JP4261142B2 - 音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法および音声信号符号化器を有する通信装置 - Google Patents
音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法および音声信号符号化器を有する通信装置 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、好ましくは符号励起線形予測(Code Excited Linear Prediction)プロセスを用いて、テプリッツ(Toeplitz―人名―)タイプの自己相関行列の三角行列の係数を演算するために、n個の音声信号サンプリングを含む時間間隔がp個の可能パルス位置をそれぞれ有するt個の整数のトラックに分割される音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法に関する。この発明はまた、音声信号符号化器を備える個別の移動電話機に設けられる通信装置にも関する。
【0002】
【従来の技術】
このような方法は、デジタル音声通信手順(手段)の中で用いられている。もしもアナログ音声信号が個別のサンプリングレートでデジタル信号へと変換されるならば、非常に大きな容量のデータが生成されて、このデータは制限されたスループット(処理能力)の無線チャネルを介してでは完全には送信することができない。その限りでは、音声信号のデジタル化の後に、この信号は圧縮される。信号は、不適切な成分が除去され、反復される成分には短縮された名前が与えられてこれらの短縮された名前のみが符号として送信されるように圧縮される。
【0003】
この移動電話を使用するための符号化プロセスの技術分野においては、CELP(Code Excited Linear Prediction―符号励起線形予測―)プロセス方法が格別な重要性を獲得するようになってきている。この効率的な符号化方法において自己相関行列に格納された音成分が識別されて、係数として送信される。自己相関行列は、行列が記載されたノートブック、またはこのノートブックのアドレスのみが写し取られた符号(コード)ブックと比較することができる。受信機は、受信したデジタル信号をオリジナル信号にできるだけ近いアナログ音声信号に変換するために、全く相等しいノートブックを必然的に要求する。
【0004】
多数の符号化器/復号化器が、8kbps(キロビットパーセカンド― kilo bits per second―)以上のビットレートで動作するメソッドCS−ACELPおよびACELPを含むITUにより国際的に標準化されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このCELPプロセスにおいては、まず線形予測係数(以下、LPC―Linear Prediction Coefficient―と略記する。)分析がなされる。その後、残りの信号は、検索プロセスによる適応できる符号ブック内に量子化される。このようにして、音声信号の周期的な部分は、LTP分析(長期的な予測)で雑音が除去(フィルタ)される。残りの信号は、第2のブック内に量子化されて;このプロセスのための多数の解決法が既に存在している。AMRプロセス(適応できるマルチレート音声コーデック)においては、代数的な符号ブックが用いられている。代数的符号ブック検索の原理は、個別の時間間隔を示すと共に制限された数のパルスが+1または−1の振幅(較差)を有する符号ベクトルを検索することに基づいている。
【0006】
この符号ベクトルは、例えば合成フィルタを介して雑音の除去(フィルタ)が行なわれ、換言すれば、復号化プロセスは送信側で行なわれ、信号の送信後には受信側で行なわれている。非常に大きな数の可能符号ベクトルは、最少の誤りエネルギーを有する、換言すればオリジナル信号にできるだけ同じである符号ベクトルを決定するために、縮小(ネスト化)された検索ループにより体系的(組織的)にチェックされている。
【0007】
符号ベクトルのこの反復的な決定は、移動電話の計算容量の大部分を占めているので、この検索アルゴリズムの最適化は格別に効果的である。第1に、相対的に高価であるRAMのために要求されるRAM構成要素として求められた多数のメモリ部分を低減することが望まれており、第2に、目的は、検索アルゴリズムの計算動作の要求される数を低減することである。
【0008】
自己関数行列は、テプリッツ(Toeplitz)行列であり、換言すればこれはその主要な対角線、および最上位三角行列および/またはこれと同じに全ての係数を含む最下位三角行列に関連して、対称である。したがって、完全な自己相関行列の代わりに、メモリ領域を節約するために三角行列のうちの唯1つを格納することが既に提案されていた。しかしながら、このプロセスは、個々の係数の複雑なアドレッシングを導いているので、メモリ領域の節約は計算の複雑さが増大することにより相殺されてしまう。
【0009】
それゆえにこの発明は、必要なメモリスペースを節約すると共に計算の複雑性を低減する方法を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
冒頭に説明したタイプの方法における子の問題を解決するために、この発明により、隣接するトラックの組み合わせ、隣接しないトラックの組み合わせ、全く相等しいトラックの組み合わせ、および自己相関行列の主要対角線の係数にグループ分けされたメモリ内に、係数を格納することを提案している。
【0011】
この発明による方法において、自己相関行列の要求された係数は、迅速で連続するアクセスを許容するように、格納されている。そう(複雑)でなければ要求されないのであろうが、三角行列の係数のための相対的に複雑なメモリアドレスの計算は、かなり簡略化することができる。幾つかの係数は、非常に頻繁に要求されるが他の係数は非常にまれにしか要求されない。この状況は最適化されたグループ分けにより実現されているので、自己相関行列の周期的に要求される係数は、より簡単にアドレスすることができ、結果として非常に迅速なアクセスをすることになる。
【0012】
この発明は、それぞれの場合に隣接するトラックの組み合わせのグループおよび隣接しないトラックの組み合わせのグループのために、それぞれがp×p個の係数のt個のデータ記録が格納されていることを提案している。実用上非常に重要な、CELPまたはACELPプロセスの動作モードは、2つの隣接するパルスの位置が同時に確立されているので、符号ベクトル毎のp個の可能パルス位置のためには、検索ループを介してp×p個の通路があるということを提供している。
【0013】
この検索ループ内で要求される係数への極めて迅速かつ簡単なアクセスは、もしも係数がメモリ内に連続的に格納されているのならば、実現可能である。
【0014】
この発明の更なる実施の態様において、自己相関行列の水平方向または垂直方向のベクトルを表すp係数を有するデータ記録のサブグループが、第1の係数のメモリポイントを表示する値と次のメモリポイントに対する一定のステップ幅とが予め特定されているプログラムループを介して読み出されるという構成が提供される。
【0015】
したがって、第1のメモリアドレスおよびステップ幅のための開始または最初の値、すなわち、それぞれの場合における次のメモリポイントに対するメモリ箇所の数を定義するだけで充分である。ハードのメモリ内に格納されたルックアップテーブルの開始の値を用いるか、あるいはそれらを計算して提供することができる。
【0016】
ステップ幅は、隣接するトラックの組み合わせグループのデータ記録のために有利に選択される。この係数は、順次連続して格納され、特に簡単に読み出すことができる。
【0017】
隣接しないトラックの組み合わせグループのデータ記録のために、ステップ幅pを選択することが推奨される。
【0018】
全く相等しいトラックの組み合わせグループのために要求されるメモリスペースを低減させるために、t三角行列が連続的に格納可能である。1つの三角行列は、全く相等しいトラックの組み合わせの各々に対応し、あらゆるt三角行列は、1つのブロック内に格納されている。
【0019】
これらの係数は相対的にまれにしか要求されることがないので、もしもアクセスが僅かに少しだけ複雑になっても不都合はない。計算の複雑性を更に低減するために、ルックアップテーブルを介して再度アクセスが行なわれる。
【0020】
主要な対角線の計数は、1つのグループ内に組み合わされて連続的に格納されている。
【0021】
1つの時間間隔の範囲内でもしも40の音声信号サンプリングが実行されるならば好都合であることが分かる。もしもこの値が選択されたならば、このプロセスは国際的に確立された規則により互換可能である。音声信号用の8kHzの典型的なサンプリングレートのために20msecの時間間隔が要求されており、この短い時間間隔の範囲内で、この音声信号は準静的(quasistationary)なものとみなすことができると共に、符号ベクトルにより表すことができる。
【0022】
自己相関行列は、好ましくは、時間ウィンドウ内の40音声信号サンプリングに相当する、40×40マトリックスである。
【0023】
この発明の実施態様によるプロセスにおける反復する数を低減させるために、時間間隔が等しい長さの整数のトラックへと分割されている。好ましくは、時間間隔は、それぞれが8個のパルス位置を有する5個のトラック、または、それぞれが10個のパルス位置を有する4個のトラックに分割されている。
【0024】
もしも隣接するトラックと隣接しないトラックとの組み合わせによる係数グループがそれぞれ64個の係数を含むブロックの大部分から形成されているのならば、係数に対する特に迅速なアクセスが実行される。反復の間にこれらの係数グループは、とりわけ頻繁にアクセスされなくてはならない。したがって、これらのグループはそれらが計算のために求められ、そのように迅速にアクセスされるために格納されており;これは計算の複雑性の低減を導いている。
【0025】
特に良好な結果は、もしも320の値が隣接するトラックの組み合わせの係数グループのために決定されるならば、実現可能である。隣接しないトラックの組み合わせの係数グループのためにもまた、320の値が決定される。全く相等しいトラックの組み合わせの係数グループは140の値を含み;主要対角線の係数と共に合計で820の係数が決定される。
【0026】
計算速度における更なる増加は、もしもメモリが幾つかのRAMメモリバンクを有し、係数グループが異なるRAMメモリバンクに格納されたならば、実現可能である。もしも係数グループが異なるRAMメモリバンクに格納されているならば、これらの係数グループは並列にアクセスすることができ、すなわち、2つの係数を同時に読み出すことができる。したがって、メモリアクセス時間は凡そ半分にすることができる。
【0027】
この発明による方法は、移動電話のオペレーティングシステムに対して特に有利に一体化することができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面に示されているがこの発明を限定するものではない実施例を参照しながら詳細に説明する。図面は、線図であり、図面の簡単な説明に記載されている内容のものである。
【0029】
繰り返し検索プロセスにより、実際の信号に最も良く対応するすなわちエラーエネルギーが最少となるコードベクトルが決定される。検索プロセスの範囲内でパルスは次から次へと決定されるので、検索が進行するにつれて、変数の数が減少させられる。
【0030】
図1の表は、40個の音声信号サンプリングを含む時間間隔から、それぞれが10個のパルス位置を有する4個のトラックへの分割を示している。実際には重要である他の分割は、それぞれが8個の可能パルス位置を有する5個のトラックへの分割である。それぞれのパルスについて、トラックを位置決めすることができるように定義される。
【0031】
したがって、第1のパルスは、全部で40個の位置の代わりに10(8)個の位置だけに配置することができる。パルス位置は最少のエラーエネルギーを有するように繰り返し選択される。その後、次のパルス位置が既に確立された第1のパルス位置を考慮して、繰り返し決定される。このプロセスは全てのパルスについて行なわれる。
【0032】
動作モードを特定の周期で発生させるために、2つの隣接するパルスが同時に決定される。このために、2つのパルスの全ての組み合わせが計算され、最も好ましいパルス対が既にセットされたパルス対を考慮して決定される。トラックが8個のパルス位置を有する動作モードにおいては、8×8=64個の計算が要求され;10個のパルス位置を有するトラックの場合、10×10=100個の計算が各パルス対のために行なわれなければならない。以下の実施例は、パルス対が同時に決定されるプロセスに関するものである。
【0033】
図2は、8個のパルスがセットされる動作モード用にテストされるべきトラック/パルス組み合わせの表を示している。第1パルスIp0が逆フィルタされた目標信号の最大値を含むトラック内にセットされる。この設定は実際の検索ループの前になされて、全体の検索ループに適用されている。図示された実施においては、逆フィルタされた目標信号の最大値がトラック2内にある。したがって、この値は、全ての繰り返しにおけるパルスIp0のために維持されている。第2のパルスIp1は、トラックの8個の可能パルス位置の全てが決定されることで決定される。
【0034】
図2より明らかなように、繰り返し1においては、トラック3の8個の位置がテストされる。トラック3のパルス位置は、最少のエラーエネルギーと共に選択される。Ip0およびIp1の定義の後に、パルスIp2およびIp3のための64個の可能組み合わせがテストされる。図2より明らかなように、Ip2は、第1の繰り返しのために、トラック3で見つけられるべきであり、トラック0では、Ip4 が見つけられるべきである。
【0035】
その後パルス対Ip4−Ip5、Ip6−Ip7、Ip8−Ip9が同様のプロセスで定義される。全ての組み合わせがテストされてしまったとき、最少のエラーエネルギーを有する符号ベクトルが格納されると共に、繰り返し2が同様に行なわれる。最少のエラーエネルギーを有するパルスが選択される。この繰り返しの符号ベクトルは、目標ベクトルに最も近似している。それぞれの繰り返しのために、4つのパルス対がチェックされ、すなわち全部で4×64=256個の計算が行なわれる。したがって、4つの繰り返しのためには、1024個の計算が行われている。
【0036】
図3は、一緒にチェックされる、隣接するトラックと隣接しないトラックのテーブル(表)を示している。図2から、トラックのある組み合わせが周期的に、例えばTr0−Tr1,Tr1−Tr3で発生しているが、他の組み合わせは全く発生していないことが明かである。図3の左側の欄は、検索プロセスのために必要な隣接するトラックを含んでいる。
【0037】
検索プロセスは実際の検索ループへと分割されており、この実際の検索ループにおいては、アクセスは自己相関行列の64個の値を有するブロックについてなされ;それぞれが64個の値を有する4つのパルス対を備える4つの繰り返しについては全部で1024個の行列のアクセスがその後になされる。
【0038】
検索ループの外側では、アクセスは8個の値に対してなされ、全体で1280個のアクセスが自己相関行列に対して行なわれる。従来のプロセスにおいては、全部の自己相関行列は、40×40=1600個の値について格納されている。しかしながら、それぞれの場合においては64個の値のブロックが要求されているので、それらの値が一緒に格納される。ブロック内のシーケンス(手順)はこれらの値が要求されたメモリアドレスについての複雑な計算をすることなく一定のステップ幅のプログラムループを介してアクセスすることができるように選択される。
【0039】
図3の左側の欄から理解できるように、全体で320個の値を有する隣接するトラックの64個の値をそれぞれが有する5つのグループが存在している。したがって、それぞれが64個の値を有する隣接しないトラックの5つの組み合わせもまた存在しているので、ここで再び全部で320個の値が計算されなければならない。
【0040】
図4は、例えばTr0−Tr0の2つの全く相等しいトラックの組み合わせの係数を有する対角線状の行列(マトリックス)を示している。全く相等しいトラックの5つの組み合わせから、全部で140個の値を有するブロックが形成される。このブロックへのアクセスは、全てのアクセスの10%のみがこの範疇(カテゴリー)に該当しているので、相対的に稀少なものである。この理由により、もしもアクセス、すなわち係数のアドレッシングが僅かに少し複雑になったとしてもそれが不都合となることはない。さらに、アクセスのための割り当てテーブルを用いることも可能である。
【0041】
図5は、主要な対角線の係数を示している。合計で40個の信号サンプリングが1つの時間間隔内で行なわれているので、この主要な対角線は、1つのブロック内に連続的に格納される40個の要素を含んでいる。
【0042】
合計で、隣接するトラックの組み合わせにおける合計で320個の係数、隣接しないトラックの組み合わせにおける320個の係数、全く相等しいトラックの組み合わせにおける140個の係数、および主要な対角線の40個の係数が計算されるので、合計して820個の係数が計算されている。
【0043】
図6は、複数のグループで計算されるべき全ての係数を示している。各楕円形のシンボルは、係数の個別の番号を有するサブグループを表示している。ブロック1および2において各サブグループは8個の係数を有し、ブロック4においては5個の係数を有している。ブロック3における係数の数は、対角線の行列であるため異なっている。
【0044】
個々のブロックの計算について、以下、より詳細に説明する。ブロック1ないし4のそれぞれは、別々に計算することができる。図7において、これらのステップはブロック1のために示されている。第1のステップは、自己相関行列の値(38/39)で開始する。この行列は、図7に描かれた対角線が値0/1に到達するまで対角線上で処理される。
【0045】
終了の値は、‘A’とマークされ、右手側の‘A’とマークされた値(33/39)まで続いている。同様のことはシンボル‘B’にも適用する。
【0046】
第1のステップの後のブロック1のメモリシーケンスは図8に示されており、矢印は、自己相関行列からの係数が8×8個の値を備えるブロック内に格納されている順番を表示している。第2のサブステップは、図7に示される値(30/39)から開始する。この対角線は、値(0/4)まで処理され、第2の部分は値(30/39)で開始され、以下同様に処理される。
【0047】
図9は、第2のサブステップの後のブロック1のメモリシーケンスを示している。第1のステップで既に格納されていた全ての値は、図9に黒いドット(●)によりマークされる。この第2のステップを介して、全体のブロックが充填される。図7に従うと、第1のラインは、トラック0−トラック1の相関する値を含んでおり、第2のラインは、トラック1−トラック2の相関する値を含んでおり、以下同様である。
【0048】
図10は、同様のやり方により生成することができる隣接しないトラックの値を有するブロック2の計算を示している。図10のブロック1と同様に、要求される信号が描かれている。第1の部分は、値(37/39)から始まっている。この対角線は値(0/2)まで処理され、第1の部分は値(32/39)まで続けられる。
【0049】
図11は、前記第1のステップの後のブロック2のメモリシーケンスを示している。第2の部分は、値(36/39)から始まっている。対角線は、値(0/3)まで続けられ、第2の部分は、値(31/39)まで続けられる。
【0050】
図12は、前記第2のステップの後のブロック2のメモリシーケンスを示している。第1のステップで既に格納された全ての値は、ドットによりマークされている。
【0051】
図13は、全く相等しいトラックの組み合わせのブロックについての計算を示している。上述した実施例と同様に、要求される対角線が示されている。ブロック3は、単一の経路で計算することができる。ブロック3のメモリシーケンスは図14に示されている。
【0052】
ブロック4用の係数は、自己相関行列の主要な対角線の値である。
【0053】
1600個の係数が演算されて格納される従来の解決方法に比較して、このプロセスにおいては、820個の係数が計算されなければならない。これは、凡そ30%の計算の複雑さの低減を与える。RAMメモリの必要条件は、凡そ40%により低減される。
【0054】
計算時間を更に短縮させるために、ブロック1およびブロック2が、メモリの分離独立したRAMメモリバンク内に格納されているので、2つの値は同時に読み出すことができる。
【0055】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明に係る音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法および音声信号符号化器を有する通信装置によれば、必要とされるメモリスペースを節約できると共に計算の複雑性を低減する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施形態におけるそれぞれが10個の可能パルス位置を有する4個のトラックに時間間隔を分割した状態を示す説明図である。
【図2】この発明の実施形態におけるテストされるべきトラック/パルスの組み合わせを示す図表である。
【図3】この発明の実施形態における隣接するトラックおよび隣接しないトラックを示す図表である。
【図4】この発明の実施形態における全く相等しいトラックの組み合わせの係数を有する三角行列を示す説明図である。
【図5】この発明の実施形態における主要対角線の係数を示す説明図である。
【図6】この発明の実施形態における計算されるべき全ての係数の概観図である。
【図7】この発明の実施形態における隣接するトラック(ブロック)の組み合わせのグループの計算を示す説明図である。
【図8】この発明の実施形態における第1のステップの後でのブロック1のメモリシーケンスを示す説明図である。
【図9】この発明の実施形態における第2のステップの後でのブロック1のメモリシーケンスを示す説明図である。
【図10】この発明の実施形態における隣接しないトラック(ブロック2)の組み合わせのグループの計算を示す説明図である。
【図11】この発明の実施形態における第1のステップの後でのブロック2のメモリシーケンスを示す説明図である。
【図12】この発明の実施形態における第2のステップの後でのブロック2のメモリシーケンスを示す説明図である。
【図13】この発明の実施形態における全く相等しいトラック(ブロック3)の値を有するブロックの計算を示す説明図である。
【図14】この発明の実施形態におけるブロック3のメモリスペースシーケンスを示す説明図である。
【符号の説明】
Tr1〜Tr4 トラック
Claims (19)
- 好ましくは符号励起線形予測(Code Excited Linear Prediction)プロセスを用いて、テプリッツ(Toeplitz―人名―)タイプの自己相関行列の三角行列の係数を演算するために、n個の音声信号サンプリングを含む時間間隔が、p個の可能パルス位置をそれぞれ有するt個の整数のトラックに分割される、音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法において、
前記係数が、
隣接するトラックの組み合わせ;
隣接しないトラックの組み合わせ;
全く相等しいトラックの組み合わせ;
自己相関行列の主要な対角線の(ダイアゴナル―diagonal―)係数;
のグループに分類されてメモリ内に格納されていることを特徴とする音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法。 - それぞれの場合における隣接するトラックの組み合わせと隣接しないトラックの組み合わせのために、p×p個の係数をそれぞれ有するt個のデータ記録が格納されていることを特徴とする請求項1に記載の音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法。
- 前記係数は、順次に連続して格納されていることを特徴とする請求項1または請求項2の何れかに記載の音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法。
- 前記自己関数行列の水平方向または垂直方向ベクトルを示す、p個の係数を有するデータセットが、前記第1の係数のメモリポイントを示す値と次のメモリポイントに対する一定のステップとが前もって特定されているプログラムループを介して読み出されることを特徴とする請求項2および請求項3の何れかに記載の音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法。
- 前記隣接するトラックの組み合わせグループでのデータ記録のために、前記ステップの値1が選択されていることを特徴とする請求項4に記載の音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法。
- 前記隣接しないトラックの組み合わせグループでのデータ記録のために、前記ステップの値pが選択されていることを特徴とする請求項4に記載の音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法。
- 全く相等しいトラックtの組み合わせグループでのデータ記録のために、三角行列が順次に連続して格納されていることを特徴とする請求項1ないし請求項6の何れかに記載の音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法。
- 全く相等しいトラックのグループの係数に対するアクセスは、ルックアップテーブルを介して行なわれることを特徴とする請求項7に記載の音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法。
- 主要な対角線の係数が順次に連続して格納されていることを特徴とする請求項1ないし請求項8の何れかに記載の音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法。
- 40個の音声信号サンプリングは、時間間隔の範囲内に含まれていることを特徴とする請求項1ないし請求項9の何れかに記載の音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法。
- 前記自己相関行列は、40×40の行列(マトリックス―matrix―)である請求項1ないし請求項10の何れかに記載の音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法。
- 時間間隔は、それぞれが8個の可能パルス位置を含む5個のトラックに分割されていることを特徴とする請求項1ないし請求項11の何れかに記載の音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法。
- 時間間隔は、それぞれが10個の可能パルス位置を含む4個のトラックに分割されていることを特徴とする請求項1ないし請求項11の何れかに記載の音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法。
- 前記隣接するトラックの組み合わせグループのために、320個の係数が決定されることを特徴とする請求項1ないし請求項13の何れかに記載の音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法。
- 前記隣接しないトラックの組み合わせグループのために、320個の係数が決定されることを特徴とする請求項1ないし請求項14の何れかに記載の音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法。
- 前記全く相等しいトラックの組み合わせグループのために、140個の係数が決定されることを特徴とする請求項1ないし請求項15の何れかに記載の音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法。
- 全部で820個の係数が決定されることを特徴とする請求項1ないし請求項16の何れかに記載の音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法。
- 係数のグループは、幾つかのRAMメモリバンクを有するメモリの種々のRAMメモリバンク内に格納されていることを特徴とする請求項1ないし請求項17の何れかに記載の音声信号符号化器の代数的符号ブック検索方法。
- 個別の移動電話機に設けられて、請求項1ないし請求項18の何れかの記載の代数符号ブック検索方法を行なうオペレーティングシステムを備えることを特徴とする音声信号符号化器を有する通信装置。
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