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电路、信号与系统
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基本信息
- 作者： 张永瑞 高建宁 [作译者介绍]
- 丛书名： 面向计算机科学与技术专业规范系列教材
- 出版社：机械工业出版社
- ISBN：9787111288244
- 上架时间：2010-3-29
- 出版日期：2010 年3月
- 开本：16开
- 页码：330
- 版次：1-1
- 所属分类：
通信 >
通信技术理论与基础
内容简介回到顶部↑
本书充分考虑现代电子科技、计算机软硬件发展的新趋势编写而成。主要内容包括：电路的基本概念与定律、电阻电路分析、动态电路时域分析、正弦稳态电路分析、网络频率响应、信号与系统的基本概念、连续信号与系统的时域分析、连续信号与系统的频域分析、连续信号与系统的复频域分析。基本概念讲述透彻，常用的基本分析方法讲述步骤明确，举例类型多，结合工程实际，便于读者仿效掌握；电路定理阐述简练，应用范围、条件明确，使用中应注意的问题归纳详尽；经典内容取舍合理，新器件、新方法介绍适度；每节后配有辅助概念理解、引伸问题的思考题，每章后配有深浅度适中、题型搭配合理的习题，书末附有部分习题的参考答案，这些配置对教师施教、学生自学都非常有益。
本书可作为普通高等教育计算机科学与技术等专业的本科生教材，对电子类行业的工程技术人员亦有重要的参考价值。
本书可作为普通高等教育计算机科学与技术等专业的本科生教材，对电子类行业的工程技术人员亦有重要的参考价值。
作译者回到顶部↑
本书提供作译者介绍
张永瑞，西安电子科技大学教授、首届教学名师、电路与系统学科学术带头人，省级精品课程“电路分析基础”、“信号与系统”主讲人，国家级精品课程“信号与系统”顾问。主要研究方向是电路与系统、信号检测与处理，获省部级教学成果一等奖一项、科技进步二等奖两项，发表教学、科学研究论文40余篇，出版专著、教材30部。
高建宁，西安电子科技大学副教授、硕士生导师。长期从事信号处理理论及应用方面的基础教学与研究工作，在时频技术领域有多项研究成果和专利，完成科研项目10余项，参编出版教材4部，获省部.. << 查看详细
高建宁，西安电子科技大学副教授、硕士生导师。长期从事信号处理理论及应用方面的基础教学与研究工作，在时频技术领域有多项研究成果和专利，完成科研项目10余项，参编出版教材4部，获省部.. << 查看详细
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出版者的话
序 言
前 言
第1章 电路的基本概念与定律1
1.1 电路模型1
1.1.1 实际电路组成与功能1
1.1.2 电路模型2
思考题3
1.2 电路变量3
1.2.1 电流4
1.2.2 电压5
1.2.3 电功率7
思考题9
1.3 电阻元件与欧姆定律9
1.3.1 欧姆定律9
1.3.2 电阻元件上消耗的功率与能量10
思考题12
1.4 理想电源12
1.4.1 理想电压源12
1.4.2 理想电流源14
序 言
前 言
第1章 电路的基本概念与定律1
1.1 电路模型1
1.1.1 实际电路组成与功能1
1.1.2 电路模型2
思考题3
1.2 电路变量3
1.2.1 电流4
1.2.2 电压5
1.2.3 电功率7
思考题9
1.3 电阻元件与欧姆定律9
1.3.1 欧姆定律9
1.3.2 电阻元件上消耗的功率与能量10
思考题12
1.4 理想电源12
1.4.1 理想电压源12
1.4.2 理想电流源14
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从古至今，“计算”都是人类社会进步、发展的一条主线，未来也将如此。众所周知，孩童在牙牙学语之后就开始学数“数”，小学、中学、大学更是少不了“计算”。现代高精尖的科学技术，诸如航空航天飞行器的制造、发射、运行，火箭、导弹飞行轨道的控制，人造卫星飞行姿态的调整，必须依赖快速、科学的计算与决策；现代化的大地测量、气象遥感、地质勘探、地震预测预报等都需要大量的、科学的“计算”。历史已经证明：各个历史时期生产的发展、科学的进步，与当时的计算理论、计算装置设备、计算技术手段的发展和进步是密不可分的。一个人，如果一般的账都算不清，那就要被划归属于低智商人群了。一个国家如果计算设备、技术上不去，其他领域的科技发展将会大受影响，不会走在世界的前列。可以说，评价一个国家、一个地区的科技状态、水平，最快捷的办法就是审视那里所进行的“计算”以及由计算所累积的数据是如何被用于决策的。
目前，全世界计算机数量和用户都在急剧增加，在各行各业的应用越来越广泛。为适应我国国民经济建设、科技发展对计算机科学与技术专业人才的需求，全国几百所高等工业院校都相继开办了计算机科学与技术专业。为了培养高质量人才，教育部计算机科学与技术专业指导委员会的专家们制定了《计算机科学与技术本科专业规范》。而电路、信号与系统是专业规范中（计算机工程方向）所明确的核心课程。这是卓见远识的英明决策！
在当今信息化社会，无论是家庭生活中使用的大、小家用电器，还是工农业生产中使用的各种自动控制生产线，或是科学研究中使用的各种精密实验仪器、测量系统、计算机网络等，无处不用电路、信号与系统。具体说，人们听收音机、看电视、打电话要用电路，工厂自动生产线的控制要用电路，航天器(比如我国的嫦娥1号、神五、神六)飞天的控制、水下核潜艇的潜与浮的控制、计算机硬件电路、接口电路等都使用着电路、信号与系统。当代大学生，特别是计算机科学与技术专业的大学生，学习好电路、信号与系统具有十分重要的意义。
电路与系统的发展史源远流长，我们在学习电路、信号与系统的首节课时，就应当缅怀对电路、信号与系统的发展做出杰出贡献的世界著名科学家。简明回顾他们的学术成就，学习他们重实验观察现象、归纳总结、理论升华的科学严谨的研究态度。
法国科学家库仑，1785年定量地研究了两个带电体间的相互作用，得出了历史上最早的电学定律——库仑定律，这是人类在电磁现象认识上的一次飞跃。意大利科学家伏特，1800年发明了第一种化学电源——铜锌电池，它能够把化学能不断地转变为电能，这一发明具有划时代的意义，引起了电磁学的一场革命。法国物理学家安培，1825年提出了著名的安培定律，他从1820年开始测量电流的磁效应，从中发现两个载流导线可以相互吸引又可以相互排斥，这一发现成为研究电学的基本定律，为电动机的发明做了理论上的准备。德国物理学家、数学家欧姆1826年发表的《电路的数学研究》一文中第一次出现欧姆定律公式，时至今日，中外电路教科书中无一例外地都保留、讲授这一精辟的电学定律。英国物理学家法拉第,1831年发现了电磁感应现象，他坚信既然电能产生磁，那么磁也能产生电，他终于发现在线圈内运动的磁体可以在导线中产生电流，这一发现成为发明、制造发电机和变压器的理论根据，从而使机械能变为电能成为可能，推动了电在工业上的广泛应用，使人类迈向了电气时代。1840年，英国物理学家焦耳把环形线圈放入装水的试管内，测量不同电流强度和电阻时的水温，通过这一实验，他发现：导体在一定时间内放出的热量与导体的电阻及电流强度的平方之积成正比。四年之后，俄国物理学家楞次公布了他的大量实验结果，从而进一步验证了焦耳关于电流热效应之结论的正确性。因此，该定律称为焦耳楞次定律。德国物理学家基尔霍夫,以他对光谱分析、光学和电学的研究著名。基尔霍夫给欧姆定律下了严格的数学定义，在他还是23岁大学生的时候就提出了著名的电流定律和电压定律，这成为集总参数电路分析最基本的依据。德国物理学家赫兹1886年10月，用放电线圈做火花放电实验，偶然发现近旁未闭合的绝缘线圈中有电火花跳过，便敏锐地想到这可能是电磁共振，证实了电磁波的存在，他在1887年发表的题为《论在绝缘体中电过程引起的感应现象》的论文中，全面验证了麦克斯韦的电磁理论的正确性。法国电报工程师戴维宁1883年发表在法国科学院刊物上仅一页半的论文，早已成为一个重要的电路定理，即戴维宁定理。定理的对偶形式50年后由美国贝尔电话实验室工程师E.L.Norton提出，即诺顿定理。
1822年，法国数学家傅里叶在研究热传导理论时发表了《热的分析理论》一文，提出并证明了将周期函数展开为正弦级数的原理，奠定了傅里叶级数的理论基础。泊松(Poisson)、高斯(Guass)等人相继把这一成果应用到电学中，得到了广泛应用。时至今日，在任何一本中外信号与系统的教科书中都能找到傅里叶级数与傅里叶变换分析的内容，而且近代出现的离散傅里叶变换(DFT)、快速傅里叶变换(FFT)又赋予傅里叶分析更强大的生命力。法国数学家拉普拉斯提出了一种新的积分变换，即拉普拉斯变换，它是条件更宽松、应用范围更广的一种积分变换，在电学及其他技术领域都有广泛的应用。
进入21世纪以来，随着新理论、新材料、新工艺、新技术的涌现，计算机科学与技术得到了飞速的发展，特别是网络技术、多媒体技术、嵌入式系统、人机交互、软件安全等新技术的出现与应用，使得现代的信息化社会更加灿烂辉煌。据最新资料报道，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和IBM公司展示了世界首台运算性能达到每秒1000万亿次的超级计算机Roadrunner；美国宇航局喷气推进实验室已完成了太空互联网的首轮测试，已成功地与离地球32万公里的一个太空探测器实现了数十幅图像的往返传输,太空互联网即将建立;美国宾夕法尼亚大学已研究出以纳米线为基础的新型信息存储器，可以存储“0”、“1”、“2”三位数值……这些新的研究成果会催生新一代更高性能的计算机诞生。
根据计算机科学与技术专业规范的要求，按照规范中约定的知识点与教学时数，我们对本教材形成如下的编写思路：
(1)不是把原为通信工程等专业编写的电路分析基础、信号与系统两门课程的内容简单合并，而是根据计算机科学与技术专业对电路与信号知识点的要求，删繁就简、去粗存精，不追求知识体系的完整性，不追求数学上的更加严密性，而注重工程上够用、实用性。比如，讲授冲激函数定义，只给出工程实用的狄拉克定义，而不讲述数学上更为严谨的分配函数定义。
(2)就电路与系统这两部分内容来说，以电路为重点。其实，系统与信号是密不可分的，因此组织教材内容时将系统与信号一并考虑，将它们有机地融合在一起，并尽量融和得自然、浑为一体，教学中容易实施。由于教学时数的限制，并考虑后续开设有数字信号处理课程，为不使课程内容重复，所以本书中不安排离散信号的时域、频域、复频域（Z域）分析的内容。
（3）遵循先易后难、循序渐近、突出重点、削枝强干思想；强调基本概念、基本分析法、基本技能的训练，不追求太多的技巧性；对核心知识点讲深、讲透，注重物理概念的定性解释，对必要的定量推导，交待清楚思路，使推导过程简明扼要，结论醒目，便于读者掌握应用。
（4）基本概念叙述准确，文字表述通俗易懂，讲授基本分析法步骤明确，举例联系工程实际，便于读者仿效演练；对重要的定理阐述简练，应用范围、条件明确，结合编者几十年的教学体会详尽归纳使用中应注意的问题；对经典内容取舍合理，新器件、新方法介绍适度。
（5）每节后配有辅助概念理解和引申问题的思考题。正文的讲解不可能面面俱到，但一个问题的深入理解，可以多角度地观察，可以逆向思维，可以联想，也可以“突发奇想”，提出这样那样的问题，供读者思考很有必要；每章后配有深浅度适中、题型搭配合理的习题；书末附有部分习题的参考答案。这些配置对教师施教、学生自学都非常有帮助。
全书主要包括：电路的基本概念与定律、电阻电路分析、动态电路时域分析、正弦稳态电路分析、网络频率响应、信号与系统的基本概念、连续信号与系统的时域分析、连续信号与系统的频域分析、连续信号与系统的复频域分析共九章内容。
本书第3、4、5、6、7章初稿由张永瑞编写，第1、2、8、9章初稿由高建宁编写，全书由张永瑞主编，负责统稿、定稿。
使用本教材的参考学时数约为64学时。
章号 讲授学时数 备注
1 8 建议1、2章合上习题讨论课2学时
2 8
3 8
目前，全世界计算机数量和用户都在急剧增加，在各行各业的应用越来越广泛。为适应我国国民经济建设、科技发展对计算机科学与技术专业人才的需求，全国几百所高等工业院校都相继开办了计算机科学与技术专业。为了培养高质量人才，教育部计算机科学与技术专业指导委员会的专家们制定了《计算机科学与技术本科专业规范》。而电路、信号与系统是专业规范中（计算机工程方向）所明确的核心课程。这是卓见远识的英明决策！
在当今信息化社会，无论是家庭生活中使用的大、小家用电器，还是工农业生产中使用的各种自动控制生产线，或是科学研究中使用的各种精密实验仪器、测量系统、计算机网络等，无处不用电路、信号与系统。具体说，人们听收音机、看电视、打电话要用电路，工厂自动生产线的控制要用电路，航天器(比如我国的嫦娥1号、神五、神六)飞天的控制、水下核潜艇的潜与浮的控制、计算机硬件电路、接口电路等都使用着电路、信号与系统。当代大学生，特别是计算机科学与技术专业的大学生，学习好电路、信号与系统具有十分重要的意义。
电路与系统的发展史源远流长，我们在学习电路、信号与系统的首节课时，就应当缅怀对电路、信号与系统的发展做出杰出贡献的世界著名科学家。简明回顾他们的学术成就，学习他们重实验观察现象、归纳总结、理论升华的科学严谨的研究态度。
法国科学家库仑，1785年定量地研究了两个带电体间的相互作用，得出了历史上最早的电学定律——库仑定律，这是人类在电磁现象认识上的一次飞跃。意大利科学家伏特，1800年发明了第一种化学电源——铜锌电池，它能够把化学能不断地转变为电能，这一发明具有划时代的意义，引起了电磁学的一场革命。法国物理学家安培，1825年提出了著名的安培定律，他从1820年开始测量电流的磁效应，从中发现两个载流导线可以相互吸引又可以相互排斥，这一发现成为研究电学的基本定律，为电动机的发明做了理论上的准备。德国物理学家、数学家欧姆1826年发表的《电路的数学研究》一文中第一次出现欧姆定律公式，时至今日，中外电路教科书中无一例外地都保留、讲授这一精辟的电学定律。英国物理学家法拉第,1831年发现了电磁感应现象，他坚信既然电能产生磁，那么磁也能产生电，他终于发现在线圈内运动的磁体可以在导线中产生电流，这一发现成为发明、制造发电机和变压器的理论根据，从而使机械能变为电能成为可能，推动了电在工业上的广泛应用，使人类迈向了电气时代。1840年，英国物理学家焦耳把环形线圈放入装水的试管内，测量不同电流强度和电阻时的水温，通过这一实验，他发现：导体在一定时间内放出的热量与导体的电阻及电流强度的平方之积成正比。四年之后，俄国物理学家楞次公布了他的大量实验结果，从而进一步验证了焦耳关于电流热效应之结论的正确性。因此，该定律称为焦耳楞次定律。德国物理学家基尔霍夫,以他对光谱分析、光学和电学的研究著名。基尔霍夫给欧姆定律下了严格的数学定义，在他还是23岁大学生的时候就提出了著名的电流定律和电压定律，这成为集总参数电路分析最基本的依据。德国物理学家赫兹1886年10月，用放电线圈做火花放电实验，偶然发现近旁未闭合的绝缘线圈中有电火花跳过，便敏锐地想到这可能是电磁共振，证实了电磁波的存在，他在1887年发表的题为《论在绝缘体中电过程引起的感应现象》的论文中，全面验证了麦克斯韦的电磁理论的正确性。法国电报工程师戴维宁1883年发表在法国科学院刊物上仅一页半的论文，早已成为一个重要的电路定理，即戴维宁定理。定理的对偶形式50年后由美国贝尔电话实验室工程师E.L.Norton提出，即诺顿定理。
1822年，法国数学家傅里叶在研究热传导理论时发表了《热的分析理论》一文，提出并证明了将周期函数展开为正弦级数的原理，奠定了傅里叶级数的理论基础。泊松(Poisson)、高斯(Guass)等人相继把这一成果应用到电学中，得到了广泛应用。时至今日，在任何一本中外信号与系统的教科书中都能找到傅里叶级数与傅里叶变换分析的内容，而且近代出现的离散傅里叶变换(DFT)、快速傅里叶变换(FFT)又赋予傅里叶分析更强大的生命力。法国数学家拉普拉斯提出了一种新的积分变换，即拉普拉斯变换，它是条件更宽松、应用范围更广的一种积分变换，在电学及其他技术领域都有广泛的应用。
进入21世纪以来，随着新理论、新材料、新工艺、新技术的涌现，计算机科学与技术得到了飞速的发展，特别是网络技术、多媒体技术、嵌入式系统、人机交互、软件安全等新技术的出现与应用，使得现代的信息化社会更加灿烂辉煌。据最新资料报道，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和IBM公司展示了世界首台运算性能达到每秒1000万亿次的超级计算机Roadrunner；美国宇航局喷气推进实验室已完成了太空互联网的首轮测试，已成功地与离地球32万公里的一个太空探测器实现了数十幅图像的往返传输,太空互联网即将建立;美国宾夕法尼亚大学已研究出以纳米线为基础的新型信息存储器，可以存储“0”、“1”、“2”三位数值……这些新的研究成果会催生新一代更高性能的计算机诞生。
根据计算机科学与技术专业规范的要求，按照规范中约定的知识点与教学时数，我们对本教材形成如下的编写思路：
(1)不是把原为通信工程等专业编写的电路分析基础、信号与系统两门课程的内容简单合并，而是根据计算机科学与技术专业对电路与信号知识点的要求，删繁就简、去粗存精，不追求知识体系的完整性，不追求数学上的更加严密性，而注重工程上够用、实用性。比如，讲授冲激函数定义，只给出工程实用的狄拉克定义，而不讲述数学上更为严谨的分配函数定义。
(2)就电路与系统这两部分内容来说，以电路为重点。其实，系统与信号是密不可分的，因此组织教材内容时将系统与信号一并考虑，将它们有机地融合在一起，并尽量融和得自然、浑为一体，教学中容易实施。由于教学时数的限制，并考虑后续开设有数字信号处理课程，为不使课程内容重复，所以本书中不安排离散信号的时域、频域、复频域（Z域）分析的内容。
（3）遵循先易后难、循序渐近、突出重点、削枝强干思想；强调基本概念、基本分析法、基本技能的训练，不追求太多的技巧性；对核心知识点讲深、讲透，注重物理概念的定性解释，对必要的定量推导，交待清楚思路，使推导过程简明扼要，结论醒目，便于读者掌握应用。
（4）基本概念叙述准确，文字表述通俗易懂，讲授基本分析法步骤明确，举例联系工程实际，便于读者仿效演练；对重要的定理阐述简练，应用范围、条件明确，结合编者几十年的教学体会详尽归纳使用中应注意的问题；对经典内容取舍合理，新器件、新方法介绍适度。
（5）每节后配有辅助概念理解和引申问题的思考题。正文的讲解不可能面面俱到，但一个问题的深入理解，可以多角度地观察，可以逆向思维，可以联想，也可以“突发奇想”，提出这样那样的问题，供读者思考很有必要；每章后配有深浅度适中、题型搭配合理的习题；书末附有部分习题的参考答案。这些配置对教师施教、学生自学都非常有帮助。
全书主要包括：电路的基本概念与定律、电阻电路分析、动态电路时域分析、正弦稳态电路分析、网络频率响应、信号与系统的基本概念、连续信号与系统的时域分析、连续信号与系统的频域分析、连续信号与系统的复频域分析共九章内容。
本书第3、4、5、6、7章初稿由张永瑞编写，第1、2、8、9章初稿由高建宁编写，全书由张永瑞主编，负责统稿、定稿。
使用本教材的参考学时数约为64学时。
章号 讲授学时数 备注
1 8 建议1、2章合上习题讨论课2学时
2 8
3 8
序言回到顶部↑
近20年里，计算机学科有了很大的发展，人们普遍认为，“计算机科学”这个名字已经难以涵盖该学科的内容，因此，改称其为计算学科（Computing Discipline）。在我国本科教育中，1996年以前曾经有计算机软件专业和计算机及应用专业，之后被合并为计算机科学与技术专业。2004年以来，教育部计算机科学与技术专业教学指导分委员会根据我国计算机专业教育和计算学科的现状，为更好地满足社会对计算机专业人才的需求，发布了《高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范（试行）》（以下简称《规范》），提出在计算机科学与技术专业名称之下，构建计算机科学、计算机工程、软件工程和信息技术四大专业方向。《规范》中四大专业方向的分类，在于鼓励办学单位根据自己的情况设定不同的培养方案，以培养更具针对性和特色的计算机专业人才。
为配合《规范》的实施，落实中央“提高高等教育质量”的精神，我们规划了“面向计算机科学与技术专业规范系列教材”。本系列教材面向全新的计算学科，针对我国高等院校逐步向新的计算机科学与技术专业课程体系过渡的趋势编写，在知识选择、内容组织和教学方法等方面满足《规范》的要求，并与国际接轨。本套教材具有以下几个特点：
（1） 体现《规范》的基本思想，满足其课程要求。为使教材符合我国高等院校的教学实际，编委会根据《规范》的要求规划本套教材，广泛征集在国内知名高校中从事一线教学和科研工作、经验丰富的优秀教师承担编写任务。
（2） 围绕“提高教育质量”的宗旨开发教材。为了确保“精品”，本系列教材的出版不走盲目扩大的路子，每本教材的选题都将由编委会集体论证，并由一名编委担任责任编委，最大程度地保证这套教材的编写水准和出版质量。
（3） 教材内容的组织科学、合理，体系得当。本套教材的编写注重研究学科的新发展和新成果，能够根据不同类型人才培养需求，合理地进行内容取舍、组织和叙述，还精心设计了配套的实验体系和练习体系。
（4） 教材风格鲜明。本套教材按4个专业方向统一规划，分批组织，陆续出版。教材的编写体现了现代教育理念，探讨先进的教学方法。
（5） 开展教材立体化建设。根据需要配合主教材的建设适时开发实验教材、教师参考书、学生参考书、电子参考资料等教辅资源，为教学实现多方位服务。
我们衷心希望本系列教材能够为我国高等院校计算机科学与技术等专业的教学作出贡献，欢迎广大读者广为选用。
“面向计算机科学与技术专业规范系列教材”编委会
为配合《规范》的实施，落实中央“提高高等教育质量”的精神，我们规划了“面向计算机科学与技术专业规范系列教材”。本系列教材面向全新的计算学科，针对我国高等院校逐步向新的计算机科学与技术专业课程体系过渡的趋势编写，在知识选择、内容组织和教学方法等方面满足《规范》的要求，并与国际接轨。本套教材具有以下几个特点：
（1） 体现《规范》的基本思想，满足其课程要求。为使教材符合我国高等院校的教学实际，编委会根据《规范》的要求规划本套教材，广泛征集在国内知名高校中从事一线教学和科研工作、经验丰富的优秀教师承担编写任务。
（2） 围绕“提高教育质量”的宗旨开发教材。为了确保“精品”，本系列教材的出版不走盲目扩大的路子，每本教材的选题都将由编委会集体论证，并由一名编委担任责任编委，最大程度地保证这套教材的编写水准和出版质量。
（3） 教材内容的组织科学、合理，体系得当。本套教材的编写注重研究学科的新发展和新成果，能够根据不同类型人才培养需求，合理地进行内容取舍、组织和叙述，还精心设计了配套的实验体系和练习体系。
（4） 教材风格鲜明。本套教材按4个专业方向统一规划，分批组织，陆续出版。教材的编写体现了现代教育理念，探讨先进的教学方法。
（5） 开展教材立体化建设。根据需要配合主教材的建设适时开发实验教材、教师参考书、学生参考书、电子参考资料等教辅资源，为教学实现多方位服务。
我们衷心希望本系列教材能够为我国高等院校计算机科学与技术等专业的教学作出贡献，欢迎广大读者广为选用。
“面向计算机科学与技术专业规范系列教材”编委会
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