FICHA DE IDENTIFICACIÓN DE TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

Título: Spread Spectrum- Espectro EnsanchadoAutor: Tito Ronaldo Quispe Condori Alex Einar Espinoza LunaFecha: 20/04/2018

Carrera: Ingeniería de TelecomunicacionesAsignatura: Ingeniería de TelecomunicacionesGrupo: BDocente: Ing. Félix Pinto MacedoPeriodo Académico: 1/2018Subsede: La Paz

Copyright © (2018) por (Tito Ronaldo Quispe Condori). Todos los derechos reservados.

Título: Spread Spectrum- Espectro Ensanchado__________________________________________________________________________________________________________RESUMEN:

El espectro ensanchado (también llamado espectro esparcido, espectro disperso, spread spectrum o SS) es una técnica de modulación empleada en telecomunicaciones para la transmisión de datos digitales y por radiofrecuencia.

Palabras clave: Transmisión, modulación, radio frecuencia, espectro.

ABSTRACT:

The spread spectrum (also called spread spectrum, spread spectrum, spread spectrum or SS) is a modulation technique used in telecommunications for the transmission of digital and radio frequency data.

Key words: Transmission, modulation, radio frequency, spectrum.

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Título: Spread Spectrum- Espectro Ensanchado__________________________________________________________________________________________________________

TABLA DE CONTENIDOS

Capítulo I Introducción.......................................................................................................4

Capítulo II Marco Teorico...................................................................................................4

2.1 Situación Actual…………………................................................................................5

2.2 Spread Spectrum……..………………………..............................................................6

2.3 Técnicas de Ensanchado del Espectro…………………………...................................7

2.3.1 Sistemas de secuencia directa...............................................................................7

2.3.2 Sistemas de salto de frecuencia………………………………………………….7

2.3.3 Sistemas de salto Temporal…………………………………………………...…7

2.3.4 Sistemas de frecuencia Modulada pulsada (Chirping)…………………………..7

2.3.5 Sistemas Híbridos……………………………………………………………….8

2.4. Utilización Eficaz del Espectro….................................................................................8

2.5. Características del Spread Spectrum….……………………………………………8-9

2.6 Bandas Disponibles sin Necesidad de Licencia……………………………..………...9

2.7 Modelo de un sistema de comunicación digital que usa Espectro Expandido….…….9

2.8 Ventajas y Desventajas……………………..………………………………………..19

2.8.1 Ventajas…………………………………………………………………………

2.8.2 Desventajas……………………………………………………………………..

Capítulo III Objetivos de la Investigacion.........................................................................19

3.1 Objetivo general...........................................................................................................19

3.2 Objetivos específicos...................................................................................................19

Capítulo IV Metodologia...................................................................................................19

Capítulo V Resultados.......................................................................................................19

Capítulo VIConcluciones...................................................................................................19

Bibliografía y Referencias.................................................................................................20

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Título: Spread Spectrum- Espectro Ensanchado__________________________________________________________________________________________________________

LISTA DE GRÁFICOS E IMÁGENES

Figura 1: (Comparación de una señal en banda estrecha con una señal modulada en Secuencia directa)…………………………………………..……………………………...7Figura 2 (Modelo de un Sistema de Comunicación digital que usa espectro expandido)……………………………………………………………………………….....9Figura 3. (Patrón de Elevación Flat Panel de Alta Ganancia)……………………………..12Figura 4: (Patrón de Azimuth Flat Panel de Alta Ganancia)………………………………16Figura 5-6: PA-13R en el Petit Ballon en Alsacia, Francia a 1250 metros de altitud……..18

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Título: Spread Spectrum- Espectro Ensanchado__________________________________________________________________________________________________________

Capítulo I:

Introducción e información general

Los diseñadores de sistemas de comunicación se interesan a menudo en

la eficiencia con la que los sistemas utilizan la energía y el ancho de banda de la señal. En

muchos sistemas de comunicación estos son los asuntos más importantes. Sin embargo, en

algunos casos existen situaciones en las que es necesario que el sistema resista a

las interferencias externas, opere con baja densidad espectral de energía, proporcione

capacidad de acceso múltiple sin control externo y un canal seguro e inaccesible para

oyentes no autorizados. Por todo esto, a veces es necesario y conveniente sacrificar algo de

la eficiencia del sistema. Las técnicas de modulación de espectro ensanchado permiten

cumplir tales objetivos.

Los aspectos teóricos de la utilización del espectro ensanchado en un medio con

fuertes interferencias se conocían desde hace ya cuarenta años. Lo que sí ha sido muy

reciente es su implementación práctica. Inicialmente, las técnicas de espectro ensanchado

se desarrollaron para propósitos militares y sus implementaciones eran extremadamente

caras. Sólo los nuevos avances tecnológicos tales como el VLSI (very large-scale

integration, es decir, el proceso de colocar miles, o cientos de miles de componentes

electrónicos en un solo chip) y las técnicas de procesado de señal avanzadas hicieron

posible desarrollar un equipamiento de espectro ensanchado menos caro para uso civil. Las

aplicaciones de esta tecnología incluyen teléfonos móviles, transmisión de datos sin

cable y comunicaciones por satélite.

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Capitulo II: Marco Teórico

¿Qué sabemos hasta ahora del espectro ensanchado? La idea es transmitir con un ancho de banda mayor de lo que tengo o necesito.¿Y de CDMA? Es un método de acceso al medio por división de código.

Hay que tener en cuenta que son dos conceptos distintos pero con la combinación de los dos conceptos conseguiremos mejorar las prestaciones de nuestros sistemas.

En sistemas inalámbricos el ancho de banda es muy costoso. Sin embargo, a veces incrementar el ancho de banda de la señal a transmitir puede mejorar las prestaciones. Espectro ensanchado es una técnica que incrementa el ancho de banda de la señal más de lo necesario para la comunicación de datos.

2.1. SITUACION ACTUAL

Como los sistemas SS utilizan una anchura de banda mayor para transmitir una cantidad dada de información en la actualidad llama mucho la atención el proceso de colocar miles, o cientos de miles de componentes electrónicos en un solo chip) y las técnicas de procesado de señal avanzadas hicieron posible desarrollar un equipamiento de espectro ensanchado menos caro para uso civil. Las aplicaciones actualmente de esta tecnología incluyen teléfonos móviles, transmisión de datos sin cable y comunicaciones por satélite.

2.2. SPREAD SPECTRUM

El espectro ensanchado (también llamado espectro esparcido, espectro disperso, spread spectrum o SS) es una técnica de modulación empleada en telecomunicaciones para la transmisión de datos digitales y por radiofrecuencia.El fundamento básico es el "ensanchamiento" de la señal a transmitir a lo largo de una banda muy ancha de frecuencias, mucho más amplia, de hecho, que el ancho de banda mínimo requerido para transmitir la información que se quiere enviar. No se puede decir que las comunicaciones mediante espectro ensanchado son medios eficientes de utilización del ancho de banda. Sin embargo, rinden al máximo cuando se los combina con sistemas existentes que hacen uso de la frecuencia.

Espectro ensanchado es una técnica de modulación que aumenta el ancho de banda de la señal a transmitir a un valor mucho más grande de lo que se necesita para transmitir los bits de la información. Hay varias técnicas que aumentan el ancho de banda a uno mayor – por ejemplo, modulación en frecuencia y código. Sin embargo, estas técnicas no caen en la categoría de espectro ensanchado. Se tienen que cumplir las tres propiedades siguientes para que una señal sea modulada con espectro ensanchado.

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La señal ocupa un ancho de banda mucho mayor que el necesario para transmitir la señal que contiene la información.

La modulación espectro ensanchado se ha realizado usando un código de ensanchado, independiente de la señal que contiene la información.

El des-ensanchado en el receptor se realiza correlando la señal recibida con una copia sincronizada del código de ensanchado.

La traducción del inglés spread spectrum se hace con distintos adjetivos según las fuentes; pueden emplearse indistintamente espectro ensanchado, expandido, desparramado, difuso o disperso para referirse en todos los casos al mismo concepto.Podemos concluir diciendo que todos los sistemas de espectro ensanchado satisfacen dos criterios:

El ancho de banda de la señal que se va a transmitir es mucho mayor que el ancho de banda de la señal original.

El ancho de banda transmitido se determina mediante alguna función independiente del mensaje y conocida por el receptor.

Figura 1: (Comparación de una señal en banda estrecha con una señal modulada en Secuencia directa)Fuente: Wikipedia

2.3. TECNICAS DE ENSANCHADO DEL ESPECTRO

A continuación, se presentan cinco técnicas de espectro ensanchado:

2.3.1 Sistemas de secuencia directa (Direct Sequence Spread Spectrum-DSSS).

La secuencia directa es quizás uno de los sistemas de espectro ensanchado más ampliamente conocido, utilizado y relativamente sencillo de implementar. Una portadora en banda estrecha se modula mediante una secuencia pseudoaleatoria (es decir, una señal periódica que parece ruido pero que no lo es). Para la secuencia directa, el incremento de ensanchado depende de la tasa de bits de la secuencia pseudoaleatoria por bit

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Título: Spread Spectrum- Espectro Ensanchado__________________________________________________________________________________________________________de información. En el receptor, la información se recupera al multiplicar la señal con una réplica generada localmente de la secuencia de código.

2.3.2 Sistemas de salto de frecuencia (Frequency-Hopping Spread Spectrum-

FHSS)

En los sistemas de salto de frecuencia, la frecuencia portadora del transmisor cambia (o salta) abruptamente de acuerdo con una secuencia pseudoaleatoria. El orden de las frecuencias seleccionadas por el transmisor viene dictado por la secuencia de código. El receptor rastrea estos cambios y produce una señal de frecuencia intermedia constante.

2.3.3 Sistemas de salto temporal(THSS)

Un sistema de salto temporal es un sistema de espectro ensanchado en el que el periodo y el ciclo de trabajo de una portadora se varían de forma pseudoaleatoria bajo el control de una secuencia pseudoaleatoria. El salto temporal se usa a menudo junto con el salto en frecuencia para formar un sistema híbrido de espectro ensanchado mediante acceso múltiple por división de tiempo (TDMA).

2.3.4 Sistemas de frecuencia modulada pulsada (o Chirping)

Se trata de una técnica de modulación en espectro ensanchado menos común que las anteriores, en la que se emplea un pulso que barre todas las frecuencias, llamado chirp, para expandir la señal espectral. El chirping, como también es conocido, solía usarse más en aplicaciones con radares que en la comunicación de datos, pero hace pocos años comenzó a usarse para esto último con las redes LoRa.

2.3.5 Sistemas híbridos

Los sistemas híbridos usan una combinación de métodos de espectro ensanchado para beneficiarse de las propiedades más ventajosas de los sistemas utilizados. Dos combinaciones comunes son secuencia frecuencia. La ventaja de combinar estos dos métodos está en que adopta las características que no están disponibles en cada método por separado.

2.4. UTILIZACIÓN EFICAZ DEL ESPECTRO

Como los sistemas SS utilizan una anchura de banda mayor para transmitir una cantidad dada de información que un sistema de banda estrecha convencional, debe considerarse la cuestión del grado de eficacia de utilización del espectro. Generalmente, la utilización eficaz del espectro es el producto de anchura de banda, espacio geométrico y tiempo. Por tanto, el problema que hay que examinar desde el punto de vista de la utilización eficaz del espectro es cuántos sistemas de banda estrecha y sistemas SS pueden transmitir simultáneamente en la misma banda de frecuencias y en la misma zona geográfica, particularmente cuando hay una alta densidad de sistemas. Este problema se está

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Título: Spread Spectrum- Espectro Ensanchado__________________________________________________________________________________________________________estudiando en muchos foros y los diseñadores de sistemas tratan de explotar eficazmente las características especiales de los sistemas SS.

2.5. Bandas Disponibles sin necesidad de Licencia

►902 MHz a 928 MHz

►2,4 GHz a 2,483 GHz

►5,725 GHz a 5,85 GHzHasta 1W de Potencia

2.6. MODELO DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN

DIGITAL QUE USA ESPECTRO EXPANDIDO

Figura 2: Modelo de un Sistema de Comunicación digital que usa espectro expandido

Fuente: //www.monografias.com/

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Título: Spread Spectrum- Espectro Ensanchado__________________________________________________________________________________________________________►La señal de entrada entra a un codificador.

►Este produce una señal analógica con ancho de banda angosto.

►La señal es modulada usando una secuencia de dígitos denominado código disperso o secuencia dispersa.

►Esta señal es generada por un pseudo ruido o generador de números pseudo aleatorios.

►La señal de salida que se transmitirá tiene un mayor ancho de banda.

►En el lado del receptor, la misma secuencia es usada para de modular la señal.

►La señal es procesada por un decodificador de la señal para recuperar la señal original.

2.7. VENTAJAS Y DESVENTAJAS 2.7.1 VENTAJAS

Las técnicas de espectro ensanchado hacen que las señales se parezcan al ruido y por lo tanto más difícil de detectar.

Resiste todo tipo de interferencias, tanto las No intencionadas como las Malintencionadas ( más conocidas con el nombre de jamming), siendo más efectivo con las de banda estrecha

El espectro ensanchado también permite que múltiplos usuarios compartan el mismo ancho de banda, ya que las señales ensanchadas pueden ser superpuestas y demoduladas con una interferencia mínima entre ellas.

Confidencialidad de la información transmitida gracias a los códigos pseudoaleatorios (Multiplexacion por división de código)

2.7.2 DESVENTAJAS

Ineficiencia del Ancho de Banda

La implementación de los circuitos es en algunos casos muy compleja

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2.8. CARACTERISTICAS DE SPREAD SPECTRUM

Las características más importantes de los sistemas de modulación de espectro ensanchado son las siguientes:Posibilidad de acceso múltiple: Si múltiples usuarios al mismo tiempo transmiten una señal, el receptor será capaz de distinguir entre los diferentes usuarios cuál es la señal que debe de recuperar en base al código de la información, mientras que otras señales extendidas de otros usuarios serán vistos como ruido ante la señal deseada. Baja probabilidad de ser interceptada: Ante el ensanchamiento del espectro se hace difícil la recuperación de la información por parte de un receptor distinto al que va dirigido, ya que se genera una señal con una densidad de potencia muy baja comparable con niveles de ruido.Alta inmunidad frente a interferencias: La posible interferencia de señales de banda angosta o ancha es despreciada si no se cuenta con el código de la señal deseada.Alta inmunidad frente a interferencias de señales multi-trayecto: Al transmitir en RF las señales pueden tomar más de una ruta debido a fenómenos como la reflexión, refracción y difracción. Así las señales con diferentes rutas son copia de una señal transmitida pero con distintas amplitudes y fases, resultando en una dispersión de la señal, sin embargo en el receptor se espera a que lleguen varias copias para recuperar su fase y ser sumadas para obtener una señal más fuerte.Privacidad en las comunicaciones: La señal transmitida sólo puede ser recuperada si se cuenta con el código correspondiente.

2.9 TÉCNICAS DE MODULACIÓN SPREAD SPECTRUM

TÉCNICAS DE MODULACIÓN SPREAD SPECTRUM

Las técnicas de modulación Spread Spectrum fueron originalmente desarrolladas para sistemas de comunicaciones militares por su resistencia ante señales de interferencia y por su baja probabilidad de detección. Los métodos de modulación para generar Spread Spectrum son los siguientes:

DSSS (Espectro Extendido por Secuencia Directa). FHSS (Espectro Extendido por Salto de Frecuencia). DHSS (Espectro Directo por Secuencia Directa). HSS (Espectro Extendido Híbrido).

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Título: Spread Spectrum- Espectro Ensanchado__________________________________________________________________________________________________________Salto de Frecuencia o Frequency Hopping

En la técnica de espectro ensanchado por salto de frecuencia o FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) la señal se mueve de una frecuencia a otra, es decir, la expansión de la señal se produce transmitiendo una ráfaga en una frecuencia, saltando luego a otra frecuencia para transmitir otra ráfaga, y así sucesivamente.Las frecuencias utilizadas para los saltos y el orden de utilización se denominan modelo de Hopping (Hopping Pattern). El tiempo de permanencia en cada frecuencia es lo que se conoce como Dwell Time, que debe ser muy corto, Pattern menor que milisegundos, para evitar interferencias; tanto el Dwell Time como el Hopping están sujetos a restricciones por parte de los organismos de regulación.

Transmisión de una señal con salto de Frecuencia. En cualquier instante la salida consiste de una señal FSK o PSK cuya frecuencia de

centro cambia todo el tiempo. A menos que se conozca de antemano la secuencia de cambios en frecuencia, va a

ser poco probable que alguien ajeno pueda descifrar lo que sucede.

La secuencia de frecuencia tiene que ser idéntica tanto para el Transmisor como para el Receptor.

Si el receptor sigue la secuencia correcta la salida del detector sincrónico producirá una señal coherente, similar a lo que se hubiese recibido por un receptor perfectamente sintonizado.

En cambio si el receptor no sigue la secuencia correcta la salida del detector sincrónico NO podrá producir una señal coherente, lo cual le va a impedir distinguir el dato del ruido de fondo.

Si alguien intenta interceptar la transmisión tendría que observar toda la banda amplia. Lo que observaría sería similar a ruido.

Similitudes y Diferencias

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Los modos de implementación de FHSS y DSSS son sensiblemente diferentes a pesar de que comparten la misma filosofía:

La técnica de espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS), se basa en desplazar la fase de una portadora mediante una secuencia de bits muy rápida, diseñada de forma que aparezcan aproximadamente el mismo número de ceros que de unos. Esta secuencia – un código Barker también llamado código de dispersión o pseudo Noise – se introduce sustituyendo a cada bit de datos; puede ser de dos tipos, según sustituya al cero o al uno lógico.

Tan solo aquellos receptores a los que el emisor envíe dicho código podrán recomponer la señal original – filtrando señales indeseables, previa sincronización. Aquellos que no posean el código creerán que se trata de ruido. Por otro lado al sustituir cada bit de datos a transmitir, por una secuencia de 11 bits equivalente, aunque parte de la señal de transmisión se vea afectada por interferencias, el receptor aún puede reconstruir fácilmente la información a partir de la señal recibida.

Por su parte, FHSS utiliza 79 canales de banda angosta, de 1 MHz de ancho de banda cada uno, los cuales se seleccionan de acuerdo a una secuencia pseudo aleatoria, a una tasa de 1600 saltos por segundo. Una nueva versión del estándar la IEEE802.11ª que permite el uso de canales de 5MHz, con lo cual se puede incrementar la tasa de transmisión hasta 10 Mbps; se considera muy difícil lograr tasas de bit´s más altas con esta tecnología.

CARACTERISTICAS ADICIONALES:

FHSS (Espectro ensanchado por salto de frecuencia)

En FHSS consiste en transmitir una parte de los datos en una determinada frecuencia durante un intervalo de tiempo llamada (dwell time)  los datos se transmiten saltando de una frecuencia a otra, en un orden determinado según una secuencia seudoaleatoria almacenada en unas tablas, que han de conocer la emisora y el receptor. Estos saltos están programados en determinado tiempo que conoce y sigue el receptor por lo que sólo “ve”, o entiende ese canal de transmisión.

Pasado este tiempo se cambia la frecuencia de emisión y se sigue transmitiendo a otra frecuencia.

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Título: Spread Spectrum- Espectro Ensanchado__________________________________________________________________________________________________________ De esta manera cada tramo de información se va transmitiendo en una frecuencia distinta durante un intervalo muy corto de tiempo, Esta técnica también utiliza la zona de los 2.4GHz, la cual organiza en 79 canales con un ancho de banda de 1MHz cada uno.

El número de saltos por segundo es regulado por cada país. Estados Unidos fija una tasa mínima de saltos de 2.5 por segundo. Este sistema cambia alrededor de 1.600 veces por segundo esto es bueno más cuando se está cercas de otras emisoras o aparatos eléctricos nunca estaremos en la misma frecuencia.

La tecnología de espectro ensanchada ofrece tres ventajas fundamentales.

1. son altamente resistentes al ruido y a las interferencias.

2. son difíciles de ser interceptadas una transmisión de este tipo suena como un ruido de corta duración.

3, pueden compartir una banda de frecuencias con diferentes transmisores convencionales con casi nulas interferencias.

MODULACIÓN DSSS

DSSS (Espectro expandido por secuencia directa) el dato son mezclados ordenadamente con ruido, van transmitiéndose primero en una frecuencia A, luego en otra B y en una tercera C. La cantidad de frecuencias utilizadas y el orden de la mezcla son determinadas por un algoritmo específico.

Solo los receptores que han recibido antes el código de mezcla con ruido o de expansión de datos pueden deshacer la mezcla y entender los datos.

En esta técnica se genera un patrón de bits redundante para cada uno de los bits que componen la señal.

Cuanto mayor sea este patrón de bits, mayor será la resistencia de la señal a las interferencias. Este espectro divide una franja del ancho de banda en canales separados y no transmite durante un largo tiempo en una misma frecuencia. Debido a que utiliza canales distintos en una misma zona, hay redes que pueden llegar a ocultarse sin que las señales de unas y otras se interfieran. Estas dos formas de transmisión de espectro extendido resisten las interferencias ya que no hay una sola frecuencia en uso constante.

Esta es la tecnología que las emisoras de aeromodelismo están empleando.

MODULACION THSS (ESPECTRO EXTENDIDO POR SALTO DETIEMPO)

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Título: Spread Spectrum- Espectro Ensanchado__________________________________________________________________________________________________________En Time Hopping la información es transmitida en intervalos de tiempo en base a un código asignado a un usuario, el tiempo es denominado trama y estos a su vez divididos en M intervalos de tiempo más pequeños llamados time slots.

De esta manera la señal de un usuario no es transmitida en forma continua, sino en intervalos de tiempo, con el respectivo código asignado. En TH la señal es transmitida durante fragmentos de tiempos cortos, entrando la información en el buffer donde es aplicado un código pseudoaleatorio con un ancho de banda mayor al de la información original.

La posibilidad de intercepción en TH es mínima cuando aún se ocupa la misma frecuencia de transmisión debido a que las variaciones en el tiempo son muy rápidas, requiriendo por ello una adecuada sincronización con el receptor.

HYBRID SPREAD SPECTRUM HSS (ESPECTRO EXTENDIDO HÍBRIDO).

Un sistema híbrido se forma de la combinación de dos tipos de Spread Spectrum de los tres existentes, o una combinación de CDMA con alguna otra técnica de acceso múltiple. De las técnicas de espectro extendido podemos tener cuatro posibles sistemas híbridos: DS/FH, DS/TH, FH/TH y DS/FH/TH.

La idea de un sistema híbrido es combinar las ventajas específicas de cada técnica de modulación. Si por ejemplo combinamos DS y FH obtenemos la ventaja de inmunidad ante trayectorias multiruta de DS combinado con el favorable desempeño ante la propiedad Near-Far de un sistema FH

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Título: Spread Spectrum- Espectro Ensanchado__________________________________________________________________________________________________________

Bibliografía y referencias

https://catedras.facet.unt.edu.ar/ft/wp-content/uploads/sites/123/2017/03/11-Espectro-Expandido-1.pdf

https://prezi.com/2isw9xx0mgfu/espectro-ensanchado/

http://legislacion.asamblea.gob.ni/Normaweb.nsf/($All)/8D0985FC2039B5EB062570A10058159F?OpenDocument

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