WDM原理专题培训教材.docx
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WDM原理专题培训教材
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光纤光源光放大复用和解复用光监控信道
摘要：
本课程主要介绍了波分复用技术的基础知识，并对的主要关键技术、光传输技术规范进行了讲解。
通过本课程，您可以对知识以及光传输网络的发展方向，有一个较全面的了解。
缩略语清单：
无。
参考资料清单：
（1）《光纤通信基础》
（2）《密集波分复用技术导论》
（3）《传输系统原理与测试》
（4）《高速光纤通信规范与系统设计》
（5）《城域光网络》
（6）《052401光监控信道及其在系统中的应用1.0》
（7）《光纤与光器件专题》
（8）《光放大器专题》
原理专题
1内容说明
1.1内容介绍
本文主要介绍了波分复用技术的基础知识，并对的主要关键技术、光传输技术规范进行了讲解。
通过本课程，您可以对知识以及光传输网络的发展方向，有一个较全面的了解。
1.2内容结构
内容分为四章：
第一章波分复用技术概述
这一章内容告诉你什么是波分复用技术，如何发展而来，的工作方式和组成形式以及的特点。
通过本章的学习，可以使我们对于光传输网络前沿技术——有一个基本的了解。
第二章传输媒质
这一章主要介绍光纤的结构、种类和特性。
通过这一章的学习使我们对于G.652、G.653、G.654、G.655光纤有一个基本的认识，同时对于色散、非线性等概念有一个基本的了解。
第三章的关键技术
如果要把这种新型技术转化为商品，在硬件上如何实现呢？
带着这个疑问从本节内容中可以了解到的关键技术以及实现方法，包括光源、光放大和波分复用器件等内容。
第四章光传输系统的技术规范
本章内容主要介绍了对于系统的一些建议以及规范，使我们对于在系统中涉及的到的一些知识有一个基本的了解。
2波分复用技术概述
&目标：
掌握的基本概念。
掌握的基本原理、传输方式以及的组成。
了解的产生背景、技术特点。
2.1波分复用光传输技术
2.1.1波分复用的基本概念
光通信系统可以按照不同的方式进行分类。
如果按照信号的复用方式来进行分类，可分为频分复用系统（）、时分复用系统（）、波分复用系统（）和空分复用系统（）。
所谓频分、时分、波分和空分复用，是指按频率、时间、波长和空间来进行分割的光通信系统。
应当说，频率和波长是紧密相关的，频分也即波分，但在光通信系统中，由于波分复用系统分离波长是采用光学分光元件，它不同于一般电通信中采用的滤波器，所以我们仍将两者分成两个不同的系统。
波分复用是光纤通信中的一种传输技术，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若干个波段，每个波段作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。
光波分复用的实质是在光纤上进行光频分复用（），只是因为光波通常采用波长而不用频率来描述、监测与控制。
随着电-光技术的向前发展，在同一光纤中波长的密度会变得很高。
因而，使用术语密集波分复用（），与此对照，还有波长密度较低的系统，较低密度的就称为稀疏波分复用（）。
这里可以将一根光纤看作是一个“多车道”的公用道路，传统的系统只不过利用了这条道路的一条车道，提高比特率相当于在该车道上加快行驶速度来增加单位时间内的运输量。
而使用技术，类似利用公用道路上尚未使用的车道，以获取光纤中未开发的巨大传输能力。
2.1.2技术的发展背景
随着科学技术的迅猛发展，通信领域的信息传送量正以一种加速度的形式膨胀。
信息时代要求越来越大容量的传输网络。
近几年来，世界上的运营公司及设备制造厂家把目光更多地转向了技术，并对其投以越来越多的关注，增加光纤网络的容量及灵活性，提高传输速率和扩容的手段可以有多种，下面对几种扩容方式进行比较。
⏹空分复用（）
空分复用是靠增加光纤数量的方式线性增加传输的容量，传输设备也线性增加。
在光缆制造技术已经非常成熟的今天，几十芯的带状光缆已经比较普遍，而且先进的光纤接续技术也使光缆施工变得简单，但光纤数量的增加无疑仍然给施工以及将来线路的维护带来了诸多不便，并且对于已有的光缆线路，如果没有足够的光纤数量，通过重新敷设光缆来扩容，工程费用将会成倍增长。
而且，这种方式并没有充分利用光纤的传输带宽，造成光纤带宽资源的浪费。
作为通信网络的建设，不可能总是采用敷设新光纤的方式来扩容，事实上，在工程之初也很难预测日益增长的业务需要和规划应该敷设的光纤数。
因此，空分复用的扩容方式是十分受限。
⏹时分复用（）
时分复用也是一项比较常用的扩容方式，从传统的一次群至四次群的复用，到如今的1、4、16乃至64的复用。
通过时分复用技术可以成倍地提高光传输信息的容量，极大地降低了每条电路在设备和线路方面投入的成本，并且采用这种复用方式可以很容易在数据流中抽取某些特定的数字信号，尤其适合在需要采取自愈环保护策略的网络中使用。
但时分复用的扩容方式有两个缺陷：
第一是影响业务，即在“全盘”升级至更高的速率等级时，网络接口及其设备需要完全更换，所以在升级的过程中，不得不中断正在运行的设备；第二是速率的升级缺乏灵活性，以设备为例，当一个线路速率为一五5的系统被要求提供两个一五5的通道时，就只能将系统升级到622，即使有两个一五5将被闲置，也没有办法。
对于更高速率的时分复用设备，目前成本还较高，并且40的设备已经达到电子器件的速率极限，即使是10的速率,在不同类型光纤中的非线性效应也会对传输产生各种限制。
现在，时分复用技术是一种被普遍采用的扩容方式，它可以通过不断地进行系统速率升级实现扩容的目的，但当达到一定的速率等级时，会由于器件和线路等各方面特性的限制而不得不寻找另外的解决办法。
不管是采用空分复用还是时分复用的扩容方式，基本的传输网络均采用传统的或技术，即采用单一波长的光信号传输，这种传输方式是对光纤容量的一种极大浪费，因为光纤的带宽相对于目前我们利用的单波长信道来讲几乎是无限的。
我们一方面在为网络的拥挤不堪而忧心忡忡，另一方面却让大量的网络资源白白浪费。
⏹波分复用（）
波分复用是利用单模光纤低损耗区的巨大带宽，将不同速率（波长）的光混合在一起进行传输，这些不同波长的光信号所承载的数字信号可以是相同速率、相同数据格式，也可以是不同速率、不同数据格式。
可以通过增加新的波长特性，按用户的要求确定网络容量。
对于2.5以下的速率的,目前的技术可以完全克服由于光纤的色散和光纤非线性效应带来的限制，满足对传输容量和传输距离的各种需求。
扩容方案的缺点是需要较多的光纤器件，增加失效和故障的概率。
⏹和技术合用
利用和两种技术的优点进行网络扩容是应用的方向。
可以根据不同的光纤类型选择的最高传输速率，在这个基础上再根据传输容量的大小选择复用的光信道数，在可能情况下使用最多的光载波。
毫无疑问，多信道永远比单信道的传输容量大，更经济。
2.2原理概述
技术是利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时传输。
与通用的单信道系统相比，密集（）不仅极大地提高了网络系统的通信容量，充分利用了光纤的带宽，而且它具有扩容简单和性能可靠等诸多优点，特别是它可以直接接入多种业务更使得它的应用前景十分光明。
在模拟载波通信系统中，为了充分利用电缆的带宽资源，提高系统的传输容量，通常利用频分复用的方法。
即在同一根电缆中同时传输若干个频率不同的信号，接收端根据各载波频率的不同利用带通滤波器滤出每一个信道的信号。
同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量。
事实上，这样的复用方法在光纤通信系统中是非常有效的。
与模拟的载波通信系统中的频分复用不同的是，在光纤通信系统中是用光波作为信号的载波，根据每一个信道光波的频率（或波长）不同将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，从而在一根光纤中实现多路光信号的复用传输。
由于目前一些光器件（如带宽很窄的滤光器、相干光源等）还不很成熟，因此，要实现光信道非常密集的光频分复用（相干光通信技术）是很困难的，但基于目前的器件水平，已可以实现相隔光信道的频分复用。
人们通常把光信道间隔较大（甚至在光纤不同窗口上）的复用称为光波分复用（），再把在同一窗口中信道间隔较小的称为密集波分复用（）。
随着科技的进步，现代的技术已经能够实现波长间隔为纳米级的复用，甚至可以实现波长间隔为零点几个纳米级的复用，只是在器件的技术要求上更加严格而已，因此把波长间隔较小的16个波、40个波、80乃至更多个波长的复用称为。
系统的构成及光谱示意图如图1-1所示。
发送端的光发射机发出波长不同而精度和稳定度满足一定要求的光信号，经过光波长复用器复用在一起送入掺铒光纤功率放大器（掺铒光纤放大器主要用来弥补合波器引起的功率损失和提高光信号的发送功率），再将放大后的多路光信号送入光纤传输，中间可以根据情况决定有或没有光线路放大器，到达接收端经光前置放大器（主要用于提高接收灵敏度，以便延长传输距离）放大以后，送入光波长分波器分解出原来的各路光信号。
图1-1系统的构成及频谱示意图
2.3设备的传输方式
2.3.1单向
如图1-2所示，单向波分复用系统采用两根光纤，一根光纤只完成一个方向光信号的传输，反向光信号的传输由另一根光纤来完成。
图1-2的单向传输方式
这种系统可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量扩大几倍至几十倍。
在长途网中，可以根据实际业务量的需要逐步增加波长来实现扩容，十分灵活。
在不清楚实际光缆色散的前提下，也是一种暂时避免采用超高速光系统而利用多个2.5系统实现超大量传输的手段。
2.3.2双向
如图1-3所示，双向波分复用系统则只用一根光纤，在一根光纤中实现两个方向光信号的同时传输，两个方向光信号应安排在不同波长上。
单纤双向传输方式允许单根光纤携带全双工通路，通常可以比单向传输节约一半的光纤器件，由于两个方向传输的信号不交互产生（四波混频）产物，因此其总的产物比双纤单向传输少很多，但缺点是该系统需要采用特殊的措施来对付光反射（包括由于光接头引起的离散反射和光纤本身的瑞利后向反射），以防多径干扰；当需要将光信号放大以延长传输距离时，必须采用双向光纤放大器以及光环形器等元件，但其噪声系数稍差。
图1-3的双向传输方式
建议G.692文件对于单纤双向和双纤单向传输方式的优劣并未给出明确的看法。
实用的系统大都采用双纤单向传输方式。
2.4开放式与集成式系统
通常有两种应用形式：
⏹开放式
⏹集成式
开放式系统的特点是对复用终端光接口没有特别的要求，只要求这些接口符合建议的光接口标准。
系统采用波长转换技术，将复用终端的光信号转换成指定的波长，不同终端设备的光信号转换成不同的符合建议的波长，然后进行合波。
集成式系统没有采用波长转换技术，它要求复用终端的光信号的波长符合系统的规范，不同的复用终端设备发送不同的符合建议的波长，这样他们在接入合波器时就能占据不同的通道，从而完成合波。
根据工程的需要可以选用不同的应用形式。
在实际应用中，开放式和集成式可以混合使用。
2.5系统组成
N路波长复用的系统的总体结构主要由发送和接收光复用终端（）单元与中继线路放大（）单元三部分组成，如果按组成模块来分有：
●光波长转换单元（）；
●波分复用器：
分波/合波器（）；
●光放大器（）；
●光监控信道/通路（）；
光波长转换单元（）将非标准的波长转换为所规范的标准波长，系统中应用光/电/光（）的变换，即先用光电二极管或把接收到的光信号转换为电信号，然后该电信号对标准波长的激光器进行调制，从而得到新的合乎要求的光波长信号。
波分复用器可分为发端的光合波器。
光合波器用于传输系统的发送端，是一种具有多个输入端口和一个输出端口的器件，它的每一个输入端口输入一个预选波长的光信号，输入的不同波长的光波由同一输出端口输出。
光分波器用于传输系统的接收端，正好与光合波器相反，它具有一个输入端口和多个输出端口，将多个不同波长信号分类开来。
光放大器不但可以对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大器，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件。
在目前实用的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器（）、半导体光放大器（）和光纤拉曼放大器（）等，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能被广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统中，作为前置放大器、线路放大器、功率放大器使用。
光监控信道是为的光传输系统的监控而设立的。
建议优选采用一五10波长，容量为2。
靠低速率下高的接收灵敏度（-48）仍能正常工作。
但必须在之前下光路，而在之后上光路。
2.6的优势
光纤的容量是极其巨大的，而传统的光纤通信系统都是在一根光纤中传输一路光信号，这样的方法实际上只使用了光纤丰富带宽的很少一部分。
为了充分利用光纤的巨大带宽资源，增加光纤的传输容量，以密集（）技术为核心的新一代的光纤通信技术已经产生。
技术具有如下特点：
⏹超大容量
目前使用的普通光纤可传输的带宽是很宽的，但其利用率还很低。
使用技术可以使一根光纤的传输容量比单波长传输容量增加几倍、几十倍乃至几百倍。
现在商用最高容量光纤传输系统为3.2系统，华为公司波分系统可实现192x10或者80x40方案结构。
⏹对数据的“透明”传输
由于系统按光波长的不同进行复用和解复用，而与信号的速率和电调制方式无关，即对数据是“透明”的。
一个系统的业务可以承载多种格式的“业务”信号，如、或者将来有可能出现的信号。
系统完成的是透明传输，对于“业务”层信号来说，系统中的各个光波长通道就像“虚拟”的光纤一样。
⏹系统升级时能最大限度地保护已有投资
在网络扩充和发展中，无需对光缆线路进行改造，只需更换光发射机和光接收机即可实现，是理想的扩容手段，也是引入宽带业务（例如、和等）的方便手段，而且利用增加一个波长即可引入任意想要的新业务或新容量。
⏹高度的组网灵活性、经济性和可靠性
利用技术构成的新型通信网络比用传统的电时分复用技术组成的网络结构要大大简化，而且网络层次分明，各种业务的调度只需调整相应光信号的波长即可实现。
由于网络结构简化、层次分明以及业务调度方便，由此而带来的网络的灵活性、经济性和可靠性是显而易见的。
⏹可兼容全光交换
可以预见，在未来可望实现的全光网络中，各种电信业务的上/下、交叉连接等都是在光上通过对光信号波长的改变和调整来实现的。
因此，技术将是实现全光网的关键技术之一，而且系统能与未来的全光网兼容，将来可能会在已经建成的系统的基础上实现透明的、具有高度生存性的全光网络。
2.7简介
（密集波分复用）无疑是当今光纤应用领域的首选技术，但其也存在着价格比较昂贵的一面。
有没有可能以较低的成本享用波分复用技术呢？
面对这一需求，（稀疏波分复用）应运而生。
稀疏波分复用，顾名思义，是密集波分复用的近亲，它们的区别有两点：
（1）载波通道间距较宽，因此一根光纤上只能复用2到16个左右波长的光波，“稀疏”与“密集”称谓的差别就由此而来；
（2）调制激光采用非冷却激光，而采用的是冷却激光，它需要冷却技术来稳定波长，实现起来难度很大，成本也很高。
避开了这一难点，系统采用的激光器不需要冷却，因而大幅降低了成本，整个系统成本只有的30%。
随着越来越多的城域网运营商开始寻求更合理的传输解决方案，越来越广泛地被业界接受。
在同一根光纤中传输的不同波长之间的间距是区分和的主要参数。
目前的稀疏波分复用系统一般工作在从1260到1620波段，间隔为20，可复用16个波长通道，其中1400波段由于损耗较大，一般不用。
相对于密集波分复用系统，稀疏波分复用系统在提供一定数量的波长和100公里以内的传输距离的同时，大大降低了系统的成本，并具有非常强的灵活性。
因此稀疏波分复用系统主要应用于城域网中。
用很低的成本提供了很高的接入带宽，适用于点对点、以太网、环等各种流行的网络结构，特别适合短距离、高带宽、接入点密集的通信场合，如大楼内或大楼之间的网络通信。
但是，是成本与性能折衷的产物，不可避免地存在一些性能上的局限。
业内专家指出，目前主要存在以下三点不足：
（1）在单根光纤上支持的复用波长个数较少，导致日后扩容成本较高；
（2）复用器、复用调制器等设备的成本还应进一步降低，这些设备不能只是相应设备的简单改型；（3）还未形成标准。
综上所述，波分复用系统从20世纪90年代中期开始，受市场需要和技术发展的驱动，在国内外都呈现出了飞速发展的态式，主要应用于长途传输网的密集波分复用系统和应用于城域网以及以太网的稀疏波分复用系统都有了很大的突破并得到了大量的商用，同时，系统的发展主要取决于关键技术的突破和相关标准的制定，过去数年的发展都证明了这一点。
2.8思考题
什么是、以及？
简述设备的两种传输方式？
什么是开放式与集成式系统？
简述系统的组成？
3传输媒质
&目标：
掌握光纤的基本结构和种类。
了解光纤的基本特性。
3.1光纤的结构
通信中使用的光纤，其核心部分是由圆柱形玻璃纤芯和玻璃包层构成，最外层是一种弹性耐磨的塑料护套，整根光纤呈圆柱形。
光纤的典型结构如图1-4所示。
图1-4光纤的典型结构
图1-5三种典型光纤
纤芯的粗细、材料和包层材料的折射率，对光纤的特性起着决定性的影响。
图1-5所示为三种典型光纤的情况。
从图中可看出，纤芯和包层横截面上，折射率剖面有两种典型的分布。
一种是纤芯和包层折射率沿光纤径向分布都是均匀的，而在纤芯和包层的交界面上，折射率呈阶梯形突变，这种光纤称为阶跃折射率光纤。
另一种是，纤芯的折射率不是均匀常数，而是随纤芯径向坐标增加而逐渐减少，一直渐变到等于包层折射率值，因而将这种光纤称为渐变折射率光纤。
这两种光纤剖面的共同特点是：
纤芯的折射率n1大于包层折射率n2，这也是光信号在光纤中传输的必要条件。
对阶跃折射率光纤而言，它可以使光波在纤芯和包层的交界面形成全反射，引导光波沿纤芯向前传播；对于渐变折射率光纤而言，它可以使光波在纤芯中产生连续折射，形成穿过光纤轴线的类似于正弦波的光射线，引导光波沿纤芯向前传播，两种光射线轨迹如图1-5所示。
3.2光纤的模式
3.2.1传播模式概念
光是一种频率极高的电磁波，根据波动光学和电磁场理论，通过繁琐地求解麦克斯韦方程组之后就会发现：
当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播。
事实上，光在光纤中只能以一组独立的光线传播。
换句话说，如果我们能够看到光纤的内部的话，我们会发现一组光束以不同的角度传播，传播的角度从零到临界角αc，传播的角度大于临界角αc的光线穿过纤芯进入包层（不满足全反射的条件），最终能量被涂敷层吸收，见图1-6。
这些不同的光束称为模式。
通俗的讲，模式的传播角度越小，模式的级越低。
所以，严格按光纤中心轴传播的模式称为零级模式，或基模；其它与光纤中心轴成一定角度传播的光束皆称为高次模。
图1-6光在阶跃折射率光纤中的传播
3.2.2多模光纤
随着纤芯直径的粗细不同，光纤中传输模式的数量多少也不同。
因此，阶跃折射率光纤或渐变折射率光纤又都可以按照传输模式的数量多少，分为单模光纤和多模光纤。
图1-7光在阶跃折射率多模光纤中的传播
当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时（约1微米），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传播模式。
这样的光纤称为多模光纤。
光在阶跃折射率多模光纤中的传播轨迹如图1-9所示，光在渐变折射率多模光纤中的传播轨迹如图1-8所示。
图1-8光在渐变折射率多模光纤中的传播
由于不同的传播模式具有不同的传播速度与相位，因此经过长距离传输之后会产生时延差，导致光脉冲变宽，这种现象称为模式色散。
模式色散会使多模光纤的带宽变窄，降低了其传输容量，因此多模光纤仅适用于低速率、短距离的光纤通信。
3.2.3单模光纤
当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）较小，与光波长在同一数量级，如芯径d1在5~10微米范围，这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。
光在单模光纤中的传播轨迹，简单地讲是以平行于光纤中心轴线的形式以直线方式传播，如图1-9所示。
图1-9光在单模光纤中的传播轨迹
因为光在单模光纤中仅以一种模式（基模）进行传播，其余的高次模全部截止，从而避免了模式色散的问题，故单模光纤特别适用于大容量长距离传输。
3.3模场直径和有效面积
在光纤中，光能量不完全集中在纤芯中传输，部分能量在包层中传输，纤芯的直径不能反映光纤中光能量的分布（如图1-10），于是提出了模场直径的概念。
模场直径就是描述单模光纤中光能集中程度的参量。
有效面积与模场直径的物理意义相同。
通过模场直径可以利用圆面积公式计算出有效面积。
模场直径与有效面积主要对通过光纤的能量密度有关。
模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。
当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成系统的光信噪比降低，大大影响系统性能。
因此，对于传输光纤而言，模场直径（或有效面积）越大越好。
图1-10模场直径
3.4光纤的种类
由于单模光纤具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点，国际上已一致认同系统将只使用单模光纤作为传输媒质。
目前，已经在G.652、G.653、G.654和G.655建议中分别定义了4种不同设计的单模光纤。
其中G.652光纤是目前已广泛使用的单模光纤，称为一三10性能最佳的单模光纤，又称为色散未移位的光纤。
按纤芯折射率剖面，又可分为匹配包层光纤和下陷包层光纤两类，两者的性能十分相近，前者制造简单，但在一五50波长区的宏弯损耗和微弯损耗稍大；而后者连接损耗稍大。
G.653光纤称为色散移位光纤或一五50性能最佳光纤。
这种光纤通过设计光纤折射率的剖面，使零色散点移到一五50窗口，从而与光纤的最小衰减窗口获得匹配，使超高速超长距离光纤传输成为可能。
G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。
这类光纤的设计重点是降低一五50的衰减，其零色散点仍然在一三10附近，因而一五50的色散较高，可达一八（），必须配用单纵模激光器才能消除色散的影响。
G.654光纤主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。
G.655光纤是非零色散移位单模光纤，与G.653光纤相近，从而使一五50附近保持了一定的色散值，避免在传输时发生四波混频现象，适合于系统应用。
除上述所讲的四种已正式标准化的光纤外，还有一种适合于更大容量和更长传输距离的大有效面积光纤也已经问世。
其零色散点在一五10左右，但有效面积增大到72平方μm以上，因而可以更有效地克服非线性影响，最适合以10为基础的系统应用。
´想一想：
在我国，大面积敷设的是哪一种光纤？
3.5光纤的基本特性
3.5.1光纤的损耗
光纤的衰减或损耗是一个非常重要的、对光信号的传播产生制约作用的特性。
光纤的损耗限制了没有光放大的光信号的传播距离。
光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗。
3.5.1.1吸收损耗
光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的，包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收。
⏹红外和紫外吸收损耗
光纤材料组成的原子系统中，一些处于低能的电子会吸收光波能量而跃迁到高能级状态，
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