Präzision und Messgeschwindigkeit - ein Technologiesprung bei EMI- Messungen. Volker Janssen Rohde & Schwarz GmbH & Co.

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1 Präzision und Messgeschwindigkeit - ein Technologiesprung bei EMI- Messungen Volker Janssen Rohde & Schwarz GmbH & Co.KG München

2 Präzision und Messgeschwindigkeit - ein Technologiesprung bei EMI-Messungen Die Digitalisierung der Messtechnik und damit verbunden die Weiterentwicklung von Messempfängern erlaubt beschleunigte EMI-Messungen mit auf FFT-basierenden Verfahren "Zeitbereichs- Scan" mit bisher nicht erreichter Präzision und Geschwindigkeit. Wichtigste Voraussetzung für die Anerkennung der Messergebnisse im Sinne der Norm sind deren Genauigkeit und Reproduzierbarkeit. Die Forderung nach schnelleren Messmethoden ist nicht neu, da die Bewertung von Puls-Signalamplituden mit dem Quasipeak oder CISPR-Average Detektor zeitintensiv sind. Lösungen mit EMI Test Receivern auf FFT-Basis wurden optimiert, angewendet und halten die geforderte Messsicherheit für Konformitäts-prüfungen ein. Durch Einarbeitung in die Normung im Basisstandard CISPR (3rd): 2010 Amendment 1 wurde dazu der entsprechende Rückhalt gegeben. 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 2

3 Problemstellung Störemissionsmessungen l Die Art des Störsignals ist oft nicht bekannt (Schmalband-/ Breitbandstörer) l Das Zeitverhalten des Störsignals muss berücksichtigt werden (Pulsstörer, Dauerstörer) l Der vorgeschriebene Frequenzbereich muss lückenlos erfasst werden (z.b. CISPR-Bänder, MIL-STD-Bereiche) l Messungen nach zivilen Standards müssen den spezifischen Einfluss der Störquelle auf die menschliche Störsenke berücksichtigen (Quasipeak-Bewertung) l Mit konventionellen Messverfahren ist die Messzeit vor allem bei Messungen der Funkstörstrahlung sehr lang l Einsatz von Messverfahren zur Reduzierung der Messzeit Messung mit Quasipeak-Bewertung nur dort wo erforderlich 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 3

4 Mindestmesszeiten nach CISPR 16-2 l CISPR bis spezifiziert Mindest-Scanzeiten für die CISPR-Bänder A bis D Quelle l Wegen der langen Messzeiten erfolgen keine Scans/Sweeps mit Quasipeak-Bewertung über einen kompletten Frequenzbereich 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 4

5 Standardverfahren zur Messzeitreduzierung Vormessung: Signalanalyse im Frequenzbereich mit Peak-(Average-)Bewertung Datenreduktion (Akzeptanzanalyse) Frequenzliste Nachmessung mit QP-(CISPR-Average-) Bewertung gemäß Frequenzliste 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 5

6 Einstellungen für die Vormessung (Preview) Anforderungen für hinreichende Messgenauigkeit l Messempfänger (Scan = schrittweise Frequenzabstimmung) l Auf jeder Frequenz lang genug für die Erfassung des maximalen Störspitzenwertes: t Mess > 1 / Pulswiederholfrequenz (PRF) des Störsignales l Schrittweite f 0,5 x ZF-Bandbreite des Messempfängers l Spektrumanalysator (Sweep = kontinuierliche Frequenzabstimmung) l Sweepzeit lang genug für die korrekte Erfassung des Störspitzenwertes oder l Wiederholende Sweeps mit Max.Hold-Darstellung bis sich das Störspektrum nicht mehr ändert 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 6

7 Vorteil durch FFT-basierte Messtechnik Klassischer EMV-Messempfänger/-Spektrumanalysator ohne Vorselektion l Erfassung des Störsignals innerhalb der spezifizierten ZF-Bandbreite (z.b. CISPR-Bandbreiten) mit der vorgegebenen Verweilzeit/Frequenzschritt bzw. Sweepzeit l Große Frequenzbereiche/niedrige Pulsraten bedeuten lange Messzeiten FFT-basierter Messempfänger (mit/ohne Vorselektion) l Erfassung des Störsignals innerhalb eines erweiterten Frequenzbereichs >> RBW über die vorgegebene Messzeit d.h. parallele Berechnung einer deutlich größeren Anzahl von Frequenzen (1k) (16k) l Erhebliche Verkürzung der Scan-Zeiten Quasipeak-Messung in 'Echtzeit' l Dadurch längere 'Verweilzeiten' möglich zur Erfassung von Störern mit niedriger PRF l Vorteile bei der Erfassung von Störern mit kurzer Betriebsdauer (z.b. PKW-Anlasser) oder stark schwankendem Störverhalten (z.b. Energiesparlampe) l Keine Verschlechterung der Messgenauigkeit l Realisierung zusätzlicher, FFT-basierter Messfunktionen (z.b. ZF-Analyse, Spektrogrammdarstellung, Nachleuchtmodus, Frequenzmaskentrigger) 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 7

8 Beispiele FFT-basierter Messempfänger Empfänger mit breitbandiger FFT-Anwendung im Basisband Tiefpass (Vorselektion) Detektoren Display Superheterodyne-Empfänger mit breitbandiger FFT-Anwendung in der ZF Frontend Vorselektion Mischer Breitband- ZF-Filter ADC FFT Detektoren Display Main processor 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 8

9 Fourier-Transformation (DFT/FFT) l Die Diskrete Fourier-Transformation (DFT) berechnet aus einer abgetasteten (diskreten) Zeitfunktion ein diskretes, nur auf einem Frequenzraster definiertes, mit f A periodisches Spektrum l Mit der Abtastfrequenz f A und der Anzahl an Abtastwerten N ergibt sich der Abstand der äquidistanten Spektrallinien (frequency bins) zu f = f A /N l Die schnelle Fourier-Transformation (FFT) ist ein Algorithmus zur numerischen Berechnung einer DFT mit reduziertem Rechenaufwand l Eine N-fache FFT berechnet ein diskretes Spektrum mit folgenden Eigenschaften: l Anzahl der Auswertefrequenzen (frequency bins) = N/2 l Abstand f A zwischen 2 Auswertefrequenzen = f A /N l Span des Spektrums = N/2 x f A /N = f A /2 l Höchste Auswertefrequenz = f A /2 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 9

10 Kurzzeit-Fast-Fourier-Transformation (STFFT) l Die Fourier-Transformation ist zur Analyse nicht-stationärer (transienter) Signale nicht geeignet l Keine Informationen wie sich der Frequenzpegel über die Zeit ändert l Die Kurzzeit-Fast-Fourier-Transformation (Short Time FFT: STFFT) betrachtet nur einen zeitlich begrenzten Abschnitt des Signals l Multiplikation des Signal mit einer Fensterfunktion ('Fensterung') l Die Signalbeobachtung ist auf ein endliches Interval begrenzt (begrenzte Anzahl von diskreten Abtastwerten) l Verschieben des Fensters über die Zeit (Überlappungsfaktor) l Berechnung des Signalspektrums aus den ausgeschnittenen Signalen mittels Fast-Fourier-Transformation l Die Kurzzeit-FFT (STFFT) berechnet ein zeit- und frequenzdiskretes Signal l Die Zeit- und Frequenzauflösung der STFFT hängt von der Fenstergröße ab: l Kurze Fenster: Hohe Zeitauflösung, geringe Frequenzauflösung l Lange Fenster: Hohe Frequenzauflösung, geringe Zeitauflösung 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 10

11 FFT-Überlappung (Kurzzeit-FFT/STFFT) ca. 93% Überlappung FFT Überlappung der Spektren l Verbesserte Zeitauflösung l Minimierter Amplitudenfehler durch Fensterung (Leckeffekt) 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 11

12 Klassischer 'Realtime Analyzer' mit FFT f in max Shannon / Nyquist-Theorem: f Signal max f A /2 f A Abtastfrequenz f in Eingangsfrequenz Anti-aliasing Filter Fensterung FFT ADC f t Ergebnis f 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 12

13 Superhet-Empfänger mit STFFT 'Time-Domain-Scan' A FFT-Breite Gauss-Filterung Überlappung im Zeitbereich t mess Fensterung (Gauss) FFT ADC f 'Virtuelle Schrittweite' = N x RBW t 'Bewertung' (Detektoren) t Messergebnis t f t mess f 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 13

14 Eigenschaften FFT-basierter Störemissionsmessungen l In der Praxis sind die Frequenzen der Störsignale oft nicht bekannt l Störemissionen sind meist nicht periodisch; sie setzen sich aus periodischen Signalen, intermittierenden Signalen und Rauschanteilen zusammen l Die Beobachtungsdauer T Mess = N T A kann nicht als ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer T 0 des Störsignals gewählt werden l Für diese Fälle treten Signalverzerrungen auf l Leckeffekt (Verbreiterung des Signalspektrums, zusätzliche spektrale Komponenten) l Lattenzauneffekt (Amplitudenfehler) l Verfälschte Darstellung von Einzelimpulsen und Pulsfolgesignalen 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 14

15 Leckeffekt (leakage effect) l Eine endliche Beobachtungsdauer (Fensterung = Faltung im Frequenzbereich) verteilt Teile der spektralen Energie des Signals über einen weiten Frequenzbereich l Zusätzliche spektrale Komponenten treten auf l Eine geeignete Fensterfunktion im Zeitbereich (Gauss, Kaiser-Bessel, Hann, Hamming) reduziert die Nebenkeulen; die Verbreiterung der Hauptkeule ist vom Fenstertyp abhängig l CISPR 16 fordert eine Unterdrückung der zusätzlichen spektralen Komponenten um mindestens 40 db Betrag der Übertragungsfunktion eines Rechteckfensters 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 15

16 Eigenschaften - Fensterfunktionen A 1 Rechteck Hanning Gauss Flattop Gaussian 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 16

17 Effekte der Fensterung mit Gauss-Funktion Eine gaussförmige Fensterfunktion reduziert den Leckeffekt Die Fourier-Transformierte einer Gauss-Funktion im Zeitbereich ist auch eine Gauss-Funktion im Frequenzbereich Die ZF-Bandbreitencharakteristik (Selektionseigenschaft) gem. CISPR oder MIL-STD-461/DEF STAN wird im Frequenzbereich am besten mit einer gaussförmigen Filterfunktion (digitales Filter) realisiert Die Erfassung eines pulsförmigen Störsignals mit gaussförmiger Fensterung kann die Signalamplitude an den Rändern des Fensters verringern Eine ausreichende Überlappung der FFTs im Zeitbereich (STFFT) minimiert diesen Effekt 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 17

18 Lattenzauneffekt / picket fence effect (1) l Die FFT berechnet ein diskretes Linienspektrum bei den äquidistanten Auswertefrequenzen (frequency bins) l Die Parameter der FFT legen die Auswertefrequenzen fest l Die Spektrallinien des abgetasteten Signals können nur bei den diskreten Auswertefrequenzen wiedergegeben werden l Es können Spektrallinien mit höherer Amplitude zwischen zwei benachbarten diskreten FFT-Auswertefrequenzen auftreten l Der durch diesen Effekt verursachte Amplitudenfehler ist als 'Lattenzauneffekt' bekannt l Der Effekt tritt auch bei der klassischen schrittweisen Frequenzabstimmung auf und hängt dort vom Verhältnis von ZF-Messbandbreite zur Frequenzschrittweite ab l Kompromiß zwischen Messgenauigkeit und Datenmenge: Virtuelle Schrittweite f A = ¼ ZF-Bandbreite (4 Auswertefrequenzen/RBW) Der Amplitudenfehler des Lattenzauneffektes ist dann kleiner als bei der klassischen schrittweisen Frequenzabstimmung ( f ½ x ZF-Bandbreite) 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 18

19 Lattenzauneffekt / picket fence effect (2) Zeitbereich Frequenzbereich 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 19

20 Erfassung pulsförmiger Signale (1) l Einzel-FFTs sind für die Erfassung von gepulsten Signalen wenig geeignet l Das Ergebnis der FFT ist hier von der zeitlichen Lage der Fensterung abhängig l Bei der STFFT treten diese Effekte nicht auf 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 20

21 Erfassung pulsförmiger Signale (2) A Rechteck-Fenster T 1 T 2 T 3 T 4 t A Gauss-Fenster t A Gauss-Fenster Kontinuierliche Überlappung Kurzzeit-FFT (STFFT) t 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 21

22 Erfassung pulsförmiger Signale (3) l Die Messzeit muss lang genug sein um den Pulsstörer sicher zu erfassen l Während der Messzeit muss das Störsignal lückenlos erfasst werden l Abnehmende Überlappung der Zeitfenster vergrößert den Amplitudenfehler l Max. Pegelfehler bei 50% der Schrittweite l Amplitudengenauigkeit gem. CISPR : ± 1,5 db Überlappungsfaktor > 75% im Zeitbereich für die Erfassung von Pulsamplituden Quelle: 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 22

23 Erfassung pulsförmiger Signale (4) 0% 25% 75% 90% Quelle: Erfassung eines Pulsspektrums mit verschiedenen Überlappungsfaktoren 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 23

24 Fensterüberlappung - Beispiel max. Fehler l Überlappung der Fensterfunktion im Zeitbereich ca. 93% l Max. Amplitudenfehler (scalloping loss): ca. 0,4 db l Duchschnittlicher Amplitudenfehler: ca. 0,1 db Überlappung der Gauss-Fenster 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 24

25 ZF-Bandbreite Beispiel 9 khz Selektion CISPR Band B (ZF-Bandbreite 9 khz) Amplitude in dbµv Frequenz in MHz 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 25

26 Gesamtfrequenzgang im CISPR Band C/D l Signalquelle: Kalibrier-Impulsgenerator (Fa. Schwarzbeck) l Messempfänger: Max. Peak Detektor; lin. Skalierung; 30 MHz - 1 GHz für den 'Time-Domain Scan (blaue Kurve) und 'Stepped Frequency Scan' (schwarze Kurve) l Der Frequenzgang des Kalibrier-Impulsgenerators geht in die Anzeige mit ein 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 26

27 Vergleich von Stepped scan mit TD-Scan 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 27

28 Vergleich Messzeiten R&S ESR Frequenzbereich Bewertungsdetektor, Messzeit, ZF-Bandbreite (Anzahl Messpunkte) Funkstörmessempfänger R&S ESR Schrittweise Frequenz- Abstimmung Time-Domain-Scan CISPR Band B 150 khz 30 MHz CISPR Band B 150 khz 30 MHz Band C/D 30 MHz 1 GHz Band C/D 30 MHz 1 GHz Band C/D 30 MHz - 1 GHz Pk, 100 ms, 9 khz (13.267) QP, 1 s, 9 khz (13.267) Pk, 10 ms, 120 khz (32.334) Pk, 10 ms, 9 khz ( ) QP, 1 s, 120 khz (32.334) s 110 ms 3,6 h 2 s * 323 s 520 ms s 820 ms ca. 9 h 80 s * * inkl. 1 s Einschwingzeit pro FFT-Block bei QP- Bewertung 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 28

29 Was bedeutet Echtzeit-Analyse? Unterbrechungsfreie Signalerfassung keine Blindzeiten! l EMV-Messempfänger mit Echtzeit-Betrieb l Verarbeitung der Abtastwerte in Echtzeit; z.b. R&S ESR Time-Domain- Scan: einstellbar bis 100 s bei Quasipeak-Bewertung im CISPR-Band B (FFT-Breite 29,85 MHz/ 16 k-frequenzen) 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 29

30 Echtzeit-Analyse (Spektrum/Spektrogramm) Beispiel R&S ESR l Spektrum l Lückenlose Signalerfassung und Darstellung von Spektren von 10 khz bis 30/40* MHz Auflösebandbreite im Frequenzbereich 10 Hz bis 7 GHz (* ohne Vorselektion) l Max. 16k FFT-Auswertefrequenzen; FFT/s; min. 52 µs/spektrum (Sweepzeit); 80% FFT-Überlappung l Spektrogramm l Lückenlose Darstellung des Spektrums über der Zeit l Speichertiefe des Ringspeichers Einzelspektren ('frame') l Aktualisierungsrate /s (100 µs max. zeitliche Auflösung) l Signalverarbeitungskette 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 30

31 Echtzeit-Spektrogramm Messbeispiel EN Haushaltgeräte Spektrogramm-Darstellung der Funkstörspannung eines Kaffeeautomaten im CISPR-Band B für die verschiedenen Betriebsphasen (Aufheizen, Pad-Scanning, Pumpen) 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 31

32 Nachleucht-Modus l Lückenloses übereinander Schreiben der Spektren in ein Diagramm Virtuelle Tabelle und Diagramm mit dem Ergebnis nach einer FFT Virtuelle Tabelle und Diagramm mit dem Ergebnis nach einem Frame (n FFTs; hier n = 10) 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 32

33 Nachleucht-Modus l Die Farben der Messkurve visualisieren wie häufig ein Signal bei einer bestimmten Frequenz mit einem bestimmten Pegel auftriet l Spektrales Histogramm l Virtuelle Tabelle und Diagramm mit dem Falsch-Farben- Ergebnis Vorteile für die EMV-Diagnose l Wertvolle Hilfe bei der Untersuchung zeitlich veränderlicher Signale l Pulsstörer heben sich deutlich von Dauerstörern ab l Unterschiedliche Impulsstörer sind klar zu unterscheiden l Anzeige von Signalen die mit konventionellen Analysatoren nicht erfasst werden können 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 33

34 Nachleucht-Modus Messbeispiel mit Schmalband- und Breitbandstörer Max. Peak (gelbe Kurve) und Max. Hold-Darstellung (blaue Kurve) eines Breitbandstörers im konventionellen Analysatorbetrieb - hier ein schlecht entstörter Scheibenwischermotor Dasselbe Signal im Nachleuchtmodus: Hier sieht man deutlich einen zweiten Pulsstörer, der im Störnebel des Scheibenwischermotors verborgen ist und im Analysatorbetrieb (linkes Bild) nicht erkannt wird 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 34

35 Frequenzmasken-Trigger Beispiel R&S ESR l Reagiert auf Ereignisse im Spektrum l Jedes einzelne Spektrum wird ausgewertet (max Spektren/s) l Vergleich mit frequenzabhängiger Maske l Verletzen der Maske löst Triggerereignis aus l Aktuelles Spektrum wird angezeigt oder nur Spektren dargestellt, die die Maske verletzen (kontinuierlicher Betrieb) Signalverarbeitungskette 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 35

36 Normative Situation FFT-basierte Messempfänger (1) Anhang 1 zu CISPR (3. Ausgabe) vom l FFT-basierte Messempfänger sind für Compliance-Messungen einsetzbar wenn sie die Anforderungen gem. CISPR erfüllen l CISPR verwendet einen 'black-box' Ansatz l Definition des 'measuring receiver' umfaßt alle Gerätetypen: " instrument such as a tunable voltmeter, an EMI receiver, a spectrum analyzer or an FFT-based measuring instrument, with or without preselection, that meets the relevant parts of this standard " l Spezielle Anforderung an FFT-basierte Messempfänger l " for EMI measurements, FFT-based measuring instruments shall sample and evaluate the signal continuously during the measurement time " 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 36

37 Normative Situation FFT-basierte Messempfänger (2) Anhänge zu CISPR , und zur verwendeten Messmethode l Die Dauer der Störung muss bekannt sein l Sie kann gemessen werden " through the use of the timedomain output of an FFT-based measuring receiver " l Timing-Betrachtungen l Definition für die minimalen Messzeiten l Tabelle für CW-Signale ist enthalten l Gleiche Anforderungen wie für den klassischen EMV- Messempfänger l Veröffentlichung erfolgte Juni/Juli /2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 37

38 Normative Situation FFT-basierte Messempfänger (3) Anhänge zu CISPR 16-2-x l FFT-basierte Messempfänger verbinden eine parallele Berechnung bei N Frequenzen mit einer schrittweisen Abstimmung l Der betrachtete Frequenzbereich wird in mehrere Teilbereiche aufgeteilt, die nacheinander erfasst werden l Definition der Scan Time l Zur korrekten Messung eines Breitbandspektrums muss T m länger sein als das Pulswiederholintervall T p 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 38

39 Normative Situation FFT-basierte Messempfänger (4) Anwendungsbereich l CISPR 13:2001 (4. Ausgabe) anwendbar seit l CISPR 11:2009 l CISPR 12:2007 " l CISPR 13:2009 (5. Ausgabe) " l CISPR 14-1:2005 " l CISPR 15:2005 " l CISPR 22:2005 (5. Ausgabe) " l CISPR 22:2008 (6. Ausgabe) " l CISPR 25:2008 " z.zt. nicht anwendbar (datierte Referenz)* l CISPR 32:2012 anwendbar seit * Alle Produktnormen mit Ausnahme der CISPR 13:2001 (4. Ausgabe) und CISPR 32 (Multimedia- Standard) referenzieren noch auf eine frühere Basisnorm CISPR /2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 39

40 Anwendungsbereiche Time-Domain-Scan l Automobilindustrie ('Vorreiterrolle') l Prüflinge mit sehr kurzen Betriebszeiten (z.b. Anlasser, elektr. Fensterheber) l Intermittierende Störer mit geringen Pulswiederholfrequenzen (lange Messzeiten) l Einsatz von ZF-Bandbreiten < 120 khz für Störstrahlungsmessungen (kleine Schrittweiten) z.b. bei Industrie-Standards l Andere kommerzielle Standards l Prüflinge mit sich schnell veränderndem Störverhalten (z.b. Beleuchtungseinrichtungen) oder driftende Störer keine Peak-Vormessung sondern direkte Messung mit den CISPR-Bewertungsdetektoren (Quasipeak/CISPR-Average) l Intermittierende Störer mit geringen Pulswiederholfrequenzen (lange Verweilzeiten) l Störstrahlungsmessungen mit umfangreicher Positionierung des Prüflings (Mast/Drehtisch/Zangen-Gleitbahn) l Militärische/Luft-/Raumfahrt Anwendungen l Keine zeitaufwendige Quasipeak-Bewertung aber Messungen über weite Frequenzbereiche (bis 40 GHz) 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 40

41 Fazit l Der Zeitaufwand einer Störemissionsmessung (Diagnose/Vormessung/Zertifizierung) wird bei Anwendung FFTbasierter Zeitbereichsverfahren drastisch reduziert l Die spezifizierten Messgenauigkeiten des 'Time-Domain-Scan' von R&S ESR/R&S ESU sind mit der bei klassischer schrittweiser Abstimmung identisch l Das Verfahren ist für normenkonforme Messungen gem. CISPR einsetzbar l Zusätzliche Echtzeit-Analyse-Verfahren bieten neue Sichtweisen bei der EMV-Diagnose 01/2013 Technologiesprung bei EMI-Messungen 41

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