数字鉴相器

数字鉴相器
数字鉴相器

数字鉴相器,数字鉴相器原理是什么?

背景知识:

随着数字电路技术的发展,数字锁相环在调制解调、频率合成、FM 立体声解码、彩色副载波同步、图象处理等各个方面得到了广泛的应用。数字锁相环不仅吸收了数字电路可靠性高、体积小、价格低等优点,还解决了模拟锁相环的直流零点漂移、器件饱和及易受电源和环境温度变化等缺点,此外还具有对离散样值的实时处理能力,已成为锁相技术发展的方向。锁相环是一个相位反馈控制系统,在数字锁相环中,由于误差控制信号是离散的数字信号,而不是模拟电压,因而受控的输出电压的改变是离散的而不是连续的;此外,环路组成部件也全用数字电路实现,故而这种锁相环就称之为全数字锁相环(简称DPLL)。数字锁相环主要由数字鉴相器、可逆计数器、频率切换电路及N分频器四部分组成。数字鉴相器就是DPLL的主要单元。

基本原理:

在比相的信号虽然经过了一系列处理,但仍可能含有干扰信号。其信号的特点:

1.噪声的影响在转变成方波后只存在于理想方波的前后沿附近,而高低电平中间部分不受噪声影响;

2.被鉴相信号的频率一致,而且存在一定的相位差,使两路信号的沿互相错开,每一路受噪声影响的前后沿正好对应于另一路不受影响的电平部分。

而一般的鉴相器都没有抑制噪声的能力,即使是一点小的抖动也将导致鉴相的失败。故本设计利用触发器的边沿触发和锁存功能设计了高抗噪声数字鉴相器,采用VHDL语言编制调试了鉴相器功能。如图是经过编译以后生成的原理图。

输入信号的相位Φa与反馈输人信号的相位Фb的相位差Фe=Фa-Фb时,鉴相器输出低电平。当Фe > 0 时,鉴相器输出信号Ud(t) 输出正比于相位差的脉宽信号,Up(t) 输出低电平。当Фe < 0时,鉴相器的输出信号Up(t)输出正比于相位差的脉宽信号,Ud (t)输出低电平。线性鉴相范围为±л,线性鉴相增益kd =1/л(v/rad)。

下面对该鉴相器的抗干扰能力作定量分析。若设干扰信号是峰值为An的正弦信号,被鉴别的两路信号的相位差为α,其值为As,则有:

实际上,大多数干扰为随机白噪声,所以信噪比为:

从上式可以看出该鉴相器具有较强的抗干扰能力,这也保证了整个系统对恶劣环境的适应能力。

百度图片,参考

平衡混频器设计

应用ADS 设计混频器 1. 概述 图1为一微带平衡混频器,其功率混合电路采用3dB 分支线定向耦合器,在各端口匹配的条件下,1、2为隔离臂,1到3、4端口以及从2到3、4端口都是功率平分而相位差90°。 图1 设射频信号和本振分别从隔离臂1、2端口加入时,初相位都是0°,考虑到传输相同的路径不影响相对相位关系。通过定向耦合器,加到D1,D2上的信号和本振电压分别为: D1上电压 ) 2cos(1π ω- =t V v s s s 1-1 )cos(1πω-=t V v L L L 1-2 D2上电压 )cos(2t V v s s s ω= 1-3 )2cos(2π ω+ =t V v L L L 1-4 可见,信号和本振都分别以2 π 相位差分配到两只二极管上,故这类混频器称为 2 π 型平衡混频器。由一般混频电流的计算公式,并考虑到射频电压和本振电压的相位差,可以得到D1中混频电流为:

∑∑ ∞-∞ =∞ -+- = m n L s m n t jn t jm I t i ,,1)]()2 (exp[)(πωπ ω 同样,D2式中的混频器的电流为: ∑∑∞ -∞ =∞ + += m n L s m n t jn t jm I t i ,,2)]2 ()(exp[)(π ωω 当1,1±=±=n m 时,利用1,11,1-++-=I I 的关系,可以求出中频电流为: ]2 )cos[(41,1π ωω+ -=+-t I i L s IF 主要的技术指标有: 1、噪音系数和等效相位噪音(单边带噪音系数、双边带噪音系数); 2、变频增益,中频输出和射频输入的比较; 3、动态范围,这是指混频器正常工作时的微波输入功率范围; 4、双频三阶交调与线性度; 5、工作频率; 6、隔离度; 7、本振功率与工作点。 设计目标:射频:3.6 GHz ,本振:3.8 GHz ,噪音:<15。 2.具体设计过程 2.1创建一个新项目 ◇ 启动ADS ◇ 选择Main windows ◇ 菜单-File -New Project ,然后按照提示选择项目保存的路径和输入文件名 ◇ 点击“ok ”这样就创建了一个新项目。 ◇ 点击 ,新建一个电路原理图窗口,开始设计混频器。

数字鉴相器设计与DSP实现

XXXXXX大学 研究生DSP公共实验 实验报告 实验名称:数字鉴相器设计与DSP实现 学生学号: 学生姓名: 实验地点: 201X年X月

一实验目的 熟悉CCS 集成开发环境,掌握工程的生成方法; 掌握CCS 集成开发环境的调试方法; 在CCS 集成开发环境中设计数字鉴相器,并在DSP硬件平台上实现。 二实验设备 TMS320VC5502实验箱一套; 已经安装和配置Matlab以及开发环境的计算机一台。 三算法简介 鉴相器是锁相环中重要的组成部件,它是一个相位比较装置,用来检测输入信号相位与反馈信号相位之间的相位差。输出的误差信号是相位差的函数。鉴相特性可以是多种多样的,有正弦形特性,三角形特性,锯齿形特性等等。 正切数字鉴相器 通过环路的数学分析来建立数字鉴相器的数学模型,如图1所示为一种常用的数字锁相环。 图1 数字锁相环 输入: VCO输出:, 通过同相、正交相乘器得到: 经过低通滤波器滤波之后,二倍频项被滤波器滤除,只有低频分量。

此处假设,为低通滤波器的系数,并假设上下支路的滤波器特 性相同,鉴相器为二象限正切鉴相器。 所以 经过环路滤波器得到控制电压:,实现对VCO的载频控制。 VCO输出相位可以表示为, 正弦数字鉴相器 正弦鉴相器是指鉴相器的输出是正弦函数,利用此函数来控制VCO的输出。 , 由上式可得 以上推导表明,无论是采用哪一种特性的鉴相器,VCO的输入是受控制的,环路滤波器输出为跟踪提供了所需的误差控制电压,但在环路未锁定之时控制VCO的频率、相位,向减小跟踪误差的方向调整。当环路锁定之后, 很小,所以,可以从同相支路获得解调信息。 反正切数字鉴相器 反正切法是通过2路正交信号直接得到输入与输出信号的相位差,作为控制信号输出。 其函数表达式为: 消除符号模糊数字鉴相器 消除符号模糊鉴相法消除符号模糊鉴相法以作为控制信号。其函数表达式为: 式中:函数为符号函数,其含义如下: 鉴相特性比较 正弦鉴相特性,也就是鉴相器的数学模型, 如图2所示。由图可见,正弦鉴相器的输出是连续的,要扩展跟踪频带带宽,必须对图中k1点和k2点进行校正。

鉴相器原理与分类

鉴相器原理及分类更新于2010-05-13 03:52:41 文章出处:与非网 鉴相器取样鉴频 鉴相器-原理特性 使输出电压与两个输入信号之间的相位差有确定关系的电路。表示其间关系的函数称为鉴相特性。鉴相器是锁相环的基本部件之一,也用于调频和调相信号的解调。常见的鉴相特性有余弦型、锯齿型与三角型等。 鉴相器特性用ud(t)=kdf【θe(t)】表示。式中kd为鉴相器的增益系数;θe(t)=θ1(t)-θ2(t),表示两个输入信号之间的相位差。函数f【·】表示鉴相特性,它反映鉴相器的输出电压ud(t)与相位差的关系。常见的鉴相特性有余弦型、锯齿型与三角型等。 鉴相器-分类 鉴相器可以分为模拟鉴相器和数字鉴相器两种。 二极管平衡鉴相器是一种模拟鉴相器。两个输入的正弦信号的和与差分别加于检波二极管,检波后的电位差即为鉴相器的输出电压。其鉴相特性通常为余弦型的。鉴频鉴相器是一种数字鉴相器。两个输入信号是脉冲序列,其前沿(或后沿)分别代表各自的相位。比较这两个脉冲序列的频率和相位即可得到与相位差有关的输出。这种鉴相器的鉴相特性为锯齿形。因它兼具鉴频作用,故称鉴频鉴相器 二极管平衡鉴相器 这是一种模拟鉴相器,原理电路如图1。二极管D1、D2和C1R1、C2R2构成两个峰值检波器。两个输入的正弦信号u1(t)=U1sin(ωt+θ1)、u2(t)=U2sin(ωt+θ2)的和与差分别加于检波二极管D1和D2,检波后的电压差即为鉴相器的输出电压ud。当U2U1时,ud∝U1cos(θ1-θ2)。在这种情况下,它的鉴相特性是余弦型的(图2a)。 鉴频鉴相器 这是一种数字鉴相器。两个输入信号是脉冲序列,其前沿(或后沿)分别代表各自的相位。比较这两个脉冲序列的频率和相位即可得到与相位差有关的输出。图3是一种鉴频鉴相器的框图。比相器可由触发器构成。当两个输入信号u1和u2同频同相时,触发器没有输出,充电电流等于零。当u1脉冲序列超前于u2时,触发器产生一个其宽度与相位差成正比的正脉冲,充电电路被充电,其输出电压为正值,大小与充电脉冲宽度成正比。若u1落后于u2,则触发器输出一个负脉冲,充电电路的输出为负值。这种鉴相器的鉴相特性为锯齿形(图2b)。这种鉴相器兼具鉴频作用,故称鉴频鉴相器。

鉴相器

鉴相器 开放分类:电子电子技术电子术语通信 编辑词条分享 英文名:phasedetector 鉴相器,顾名思义,就是能够鉴别出输入信号的相差的器件。它是PLL,即锁相环的重要组成部分。 使输出电压与两个输入信号之间的相位差有确定关系的电路。表示其间关系的函数称为鉴相特性。鉴相器是锁相环的基本部件之一,也用于调频和调相信号的解调。常见的鉴相特性有余弦型、锯齿型与三角型等。 鉴相器特性用u d(t)=k d f【θe(t)】表示。式中k d为鉴相器的增益系数;θe(t)=θ1(t)-θ2(t),表示两个输入信号之间的相位差。函数f【2】表示鉴相特性,它反映鉴相器的输出电压u d(t)与相位差的关系。常见的鉴相特性有余弦型、锯齿型与三角型等。 鉴相器

鉴相器可以分为模拟鉴相器和数字鉴相器两种。 二极管平衡鉴相器是一种模拟鉴相器。两个输入的正弦信号的和与差分别加于检波二极管,检波后的电位差即为鉴相器的输出电压。其鉴相特性通常为余弦型的。鉴频鉴相器是一种数字鉴相器。两个输入信号是脉冲序列,其前沿(或后沿)分别代表各自的相位。比较这两个脉冲序列的频率和相位即可得到与相位差有关的输出。这种鉴相器的鉴相特性为锯齿形。因它兼具鉴频作用,故称鉴频鉴相器 二极管平衡鉴相器这是一种模拟鉴相器,原理电路如图1。二极管D1、D2和C1R1、C2R2构成两个峰值检波器。两个输入的正弦信号u1(t) =U1sin(ωt+θ1)、u2(t)=U2sin(ωt+θ2) 的和与差分别加于检波二极管D1和D2,检波后的电压差即为鉴相器的输出电压u d。当U2U1时,u d∝U1cos(θ1-θ2)。在这种情况下,它的鉴相特性是余弦型的(图2a)。 鉴相器 鉴频鉴相器这是一种数字鉴相器。两个输入信号是脉冲序列,其前沿(或后沿)分别代表各自的相位。比较这两个脉冲序列的频率和相位即可得到与相位差有关的输出。图3是一种鉴频鉴相器的框图。比相器可由触发器构成。当两个输入信号u1和u2同频同相时,触发器没有输出,充电电流等于零。当u1脉冲序列超前于u2时,触发器产生一个其宽度与相位差成正比的正脉冲,充电电路被充电,其输出电压为正值,大小与充电脉冲宽度成正比。若u1落后于u2,则触发器输出一个负脉冲,充电电路的输出为负值。这种鉴相器的鉴相特性为锯齿形(图2b)。这种鉴相器兼具鉴频作用,故称鉴频鉴相器。 鉴相器 取样鉴相器由取样器和保持电路两部分组成。图4是原理电路,4个二极管构成取样器,电容器C d构成保持电路。当被鉴相信号u0(f0,θ0)的频率f0正好等于取样脉冲u i(f i,θi)的频率f i的整数倍时,每次取样的电压值相等。鉴相器的输出电压u d为保持电容器C d上的直流电压。当f0厵nf i时,每次取样的电压值不等,输出电压u d为阶梯形的交流电压。取样鉴相器输出的电压和相位差成正弦关系。 鉴相器 背景知识:

射频电路的设计原理及应用

射频电路的设计原理及应用 普通手机射频电路由接收通路、发射通路、本振电路三大电路组成。其主要负责接收信号解调;发射信息调制。早期手机通过超外差变频(手机有一级、二级混频和一 本、二本振电路),后才解调出接收基带信息;新型手机则直接解调出接收基带信息(零中频)。更有些手机则把频合、接收压控振荡器(RX—VCO)也都集成 在中频内部。 射频电路方框图 一、接收电路的结构和工作原理 接收时,天线把基站发送来电磁波转为微弱交流电流信号经滤波,高频放大后,送入中频内进行解调,得到接收基带信息(RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N);送到逻辑音频电路进一步处理。 1、该电路掌握重点 (1)、接收电路结构。 (2)、各元件的功能与作用。 (3)、接收信号流程。 2、电路分析 (1)、电路结构。 接收电路由天线、天线开关、滤波器、高放管(低噪声放大器)、中频集成块(接收解调器)等电路组成。早期手机有一级、二级混频电路,其目的把接收频率降低后再解调(如下图)。 接收电路方框图

(2)、各元件的功能与作用。 1)、手机天线: 结构:(如下图)由手机天线分外置和内置天线两种;由天线座、螺线管、塑料封套组成。 作用: a)、接收时把基站发送来电磁波转为微弱交流电流信号。 b)、发射时把功放放大后的交流电流转化为电磁波信号。 2)、天线开关: 结构:(如下图)手机天线开关(合路器、双工滤波器)由四个电子开关构成。 图一、图二 作用:其主要作用有两个: a)、完成接收和发射切换; b)、 完成900M/1800M信号接收切换。 逻辑电路根据手机工作状态分别送出控制信号(GSM-RX-EN;DCS- RX-EN;GSM-TX-EN;DCS- TX-EN),令各自通路导通,使接收和发射信号各走其道,互不干扰。 由于手机工作时接收和发射不能同时在一个时隙工作(即接收时不发射,发射时不接收)。因此后期新型手机把接收通路的两开关去掉,只留两个发射转换开关;接收切换任务交由高放管完成。 3)、滤波器: 结构:手机中有高频滤波器、中频滤波器。 作用:其主要作用:滤除其他无用信号,得到纯正接收信号。后期新型手机都为零中频手机;因此,手机中再没有中频滤波器。 4)、高放管(高频放大管、低噪声放大器): 结构:手机中高放管有两个:900M高放管、1800M高放管。都是三极管共发射极放大电路;后期新型手机把高放管集成在中频内部。

二极管双平衡混频器

高频电子实验报告 实验名称: 二极管双平衡混频器 实验目的: 1、掌握二极管双平衡混频器频率变换的物理过程。 2、掌握晶体管混频器频率变换的物理过程和本振电压V0和工作电流Ie对中频转出电压大小的影响。 3、掌握集成模拟乘法器实现的平衡混频器频率变换的物理过程。 4、比较上述三种混频器对输入信号幅度与本振电压幅度的要求。 实验仪器: 1、 1号板 1块 2、 6号板 1块 3、 3 号板 1块 4、 7 号板 1块 5、双踪示波器 1台 实验原理: 1. 二极管双平衡混频原理

图3-1 二极管双平衡混频器 二极管双平衡混频器的电路图示见图3-1。图中V为输入信号电压,V为本机振荡电压。在负载R上产生差频和合频,还夹杂有一些其它频率的无用产物,再接上一个滤波器(图中未画出) 二极管双平衡混频器的最大特点是工作频率极高,可达微波波段,由于二极管双平衡混频器工作于很高的频段。图3-1 中的变压器一般为传输线变压器。 二极管双平衡混频器的基本工作原理是利用二极管伏安特性的非线性。众所周知,二极管的伏安特性为指数律,用幂级数展开为 当加到二极管两端的电压v 为输入信号V和本振电压V之和时,V项产生差频与和频。其它项产生不需要的频率分量。由于上式中u 的阶次越高,系数越小。因此,对差频与和频构成干扰最严重的是v 的一次方项(因其系数比v项大一倍)产生的输入信号频率分量和本振频率分量。 用两个二极管构成双平衡混频器和用单个二极管实现混频相比,前者能有效的抑制无用产物。双平衡混频器的输出仅包含(pω±ω)(p 为奇数)的组合频率分量,而抵消了ω、ω以及p 为偶数(pω±ω)众多组合频率分量。 下面我们直观的从物理方面简要说明双平衡混频器的工作原理及其对频率为ω及ω 的抑制作用。

鉴相器

桥式鉴相器电路 如图所示的电路是一种桥式鉴相器。假定在输入端1上作用着正弦信号。这个信号在频率和相位上需与加在输入端11上的脉冲信号相比较,当一个信号的频率或相位与另一个信号的频率或相位相差别时,就可在接线端子X 上得到输出信号,如果在信号中没有这种差别,那么在输出端上就没有电压,这个电路也可以这样来改造,改变一只二极管的连接极性,使得输出端上形成直流电压,当输入信号有差别时,这个直流电压值就增加或喊少。 双脉冲型鉴相器电路 如图是电视机使用的双脉冲平衡型鉴相器的原理电路。同步脉冲分相管基极加有负极性行同步脉冲。在不加行同步脉冲时,由于分相管基极上没有加正向偏置电压,因此分相管不导通,在行同步脉冲到来时,使分相管导通。因此在发射极上可得到负极性行同步脉冲,而在集电极上得到正极性行同步脉冲。适当选取R5,R8之值。可使正负同步脉冲的幅度相等。D1,D2是特性相同的两只二极管,电阻r1=R2,电容C1=C2。

PM信号的解调电路--开关型二极管环形鉴相器 原理电路见图5.5-34A,令 这种电路的分析与两个输入信号的相对大小有密切关系,在大多数实际应用中,鉴相器的一个输入电压比另一个大得多,结果分析可大为简化。 当满足U1》U2时,二极管处于开关开作状态,其“开”或“关”仅由U1(T)决定,而与U2(T)无关。采用开关函数法分析,当二极管为理想(即二极管正向电阻为零,反向电阻为无穷大)时,可得 式中R11为U1(T)的内阻,R12为U1(T)的内阻。在匹配情况下: 可见当U1》U2时,开关型环形鉴相器具有正弦鉴相特性。当φ在0~X/6范围内,可实现线性鉴相。 PM信号的解调电路--二极管平衡鉴相器 图5.5-33A给出了一个二极管平衡鉴相器常用电路。它可视为由二部分组成,图中虚线以左部分称为相位差一幅度变换器,虚线以右部分为包络检波器。

二极管双平衡混频器实验报告

二极管双平衡混频器 一、实验目的 1、掌握二极管双平衡混频器频率变换的物理过程。 2、掌握晶体管混频器频率变换的物理过程和本振电压V0和工作电流Ie对中频转出电压大小的影响。 3、掌握集成模拟乘法器实现的平衡混频器频率变换的物理过程。 4、比较上述三种混频器对输入信号幅度与本振电压幅度的要求。 二、实验内容 1、研究二极管双平衡混频器频率变换过程和此种混频器的优缺点。 2、研究这种混频器输出频谱与本振电压大小的关系。 三、实验仪器 1、1号板1块 2、6号板1块 3、3 号板1块 4、7 号板1块 5、双踪示波器1台

四、实验原理与电路 i. 二极管双平衡混频原理 图3-1 二极管双平衡混频器 二极管双平衡混频器的电路图示见图3-1。图中VS为输入信号电压,VL为本机振荡电压。在负载RL上产生差频和合频,还夹杂有一些其它频率的无用产物,再接上一个滤波器(图中未画出) 二极管双平衡混频器的最大特点是工作频率极高,可达微波波段,由于二极管双平衡混频器工作于很高的频段。图3-1中的变压器一般 为传输线变压器。 二极管双平衡混频器的基本工作原理是利用二极管伏安特性的非 线性。众所周知,二极管的伏安特性为指数律,用幂级数展开为 当加到二极管两端的电压v 为输入信号VS和本振电压VL之和时, V2项产生差频与和频。其它项产生不需要的频率分量。由于上式中u

的阶次越高,系数越小。因此,对差频与和频构成干扰最严重的是v 的一次方项(因其系数比v2项大一倍)产生的输入信号频率分量和本振频率分量。 用两个二极管构成双平衡混频器和用单个二极管实现混频相比,前者能有效的抑制无用产物。双平衡混频器的输出仅包含(pωL±ωS)(p为奇数)的组合频率分量,而抵消了ωL、ωC 以及p为偶数(pωL±ωS)众多组合频率分量。 下面我们直观的从物理方面简要说明双平衡混频器的工作原理及其对频率为ω L 及ω S 的抑制作用。 (a)

混频器设计

混频器设计 简介 无线收发机射频前端在本质上主要完成频率变换的功能,接收机射频前端将 接收到的射频信号装换成基带信号,而发射机射频前端将要发射的基带信号转换成射频信号,频率转换功能就是由混频器完成的。 本文设计应用于无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)的混频器,无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统,其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者。这就要求所设计的混频器具有很低的功耗。同时,混频器是一种非线性电路,是接收机中输入射频信号最强的模块,这就对混频器的线性度提出了严格的要求。而混频过程通常会引入很大的噪声,考虑到LNA 的增益有限,混频器噪声也是要考虑的关键指标。由于所设计的接收机采用的是低中频的结构,中频频率只有2MHz,所以混频器的隔离度也是关键的指标。 结构选择及原理分析 结构选择 本接收机采用的结构为低中频结构,中频频率只有2MHz,LO 信号泄漏到RF 端口可能造成自混频及信号阻塞等问题。LO 信号泄漏到IF 端口,会对中频信号形成阻塞,同时LO 的噪声也将提高整体的噪声系数。而RF 信号馈通到LO端会造成自混频现象。双平衡的吉尔伯特混频器具有很好的隔离度,故本设计采用该结构。 本设计中频频率很低,开关对噪声(包括热噪声和1/ 噪声)是限制混频器噪声性能的主要因素,可以在不影响驱动级偏置电流的情况下减小流过开关对的偏置电流来减小混频器的噪声系数。可以通过在开关对的源极注入一个固定的偏置电流来实现。 线性度是混频器的一个重要指标,通常可以采用在驱动级晶体管的源极串一个无源元件形成串联反馈来提高驱动级的线性度。电阻作源简并元件会引入热噪声,而电阻本身会产生压降。电感和电容作源简并元件不会引入额外的噪声,而且对高频谐波成分和交调成分具有一定的抑制作用。因此通常选择电感作为源简并元件。但是本设计并没有采用结构,考虑到本设计的偏置电流很低,转换增益低,源简并技术将进一步降低转换增益,同时电感占用很大的芯片面积,不利于降低成本,故不可采用。根据Zigbee 协议,WSN 接受信号范围为-85 -20dBm,为了达到系统的线性度的要求,可以在低噪放级采用可调结构,这样使输入混频器的最大信号为-20dBm,降低了对混频器线性度的要求,有助于降低整个系统的功耗,但增加了LNA 的设计难度。 混频器的负载通常有三种形式:电阻作负载、晶体管作负载和LC 并联谐振电路作负载。晶体管作负载会引入非线性,而LC 并联谐振电路作负载虽具有很多的优势,但电感占用的芯片面积很大,不宜采用。电阻作负载不会引入非线性,同时具有很宽的带宽,但电阻上会引入直流压降,为了不使开关对和驱动级中的晶体管离开饱和区,电阻的取值不能太大,考虑到转换增益,电阻的取值将需要特别注意。而且这种负载不具有滤波的特性,因此不能衰减混频过程中产生的毛刺以及LO-IF、RF-IF 馈通成分。所以,本设计采用一个电容与电阻并联组成一个低通滤波网络来滤除高频成分。 综上所述,本设计所采用的结构如图4.1 所示。

DVB_T_H调谐器中鉴频鉴相器和电荷泵的设计

2010年4月刊 计算机工程应用技术 信息与电脑 China Computer&Communication 1. 引言 随着集成电路设计技术的实用技术突破,数字电视技术逐渐成熟并普及,DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial ),作为一种将数字电视技术和移动设备相结合的国际标准,已经被提出并且得到了一定的发展。随后,人们又提出了一种DVB-H (Digital Video Broadcasting Handheld )的制式专门用于移动接收,利用手机、电脑等便携设备,随时随地收看数字电视已经成为当今世界的潮流。数字电视调谐器专用芯片的集成度越来越高,全集成锁相环(PLL ,Phase locked-loop )被广泛应用在数字电视调谐器芯片中,电荷泵PLL 是当今最流行的锁相环结构,具有捕获频率范围宽,锁定时相位误差小等优点,被广泛应用于现代通信和射频领域中。鉴频鉴相器和电荷泵作为锁相环电路的关键模块,其设计已成为研究热点。 本文采用SMIC 0.13μm CMOS 工艺,设计了一种结构简单且低功耗的鉴频鉴相器电路和充放电电流高度匹配的电荷泵电路。 2. 电荷泵锁相环的基本原理 电荷泵锁相环由五部分组成:鉴频鉴相器(PFD )、电荷泵(CP )、低通滤波器(LPF )、压控振荡器(VCO )和分频器(Divider ),如图1所示。PFD 对参考信号和PLL 分频信号进行鉴频和鉴相,并输出信号控制电荷泵充、放电脉冲电流,CP 把PFD 输出的数字信号转化为脉冲电流,LPF 对CP 提供的电流脉冲积分,产生对VCO 的控制电压,从而构成反馈回路[1]。 图1 电荷泵锁相环原理图 当输入信号的频率f ref 与VCO 的输出信号频率f out 相差很大时,PFD 起鉴频的作用,产生一个与ωin -ωout 成正比的直流电压分量,通过CP 和LPF 加到VCO 的控制端,使VCO 输出信号频率迅速接近f ref 。当频率差减到足够小时,相位锁定功能开始工作,这时PFD 相当于鉴相器,使环路锁定。电荷泵锁相环是当今最流行的锁相环结构,具有捕获范围宽,锁定时相位误差小的优点。 3. 鉴频鉴相器电路设计 边沿触发式PFD 在[-2π,+2π]范围内输出与输入相位误差成线性关系,应用于大多数电荷泵锁相环电路中[2]。本文设计的PFD 电路为一种经典的上升沿边沿触发式PFD 结构,整个PFD 结构如图2所示,该PFD 电路包括带有复位端的D 触发器、或非门、延时单元等模块。 该PFD 电路中D 触发器电路原理图如图3所示,该D 触发器电路结构简单,无静态功耗,动态功耗很低[3]。 PFD 电路中的复位信号由D 触发器的输出端Qn 经过或非门反馈到复位端,由于实际的PFD 电路中存在鉴相死区,本文采用两级反相器 级联构成延时单元,来增加D 触发器复位信号的回路延时,使得PFD 的输出信号的脉宽始终大于固有脉冲宽度,从而消除鉴相死区。 在CMOS 工艺中,电荷泵通常使用PMOS 管和NMOS 管分别组成电流源和电流沉,电流源需要低电平开关信号打开,而电流沉则需要高电平开关信号打开。本文中PFD 的输出信号UP 经过一级反相器和传输门得到UPI 信号,另一路输出信号DW 经过两级反相器得到DWI 信号,分别接到电荷泵的输入端。 4. 电荷泵电路设计 电荷泵是电荷泵锁相环中非常重要的模拟电路模块,它的主要功能是将PFD 输出的数字信号UP 和DW 转换成连续的模拟信号,来控制VCO 的振荡频率。 传统的电荷泵电路都使用MOS 管开关,并由两个带开关的电流源组成。本文在传统电荷泵电路的基础上[4],采用与电源电压无关的基准电流源电路,引入运算放大器和共源共栅电流镜电路,设计实现 DVB-T/H调谐器中鉴频鉴相器和电荷泵的设计 王丹 东南大学集成电路学院,江苏 南京 210096 李智群 东南大学射频与光电集成电路研究所,江苏 南京 210096 摘要:采用SMIC 0.13μm CMOS 工艺,设计了一种低功耗的鉴频鉴相器和电荷泵电路。其中电荷泵采用与电源电压无关的基准电流源电路,引入运算放大器和共源共栅电流镜电路,实现了电荷泵充放电电流的高度匹配。后仿真结果表明,在1.2V 电源电压下,电荷泵的输出电压在[0.18,1.12] V 范围内时,CP 的充放电电流为100μA ,电流失配率为0.08%。鉴频鉴相器和电荷泵电路的总功耗为1.4mW 。 关键词:锁相环;鉴频鉴相器;电荷泵;电流匹配 中图分类号:TP39 文献标识码:A 文章编号:1003-9767(2010)04-0189-02 图2 PFD整体电路结构图 图3 D触发器电路原理图

数字鉴相器设计与DSP实现

数字鉴相器设计与D S P 实现

XXXXXX大学 研究生DSP公共实验 实验报告 实验名称:数字鉴相器设计与DSP实现学生学号: 学生姓名: 实验地点: 201X年X月

一实验目的 (1)熟悉CCS 集成开发环境,掌握工程的生成方法; (2)掌握CCS 集成开发环境的调试方法; (3)在CCS 集成开发环境中设计数字鉴相器,并在DSP硬件平台上实现。 二实验设备 (1)TMS320VC5502实验箱一套; (2)已经安装和配置Matlab以及CCS3.3开发环境的计算机一台。 三算法简介 鉴相器是锁相环中重要的组成部件,它是一个相位比较装置,用来检测输入信号相位与反馈信号相位之间的相位差。输出的误差信号是相位差的函数。鉴相特性可以是多种多样的,有正弦形特性,三角形特性,锯齿形特性等等。 (1)正切数字鉴相器 通过环路的数学分析来建立数字鉴相器的数学模型,如图1所示为一种常用的数字锁相环。 图1 数字锁相环 输入: VCO输出:, 通过同相、正交相乘器得到:

经过低通滤波器滤波之后,二倍频项被滤波器滤除,只有低频分量。 此处假设,为低通滤波器的系数,并假设上下支路的滤波器特性相同,鉴相器为二象限正切鉴相器。 所以 经过环路滤波器得到控制电压:,实现对VCO的载频控制。 VCO输出相位可以表示为, (2)正弦数字鉴相器 正弦鉴相器是指鉴相器的输出是正弦函数,利用此函数来控制VCO的输出。 , 由上式可得 以上推导表明,无论是采用哪一种特性的鉴相器,VCO的输入是受控制的,环路滤波器输出为跟踪提供了所需的误差控制电压,但在环路未锁定之时控制VCO的频率、相位,向减小跟踪误差的方向调整。当环路锁定之后,很小,所以,可以从同相支路获得解调信息。 (3)反正切数字鉴相器

鉴相器

鉴相器 鉴相器是一个相位比较装置,又称为相位比较器。它的输出误差电压v d(t)是v i(t)与v o(t) 的瞬时相位之差的函数。 A.鉴相特性 a.表示鉴相器输出电压与两个比较信号相位之间的关系。 b.典型的鉴相特性有: ●正弦鉴相特性 ●三角鉴相特性 ●锯齿波鉴相特性

B.鉴相器电路实例 说明: a.二极管鉴相器 1) 二极管平衡鉴相器 电路:(右图) ⊙v d(t)=A D1sinφe(t)

⊙A D 为鉴相特性斜率或称鉴相增益或称鉴相灵敏度,量纲为(V/rad)。 ⊙|φ e (t)|≤30o,则鉴相器等效一个相位减法器,其极性代表v i超前v o 或滞后v o(指同频时,并不考虑它们固定π/2相位差)。 ⊙当t=0, △ω=ω i -ωr为v i与v o的固有频差(或起始频差)。 当t≠0,ω i ≠ω ,v d为v i与v o差拍电压,v d为交流电压,则意味环路 失锁。 当t→∞,ω i =ω V d 为直流电压,则意味环路锁定。 2).二极管环型鉴相器 ★★例一:电路 ⊙v d(t)=A D2sinφe(t) A D2= 2A D1 ⊙与平衡鉴相器比较优点有: ☆鉴相灵敏度高一倍 ☆实现输出平衡和阻抗匹配。 ☆平衡对称结构好载漏小。 ★★ 例二:电路

⊙v d=A D2sinφe(t) ⊙R 1~R 4 补偿均衡二极管的非线性,起温度稳定作用。 ⊙射频波段,T r1,T r2 用传输线变压器。为克服匝数少,变压器次级绕 组中心抽头困难,用电阻R 5~R 10 加以精确的平衡鉴相器。 ⊙电容C 1~C 4 用来补偿电路电容。 b.高频鉴相器(这是微波锁相环采用的鉴相器) ⊙传输线变压器,使次级得到二个 对称的 v1(t)信号电压.并且磁力线集 中,初次 级之间分布电容可作为电路的 基本元 件。 ⊙高频电容采用片电容,电力线集中,寄生 参数影响小。 ⊙电路简单,易调上下对称(对地而言)。 ⊙灵敏度高,工作频率高,可从30MHz~400MHz。 c.集成化鉴相器 (数字锁相环和模拟锁相环的鉴相器都可做成集成化电路) 举例:用压控吉尔伯特相乘器构成鉴相器(集成块)

锁相环仿真(基于MATLAB)

锁相环仿真 1.锁相环的理论分析 1.1锁相环的基本组成 锁相环路是一种反馈控制电路,简称锁相环(PLL,Phase-Locked Loop)。锁相环的特点是:利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪,所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中,当输出信号的频率与输入信号的频率相等时,输出电压与输入电压保持固定的相位差值,即输出电压与输入电压的相位被锁住,这就是锁相环名称的由来。锁相环通常由鉴相器(PD,Phase Detector)、环路滤波器(LF,Loop Filter)和压控振荡器(VCO,Voltage Controlled Oscillator)三部分组成,锁相环组成的原理框图如图示: 锁相环中的鉴相器又称为相位比较器,它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差,并将检测出的相位差信号转换成u D(t)电压信号输出,该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压u C(t),对振荡器输出信号的频率实施控制。 1.2锁相环的工作原理 1.2.1鉴相器 锁相环中的鉴相器(PD)通常由模拟乘法器组成,利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图示: 鉴相器的工作原理是:设外界输入的信号电压和压控振荡 器输出的信号电压分别为: 式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率,称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压u D为:

1.2.2 低通滤波器 低通滤波器(LF)的将上式中的和频分量滤掉,剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压u C(t)。即u C(t)为: 式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率,θi(t)和θO(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时位相,根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为: 即 则,瞬时相位差θd为 对两边求微分,可得频差的关系式为 上式等于零,说明锁相环进入相位锁定的状态,此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态,u c(t)为恒定值。当上式不等于零时,说明锁相环的相位还未锁定,输入信号和输出信号的频率不等,u c(t)随时间而变。 1.2.3 压控振荡器 压控振荡器(VCO)的压控特性如图示 该特性说明压控振荡器的振荡频率ωu以ω0为中心,随输入信号电压u c(t)线 性地变化,变化的关系如下:

双平衡二极管混频器的分析与设计【文献综述】

文献综述 电子信息工程 双平衡二极管混频器的分析与设计 混频器应用于移动通信和微波通信以及各种高精度的微波测量系统中的前端电路,是射频系统中的一个关键部分,其性能的好坏直接影响到整个系统的性能。本文打算采用ADS软件设计了一个双平衡二极管混频器。最后通过仿真得到了二极管双平衡混频器的三阶交调等参数。介绍了混频器的发展状况、混频二极管以及利用它们来实现混频的优缺点。给出了混频器相关的概念和指标,还有各种不同结构的混频器电路及其指标的差异。探讨了二极管环形混频电路的工作原理,通过分析和计算,得出最终输出电流的组合频率分量。按采用的非线性器件不同,常用的混频器有三极管混频器、二极管混频器和集成模拟乘法器构成的混频器,此外,还有采用变容二极管等非线性元器件构成的混频器。其中,二极管混频器主要应用于工作频率较高的无线电超外差式接收机(如米波段及微波接收机)或仪器中。其优点是电路结构简单,噪声低,工作频段宽,组合频率少。它的电路形式有单管式、平衡式及环形式(也称为双平衡式)等。 混频器已被广泛应用于移动通信,微波通信,以及各种高精密微波前端电路测试系统,射频系统是其性能的关键部分,直接影响到整个系统的性能。通信工程和无线电技术,被广泛用于调制系统中,输入基带信号,通过转换进入高频率的调制信号。在解调过程中,收到的信号调制高频频率也将受到相应的中频信号转换。特别是在超外差接收器,混频器被广泛使用,如AM广播接收器将有一个535KHz调幅信号,可用1000Hz的本振将其变频为465KHz的中频信号。在为了提高发射机的发射频率,多级发射器的稳定性。以较低的频率作为主振荡器晶体振荡器,产生一个非常稳定的高频主振信号,然后通过加,减,乘,除法运算转化成无线电频率,所以必须使用混频器电路,如转让发送和接收频道的电视转换,卫星通信上行,下行频率转换等,必须使用混频器。因此,混频器电路是电子技术和无线电专业应用必须掌握的关键电路。双平衡混

鉴相器

数字鉴相器电路(图1) 鉴相器,使输出电压与两个输入信号之间的相位差有确定关系的电路。表示其间关系的函数成称为鉴相特性。鉴相器是锁相环的基本部件之一,也用于调频和调相信号的解调。常见的鉴相特性有余弦型、锯齿型与三角型等。鉴相器可以分为模拟鉴相器和数字鉴相器两种。二极管平衡鉴相器是一种模拟鉴相器。两个输入的正弦信号的和与差分别加于检波二极管,检波后的电位差即为鉴相器的输出电压。其鉴相特性通常为余弦型的。鉴频鉴相器是一种数字鉴相器。两个输入信号是脉冲序列,其前沿(或后沿)分别代表各自的相位。比较这两个脉冲序列的频率和相位即可得到与相位差有关的输出。这种鉴相器的鉴相特性为锯齿形。因它兼具鉴频作用,故称鉴频鉴相器。 PLL的概念 我们所说的PLL。其实就是锁相环路,简称为锁相环。许多电子设备要正常工作,通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步,利用锁相环路就可以实现这个目的。锁相环路是一种反馈控制电路,简称锁相环(PLL)。锁相环的特点是:利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。 因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪,所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中,当输出信号的频率与输入信号的频率相等时,输出电压与输入电压保持固定的相位差值,即输出电压与输入电压的相位被锁住,这就是锁相环名称的由来。 目前锁相环主要有模拟锁相环,数字锁相环以及有记忆能力(微机控制的)锁相环。 PLL的组成 锁相环通常由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三部分组成。

锁相环组成的原理框图 锁相环中的鉴相器又称为相位比较器,它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差,并将检测出的相位差信号转换成uD(t)电压信号输出,该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC(t),对振荡器输出信号的频率实施控制。 编辑本段原理 使输出电压与两个输入信号之间的相位差有确定关系的电路。表示其间关系的函数称为鉴相特性。鉴相器是锁相环的基本部件之一,也用于调频和调相信号的解调。常见的鉴相特性有余弦型、锯齿型与三角型等。 鉴相器特性用ud(t)=kdf【θe(t)】表示。式中kd为鉴相器的增益系数;θe(t)=θ1(t)-θ2(t),表示两个输入信号之间的相位差。函数f【·】表示鉴相特性,它反映鉴相器的输出电压ud(t)与相位差的关系。常见的鉴相特性有余弦型、锯齿型与三角型等。编辑本段分类 模拟鉴相器 二极管平衡鉴相器是一种模拟鉴相器。两个输入的正弦信号的和与差分别加于检波二极管,检波后的电位差即为鉴相器的输出电压。其鉴相特性通常为余弦型的。鉴频鉴相器是一种数字鉴相器。两个输入信号是脉冲序列,其前沿(或后沿)分别代表各自的相位。比较这两个脉冲序列的频率和相位即可得到与相位差有关的输出。这种鉴相器的鉴相特性为锯齿形。因它兼具鉴频作用,故称鉴频鉴相器 二极管平衡鉴相器 这是一种模拟鉴相器。二极管D1、D2和C1R1、C2R2构成两个峰值检波器。两个输入的正弦信号u1(t)=U1sin(ωt+θ1)、u2(t)=U2sin(ωt+θ2)的和与差分别加于检波二极管D1和D2,检波后的电压差即为鉴相器的输出电压ud。当U2U1时,ud∝U1cos(θ1-θ2)。在这种情况下,它的鉴相特性是余弦型的(图2a)。 频鉴相器 数字鉴相器 这是一种数字鉴相器。两个输入信号是脉冲序列,其前沿(或后沿)分别代表各自的相位。比较这两个脉冲序列的频率和相位即可得到与相位差有关的输出。比相器可由触发器构成。当两个输入信号u1和u2同频同相时,触发器没有输出,充电电流等于零。当u1脉冲序列超前于u2时,触发器产生一个其宽度与相位差成正比的正脉冲,充电电路被充电,其输出电压为正值,大小与充电脉冲宽度成正比。若u1落后于u2,则触发器输出一个负脉冲,充电电路的输出为负值。这种鉴相器的鉴相特性为锯齿形。这种鉴相器兼具鉴频作用,故称鉴频鉴相器。 样鉴相器 由取样器和保持电路两部分组成。图4是原理电路,4个二极管构成取样器,电容器Cd构成保持电路。当被鉴相信号u0(f0,θ0)的频率f0正好等于取样脉冲ui(fi,θi)的频率fi的整数倍时,每次取样的电压值相等。鉴相器的输出电压ud为保持电容器Cd上的直流电压。当f0厵nfi时,每次取样的电压值不等,输出电压ud为阶梯形的交流电压。取样鉴相器输出的电压和相位差成正弦关系。

过零比较和锁相环相位比较器电路原理图如图

过零比较和锁相环相位比较器电路原理图如图 在常使用集成电路的锁相环CD4046,是通用的CMOS锁相环集成电路,其特点是电源电压范围宽(为3V-18V),输入阻抗高(约100MΩ),动态功耗小,在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW,属微功耗器件。下图是CD4046的引脚排列,采用 16 脚双列直插式,各引脚功能如图2.12所示。 脚相位输出端,环路入锁时为高电平,环路失锁时为低电平。2脚相位比较器Ⅰ的输出端。3脚比较信号输入端。13脚相位比较器Ⅱ的输出端。14脚信号输入端。对相位比较器Ⅱ而言,当14脚的输入信号比3脚的比较信号频率低时,输

出为逻辑“0”;反之则输出逻辑“1”。如果两信号的频率相同而相位不同,当输人信号的相位滞后于比较信号时,相位比较器Ⅱ输出的为正脉冲,当相位超前时则输出为负脉冲。在这两种情况下,从1脚都有与上述正、负脉冲宽度相同的负脉冲产生。从相位比较器Ⅱ输出的正、负脉冲的宽度均等于两个输入脉冲上升沿之间的相位差。而当两个输入脉冲的频率和相位均相同时,相位比较器Ⅱ的输出为高阻态,则1脚输出高电平。上述波形如图2.13所示。由此可见,从1脚输出信号是负脉冲还是固定高电平就可以判断两个输入信号的情况了。 2.13 比较器输出波形图 电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。 电压比较器的功能:比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平,表示两个输入电压的大小关系):当”+”输入端电压高于”-”输入端时,电压比较器输出为高电平; 当”+”输入端电压低于”-”输入端时,电压比较器输出为低电平; 电压比较器的作用:它可用作模拟电路和数字电路的接口,还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。 简单的电压比较器结构简单,灵敏度高,但是抗干扰能力差,因此我们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有:滞回比较器和窗口比较器。 运放,是通过反馈回路和输入回路的确定“运算参数”,比如放大倍数,反馈量可以是输出的电流或电压的部分或全部。而比较器则不需要反馈,直接比较两个输入端的量,如果同相输入大于反相,则输出高电平,否则输出低电平。电压比较器输入是线性量,而输出是开关(高低电平)量。一般应用中,有时也可以用线性运算放大器,在不加负反馈的情况下,构成电压比较器来使用。 可用作电压比较器的芯片:所有的运算放大器。常见的有LM324 LM358 uA741 TL081\2\3\4 OP07 OP27,这些都可以做成电压比较器(不加负反馈)。LM339、LM393是专业的电压比较器,切换速度快,延迟时间小,可用在专门的电压比较场合,其实它们也是一种运算放大器。

高频课程设计 二极管双平衡混频器

河北科技师范学院课程设计说明书课程名称:高频电子线路 设计题目:混频器工作原理 姓名:高金龙、郭强、姚明月 院系:机电工程学院 专业班级:电子0701、0702 学号:0414070107 0414070210 0414070227(姓名顺序排列)指导教师:杜殿会 日期:2009年12月8至12日

目录 1、设计任务与要求 (1) 2、方案与论证 (1) 3、原理 (1) 4、参数计算 (3) 5、总原理图与仿真结果 (6) 6、元件清单 (8) 7、结论与心得 (9) 8、参考文献 (9)

二极管双平衡混频器 1、设计任务与要求 变频(混频)是指将高频已调波经过频率变换,变为固定中频已调波,同时必须保持其调制规律不变。具有这种功能的电路称为混频电路或变频电路,亦称为混频器或变频器。 2、方案与论证 方案一:三极管混频器的电路组态 电路(c)和(d)都是共基级混频器,分为同级注入式和分级注入式。 电路(b),共发分级注入式 电路(a),共发同级注入式 方案二:二极管混频器 图1二极管双平衡混频器的电路图示见图。图中VS为输入信号电压,VL 为本机振荡电压。在负载RL上产生差频和合频,还夹杂有一些其它频率的无用产物,再接上一个滤波器(图中未画出) 二极管双平衡混频器的最大特点是工作频率极高,可达微波波段,由于二极管双平衡混频器工作于很高的频段。图中的变压器一般为传输线变压器。 3、原理 二极管双平衡混频器的最大特点是工作频率极高,可达微波波段,由于二极管双平衡混频器工作于很高的频段。图1中的变压器一般为传输线变压器。

二极管双平衡混频器的基本工作原理是利用二极管伏安特性的非线性。众所周知,二极管的伏安特性为指数律,用幂级数展开为 ])(1)(21[ )1(2?+?++=-=n T T T S S V v n V v V v I e I i T V v !! 当加到二极管两端的电压v 为输入信号VS 和本振电压VL 之和时,V2项产生差频与和频。其它项产生不需要的频率分量。由于上式中u 的阶次越高,系数越小。因此,对差频与和频构成干扰最严重的是v 的一次方项(因其系数比v2项大一倍)产生的输入信号频率分量和本振频率分量。 用两个二极管构成双平衡混频器和用单个二极管实现混频相比,前者能有效的抑制无用产物。双平衡混频器的输出仅包含(p ωL ±ωS )(p 为奇数)的组合频率分量,而抵消了ωL 、ωC 以及p 为偶数(p ωL ±ωS )众多组合频率分量。 下面我们直观的从物理方面简要说明双平衡混频器的工作原理及其对频率为ωL 及ωS 的抑制作用。 (a )

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