JP4630056B2 - 畳み込み演算回路 - Google Patents

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Description

本発明は、与えられるデジタル信号に対して畳み込み演算を行う畳み込み演算回路に関する。
従来、与えられるデジタル信号の帯域を制限して出力するフィルタ回路が知られている。当該フィルタ回路は、例えばデジタル信号に対して畳み込み演算を行うことにより、所望の帯域に制限した信号を生成する。
例えばFIRフィルタ回路は、直列に設けられ、デジタル信号のそれぞれのデータを順次遅延させる複数の遅延手段と、複数の遅延手段に対応して設けられ、対応する遅延手段が出力するデータに所定のフィルタ係数を乗算する複数の乗算部と、複数の乗算部が出力するデータの総和を算出する加算部とを備える。
このような構成により、デジタル信号のそれぞれのデータに対して畳み込み演算を行い、帯域を制限した信号を生成している。関連する特許文献等は、現在認識していないため、その記載を省略する。
しかし、入力されるデジタル信号のそれぞれのデータのビット数が大きい場合、乗算部の回路規模が非常に大きくなってしまう。また、デジタル信号のデータ数をデシメーションフィルタによって間引きした場合、それぞれのデータの有効ビット数は、間引き率に応じて増大する。このため、デシメーションフィルタを通過したデジタル信号に畳み込み演算を行う場合、大規模の演算回路が必要となる。
また、デシメーションフィルタにおける間引き率が可変である場合、後段のFIRフィルタ回路に入力されるデジタル信号の有効ビット数は変動する。このような場合、FIRフィルタにおける演算部は、デジタル信号の可変有効ビット数の最大値に対応できる規模を有する必要があり、回路規模の増大を招いている。
このため本発明は、上述した課題を解決することのできる畳み込み演算回路を提供することを目的とする。この目的は、請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。
上記課題を解決するために、本発明の第1の形態においては、与えられるデジタル信号に対して畳み込み演算を行う畳み込み演算回路であって、デジタル信号のそれぞれの振幅データを、複数のビット領域に分割した複数の分割データを生成するデータ分割部と、それぞれの振幅データに対して、分割データ毎に時分割で所定の畳み込み演算を行い出力する演算部と、演算部が出力する分割データを、振幅データ毎に結合する結合部とを備える畳み込み演算回路を提供する。
畳み込み演算回路は、デジタル信号の振幅データ数を低減してデータ分割部に与えるデシメーションフィルタを更に備え、データ分割部は、デシメーションフィルタの間引き率に基づいて、振幅データの分割数を制御してよい。データ分割部は、間引き率に基づいて、デシメーションフィルタが出力するデジタル信号の有効ビット数を算出し、有効ビット数が増大した場合に、分割数を増大させてよい。
畳み込み演算回路は、デジタル信号の振幅データ数を低減してデータ分割部に与えるデシメーションフィルタを更に備え、データ分割部は、それぞれの振幅データを、予め定められたビット数毎に分割した複数の分割データを生成してよい。
演算部は、直列に接続され、振幅データを所定の時間ずつ格納して順次次段に伝送し、格納した振幅データのそれぞれの分割データを、所定の時間内において時分割で出力する複数のメモリ部と、複数のメモリ部に対応して設けられ、対応するメモリ部が順次出力するそれぞれの分割データに、予め定められた演算係数を乗算して出力する複数の乗算部と、複数の乗算部が同期して出力する分割データを加算し、結合部に出力する加算部とを有してよい。
それぞれのメモリ部は、振幅データを、分割データ毎にそれぞれ予め定められたアドレスに格納し、畳み込み演算回路は、それぞれのメモリ部が対応する乗算部に出力するべきデータのアドレスとして、それぞれの分割データが格納されたアドレスを順次時分割で指定する制御部を更に有してよい。
制御部は、デシメーションフィルタにおける間引き率に基づいて、メモリ部に対して指定する前記アドレスを制御してよい。データ分割部は、振幅データのそれぞれの分割データを順次出力し、それぞれのメモリ部は、データ分割部が順次出力する分割データを順次格納して伝送する、直列に設けられた振幅データの分割数と同数のレジスタを有し、それぞれの乗算部は、対応するメモリ部のレジスタのうち、最後段のレジスタが出力するデータを受け取り、演算係数を乗算してよい。それぞれの乗算部は、分割データのそれぞれに対して、演算係数を複数のビット領域に分割した複数の分割演算係数を時分割で乗算してよい。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図1は、本発明の実施形態に係る畳み込み演算回路100の構成の一例を示す図である。畳み込み演算回路100は、与えられるデジタル信号に対して畳み込み演算を行う回路であって、データ分割部10、演算部12、結合部20、及び制御部28を備える。制御部28は、データ分割部10、演算部12、及び結合部20の動作を制御する。畳み込み演算回路100は、例えばデジタル信号の帯域を制限するフィルタ回路として用いることができる。
データ分割部10は、デジタル信号を受け取り、当該デジタル信号のそれぞれの振幅データを、複数のビット領域に分割した複数の分割データを生成する。例えば、データ分割部10は、デジタル信号のそれぞれの振幅データを、上位ビットデータ及び下位ビットデータに分割する。このとき、データ分割部10は、それぞれの分割データのビット数が略同一となるように、振幅データを分割する。また、それぞれの振幅データは、当該振幅の符号を示す符号ビットを含むものであってよい。
例えば、符号ビットを含む振幅データのビット数B[bit]であり、分割数が2である場合、データ分割部10は、ビット数Bが偶数であれば、振幅データの上位B/2ビットを上位ビットデータとし、下位B/2ビットを下位ビットデータとする。また、ビット数Bが奇数である場合、振幅データの上位B/2ビット又は(B+1)/2ビットを上位ビットデータとし、残りのビットを下位ビットデータとする。
演算部12は、例えばFIRフィルタの構成を有しており、それぞれの振幅データに対して、分割データ毎に時分割で所定の畳み込み演算を行い出力する。本例において、演算部12は、複数のメモリ部(14−0、14−1、14−2、以下14と総称する)、複数の乗算部(16−0、16−1、16−2、以下16と総称する)、及び加算部18を有する。
複数のメモリ部14は、直列に接続され、デジタル信号の振幅データを所定の時間ずつ格納して順次次段に伝送する。つまり、デジタル信号の振幅データを当該所定の時間ずつ遅延して、順次次段に伝送する。そして、格納した振幅データのそれぞれの分割データを、当該所定の時間内において時分割で乗算部16に出力する。例えば、それぞれのメモリ部14は、伝送された振幅データを、分割データ毎にそれぞれ予め定められたアドレス領域に格納し、それぞれのアドレス領域に格納した分割データを、対応する乗算部16に順次出力する。
この場合、制御部28は、データ分割部10にデータを分割させ、それぞれの分割データが格納されたアドレスを順次時分割で指定し、それぞれの分割データを順次乗算部16に出力させる。また、制御部28は、それぞれメモリ部14において、それぞれ対応する分割データを同期して出力させる。例えば、振幅データを2分割する場合、制御部28は、それぞれのメモリ部14に格納された、それぞれの振幅データの上位ビットデータを同期して出力させ、また下位ビットデータを同期して出力させる。
それぞれの乗算部16は、複数のメモリ部14に対応して設けられ、対応するメモリ部14が順次出力するそれぞれの分割データに、予め定められた演算係数を乗算して出力する。そして、加算部18は、複数の乗算部16が同期して出力する分割データをそれぞれ加算し、結合部20に出力する。このような動作により、それぞれの振幅データのビット領域を分割して、所定の時間内で、それぞれの分割データ毎に、所定の演算係数を乗算して出力することができる。
また、データ分割部10が、振幅データのそれぞれの分割データを時分割で出力する場合、演算部12は、初段の乗算部16−0に対応するメモリ部14−0を有さなくともよい。メモリ部14−0は、データ分割部10が、それぞれの分割データを同時に出力する場合に、乗算部16−0に分割データを時分割で供給するために設けたものである。
結合部20は、演算部12が出力する分割データを、振幅データ毎に結合する。例えば、演算部12において振幅データを2分割して演算した場合、結合部20は、同一の振幅データに対応する上位ビットデータ及び下位ビットデータを結合する。本例において結合部20は、シフト部22及び結合回路24を有する。シフト部22は、演算部12が順次出力する分割データを受け取り、それぞれの分割データが振幅データのいずれのビット領域に対応するかに基づいて、それぞれの分割データのビットをシフトして出力する。例えば、振幅データを2分割した場合の上位ビットデータに対しては、下位ビットデータのビット数だけシフトして結合回路24に出力し、下位ビットデータに対しては、ビットをシフトせずに結合回路24に出力する。シフト部22におけるシフト量は、制御部28が制御してよい。結合回路24は、受け取った分割データを加算することにより結合する。これにより、それぞれの振幅データに対して所定の畳み込み演算を行ったデータを生成することができる。
本例における畳み込み演算回路100によれば、与えられるデジタル信号のそれぞれの振幅データを分割し、それぞれの分割データに対して時分割で畳み込み演算を行うため、振幅データのビット数が大きい場合であっても、小さい回路規模の乗算部16で演算を行うことができる。また、データ分割部10は、デジタル信号のそれぞれの振幅データを、所定のビット数毎に分割することが好ましい。つまり、予め定められたビット数の分割データを生成することが好ましい。このとき、分割データのビット数は、演算部12が処理できるビット数によって定められる。例えば、乗算部16がnビットの入力データを処理できる場合には、データ分割部10は、nビット以下の分割データを生成する。これにより、演算部16の性能に関わらず、任意のビット長のデジタル信号に対して畳み込み演算を行うことができる。
また、演算部12は、メモリ部14−0を有さなくともよい。この場合、データ分割部10は、それぞれの分割データを順番に出力する。そして、メモリ部14−1及びメモリ部14−2は、それぞれの分割データを、当該分割データが振幅データのいずれのビット領域に対応するかにより予め定められたアドレス領域に格納する。
図2は、畳み込み演算回路100の動作の一例を示すタイミングチャートである。本例においては、デジタル信号のそれぞれの振幅データを2分割して畳み込み演算を行う場合について説明する。メモリ部14−0は、データ分割部10が分割データに分割したそれぞれの振幅データD(0)、D(1)、・・・を、所定の周期T、T、・・・で受け取り、それぞれ当該周期の間保持し、順次後段のメモリ部14に伝送する。
メモリ部14−0は、それぞれの周期において、格納している振幅データの分割データを、当該周期を2分割した時間ずつ、乗算部16−0に出力する。例えば、周期Tにおいては、格納している振幅データD(0)の上位ビットデータD(0)及び下位ビットデータD(0)を出力する。ここで、分割データD(k)は、振幅データD(k)の上位ビットデータを示し、分割データD(k)は、振幅データD(k)の下位ビットデータを示す。また、乗算部16−0は、メモリ部14−0が時分割で出力する分割データのそれぞれに対して、予め定められた演算係数hを乗算し、出力する。
同様に、メモリ部14−1は、メモリ部14−0において遅延された振幅データを格納し、格納した振幅データの分割データを、それぞれの周期を2分割した時間ずつ、乗算部16−1に出力する。そして、乗算部16−1は、メモリ部14−1が出力する分割データのそれぞれに対して、予め定められた演算係数hを乗算し、出力する。
同様に、メモリ部14−2は、メモリ部14−1において遅延された振幅データを格納し、格納した振幅データの分割データを、それぞれの周期を2分割した時間ずつ、乗算部16−2に出力する。そして、乗算部16−2は、メモリ部14−2が出力する分割データのそれぞれに対して、予め定められた演算係数hを乗算し、出力する。
前述したように、それぞれのメモリ部14は、それぞれの周期において、それぞれの振幅データの上位ビットデータD(k)を同期して出力し、また下位ビットデータD(k)を同期して出力する。つまり、それぞれの乗算部16においても、上位又は下位ビットデータの毎に、演算結果が同期して出力される。
加算部18は、それぞれの乗算部16が同期して出力する上位ビットデータの総和を結合部20に出力し、それぞれの乗算部16が同期して出力する下位ビットデータの総和を結合部20に出力する。そして、結合部20は、加算部18から受け取った上位ビットデータ及び下位ビットデータを上述したように結合する。
図3は、演算部12の構成の他の例を示す図である。本例における演算部12は、図1において説明した演算部12の構成に対し、メモリ部14−0を有さない。また、メモリ部14−1及びメモリ部14−2は、それぞれ直列に接続されたレジスタ34を有する。図3において図1と同一の符号を付した構成要素は、図1において説明した構成要素と略同一の機能及び構成を有する。レジスタ34は、データ分割部10における振幅データの分割数と同数設けられる。また、直列に設けられたレジスタ34は、デジタル信号の周期を振幅データの分割数で除算した時間と略等しい時間ずつ、分割データを遅延して順次伝送する。
この場合、データ分割部10は、振幅データのそれぞれの分割データを時分割で演算部12に出力する。例えば、データ分割部10は、それぞれの振幅データにおけるそれぞれの分割データを、所定の時間ずつ順次演算部12に供給し、演算部12は、与えられる分割データに対して順次所定の畳み込み演算を行ってよい。このとき、データ分割部10は、与えられるデジタル信号の周期を、振幅データの分割数で分割した時間ずつ、それぞれの分割データを出力してよい。例えば振幅データを2分割した上位ビットデータ及び下位ビットデータを生成する場合、デジタル信号の周期を2分割した時間ずつ、上位ビットデータ及び下位ビットデータを出力してよい。時分割で出力されたそれぞれの分割データは、それぞれのメモリ部14におけるレジスタ34に順次格納される。このような構成により、それぞれのメモリ部14における最後段のレジスタ34が出力する分割データは、それぞれの振幅データにおいて同一のビット領域に対応するデータとなる。
それぞれの乗算部16は、対応するメモリ部14のレジスタ34のうち、最後段のレジスタ34が出力する分割データを受け取り、予め定められた演算係数を乗算する。このような構成によっても、図1において説明した畳み込み演算回路100と同様に、与えられるデジタル信号のそれぞれの振幅データを分割し、それぞれの分割データに対して時分割で畳み込み演算を行うことができ、演算部12の回路規模を低減することができる。
また、図1及び図3における乗算部16は、時分割で与えられる分割データに対して所定の演算係数を乗算したが、他の例においては、それぞれの乗算部16は、分割データのそれぞれに対して、演算係数を複数のビット領域に分割した複数の分割演算係数を時分割で乗算してよい。例えば、図2に示した周期Tにおける乗算部16−0のように、振幅データD(0)に対して演算係数hを乗算するときに、演算係数hを2分割して演算を行う場合、乗算部16−0は、周期Tを4分割し、分割したそれぞれの期間において、分割データ及び分割演算係数のそれぞれの組み合わせについて、分割データと分割演算係数の乗算を行う。つまり、乗算部16−0は、分割したそれぞれの期間において、D(0)×hH0、D(0)×hL0、D(0)×hH0、D(0)×hL0の演算を行う。但し、hH0は、演算係数hの上位ビットデータを示し、hL0は、演算係数hの下位ビットデータを示す。このような制御により、乗算部16の回路規模を更に低減することができる。
図4は、畳み込み演算回路100の構成の他の例を示す図である。本例における畳み込み演算回路100は、図1において説明した畳み込み演算回路100の構成に加え、数値制御発振器(NCO)30、及びデシメーションフィルタ32を更に備える。本例における畳み込み演算回路100は、デジタルダウンコンバータとして用いることができる。図4において図1と同一の符号を付した構成要素は、図1において説明した構成要素と略同一の機能及び構成を有する。
数値制御発振器30は、所定の周期のデジタル信号を生成して出力する。例えば数値制御発振器30は、外部のアナログデジタルコンバータから与えられるサンプリングデータを復調したデジタル信号を生成する。
デシメーションフィルタ32は、デジタル信号の振幅データ数を低減してデータ分割部10に供給する。つまり、デシメーションフィルタ32は、デジタル信号の振幅データ数を間引いて、低周波数のデジタル信号を生成する。一般に、デシメーションフィルタ32が出力する信号の有効ビット数は、デシメーションフィルタ32に入力される信号の有効ビット数に対して増加する。また、有効ビット数の増加数は、デシメーションフィルタ32における振幅データの間引き率に応じて変動する。例えば、デシメーションフィルタ32において、間引き率が増大した場合、出力する信号の有効ビット数は増大し、間引き率が減少した場合、出力する信号の有効ビット数は減少する。制御部28は、デシメーションフィルタ32における間引き率を、予め設定された間引き率に制御する。
このような構成においては、データ分割部10は、デシメーションフィルタ32における間引き率に基づいて、振幅データの分割数を制御することが好ましい。つまり、デシメーションフィルタ32が出力するデジタル信号の有効ビット数の変動に応じて、振幅データの分割数を制御し、それぞれの分割データのビット数が予め設定された値となるように制御することが好ましい。これにより、演算部12が処理できるビット数に応じた分割データを生成することができる。例えば、データ分割部10は、デシメーションフィルタが出力するデジタル信号の有効ビット数を、数値制御発振器30が出力する信号のビット数及びデシメーションフィルタ32における間引き率に基づいて算出し、当該有効ビット数が増大した場合に、振幅データの分割数を増大させる。また、これらの制御は、制御部28が行ってもよい。
また、データ分割部10は、前述したように、それぞれの振幅データを、予め定められたビット数毎に分割してもよい。このような制御によっても、デシメーションフィルタ32の間引き率に関わらず、所定のビット数の分割データを生成することができる。
また、本例における演算部12は、図1において説明した演算部12と同一の構成を有することが好ましい。図3に示した演算部12の場合、分割数を変化させた場合、レジスタ34の個数を変動させる必要があり、制御が困難となる。しかし、図1に示した演算部12では、それぞれのメモリ部14に対して指定するアドレスを制御することにより、分割数が変動した場合であっても、容易に時分割で畳み込み演算を行うことができる。
例えば、分割数が増大した場合であっても、制御部28が、当該分割数に応じて、メモリ部14において分割データを格納するべきアドレス領域を指定し、これらのアドレス領域を時分割で順次指定して分割データを出力させることにより、容易に時分割で畳み込み演算を行うことができる。
また、図1から図4においては、演算部12の構成としてFIRフィルタの構成を例として説明したが、演算部12の構成はこれに限られない。また、演算部12は、図1に示したFIRフィルタとは異なる構成のFIRフィルタであってもよい。
図5は、演算部12の構成の更なる他の例を示す図である。図5において図1と同一の符号を付した構成要素は、図1において説明した構成要素と略同一の機能及び構成を有する。本例における演算部12は、図1に示した演算部12の構成に対し、メモリ部14の位置を変更した転置構成を有する。つまり、それぞれの乗算部16は、それぞれの振幅データの分割データを時分割で受け取り、予め与えられた演算係数を乗算して出力する。メモリ部14は、乗算部16に対応して設けられ、対応する乗算部16において演算係数が乗算された分割データを所定のアドレス領域に格納し、所定の時間だけ遅延させて次段に順次伝送する。
また、加算部18は、メモリ部14が出力する分割データと、当該分割データに対応して乗算部16が出力する分割データを順次加算する。このような構成でも、図3において説明したように、乗算部16の回路規模を低減することができる。
図6は、演算部12の構成の更なる他の例を示す図である。本例における演算部12は、図1において説明した演算部12の構成に加え、メモリ部14−3、14−4、及び加算部26を更に有する。
メモリ部14−1〜メモリ部14−4は、図1において説明したメモリ部14と同様に、直列に接続され、所定の時間ずつ振幅データを遅延させて伝送する。加算部26は、メモリ部14−1に順次入力される分割データと、メモリ部14−4が順次出力する分割データとを加算して乗算部16−0に供給する。また加算部26は、メモリ部14−2に順次入力される分割データと、メモリ部14−3が順次出力する分割データとを加算して乗算部16−1に供給する。
このような構成により、例えばデジタル信号の4周期分の振幅データを用いて畳み込み演算を行う場合に、当該振幅データの波形に対して左右対称な演算係数を乗算する。本例においては、同一の演算係数を乗算するべきデータを加算して乗算部16に入力するため、乗算部16の個数を低減し、演算部12の回路規模を低減することができる。また、演算部12は、図6の構成において、図5に示した演算部12と同様に、メモリ部14の配置を変更した転置構成を有していてもよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
以上から明らかなように、本発明によれば、小さい回路規模で畳み込み演算を行うことのできる畳み込み演算回路を提供することができる。
本発明の実施形態に係る畳み込み演算回路100の構成の一例を示す図である。 畳み込み演算回路100の動作の一例を示すタイミングチャートである。 演算部12の構成の他の例を示す図である。 畳み込み演算回路100の構成の他の例を示す図である。 演算部12の構成の更なる他の例を示す図である。 演算部12の構成の更なる他の例を示す図である。
符号の説明
10・・・データ分割部、12・・・演算部、14・・・メモリ部、16・・・乗算部、18・・・加算部、20・・・結合部、22・・・シフト部、24・・・結合回路、26・・・加算部、28・・・制御部、30・・・数値制御発振器、32・・・デシメーションフィルタ、34・・・レジスタ、100・・・畳み込み演算回路

Claims (7)

  1. 与えられるデジタル信号に対して畳み込み演算を行う畳み込み演算回路であって、
    前記デジタル信号のそれぞれの振幅データを、複数のビット領域に分割した複数の分割データを生成するデータ分割部と、
    それぞれの前記振幅データに対して、分割データ毎に時分割で所定の畳み込み演算を行い出力する演算部と、
    前記演算部が出力する分割データを、前記振幅データ毎に結合する結合部と、
    前記デジタル信号の前記振幅データの数を低減して前記データ分割部に与えるデシメーションフィルタと
    を備え、
    前記データ分割部は、前記デシメーションフィルタの間引き率に基づいて、前記振幅データの分割数を制御する
    ことを特徴とする畳み込み演算回路
  2. 前記データ分割部は、前記間引き率に基づいて、前記デシメーションフィルタが出力する前記デジタル信号の有効ビット数を算出し、前記有効ビット数が増大した場合に、前記分割数を増大させる
    請求項1に記載の畳み込み演算回路。
  3. 前記演算部は、
    直列に接続され、前記振幅データを所定の時間ずつ格納して順次次段に伝送し、格納した前記振幅データのそれぞれの分割データを、前記所定の時間内において時分割で出力する複数のメモリ部と、
    前記複数のメモリ部に対応して設けられ、対応するメモリ部が順次出力するそれぞれの分割データに、予め定められた演算係数を乗算して出力する複数の乗算部と、
    前記複数の乗算部が同期して出力する前記分割データを加算し、前記結合部に出力する加算部と
    を有する請求項1または2に記載の畳み込み演算回路。
  4. それぞれの前記メモリ部は、前記振幅データを、前記分割データ毎にそれぞれ予め定められたアドレスに格納し、
    前記畳み込み演算回路は、それぞれの前記メモリ部が対応する乗算部に出力するべきデータのアドレスとして、それぞれの前記分割データが格納されたアドレスを順次時分割で指定する制御部を更に有する
    請求項に記載の畳み込み演算回路。
  5. 前記制御部は、前記デシメーションフィルタにおける間引き率に基づいて、前記メモリ部に対して指定する前記アドレスを制御する
    請求項に記載の畳み込み演算回路。
  6. 前記データ分割部は、前記振幅データのそれぞれの前記分割データを順次出力し、
    それぞれの前記メモリ部は、前記データ分割部が順次出力する前記分割データを順次格納して伝送する、直列に設けられた前記振幅データの分割数と同数のレジスタを有し、
    それぞれの乗算部は、対応する前記メモリ部のレジスタのうち、最後段の前記レジスタが出力するデータを受け取り、前記演算係数を乗算する
    請求項に記載の畳み込み演算回路。
  7. それぞれの乗算部は、前記分割データのそれぞれに対して、前記演算係数を複数のビット領域に分割した複数の分割演算係数を時分割で乗算する
    請求項に記載の畳み込み演算回路。
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