권병문
(KSLV-II R&D Head Office, Korea Aerospace Research Institute)
,
신용설
(KSLV-II R&D Head Office, Korea Aerospace Research Institute)
,
마근수
(KSLV-II R&D Head Office, Korea Aerospace Research Institute)
,
주정갑
(Alternative Navigation Division, Navcours Co., Ltd.)
,
지기만
(KSLV-II R&D Head Office, Korea Aerospace Research Institute)
본 논문은 시험발사체에 탑재된 송신기에서 송신되는 S 대역 신호에 의해 위성항법수신기에서 나타난 RF 신호간섭을 설명하고, 그 원인을 분석한다. 능동형 위성항법안테나의 LNA는 항법위성 신호와 비교하여 상대적으로 신호세기가 매우 높은 S 대역 신호에 의해 포화되었으며, 2개의 S 대역 신호가 위성항법안테나에 수신될 때마다 GNSS 대역에 해당하는 상호변조신호가 LNA에서 발생하였다. 이러한 현상으로 인해 위성항법수신기에서 계산된 항법위성신호의 C/N0가 크게 감쇄하였다. S 대역 신호에 의한 RF 신호간섭을 차단하기 위하여 위성항법안테나 LNA의 설계변경을 수행하였고, 설계변경 전 후의 LNA에 대해 수행한 비교시험을 통하여 설계변경된 LNA에서 S 대역 신호에 의한 RF 신호감쇄 현상이 억제될 수 있음을 확인하였다.
본 논문은 시험발사체에 탑재된 송신기에서 송신되는 S 대역 신호에 의해 위성항법수신기에서 나타난 RF 신호간섭을 설명하고, 그 원인을 분석한다. 능동형 위성항법안테나의 LNA는 항법위성 신호와 비교하여 상대적으로 신호세기가 매우 높은 S 대역 신호에 의해 포화되었으며, 2개의 S 대역 신호가 위성항법안테나에 수신될 때마다 GNSS 대역에 해당하는 상호변조신호가 LNA에서 발생하였다. 이러한 현상으로 인해 위성항법수신기에서 계산된 항법위성신호의 C/N0가 크게 감쇄하였다. S 대역 신호에 의한 RF 신호간섭을 차단하기 위하여 위성항법안테나 LNA의 설계변경을 수행하였고, 설계변경 전 후의 LNA에 대해 수행한 비교시험을 통하여 설계변경된 LNA에서 S 대역 신호에 의한 RF 신호감쇄 현상이 억제될 수 있음을 확인하였다.
This paper describes the RF(Radio Frequency) interference on the GNSS receiver due to the S-band signals transmitted from the transmitters in the Test Launch Vehicle, and analyzes the cause of the RF interference. Due to the S-band signals that have relatively high power levels compared with GNSS si...
This paper describes the RF(Radio Frequency) interference on the GNSS receiver due to the S-band signals transmitted from the transmitters in the Test Launch Vehicle, and analyzes the cause of the RF interference. Due to the S-band signals that have relatively high power levels compared with GNSS signals, an LNA(Low Noise Amplifier) in the active GNSS antenna was saturated, and the intermodulation signal within GNSS in-bands was produced in the LNA whenever two S-band signals were received from the GNSS antenna. For these reasons, the C/N0 of the satellite signals in the GNSS receiver was attenuated severely. The design of the LNA was changed in order to protect the RF interference due to the S-band signals and the suppression capability of the RF interference was confirmed in the new LNA through the comparison of the old LNA.
This paper describes the RF(Radio Frequency) interference on the GNSS receiver due to the S-band signals transmitted from the transmitters in the Test Launch Vehicle, and analyzes the cause of the RF interference. Due to the S-band signals that have relatively high power levels compared with GNSS signals, an LNA(Low Noise Amplifier) in the active GNSS antenna was saturated, and the intermodulation signal within GNSS in-bands was produced in the LNA whenever two S-band signals were received from the GNSS antenna. For these reasons, the C/N0 of the satellite signals in the GNSS receiver was attenuated severely. The design of the LNA was changed in order to protect the RF interference due to the S-band signals and the suppression capability of the RF interference was confirmed in the new LNA through the comparison of the old LNA.
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문제 정의
운용대역 이외의 신호에 의한 포화시점은 운용대역 신호만을 통과시키기 위한 대역통과필터가 LNA에 함께 설계되어 있기 때문에 네트워크분석기를 이용하여 측정할 수 없다. 따라서 본 논문에서 수행된 시험에서는 운용대역 이외의 신호에 의해 LNA가 포화되는 시점을 LNA의 소모전류가 증가하는 시점으로 설정하였다. 이 경우에 S 대역 신호에 의한 기존 LNA의 포화시점은 Table 3에 주어진 바와 같이 -13 dBm의 신호가 입력되는 때로 나타났다.
GNSS 대역외 신호는 LNA가 설계된 통과 대역 신호가 아니므로 대역외 신호에 의한 LNA의 포화시점은 정확히 측정할 수 없다. 따라서 본 논문에서는 GNSS 대역외 신호에 의한 포화 시점을 LNA의 소모전류가 단조 증가하는 시점으로 추정하였다. 신호발생기를 통해 생성된 신호원은 시험발사체에서 사용하는 UHF 대역 신호(U1)와 2개의 S 대역 신호(S1, S2) 및 이동통신에 사용되는 주파수 신호이다.
본 논문에서는 시험발사체에 탑재된 송신기에서 송신되는 S 대역 신호에 의해 위성항법수신기에서 나타난 RF 신호간섭을 설명하고, 그 원인을 분석한다. 또한 S 대역 신호에 의한 RF 신호간섭을 차단하기 위하여 위성항법안테나 LNA의 설계변경을 수행하고, 설계변경 전본 논문에서는 시험발사체에 탑재된 송신기에서 송신되는 S 대역 신호에 의해 위성항법수신기에서 나타난 RF 신호간섭의 원인을 분석하고, RF 신호간섭을 억제하기 위하여 위성항법안테나 LNA의 전단증폭기 앞에 저역통과필터를 추가하는 설계변경을 수행하였다. 또한 설계변경 전
가설 설정
1) Input power level to the LNA is tested up to 12.22 dBm.
제안 방법
3개의 RF 신호에 의해 발생하는 상호변조신호는 이론적으로 분석하기가 매우 복잡하며, 실제 상황에서도 발생된 케이스에 대해서 단편적으로만 분석할 수 있다. 3개의 RF 신호에 의한 상호변조시험에서는 (U1, S1, S2)의 신호세기를 각각 5 dB 간격으로 조절하면서 (-8.0 dBm, -9.3 dBm, -9.3 dBm)에서부터 (2 dBm, 0.7 dBm, 0.7 dBm)의 범위중 15가지의 경우를 선정하여 시험하였다. 기존의 LNA에서는 소모전류가 6.
따라서 기존에 설계된 시험발사체 위성항법안테나의 LNA는 낮은 잡음지수를 유지하면서 GNSS 대역외 신호를 차단하기 위해서 전단증폭기와 후단증폭기 사이에 중심주파수를 기준으로 ±40 MHz, ±60 MHz, ±100 MHz에서 각각 15 dB, 60 dB, 70 dB 이상의 대역외 신호차단 성능을 갖는 대역통과필터가 위치하도록 설계하였다[14].
복수의 신호발생기에서 각각 생성된 (S1, S2), (U1,S1), (U1, S1, S2) 주파수에 해당하는 신호를 RF Combiner를 통해 LNA에 입력한 후 각각의 신호세기를 변경시키면서 스펙트럼분석기를 이용하여 상호변조신호의 발생여부를 확인하였다. 또한 단일 RF 신호에 의한 포화시점 분석에서와 유사하게 다중 RF 신호의 세기에 따른 LNA의 소모전류도 관찰하였다.
설계 변경된 LNA가 적용된 위성항법안테나는 기존에 제작된 위성항법안테나와 교체된 이후에 진행된 시스템 시험에서 S 대역 신호에 의한 소모전류 증가가 관찰되지 않았으며, 위성항법수신기에서도 항법위성신호의 C/N0 감쇄가 관찰되지 않았다. 또한 시험발사체에 탑재되어 발사대시스템 인증시험과 비행시험을 성공적으로 수행하였다.
복수의 신호발생기를 통하여 생성된 RF 신호를 RF Combiner를 이용하여 기존의 LNA와 새로 제작된 LNA에 입력한 후 상호변조신호의 발생여부를 확인하였다. 새로 제작된 LNA는 추가된 저역통과필터가 LNA로 유입되는 S 대역 신호를 차단시켜 LNA 에서 발생할 수 있는 상호변조신호를 감소시킬 것으로 예상된다.
복수의 신호발생기에서 각각 생성된 (S1, S2), (U1,S1), (U1, S1, S2) 주파수에 해당하는 신호를 RF Combiner를 통해 LNA에 입력한 후 각각의 신호세기를 변경시키면서 스펙트럼분석기를 이용하여 상호변조신호의 발생여부를 확인하였다. 또한 단일 RF 신호에 의한 포화시점 분석에서와 유사하게 다중 RF 신호의 세기에 따른 LNA의 소모전류도 관찰하였다.
시험발사체에 대한 자체적합성 시험은 Fig. 1과 같이 시험발사체에 탑재되는 전장품들로 구성된 테스트랙을 이용하여 수행되었다. 이와 같이 수행된 시험에서 S 대역 송신기에서 송신되는 RF 신호에 의해 위성항법안테나의 소모전류가 증가하고, 위성항법수신기에서 추적하고 있는 항법위성신호의 C/N0가 감쇄되는 현상이 발생하였다[4].
신호발생기를 통하여 생성된 RF 신호를 기존의 LNA와 새로 제작된 LNA에 각각 입력한 후 포화되는 시점을 확인하였다. GNSS 대역외 신호는 LNA가 설계된 통과 대역 신호가 아니므로 대역외 신호에 의한 LNA의 포화시점은 정확히 측정할 수 없다.
전단증폭기 앞에 필터가 위치하는 경우에는 LNA의 잡음지수가 커지므로 이로 인해 위성항법수신기의 신호 수신 성능에 영향을 줄 수 있으나, LNA의 설계 및 시험 과정에서 최소화할 수 있을 것으로 예상하였다. 이에 따라 S 대역 송신기에서 송신되는 신호에 의한 위성항법수신기의 RF 신호간섭을 해결하기 위하여 칩 모양의 저역통과 필터(Low Pass Filter)를 추가하고, 이로 인한 이득 감소 보상과 임피던스 매칭을 위한 수동소자의 변경 등과 같은 최소한의 설계변경을 수행하였다[4]. 설계 변경된 위성항법안테나 LNA의 구성은 Fig.
대상 데이터
본 논문에서 수행된 시험은 능동형 위성항법안테나의 내부에 위치한 LNA만을 대상으로 수행하였다. 실제로는 항법위성신호가 수동안테나를 통해 수신된 이후 하이브리드 커플러를 거쳐 LNA에 전달되므로 L 대역 신호가 아닌 경우에는 수동안테나와 하이브리드 커플러에 의해서 신호의 세기가 감쇄된다.
성능/효과
따라서 이러한 항법위성신호를 모두 수신해야 하는 위성항법안테나는 넓은 대역 폭을 가지며, 수신 대역 이외의 신호는 철저히 차단 할 수 있도록 LNA의 필터 설계에 특별히 주의를 기울여 개발하고 있다[14]. 개발하고 있는 위성항법수신기는 시험발사체 시스템 수준에서의 통합시험 중에 위성항법안테나 근처에 설치된 S 대역 안테나에서 송신되는 신호로 인해 위성항법수신기에서 신호감쇄가 발생하였으며, 여러 차례의 시험을 통해 실제 발사환경에서도 나타날 개연성이 있음을 확인하였다[4]. 위성항법수신기에서 신호감쇄 현상이 발생하면 계산된 항법정보의 정확도가 낮아지며, 심한 경우에는 항법 정보 계산이 어려워 정상적으로 동작하는 것이 불가능해진다[6-12].
Table 3에 주어진 단일 RF 신호에 의해 측정된 LNA 포화시점을 참고하면 기존의 LNA는 모든 경우에 대해서 이미 포화상태이나, 새로 제작된 LNA는 아직 포화되지 않는 수준의 신호세기이다. 그러나 (U1, S1, S2)의 다중주파수 신호가 새로 제작된 LNA에 입력된 경우에는 U1 신호의 세기가 2 dBm인 경우에도 소모전류가 0.1 mA ~ 0.5 mA 상승하여 다중주파수 신호가 입력될 때에는 좀 더 낮은 세기의 입력신호에서 포화가 시작되는 것으로 나타났다.
본 절에서 수행된 시험에서는 스펙트럼분석기에서 측정 가능한 세기의 상호변조신호만이 확인되며, Noise Floor 이하에서 발생하는 상호변조신호는 확인하기 어렵다. 그러나 지상의 사용자에게 수신되는 항법위성신호의 신호세기가 최소 -130 dBm 이상이고, 스펙트럼분석기에서 측정 가능한 최소 신호세기가 -100 dBm ~ -110 dBm이므로 스펙트럼분석기에서 확인되지 않는 상호변조신호는 위성항법수신기의 처리이득을 고려할 때 항법신호의 추적 성능에 영향을 주지 않을 것으로 판단된다.
LNA의 비선형 특성에 의해 나타나는 상호변조신호는 LNA에 입력되는 S1 및 S2 신호의 세기가 LNA의 동작범위 이내로 낮아 LNA가 포화되지 않으면 발생하지 않는다. 그러므로 새로 추가된 저역통과필터에 의해 LNA의 전단증폭기에 입력되는 S 대역 신호의 세기가 약 35 dB 낮아지므로 S 대역 신호에 의한 포화나 상호변조신호의 발생을 억제할 수 있었다.
다만 U1 신호에 대해 새로 제작된 LNA의 포화시점이 상대적으로 낮게 측정된 이유는 U1 신호가 입력될 때에 나타나는 LNA의 전류 특성이 다른 주파수 대역의 신호가 입력될 때와 비교하여 다른 형태로 변동되어 LNA의 소모전류가 커지는 시점으로 추정한 포화시점이 부정확하기 때문으로 판단된다. 다른 신호의 경우에는 신호의 세기를 증가시킴에 따라 LNA의 전류가 기준값으로 유지되다가 단조 증가 형태로 나타났으나, U1 신호의 경우에는 신호의 세기를 증가시킬 때 오히려 감소했다가 증가하는 형태로 나타났다. 즉, U1 신호가 입력될 때에 기존 LNA의 소모 전류는 -18 dBm의 세기에서 살짝 올라간 후 그대로 유지되다가 1 dBm의 세기에서부터는 오히려 떨어지며, 12 dBm 이상의 세기에서 설정된 포화조건을 만족하였다.
다양한 시험 및 검증을 통하여 자체적합성 시험중 위성항법수신기에서 나타난 현상은 능동형 위성항법안테나의 LNA가 포화되고, 상호변조에 의해 GNSS 대역에서 발생한 잡음신호에 의한 영향으로 나타났다.
기존의 LNA에서 상호변조신호가 발생하는 경우에는 LNA의 소모 전류가 증가하는 포화현상도 함께 관찰되었다. 단일 RF 신호에 의한 포화시험을 통하여 기존의 LNA에서 포화가 일어나는 시점에 입력되는 S1 및 S2의 신호세기는 Table 3에서와 같이 각각 -13 dBm 수준임을 확인하였다. 이와 비교하여 기존의 LNA에 다중 주파수 신호가 입력되는 경우에는 단일 RF 신호가 입력될 때보다 좀 더 낮은 (-24.
실제로는 항법위성신호가 수동안테나를 통해 수신된 이후 하이브리드 커플러를 거쳐 LNA에 전달되므로 L 대역 신호가 아닌 경우에는 수동안테나와 하이브리드 커플러에 의해서 신호의 세기가 감쇄된다. 따라서 위성항법안테나에 수신되는 RF 신호를 기준으로 적용하면 LNA의 포화를 일으키는 UHF 대역 및 S 대역 신호의 세기는 본 논문의 시험결과보다 수동안테나 및 하이브리드 커플러에 의한 감쇄량만큼 더 여유가 있으므로 UHF 신호나 S 대역 신호에 의한 포화현상과 상호변조신호 발생 가능성은 더욱 낮아진다.
또한 S 대역 신호에 의한 RF 신호간섭을 차단하기 위하여 위성항법안테나 LNA의 설계변경을 수행하고, 설계변경 전·후의 LNA에 대하여 수행한 비교시험을 통하여 새로운 LNA에서 S 대역 신호에 의한 RF 신호감쇄 현상이 억제됨을 확인한다.
즉, U1 신호가 입력될 때에 기존 LNA의 소모 전류는 -18 dBm의 세기에서 살짝 올라간 후 그대로 유지되다가 1 dBm의 세기에서부터는 오히려 떨어지며, 12 dBm 이상의 세기에서 설정된 포화조건을 만족하였다. 또한 새로 제작된 LNA의 소모전류는 -6 dBm 이상의 세기에서부터 떨어지기 시작하다가 4 dBm 이상의 세기에서부터 설정된 포화조건을 만족하였다. UHF 대역은 LNA의 설계 주파수 대역과 많이 떨어져 있으며, 설계변경에 의한 영향이 없으므로 실제로 UHF 신호에 대해서는 이동통신 주파수 대역인 830 MHz이나 950 MHz 신호와 동일하게 새로 제작된 LNA의 포화시점이 기존 LNA의 포화시점과 유사할 것으로 판단된다.
또한 설계변경 전·후의 LNA에 대하여 수행한 비교시험을 통하여 새로운 LNA는 S1 및 S2 신호에 의한 LNA 포화 시점이 기존의 LNA 보다 30 dB 이상 높은 신호에서 나타나는 것을 확인하였으며, S 대역 신호에 의한 상호변조신호도 발생하지 않음을 확인하였다.
본 절에서 수행된 시험에서 관찰된 상호변조신호의 주파수는 입력신호의 주파수의 선형조합으로 정확히 결정되었다. 이와 달리 발생된 상호변조신호의 세기는 입력신호의 세기에 영향을 받기는 했으나, 특별한 관계성이 확인되지는 않았다.
설계 변경된 LNA가 적용된 위성항법안테나는 기존에 제작된 위성항법안테나와 교체된 이후에 진행된 시스템 시험에서 S 대역 신호에 의한 소모전류 증가가 관찰되지 않았으며, 위성항법수신기에서도 항법위성신호의 C/N0 감쇄가 관찰되지 않았다. 또한 시험발사체에 탑재되어 발사대시스템 인증시험과 비행시험을 성공적으로 수행하였다.
위성항법수신기에서 신호감쇄 현상이 발생하면 계산된 항법정보의 정확도가 낮아지며, 심한 경우에는 항법 정보 계산이 어려워 정상적으로 동작하는 것이 불가능해진다[6-12]. 신호감쇄 현상으로 대표되는 위성항 법수신기의 성능저하는 수차례에 걸친 시험과 분석을 통하여 S 대역 신호에 의해 위성항법수신기와 연결된 능동형 위성항법안테나의 LNA가 포화되고, 위성항법안테나에서 수신된 2개의 S 대역 신호로부터 GNSS 대역에서 상호변조신호(Intermodulation Signal)가 생성되어 발생하는 것으로 확인하였다[7,15-17].
Table 2에서 볼 수 있듯이 새로 추가된 저역통과필터는 2 GHz 이상의 신호를 차단하므로 위성항법안테나에 S 대역 신호가 수신되더라도 LNA에 전달되는 S 대역 신호의 세기를 크게 낮출 수 있다. 저역통과필터를 추가하기 전과 후의 LNA의 잡음지수는 최대 2.0 dB에서 2.3 dB로 증가하였으나, 기존의 LNA에서 S 대역 신호에 의해 나타난 위성항법수신기의 성능저하와 비교하면 0.3 dB 수준의 잡음지수 증가는 위성항법수신기의 성능에 미치는 영향이 상대적으로 크지 않다.
이러한 현상은 기존 LNA의 경우에는 포화의 정도가 커서 상호변조신호가 증폭되지 못하였고, 새로 제작된 LNA에서는 U1 신호에 의해서만 포화되어 포화의 정도가 낮아 상호변조신호가 증폭되어 측정된 것으로 분석된다. 전류의 증가량 측면에서도 기존 LNA는 기준 전류대비 최고 16.7 mA가 더 증가하였으며, 새로 제작된 LNA는 최고 3.8 mA가 증가하여 기존 LNA가 더 크게 포화된 것으로 판단된다. 따라서 이 경우에는 기존 LNA의 경우에도 포화로 인해 이득이 매우 낮아진 상태이므로 상호변조신호가 발생하지 않더라도 능동안테나의 기능을 제대로 발휘하고 있다고 보기 어려우며, 실제 위성항법수신기에 연결하였을 때에도 새로 제작된 LNA보다 더 좋은 성능을 기대하기는 어려울 것으로 예상된다.
6(b)와 같은 상호변조신호가 관찰되었다. 즉, U1 및 S1 신호가 입력될 때에는 저역통과필터가 추가되어 새로 제작된 LNA에서 기존 LNA보다 상대적으로 더 많은 상호변조신호가 나타났다. 이러한 현상은 기존 LNA의 경우에는 포화의 정도가 커서 상호변조신호가 증폭되지 못하였고, 새로 제작된 LNA에서는 U1 신호에 의해서만 포화되어 포화의 정도가 낮아 상호변조신호가 증폭되어 측정된 것으로 분석된다.
다른 신호의 경우에는 신호의 세기를 증가시킴에 따라 LNA의 전류가 기준값으로 유지되다가 단조 증가 형태로 나타났으나, U1 신호의 경우에는 신호의 세기를 증가시킬 때 오히려 감소했다가 증가하는 형태로 나타났다. 즉, U1 신호가 입력될 때에 기존 LNA의 소모 전류는 -18 dBm의 세기에서 살짝 올라간 후 그대로 유지되다가 1 dBm의 세기에서부터는 오히려 떨어지며, 12 dBm 이상의 세기에서 설정된 포화조건을 만족하였다. 또한 새로 제작된 LNA의 소모전류는 -6 dBm 이상의 세기에서부터 떨어지기 시작하다가 4 dBm 이상의 세기에서부터 설정된 포화조건을 만족하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
위성항법안테나의 역할은 무엇인가?
위성항법안테나는 항법위성에서 지상으로 수신되는 미약신호를 수신한 후 동축케이블을 통하여 위성 항법수신기에 전달한다[18,19]. 동축케이블의 길이가 길거나, 위성항법수신기의 감도가 낮은 경우에는 위성항법안테나에서 수신된 항법위성신호를 최대한 증폭하기 위하여 LNA가 포함된 능동형 안테나를 주로 사용한다[18,19].
우주발사체의 위성 항법 안테나를 설치할 수 있는 위치가 매우 제한적인 이유는 무엇인가?
발사체의 실시간 항법정보 획득과 시각동기신호 제공을 목적으로 한국형발사체에 탑재되는 위성항법수신기는 나로호에 탑재된 GPS 수신기와 유사하게 전체 비행 구간에서 가시성을 확보하기 위하여 기체의 외피에 설치된 3개의 위성항법안테나를 이용해 항법 위성신호를 수신한다[1,2]. 둥근 원통형 모양을 갖는 우주발사체는 거대한 기체임에도 시간에 따라 단 분리나 페어링 분리가 수행되어야 하므로 실제로 위성 항법안테나를 설치할 수 있는 위치가 매우 제한된다[1-3]. 또한 위성항법안테나가 설치되는 위치에는 L 대역 신호를 수신하는 위성항법안테나뿐만 아니라 발사체의 원격측정데이터와 영상데이터를 송신하기 위한 S 대역 안테나, 지상레이더 추적을 위한 C 대역 안테나 및 지상으로부터 비행종단명령을 수신하기 위한 UHF 안테나 등이 함께 설치되어야 한다[4].
우주발사체의 위성항법안테나가 설치된 위치에는 무엇이 함께 설치되어야 하는가?
둥근 원통형 모양을 갖는 우주발사체는 거대한 기체임에도 시간에 따라 단 분리나 페어링 분리가 수행되어야 하므로 실제로 위성 항법안테나를 설치할 수 있는 위치가 매우 제한된다[1-3]. 또한 위성항법안테나가 설치되는 위치에는 L 대역 신호를 수신하는 위성항법안테나뿐만 아니라 발사체의 원격측정데이터와 영상데이터를 송신하기 위한 S 대역 안테나, 지상레이더 추적을 위한 C 대역 안테나 및 지상으로부터 비행종단명령을 수신하기 위한 UHF 안테나 등이 함께 설치되어야 한다[4]. 우주 발사체에서 위성항법안테나의 설치위치와 조건 및 운용환경 등에 대해서는 참고문헌 [5]에 주어져 있다.
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