密,減小過(guò)渡帶寬度,但增加了計(jì)算量n優(yōu)點(diǎn):頻域直接設(shè)計(jì)n缺點(diǎn):抽樣頻率只能是 或 的整數(shù)倍, 截止頻率 不能任意取值2 /

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