CN113098810B - 一种lfm-mpsk雷达通信一体化系统的时频联合同步方法和装置 - Google Patents

一种lfm-mpsk雷达通信一体化系统的时频联合同步方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种LFM‑MPSK雷达通信一体化系统的时频联合同步方法和装置，属于雷达通信领域，所述方法包括：S1：发射携带调频斜率相反的同步载波和信息载波的一体化波形；S2：利用获取的接收信号估计正、负调频斜率同步载波各自的起止位置；S3：基于起止位置设置若干不同时间起点的正、负调频参考信号；S4：将正、负调频参考信号与对应时间窗的接收信号进行混频得到正、负混频信号；并估计正、负混频信号各自的谱峰频率；S5：利用两组谱峰频率反演同步时延和载波频偏；利用同步时延和载波频偏对接收信号进行同步补偿，以对接收信号中的信息载波进行解调。本发明提供的方法在不影响通信效率及雷达性能的情况下，可实现一体化信号的时频联合同步。

Description

一种LFM-MPSK雷达通信一体化系统的时频联合同步方法和 装置
技术领域
本发明属于雷达通信领域，更具体地，涉及一种LFM-MPSK雷达通信一体化系统的时频联合同步方法和装置。
背景技术
随着电子技术的不断发展和军事作战需求的不断提升，作战平台装载的电子设备也不断增多，多功能多任务的电子系统已成为发展趋势。将多种电子系统简单集成虽然可实现多功能电子系统，但会增大作战平台雷达截面积(Radar Cross Section,RCS)，引发电磁兼容、调度困难、系统性能下降等问题。因此，对不同功能设备实现更高程度的集成、整合，构建多功能综合射频系统，将是未来多功能电子系统的主要研究方向之一，同时也有助于上述问题的解决，缩减系统的体积、重量，降低能源消耗，增强系统的可靠性。目前，雷达和通信系统广泛应用于同一作战平台，是现代电子装备必不可少的功能系统。因此，实现雷达和通信的一体化对推动军事装备的发展具有重要意义。
实现雷达通信一体化的技术有多种，其中基于信号共用的一体化波形设计方式可使系统的集成度最高。该方式在发射端只使用一套射频链路，发射一种信号，同时实现通信和探测两种功能。目前，基于信号共用的一体化波形设计主要有两种方式：一种是利用已有的或改进的通信信号实现探测功能；另一种是对已有的雷达波形的参数或波形本身进行通信信息调制，以实现通信功能。针对第一种方案，正交频分复用(orthogonal frequencydivision multiplexing,OFDM)信号的研究较多。OFDM信号具有高的频谱利用率，抗多径衰落，便于同步和均衡，子载波调制灵活等优点，但应用于雷达探测时存在峰均功率比过高、多普勒敏感等问题。针对第二种方案，一体化波形设计方式中，通常将传统的线性调频(linear frequencymodulation,LFM)信号作为载波，在一个LFM脉冲内通过调频或调相方式进行通信信息调制。LFM信号带宽大、易生成，便于一体化波形设计，是一种较为理想的一体化波形载体。
目前基于LFM的雷达通信一体化系统实现通信功能时，会遇到频谱展宽、通信能量降低、通信速率受限等问题，其中同步是通信功能实现所需解决的关键问题之一。源于传统通信系统的设计方案，目前相关研究主要考虑在一体化波形中添加额外设计的相关性较好的同步前导信号，用以实现时间同步。由于LFM信号具有良好的自相关性质，可直接将未经调制的LFM信号作为同步前导信号，在接收端通过匹配滤波或脉冲压缩获取信号的时间同步信息。这种在一体化波形前面添加同步前导信号的方案存在着以下问题：若同步信号过长，则会大幅损失通信数据率；若同步信号过短，将会因相关检测时积累能量较小而造成信号漏检。此外，当设计的同步信号不适合雷达探测时，无疑将进一步降低一体化系统的集成度。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种LFM-MPSK雷达通信一体化系统的时频联合同步方法和装置，其目的在于较好的实现雷达通信同步并提升一体化雷达系统的集成度，由此解决现有雷达系统通信同步效果差及一体化集成度低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种LFM-MPSK雷达通信一体化系统的时频联合同步方法，包括：
S1：发射携带调频斜率相反的同步载波和信息载波的一体化波形；其中，在相邻的LFM脉冲内，所述同步载波分别为正调频斜率同步载波和负调频斜率同步载波；
S2：利用获取的接收信号粗估计所述正调频斜率同步载波和所述负调频斜率同步载波各自的起止位置；
S3：基于两个所述起止位置设置若干不同时间起点的正调频参考信号和负调频参考信号；
S4：分别将所述正调频参考信号和所述负调频参考信号与对应时间窗的所述接收信号进行混频得到正混频信号和负混频信号；并估计所述正混频信号和所述负混频信号各自的谱峰频率；
S5：利用两组所述谱峰频率反演出同步时延和载波频偏；再利用所述同步时延和所述载波频偏对所述接收信号进行同步补偿，以对所述接收信号中的信息载波进行解调。
在其中一个实施例中，所述S1中携带同步载波ss(t)和信息载波sd(t)的一体化波形st(t)为：st(t)＝sMPSK(t)sd(t)+ss(t)；且
Figure GDA0003413023290000031
其中，Ad和As分别为信息载波和同步载波的幅度，i＝0,1,...,I-1表示整段信号中第1至第I个LFM脉冲，μ为调频斜率，T为信号持续时间，rect()为矩形窗函数；N为通信调制符号数目，M为调制阶数，di∈{0,1,...,M-1}为符号数据，Ts为符号时宽。
在其中一个实施例中，所述S2包括：
S21：设置负参考信号为
Figure GDA0003413023290000032
Ah，Th分别为所述负参考信号的幅度和持续时间，th为所述负参考信号的起始时间；
S22：移动th并将所述负参考信号与所述接收信号进行混频得到混频信号，对所述混频信号进行快速傅里叶变换得到不同th值下的谱峰强度值；
S23：将多个脉冲的谱峰强度值进行平均处理得到2T时间长度内谱峰平均强度值的变化图；
S24：从所述变化图中能量强度分析出所述负调频斜率同步载波的起止位置和所述正调频斜率同步载波的起止位置。
在其中一个实施例中，所述负调频斜率同步载波的起止位置分别为t1和t2，所述正调频斜率同步载波的起止位置分别为t2和t3；且所述负调频参考信号和所述正调频参考信号分别表示为：
Figure GDA0003413023290000041
其中，Ah和Th分别为两路参考信号的幅度和持续时间，Th＜T，
Figure GDA0003413023290000042
分别为所述负调频参考信号和所述正调频参考信号的初始时间，且
Figure GDA0003413023290000043
在其中一个实施例中，所述S4包括：
S41：将所述负调频参考信号和所述正调频参考信号分别与所述接收信号进行混频得到所述负混频信号
Figure GDA0003413023290000044
和所述正混频信号
Figure GDA0003413023290000045
S42：对
Figure GDA0003413023290000046
和
Figure GDA0003413023290000047
进行快速傅里叶变换得到两组频谱最大峰值对应的谱峰频率为：
Figure GDA0003413023290000048
其中，
Figure GDA0003413023290000049
fd和τ分别为所述接收信号的所述载波频偏和所述同步时延。
在其中一个实施例中，所述S5包括：
S51：以所述负调频参考信号和所述正调频参考信号的初始时间为自变量，两组所述谱峰频率为因变量进行线性回归，得到：
Figure GDA0003413023290000051
利用得到的公式
Figure GDA0003413023290000052
估计所述接收信号的传播时延
Figure GDA0003413023290000053
和载波频偏
Figure GDA0003413023290000054
S52：利用所述同步时延和所述载波频偏对所述接收信号进行同步补偿，以对所述接收信号中的信息载波进行解调。
按照本发明的另一方面，提供了一种LFM-MPSK雷达通信一体化系统的时频联合同步装置，包括：
发射模块，用于发射携带调频斜率相反的同步载波和信息载波的一体化波形；其中，在相邻的LFM脉冲内，所述同步载波分别为正调频斜率同步载波和负调频斜率同步载波；
估计模块，用于利用获取的接收信号粗估计所述正调频斜率同步载波和所述负调频斜率同步载波各自的起止位置；
设置模块，用于基于两个所述起止位置设置若干不同时间起点的正调频参考信号和负调频参考信号；
混频模块，用于分别将所述正调频参考信号和所述负调频参考信号与对应时间窗的所述接收信号进行混频得到正混频信号和负混频信号；并估计所述正混频信号和所述负混频信号各自的谱峰频率；
补偿模块，用于利用两组所述谱峰频率反演出同步时延和载波频偏；再利用所述同步时延和所述载波频偏对所述接收信号进行同步补偿，以对所述接收信号中的信息载波进行解调。
按照本发明的另一方面，提供了一种雷达通信一体化系统，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
发射端一体化波形同时包含调频斜率变化的信息载波和同步载波信号；接收端通过：设置负调频参考信号以实现同步载波的起止位置粗估计；根据粗估计的负、正调频斜率同步载波起止位置，分别设置若干不同时间起点的负、正调频参考信号；再将两组参考信号分别与对应时间窗的接收信号进行混频，并对两组混频后信号进行快速傅里叶变换，可得两组频谱最大峰值对应的频率值；最好利用估计所得两组频率反演出同步时延及载波频偏，接收信号经同步补偿后输出用于信号解调。本发明提供的时频联合同步方法在不影响通信效率及雷达性能的情况下，可实现一体化信号的时频联合同步，且误码率与传统同步技术的性能相当。
附图说明
图1是本发明一实施例中LFM-MPSK雷达通信一体化系统的时频联合同步方法的流程图；
图2为本发明一实施例中LFM-MPSK雷达通信一体化系统的时频联合同步方法的原理流程图；
图3a为本发明一实施例中LFM-MPSK雷达通信一体化系统的时频联合同步方法中滑动不同值下频谱最大峰的强度结果图；
图3b为本发明一实施例中LFM-MPSK雷达通信一体化系统的时频联合同步方法中对多个脉冲对应谱峰强度值进行平均处理的结果图；
图4为本发明一实施例中LFM-MPSK雷达通信一体化系统的时频联合同步装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种LFM-MPSK雷达通信一体化系统的时频联合同步方法，包括：
S1：发射携带调频斜率相反的同步载波和信息载波的一体化波形；其中，在相邻的LFM脉冲内，同步载波分别为正调频斜率同步载波和负调频斜率同步载波；
S2：利用获取的接收信号粗估计正调频斜率同步载波和负调频斜率同步载波各自的起止位置；
S3：基于起止位置设置若干不同时间起点的正调频参考信号和负调频参考信号；
S4：分别将正调频参考信号和负调频参考信号与对应时间窗的接收信号进行混频得到正混频信号和负混频信号；并估计正混频信号和负混频信号各自的谱峰频率；
S5：利用两组谱峰频率反演出同步时延和载波频偏；再利用同步时延和载波频偏对接收信号进行同步补偿，以对接收信号中的信息载波进行解调。
具体的，如图1和图2所示，S1：发射端一体化波形同时包含调频斜率变化的信息载波和同步载波信号，在第奇数个LFM脉冲内，同步载波为负调频信号，第偶数个LFM脉冲内则为正调频信号，信息载波的调频斜率与同步载波相反；S2：设置负调频参考信号，利用平滑搜索实现同步载波的起止位置粗估计；S3：根据S2所得的负、正调频斜率同步载波起止位置，分别设置若干不同时间起点的负、正调频参考信号；S4：将两组参考信号分别与对应时间窗的接收信号进行混频，对两组混频后信号进行快速傅里叶变换，可得两组频谱最大峰值对应的频率值；S5：利用估计所得两组频率反演出同步时延及载波频偏，接收信号经同步补偿后输出用于信号解调。
本实例中，正调频上采用QPSK调制加载通信信息，设定参数：采样率＝100MHz，LFM周期T＝1ms，符号速率106sps，调频斜率＝50GHz/s，接收信号的时延＝0.1T＝0.1ms，信号频偏6kHz，信噪比5dB，信号总时长8个LFM周期。
在其中一个实施例中，S1中携带同步载波ss(t)和信息载波sd(t)的一体化波形st(t)为：st(t)＝sMPSK(t)sd(t)+ss(t)；且
Figure GDA0003413023290000081
其中，Ad和As分别为信息载波和同步载波的幅度，i＝0,1,...,I-1表示整段信号中第1至第I个LFM脉冲，μ为调频斜率，T为信号持续时间，rect()为矩形窗函数；N为通信调制符号数目，M为调制阶数，di∈{0,1,...,M-1}为符号数据，Ts为符号时宽。
在其中一个实施例中，S2包括：
S21：设置负参考信号为
Figure GDA0003413023290000091
Ah，Th分别为负参考信号的幅度和持续时间，th为负参考信号的起始时间；
S22：移动th并将负参考信号与接收信号进行混频得到混频信号，对混频信号进行快速傅里叶变换得到不同th值下的谱峰强度值；
S23：将多个脉冲的谱峰强度值进行平均处理得到2T时间长度内谱峰平均强度值的变化图；
S24：从变化图中能量强度分析出负调频斜率同步载波的起止位置和正调频斜率同步载波的起止位置。
在其中一个实施例中，负调频斜率同步载波的起止位置分别为t1和t2，正调频斜率同步载波的起止位置分别为t2和t3；且负调频参考信号和正调频参考信号分别表示为：
Figure GDA0003413023290000092
其中，Ah和Th分别为两路参考信号的幅度和持续时间，Th＜T，
Figure GDA0003413023290000093
分别为负调频参考信号和正调频参考信号的初始时间，且
Figure GDA0003413023290000094
Figure GDA0003413023290000095
在其中一个实施例中，S4包括：
S41：将负调频参考信号和正调频参考信号分别与接收信号进行混频得到负混频信号
Figure GDA0003413023290000096
和正混频信号
Figure GDA0003413023290000097
S42：对
Figure GDA0003413023290000098
和
Figure GDA0003413023290000099
进行快速傅里叶变换得到两组频谱最大峰值对应的谱峰频率为：
Figure GDA00034130232900000910
其中，
Figure GDA0003413023290000101
fd和τ分别为接收信号的载波频偏和同步时延。
在其中一个实施例中，S5包括：
S51：以负调频参考信号和正调频参考信号的初始时间为自变量，两组谱峰频率为因变量进行线性回归，得到：
Figure GDA0003413023290000102
利用得到的公式
Figure GDA0003413023290000103
估计接收信号的传播时延
Figure GDA0003413023290000104
和载波频偏
Figure GDA0003413023290000105
S52：利用同步时延和载波频偏对接收信号进行同步补偿，以对接收信号中的信息载波进行解调。
举例来说，S1至S5实施具体过程如下：
S1发射的一体化信号可以表示为：
Figure GDA0003413023290000106
其中，dn为符号数据序列，本实施例中为随机生成序列。
S2中设置的负调频参考信号为：
Figure GDA0003413023290000111
负调频参考信号的持续时间为0.5T，将负调频参考信号进行延迟平滑移动，与接收信号进行混频，并对混频信号进行快速傅里叶变换，可得滑动不同值下频谱最大峰的强度值，见图3a，将4个脉冲的谱峰强度值进行平均处理，可得2T时间长度内谱峰平均强度值的变化图，见图3b。根据能量强度分析得出负调频斜率同步载波的起止位置分别为t1＝0.1T和t2＝1.1T，正调频斜率同步载波的起止位置分别为t2＝1.1T和t3＝2.1T。
S3中设置负、正调频参考信号分别为
Figure GDA0003413023290000112
根据S2所得的负、正调频斜率同步载波起止位置，分别设置5个不同时间起点
Figure GDA0003413023290000113
S4中所得的两路参考信号分别与接收信号进行混频，得到2路混频信号，具体表示如下：
Figure GDA0003413023290000114
Figure GDA0003413023290000115
对两路混频信号进行快速傅里叶变换，可得两组频谱最大峰值对应的频率值如下表：
Figure GDA0003413023290000116
Figure GDA0003413023290000121
S5中对S4所得的两组频率值进行拟合，得到回归直线参数，具体表示如下：
Figure GDA0003413023290000122
进而通过参数反演得到接收信号的同步时延与载波频偏，同步补偿后输出用于信号解调。
Figure GDA0003413023290000123
得到接收信号的接收时延与载波频偏分别为0.1T＝0.1ms和6kHz，与所设参数相同，表明该方法有效性。
按照本发明的另一方面，如图4所示，提供了一种LFM-MPSK雷达通信一体化系统的时频联合同步装置，包括：发射模块401、估计模块402、设置模块403、混频模块404和混频模块405。发射模块401，用于发射携带调频斜率相反的同步载波和信息载波的一体化波形；其中，在相邻的LFM脉冲内，同步载波分别为正调频斜率同步载波和负调频斜率同步载波；估计模块402，用于利用获取的接收信号粗估计正调频斜率同步载波和负调频斜率同步载波各自的起止位置；设置模块403，用于基于起止位置设置若干不同时间起点的正调频参考信号和负调频参考信号；混频模块404，用于分别将正调频参考信号和负调频参考信号与对应时间窗的接收信号进行混频得到正混频信号和负混频信号；并估计正混频信号和负混频信号各自的谱峰频率；补偿模块405，用于利用两组谱峰频率反演出同步时延和载波频偏；再利用同步时延和载波频偏对接收信号进行同步补偿，以对接收信号中的信息载波进行解调。
按照本发明的另一方面，提供了一种雷达通信一体化系统，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，其特征在于，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种LFM-MPSK雷达通信一体化系统的时频联合同步方法，其特征在于，包括：
S1：发射携带调频斜率相反的同步载波和信息载波的一体化波形；其中，在相邻的LFM脉冲内，所述同步载波分别为正调频斜率同步载波和负调频斜率同步载波；
S2：利用获取的接收信号粗估计所述正调频斜率同步载波和所述负调频斜率同步载波各自的起止位置；
S3：基于两个所述起止位置设置若干不同时间起点的正调频参考信号和负调频参考信号；
S4：分别将所述正调频参考信号和所述负调频参考信号与对应时间窗的所述接收信号进行混频得到正混频信号和负混频信号；并估计所述正混频信号和所述负混频信号各自的谱峰频率；
S5：利用两组所述谱峰频率反演出同步时延和载波频偏；再利用所述同步时延和所述载波频偏对所述接收信号进行同步补偿，以对所述接收信号中的信息载波进行解调；
所述S2包括：
S21：设置负参考信号为
Figure FDA0003413023280000011
Ah，Th分别为所述负参考信号的幅度和持续时间，th为所述负参考信号的起始时间；
S22：移动th并将所述负参考信号与所述接收信号进行混频得到混频信号，对所述混频信号进行快速傅里叶变换得到不同th值下的谱峰强度值；
S23：将多个脉冲的谱峰强度值进行平均处理得到2T时间长度内谱峰平均强度值的变化图；
S24：从所述变化图中能量强度分析出所述负调频斜率同步载波的起止位置和所述正调频斜率同步载波的起止位置；
所述负调频斜率同步载波的起止位置分别为t1和t2，所述正调频斜率同步载波的起止位置分别为t2和t3；且所述负调频参考信号和所述正调频参考信号分别表示为：
Figure FDA0003413023280000021
Ah和Th分别为两路参考信号的幅度和持续时间，Th＜T，
Figure FDA0003413023280000022
分别为所述负调频参考信号和所述正调频参考信号的初始时间，且
Figure FDA0003413023280000023
Figure FDA0003413023280000024
2.如权利要求1所述的LFM-MPSK雷达通信一体化系统的时频联合同步方法，其特征在于，所述S1中携带同步载波ss(t)和信息载波sd(t)的一体化波形st(t)为：st(t)＝sMPSK(t)sd(t)+ss(t)；且
Figure FDA0003413023280000025
其中，Ad和As分别为信息载波和同步载波的幅度，i＝0,1,...,I-1表示整段信号中第1至第I个LFM脉冲，μ为调频斜率，T为信号持续时间，rect()为矩形窗函数；N为通信调制符号数目，M为调制阶数，di∈{0,1,...,M-1}为符号数据，Ts为符号时宽。
3.如权利要求1或2所述的LFM-MPSK雷达通信一体化系统的时频联合同步方法，其特征在于，所述S4包括：
S41：将所述负调频参考信号和所述正调频参考信号分别与所述接收信号进行混频得到所述负混频信号
Figure FDA0003413023280000031
和所述正混频信号
Figure FDA0003413023280000032
S42：对
Figure FDA0003413023280000033
和
Figure FDA0003413023280000034
进行快速傅里叶变换得到两组频谱最大峰值对应的谱峰频率为：
Figure FDA0003413023280000035
其中，
Figure FDA0003413023280000036
fd和τ分别为所述接收信号的所述载波频偏和所述同步时延。
4.如权利要求3所述的LFM-MPSK雷达通信一体化系统的时频联合同步方法，其特征在于，所述S5包括：
S51：以所述负调频参考信号和所述正调频参考信号的初始时间为自变量，两组所述谱峰频率为因变量进行线性回归，得到：
Figure FDA0003413023280000037
利用得到的公式
Figure FDA0003413023280000038
计所述接收信号的传播时延
Figure FDA0003413023280000039
和载波频偏
Figure FDA00034130232800000310
S52：利用所述同步时延和所述载波频偏对所述接收信号进行同步补偿，以对所述接收信号中的信息载波进行解调。
5.一种LFM-MPSK雷达通信一体化系统的时频联合同步装置，其特征在于，包括：
发射模块，用于发射携带调频斜率相反的同步载波和信息载波的一体化波形；其中，在相邻的LFM脉冲内，所述同步载波分别为正调频斜率同步载波和负调频斜率同步载波；
估计模块，用于利用获取的接收信号粗估计所述正调频斜率同步载波和所述负调频斜率同步载波各自的起止位置；
设置模块，用于基于两个所述起止位置设置若干不同时间起点的正调频参考信号和负调频参考信号；所述负调频斜率同步载波的起止位置分别为t1和t2，所述正调频斜率同步载波的起止位置分别为t2和t3；且所述负调频参考信号和所述正调频参考信号分别表示为：
Figure FDA0003413023280000041
Ah和Th分别为两路参考信号的幅度和持续时间，Th＜T，
Figure FDA0003413023280000042
分别为所述负调频参考信号和所述正调频参考信号的初始时间，且
Figure FDA0003413023280000043
Figure FDA0003413023280000044
混频模块，用于分别将所述正调频参考信号和所述负调频参考信号与对应时间窗的所述接收信号进行混频得到正混频信号和负混频信号；并估计所述正混频信号和所述负混频信号各自的谱峰频率；
补偿模块，用于利用两组所述谱峰频率反演出同步时延和载波频偏；再利用所述同步时延和所述载波频偏对所述接收信号进行同步补偿，以对所述接收信号中的信息载波进行解调；
所述估计模块还用于设置负参考信号为
Figure FDA0003413023280000051
Ah，Th分别为所述负参考信号的幅度和持续时间，th为所述负参考信号的起始时间；移动th并将所述负参考信号与所述接收信号进行混频得到混频信号，对所述混频信号进行快速傅里叶变换得到不同th值下的谱峰强度值；将多个脉冲的谱峰强度值进行平均处理得到2T时间长度内谱峰平均强度值的变化图；从所述变化图中能量强度分析出所述负调频斜率同步载波的起止位置和所述正调频斜率同步载波的起止位置。
6.一种雷达通信一体化系统，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。
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