发射机.docx
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发射机
高频课程设计
课程：
高频课程设计
课题：
调频发射机设计
专业：
电气信息类
班级：
1202班
座号：
3120210202
姓名：
苏新萍
指导老师：
林挺钊、郑文斌、林丽
目录
序言3
绪论4
一、设计题目：
发射机4
1.1进程安排4
1.2设计内容4
（1）、设计课题4
（2）、实践目的4
1.3设计要求5
二、发射机原理5
2.1设计整体思路：
5
2.2基本原理5
2.2.1、直接调频6
2.2.1.1、改变振荡回路的元件参数实现调频6
2.2.1.2.控制振荡器的工作状态实现调频6
2.3间接调频6
三、调频方案选择7
第1章电路的设计10
一、电路整体设计介绍10
第2章单元电路12
一、声--电电路12
二、LC振荡器12
参数计算13
三、音频放大电路14
四、功率放大级：
16
参数计算17
第三章调频发射机元件说明19
3．1原理图19
3.2PCB图19
3.3各个元器件说明20
第四章电路的调试及调试结果22
4.2、调试结果22
第六章实验总结及心得体会24
参考文献26
附录一、原理图27
附录二、PCB图28
附录三、元件清单29
序言
随着人类的文明不断进步，科学技术不断的发展，人们之间的交流越来越多，相互交换的信息也日益剧增，要传送的信息类型也是越来越多样化。
科技的进步也使得通信的技术得到了发展，特别是无线电波的使用，使我们的通信更加实时、高效。
科技的快速发展，将使人们的通信更方便快捷。
随着科技的发展和人民生活水平的提高，无线电发射机在生活中得到广泛应用，最普遍的有电台、对讲机等。
人们通过无线电发射机可以把需要传播出的信息发射出去，接收者可以通过特制的接收机接受信息，最普通的模式是：
广播电台通过无线电发射机发射出广播，收听者通过收音机即可接收到电台广播。
发射机就是可以将信号按一定频率发射出去的装置。
是一个比较笼统的概念。
广泛应用与电视，广播，，通信，报警，雷达，遥控，遥测，电子对抗等各种民用、军用设备。
发射机按调制方式可可分为调频（FM）,调幅（AM），调相（PM）和脉冲调制四大类。
他们又有模拟和数字之分。
通常，发射机包括三个部分：
高频部分，低频部分，和电源部分。
高频部分一般包括主振荡器、缓冲放大、倍频器、中间放大、功放推动级与末级功放。
主振器的作用是产生频率稳定的载波。
为了提高频率稳定性，主振级往往采用石英晶体振荡器，并在它后面加上缓冲级，以削弱后级对主振器的影响。
低频部分包括话筒、低频电压放大级、低频功率放大级与末级低频功率放大级。
低频信号通过逐渐放大，在末级功放处获得所需的功率电平，以便对高频末级功率放大器进行调制。
因此，末级低频功率放大级也叫调制器。
调制是将要传送的信息装载到某一高频振荡（载频）信号上去的过程。
所以末级高频功率放大级则成为受调放大器。
调频发射机目前处于快速发展之中，在很多领域都有了很广泛的应用。
它可以用于演讲、教学、玩具、防盗监控等诸多领域。
本文也是以调频发射机展开叙述的。
绪论
一、设计题目：
发射机
1.1进程安排
本次设计时间为1周，共4.5天。
具体时间安排如下：
序号
内容安排
天数
1
布置实践任务（指导老师分配任务，讲解整个设计的整体要求。
）
0.5
2
查资料、定方案（学生根据课题要求查找相关资料，完成初步设计方案。
）
0.5
3
方案评估（学生分组讨论设计方案，并对方案进行答辩，并确定最终设计方案。
）
0.5
4
采购（学生根据确定的设计方案，自己采购电子元器件。
）
0.5
5
制板（学生利用Protel绘制原理图、PCB图，并转印制作电路板。
）
0.5
6
调试及功能改进（学生焊接电路板并进行系统调试。
时间允许条件下，学生可进行发挥设计，对系统功能进行扩展。
）
1.5
7
实践总结（学生完成设计报告，指导老师对学生设计产品、报告进行评估定级）
0.5
1.2设计内容
（1）、设计课题
调频（或调幅）发射机设计
（2）、实践目的
无线电发射与接收设备是高频电子线路的综合应用，是现代化通信系统、广播与电视系统、无线安全防范系统、无线遥控和遥测系统、雷达系统、电子对抗系统、无线电制导系统等，必不可少的设备。
本次设计要达到以下目的：
1.进一步认识射频发射与接收系统；
2.掌握调频（或调幅）无线电发射机的设计；
3.学习无线电通信系统的设计与调试。
1.3设计要求
1.发射机采用FM、AM或者其它的调制方式；
2.若采用FM调制方式，要求发射频率覆盖范围在８８－１０８ＭＨｚ，传输距离>20m;
3.若采用AM调制方式，发射频率为中波波段或30MHz左右，传输距离>20m；
4.为了加深对调制系统的认识，发射机建议采用分立元件设计；（采用集成电路的设计方法建议作为备选方案；）
5.已调信号通过AM/FM多波段收音机进行接收测试。
二、发射机原理
2.1设计整体思路：
采用FM调制的调频发射机其原理框图如下图所示，它由调制器、前置功放、末级功放和直流稳压电源等部分组成。
2.2基本原理
本设计图采用FM调制。
载波
，调制信号
；通过FM调制，使得
频率变化量与调制信号
的大小成正比。
即已调信号的瞬时角频率
已调信号的瞬时相位为
实现调频的方法分为直接调频和间接调频两大类。
2.2.1、直接调频
直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其反映调制信号变化规律。
要用调制信号去控制载波振荡器的振荡频率，就是用调制信号去控制决定载波振荡器振荡频率的元件或电路的参数，从而使载波振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，就能够实现直接调频。
直接调频可用如下方法实现：
2.2.1.1、改变振荡回路的元件参数实现调频
在LC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是LC振荡回路的电感L和电容C。
在RC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是电阻和电容。
因而，根据调频的特点，用调制信号去控制电感、电容或电阻的数值就能实现调频。
调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。
常用的可控电感元件是具有铁氧体磁芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有二极管和场效应管。
2.2.1.2.控制振荡器的工作状态实现调频
在微波发射机中，常用速调管振荡器作为载波振荡器，其振荡频率受控于加在管子反射极上的反射极电压。
因此，只需将调制信号加至反射极即可实现调频。
若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制信号控制积分电容的充放电电流，从而控制其振荡频率。
2.3间接调频
如图5所示，不直接针对载波，而是通过后一级的可控的移相网络。
将
先进行积分
，而后以此积分值进行调相，即得间接调频。
图5间接调频实现
可控移相网络的实现方法如下图6所示。
将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变容二极管调相电路。
电路中，由于调制信号的作用使回路谐振频率改变，当载波通过这个回路时由于失谐而产生相移，从而获得调相。
图6单级回路变容管调相电路
三、调频方案选择
利用通信原理和高频电子线路的相关知识，为确保电路能高效率输出足够大的高频功率，并馈送到天线进行发射，可进行如下设计方案的选择：
方案一：
通过音频信号改变载波的幅值实现载波调幅发射，调幅发射机实现调制简便，调制所占的频带窄，并且与之对应的调幅接收设备简单，所以调幅发射机广泛地应用于广播发射，但是调幅发射机的信号容易失真且发射距离不远。
方案二：
以晶体振荡器做成的高精度高稳定度的调频电路。
虽然是以晶体振荡器做成的高精度高稳定度的调频电路，很能达到我们的要求。
但考虑到元件使用问题，我们继而找寻更符合实际的方案。
方案三：
通过音频信号改变载波的频率实现调频发射，调频发射机发射的频率带宽较宽，但其在高频段因所占的相对频带较调幅波发射更窄，发射距离远，信号失真小。
并且在要求传输距离不是很远的情况下，我们用直接载波调频很容易实现载波调频发射机的设计，在能满足我的课程设计的技术指标要求的情况下，我门选择直接载波调频的方案来设接调频发射机。
直接调频最常见有变容二极管调频，使用VCO实现变容二极管直接调频。
许多中小功率的调频发射机都采用变容二极管直接调频技术，即在工作于发射载频的LC振荡回路上直接调频，采用晶体振荡器和锁相环路来稳定中心频率。
较之中频调制和倍频方法，这种方法的电路简单、性能良好、副波少、维修方便，是一种较先进的频率调制方案。
另外一种更为简单的直接调频方法是用三极管直接调频。
原理是三极管组成共基极超高频振荡器，基极与发射极的电压随基极输入的音频信号变化而变化，从而改变高频振荡的频率，最终实现频率的调制。
由于采用变容二级管调频，对高频轭流圈的参数要求比较苛刻。
这样会使设计电路变得困难。
因此采用三极管直接调制的方法，这样不仅能够实现FM调频，而且使电路变得非常简洁。
此方案也有以下三种方案选择：
（1）方案一：
考毕兹振荡器
考毕兹振荡器其振荡频率为f=
式中L=
+
+2M，此方案比较容易起振，调整也方便，但输出的波形不好，在频率较高时不易起振。
（2）方案二：
克拉泼振荡器
克拉泼振荡器其振荡频率为f=
，式中C=
，
此电路的频率稳定度较好，但在振荡范围较宽时，输出幅度不均匀，且频率升高后不易起振，其主要用于固定频率或波段范围较窄的场8合。
（3）方案三：
西勒振荡器
西勒振荡器其振荡频率为f=
，式中C=
+
，这种振荡器较易起振，振荡频率也较为稳定，波形失真较小，当参数设置得当时，其频率覆盖系数较大。
基于以上分析，我们决定选用方案三调频。
方案四：
本方案的调频发射机主要由四个基本模块组成，第一级是由驻极体话筒构成的声-电转换电路；第二级是超高频振荡调制器；第三级音频放大电路；第四级高频功率放大器；总体电路如下图
（1），该电路由声--电转换、音频放大器、高频振荡调制器和高频功率放大器等部分组成。
声--电转换器由驻极体话筒M1担任，它拾取周围环境声波信号后即输出相应电信号，经C16送至Q1的基极进行频率调制,Q1组成共基极超高频振荡器，基极与集电极的电压随基级输入的音频信号变化而变化，从而改变高频振荡的频率，最终实现频率的调制。
再经C12输入到晶体管Q2，Q2担任音频放大器，对已调音频信号进行放大，再经过C10输入到晶体管Q3，Q3担任功率放大器，对信号再次放大，使信号功率足够大，达到发射远的目的。
且元件利用少，且成本低廉，接线简单。
第1章电路的设计
一、电路整体设计介绍
如图
（1）所示，这个设计的声音调频电路采用常用分立元件构成的电路。
射频电路有高频振荡器，缓冲放大器，末级功率放大器及天线组成。
高频振荡器用来产生载频信号，频点落在88-108MHz内，（测得频率为88.9MHZ）通过改变电感量与可调电容即可改变发射频率。
在音频信号的作用下，通过改变晶体管极间电容实现调频，产生相应的调频波，射频信号由Q1的发射极输出，送到Q3,L2,C3,R3等组成的缓冲放大器进行功率提升，并可减轻末级放大电路对振荡器的影响。
末级为高频甲类窄带放大，对射频功率再进一步放大，经C8耦合到发射天线向周围空间辐射。
由于高频电路受干扰严重，如果电源从前级接进去，干扰信号会经过每一级的放大，越来越强，所以Vcc应该从末级接入。
图1总体电路的设计
调频电路是通过改变晶体管极间电容实现调频的，由于任何PN结在输入电压时，输入电压的变化将会引起结电容变化，即所谓的变容效应。
因此，利用变容效应也可实现调频。
图
（1）中，Q1,L1,C1,C11,C14,C13,Cb’c构成电容三点式振荡电路，其工作原理如下：
对高频而言，Q1基极是接地的，所以是共基极电路。
基极-基极间的结电容Cb’c并联在L1，C3谐振回路两端，能影响振荡频率。
调制电压加于Q1基极，可改变Q1的基极电压，使发射极与基极间的输入电压发生变化，从而使结电容Cb’c跟随调制电压而变化，这就实现了调频。
在经过Q3,Q2放大后由天线发射出去。
第2章单元电路
一、声--电电路
（1）由于要接入麦克风，所以要给麦克风提供驱动电压，驱动电压要适当，防止直流电通过防止过大的电流将晶体三极管烧坏，但又不能太大，通过20k的电阻R1实现，C16为耦合电容有隔直通交的作用，准许音频信号加载到后一级。
同时MP3等类型的随身听或者手机在接有立体声插头后也可以达到发射功能，通过S1来控制两个的切换。
电路如右图2所示：
图2声电电路
二、LC振荡器
LC调频振荡器——主振级：
是正弦波自激振荡器，用来产生频率的高频振荡信号，由于整个发射机的频率稳定度由它决定，因此要求主振级有较高的频率稳定度，同时也有一定的振荡功率（或电压），其输出波形失真要小。
采用西勒振荡器构成。
具体电路如图（3）
图3西勒振荡电路
本设计采用较为稳定的西勒震荡电路如图3所示三极管T2应为甲类工作状态，其静态工作点不应设的太高，工作点太高振荡管工作范围易进入饱和区，输出阻抗的降低将使振荡波形严重失真，但工作点太低将不易起振。
这是射频发射器的频率发生器，通过C13、C14、C11、C1、L1组成改进型电容三点式（西勒振荡器），以为C1与L1并联，所以又称为并联型电容三点式振荡器。
由于C11、C14远大于C1，所以回路电容C计算公式如下：
C=C1+C11C14C13/（C11C14+C11C13+C11C14）≈C1+C11
中心频率：
f0=1/（L（C1+C11））½
实际电路中通过调节电感值就可以得到所需要的频率。
这里C6是与下一级放大电路的耦合电容，作用是隔直流，保护电路。
小功率振荡器的静态工作电流ICQ为1—4mA，ICQ偏大，振荡幅度增加，但是波形失真严重，频率稳定性变差。
C1、L1与C13、C14组成并联谐振回路，其中C14两端电压构成振荡器的反馈电压ＵＢＥ，以满足∑∮＝２n∏，比值C13∕C14=F决定反馈电压的大小，当AVO=1的时候，振荡器满足振荡平衡条件，电路的起振条件为AVOF>1，为减小晶体管的极间电容对回路振荡频率的影响，Ｃ１３，Ｃ１４的值要尽可能的大。
根据西勒振荡器的原理，Ｃ１≤Ｃ１３，Ｃ１≤Ｃ１４，则回路的振荡频率ｆ０主要由C1决定，如果C1为几十皮法，Ｃ１３、C14可取几百皮法至几千皮法。
反馈系数F一般为1/2—1/8。
而一般的谐振回路Ｌ与电容的C∑的值之间关系取为L/C∑=10^5—10^6
参数计算
（一）、电容估算
以上估算各电容的值时，应该尽力选择标准电容值，为方便调整振荡频率，Ｃ１的电容用可变电容调节。
经查三极管9018的静态结电容Cb’c为2pF，取 C１１,C１４,C１３的值分别为：
10Pf,39Pf,102pf。
（二）、偏置电阻的计算
偏置电阻决定静态工作点，所以要计算偏置电阻首先要先确定主振荡器的静态工作电流IＣＱ。
一般小功率振荡器的静态工作电流IＣＱ为１――４mA，则选择IＣＱ=4mA，根据所选晶体管的型号确定电流放大倍数β的值，则：
1）Ue≤0.2Vcc取Vcc=5V，则，Ｕe=1V,Ie取4mA,则Ｒe=1/4mA=0.25k,取100Ω。
2）设流过R2的电流为Ｉ１，流过基极的电流为ＩBQ，则Ｉ１=ＩBQ，Ｉ１=（5--10）ＩBQ,Ie=4mA≈Ic=βＩBQ,β=50，∴ＩBQ=4/50=0.08mA,则R2=（5-3）/0.08=25k,取R2=27K
三、音频放大电路
音频放大电路由共射放大电路构成。
由调制级转换过来的音频信号非常弱，因此必须再加上一级共射放大的电路。
然而要使共射放大电路工作在放大区，必须有合适的静态工作点Q。
a、静态工作点的测量
测量放大器的静态工作点，应在输入信号Ui=0的情况下进行，即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表，分别测量晶体管的集电极电流Ic以及各电极对地的电位UB、Uc、UE。
一般实验中，为了避免断开集电极，所以采用测量电压UE或Uc，然后算出Ic的方法，例如，只要测出UE，即可用：
算出Ic（也可根据
，由Uc确定Ic）同时也能算出UBE=UB-UE，UcE=Uc-UE。
图1实物图直流等效电路
b、静态工作点的调试
放大器静态工作点的调试是指对管子集电极电流Ic（或UcE）的调整与测试。
静态工作点是否合适，对放大器的性能和输出波形都有很大影响。
如工作点偏高，放大器在加入交流信号
以后易产生饱合失真，此时Uo的负半周将被削底，如上图2所示；如工作点偏低则易产生截止失真，即Uo的正半周被削顶（一般截止失真不如饱合失真明显），如图2所示。
这些情况都不符合不失真放大的要求。
所以在选定工作点以后还必须进行动态调试，即在放大器的输入端加入一定的输入电压Ui，检查输出电压Uo的大小和波形是否满足要求。
如不满足，则应调节静态工作点的位置。
这是电路的一级放大，由于通过调制电路的信号很小所以要用甲类放大器，以防止失真或无法达到放大作用，这里负载采用L2、C3并联谐振回路达到选聘和匹配作用。
R3的作用是给基极提供偏置电压，设置三极管的静态工作点和设置放大倍数。
C2滤波减小干扰。
四、功率放大级：
为了获得较大的功率增益和较高的集电极效率，该级可采用共发射极电路，且工作在甲类状态，输出回路用来实现阻抗匹配并进行滤，如下图为谐振功率放大器的原理电路图：
其中Zl为外接负载，LrCr为匹配网络，它们与外接负载共同组成并联谐振回路，调Cr使回路谐振在输入信号上，为实现丙类功放，基极偏置电压Vbb应该没在功率管的截至区内。
若忽略基区宽度调制效应及管子结电容的影响，则输入信号电压Vb（t）=（coswt）*Vbm，根据
，集电极电流波形是一串周期重复的脉冲序列，脉冲宽度小于半个周期，用傅里叶级数展开可得：
……
由于集电极谐振回路调谐在输入信号频率上，因而它对ic中的基波分量呈现的阻抗最大，且为纯电阻，称为谐振电阻。
为回路谐振角频率，Qe=
/RL为回路有载品质因素，而谐振回路上对
中的其他分量呈现的阻抗均很小，这样可以近似认为回路上仅有由基波分量产生的电压，Vc，而平均分量和各次谐波分量产生的电压均可忽略，因而可在负载上得到不失真信号功率。
利用谐振回路的选频作用，可以将失真的集电极电流脉冲变换为不失真的余弦电压，同时还可以将含有电抗分量的外接负载变换为谐振电阻Re，而且调节
，还能保持回路谐振时使Re等于放大管所需的集电极负载，实现阻抗匹配，因此在谐波功率放大器中，谐振回路起了选频和匹配的双重作用。
功率放大器的基极偏置电压VBE是利用发射极电流的直流分量IEO（≈ICO）在射极电阻上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。
当放大器的输入信号
为正弦波时，集电极的输出电流iC为余弦脉冲波。
利用谐振回路LC的选频作用可输出基波谐振电压vc1,电流ic1。
图1-3画出了丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。
分析可得下列基本关系式：
式中，
为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅；
为集电极基波电流振幅；
为集电极回路的谐振阻
抗。
式中，PC为集电极输出功率
式中，PD为电源VCC供给的直流功率；ICO为集电极电流
脉冲iC的直流分量。
图1-3
放大器的效率
为
最后一级设为甲类放大，以提高发射功率使已调信号可以发射更远，集电极同样采用L3、C7并联谐振电路选频匹配。
后面通过旁路电容C14=33PF的极性电容滤除无用的小信号，减小干扰。
再通过C8将调制信号耦合到天线上去。
参数计算
（一）、旁路电容选取
以上估算各电容的值时，应该尽力选择标准电容值，一般应使旁路电容C15的容抗为与其并联的电阻值的1/20—1/10，但是，当与其并联电阻的值如果较大时，应该当使Ｃ１５的容抗为几十欧甚至是几欧。
由下面计算可得并联的电阻为１Ｋ则，这里选取C15为100uF.
（二）、偏置电阻的计算
偏置电阻决定静态工作点，所以要计算偏置电阻首先要先确定主振荡器的静态工作电流IＣＱ。
一般小功的静态工作电流IＣＱ为2――10mA，则选择IＣＱ=2mA，根据所选晶体管的型号确定电流放大倍数β的值，则根据下面的计算出个电阻值，选取最接近的标称电阻值：
1）由Re=Ue/Ie≈Ue/IＣ确定Re,一般Ue=0.2Vcc
2）由流过R9的电流ＩB2=10ＩBQ=10IＣＱ/β确定Ｒ９＝UBQ/IB2=（UEQ+UBE）/IB2，式中ＵEQ=ICQRe
3）由ＵＢＱ＝R4/（R4+R7）Vcc,确定R4=R7（Vcc/UBQ-1）
第三章调频发射机元件说明
3．1原理图
3.2PCB图
3.3各个元器件说明
MIC是驻极体话筒，它的作用就是感应空气中声波的微弱震动，并输出跟声音变化规律一样的电信号。
一般可以输出十几毫伏以上的音频信号，这个信号足以调至下一级的高频振荡信号的频率。
它有正负之分，一般和外壳相同的是腹肌。
如是MIC驻极话筒的偏置电阻，有了这个电阻，话筒才能输出音频信号，这是因为MIC驻极话筒内部本身有一极场效应管放大电路，用来阻抗匹配和提高输出能力等作用。
但是话筒不应选灵敏度太高的，否则容易出现声反馈，出现自己叫声。
C16是音频信号耦合电容，将话筒感应输出的声音电信号传递到下一级。
C13是Q9018的基极滤波电容，一方面滤除高频杂音，另一方面让三极管的高频电位为0。
R2是三极管的集电极偏置电阻，它们起限制集电极电流Ic的作用。
R7极管的发射极电阻，这里起到稳定直流工作点作用，和C8构成了高频信号负载电阻作用，也是整个高频振荡回路的一部分。
C1和L1组成并联谐振回路，起到选择振荡频率的主要作用，改变C1的容量或者L1的形状（包括圈数），可以方便的改变发射频率。
C1、C11、C14构成了电容三点式振荡，C11是反馈电容，是电路起振的关键。
C12是耦合电容，具有阻直传交的作用，阻止每级之间的静态工作点相互影响。
R3的作用是给基极提供偏置电压，设置三极管的静态工作点和设置放大倍数。
C8是高频信号输出耦合电容，目的是为了让让高频信号变成无线电波辐射到天空中。
因此，天线最好竖直向上，长度最好等于无线电波的频率波长（或者整数倍），四周应该开阔，不要有金属物阻挡。
一般在λ/4长的时候传输效果最好，根据λ=C/f其中（C=3*10^8）
C7和L3组成并联谐振回路，起到选择振荡频率的主要作用。
C2、C4和C6为滤波电容，起到电容滤波作用，滤除高频杂信号，防止它影响直流静态工作点。
3.4、PCB板的设计与制作：
频率对馈电电源，地线分布等电磁兼容问题都有着严格的要求。
是因为电源和噪声能耦合到系统中，使得噪和杂散变坏。
因此，在布局PCB板图时，应做到以下几点：
（1）单独稳压，稳压器的输入输出端都要接有滤波电路；
（2）布线元件排列应该尽量整齐；
（3）电源应该加宽，约为1mm宽，信号线宽也要达到0.75mm。
采取以上措施能够有效地滤除所有无用频率和电源纹波，抑制各种干扰和噪声降低频率合成器的相位噪声和杂散。
使本电路完全满足了系统的要求，并且在相位噪声、非线性失真、音频频率响应和调频信噪比等方面都有很好的特性。
相位噪声小于 -100dBc/Hz/10kHz，非线性失真小于0.1%，音频频率响应非常理想，与此同时，载波频率稳定度控制在200
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