PRÁCTICA 0: EQUIPOS DE MEDIDA

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1 1.- ANALIZADOR DE ESPECTROS INTRODUCCIÓN. PRÁCTICA 0: EQUIPOS DE MEDIDA Es sabido, según la transformada de Fourier que todas las señales eléctricas de interés pueden expresarse como suma de señales sinusoidales de distintas frecuencias. Es posible visualizar estas señales bien en el dominio del tiempo, mediante un osciloscopio, o bien en el dominio de la frecuencia mediante un analizador de espectros. Centrándonos más en el analizador de espectros, vamos a ser capaces de observar el valor eficaz o la potencia de la cada una de las componentes en frecuencia, que tengamos en el intervalo de medida de la señal de entrada. Para la observación de estas señales, el analizador de espectros dispone de un tubo de rayos catódicos, que va a representar en el eje vertical los valores eficaces o potencia de la señal y en el eje horizontal las frecuencias. Dentro de los analizadores de espectros nos vamos a encontrar con tres tipos: 1.- Analizadores en tiempo real. 2.- Analizadores mediante la Transformada de Fourier. 3.- Analizadores mediante la técnica de barrido sintonizado. a.- Basado en filtros de sintonía variable. b.- Basado en los receptores heterodinos. Laboratorio de Comunicaciones Pag 0:1

2 1.2.- TIPOS DE MEDIDAS. Como ya se ha visto el analizador de espectros es un aparato de medida que presenta en su pantalla las distintas componentes de una señal. De forma resumida se comentan los tipos de medidas más significativas que pueden realizarse con un analizador de espectros. Medidas básicas de frecuencia: Frecuencia de un señal, separación de frecuencias entre rayas espectrales, ancho de banda de una señal, etc Medidas de potencia: Debe decirse que no todos los analizadores están calibrados para la medida absoluta de potencia. En cualquier caso, siempre pueden realizarse medidas relativas entre distintas componentes espectrales, medidas de ganancia/atenuación, relación señal a interferencia en un sistema, etc. Distorsión lineal: Puede medirse como cambia el espectro de una señal antes y después de un filtro. Distorsión no lineal: Contenido de armónicos, productos de intermodulación etc Osciladores: Pureza espectral, ruido de fase, estabilidad de la frecuencia, etc Ruido: Factor de ruido de un subsistema en función de la frecuencia. Relación señal a ruido. Mezcladores: Pérdidas de conversión Modulaciones: Extracción del índice de modulación, modulación residual AM (sistemas FM), distorsión en modulaciones AM, etc PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DEL ANALIZADOR DE ESPECTROS HP 8590 L Las principales características del analizador de espectros HP 8590 L son las siguientes: El rango de frecuencias que el equipo permite visualizar en pantalla está comprendido entre 9 khz y 1.8 GHz. La banda de frecuencias presentable en pantalla ( span ) varia entre 50 khz. y 1.8 GHz. El tiempo de barrido en frecuencia está comprendido entre 20 msg. y 100 sg. El rango de amplitudes va de -115 dbm a 30 dbm. Los niveles máximos de señal de entrada son los siguientes: Potencia media 30 dbm (1W). Pico de potencia 30 dbm (1W). Tensión continua 25 Voltios. El ancho de banda de resolución a 3 db va de 1 khz a 5 MHz. El ancho de banda de señal de vídeo a 3 db está comprendido entre 30 Hz. y 3 MHz. Los datos anteriormente expuestos están referidos a una entrada de 50 ohmios que es la impedancia normal en radiofrecuencia. Laboratorio de Comunicaciones Pag 0:2

3 1.4.- MANDOS DEL ANALIZADOR DE ESPECTROS HP 8590 L. FRONTAL DEL ANALIZADOR DE ESPECTROS. En la siguiente figura se muestra el frontal del analizador de espectros HP 8590 L, aunque en general todos los analizadores de espectros van a tener un frontal similar a este. 1.- Bloque de función activa. Es el bloque de la pantalla que indica la función que se encuentra activa. La función que aparece en este bloque es posible modificarla bien con la rueda, las flechas o el teclado numérico. 2.- Bloque de mensaje. En él aparece un asterisco que indica que hay varias medidas en marcha o que la amplitud o frecuencia no están calibradas. 3.- Función de la teclas de programación. Son las funciones correspondientes a las teclas de programación (teclas sin función definida), estando activa aquella que se encuentra en vídeo inverso. Laboratorio de Comunicaciones Pag 0:3

4 4.- Teclas de programación. Son teclas sin función definida, su tarea está relacionada con la función que se encuentre activa en ese momento. 5.- Teclas de frecuencia, span y amplitud. Son las tres teclas básicas del analizador de espectros. Cada una de ellas actúa sobre cada uno de los elementos principales de la medida que se desea realizar. Cada una de estas teclas tiene acceso a funciones de las teclas de programación. 6.- Funciones de estado del analizador. Son teclas que afectan al estado del analizador. La tecla más importante es "PRESET" que sirve para poner el analizador en su estado inicial. las teclas "SAVE" y "RECALL" sirven para grabar y cargar en memoria datos, estados y situaciones del analizador. 7.- Funciones de copia. Estas teclas sirven para mandar los datos de pantalla a impresoras, plotters etc. 8.- Funciones del bloque de control. Estas teclas permiten el acceso para el cambio de la resolución, ajuste del tiempo de barrido. 9.- Marcadores. Son las teclas que controlan los marcadores que aparecen en pantalla. Estos marcadores dan la lectura de frecuencia y amplitud del punto en el que se encuentran. Localizan picos de la señal, centran la señal a partir del punto donde se encuentra el marcador etc HOLD. Desactiva cualquier función que se encuentre activa Teclas "STEP", "RUEDA" y "NUMÉRICO". Son teclas que permiten cambiar el valor de los datos de la función que se encuentre activa Conectores de entrada/salida Probe PWR. Proporciona potencia para una sonda activa y otros accesorios Salida de señal de calibración Intensidad de iluminación de la pantalla Interruptor. Laboratorio de Comunicaciones Pag 0:4

5 FUNCIONES DE LA PANTALLA DEL ANALIZADOR DE ESPECTROS. En la siguiente imagen se muestran las indicaciones de la pantalla del analizador de espectros. 1.- Modo detector. 2.- Nivel de referencia. 3.- Hora y fecha. 4.- Titulo de la pantalla. 5.- Atenuación de la señal RF. 6.- Ganancia del preamplificador. 7.- Entrada de teclado externo. 8.- Lectura del marcador. 9.- Bloque de mensaje Petición de servicio Operación remota Frecuencia de parada o frecuencia de span Tiempo de barrido Desplazamiento (OFFSET) de frecuencia Ancho de banda de vídeo Ancho de banda de resolución Frecuencia inicial o frecuencia central Umbral. 19, 20.- Corrección de factores Disparo Modo de traza Promedio de vídeo Línea de presentación Desplazamiento (OFFSET) de amplitud Escala de amplitud Bloque de función activa. Para modificar cada una de estas funciones existe una tecla determinada (ver guía de usuario del aparato). Laboratorio de Comunicaciones Pag 0:5

6 1.5.- MANEJO DEL ANALIZADOR DE ESPECTROS. En general todos los analizadores de espectros tienen una forma similar de manejo, estando sus diferencias en una serie de funciones o ventajas que aporta cada uno de ellos. A continuación se van a ver las funciones básicas que posee todo analizador de espectros y que nos va a permitir realizar las medidas básicas. 1.- En caso de que el analizador no esté encendido pulsar la tecla "LINE" (tecla 16) y esperar a que aparezca la información en pantalla, para comenzar a trabajar. Si el analizador está ya encendido pero se quiere empezar una nueva sesión de trabajo se pulsa la tecla "PRESET" (tecla 6) y el analizador pasará a su estado inicial. 2.- Conectar a la entrada de 50 ohmios una señal. 3.- Una vez que la señal de entrada aparezca en pantalla, se puede pasar a realizar las operaciones deseadas. FRECUENCIA. Al pulsar la tecla FRECUENCIA, el bloque de teclas de programación se activa y aparecen una serie de valores que pueden modificarse, como es la frecuencia central, frecuencia de inicio, frecuencia de final etc. La función que este en vídeo inverso es la función que está activa en ese momento. Si por ejemplo se desea cambiar el valor de la frecuencia central, se selecciona esta en el bloque de teclas de programación y mediante la rueda de selección, el teclado numérico o las teclas "STEP" se modifica su valor. SPAN. Al pulsar la tecla de "SPAN" en el bloque de función activa aparece el valor del mismo, activándose las teclas de programación, pudiendo cambiar alguno de los parámetros relacionados con el span. El span indica el margen de frecuencias que hay entre la frecuencia inicial y final de la pantalla: f span = f final - f inicial Dicho de otro modo, indica la longitud del segmento de frecuencias presentado en la pantalla del analizador. Para saber el rango de frecuencias por división horizontal de la retícula, basta con dividir el valor del span entre 10. Laboratorio de Comunicaciones Pag 0:6

7 AMPLITUD. Al pulsar la tecla "AMPLITUD" en el bloque de función activa aparece el valor de la amplitud de referencia. Este nivel de referencia viene indicado por la línea superior de la pantalla de presentación. Al variar este nivel de referencia se cambia el nivel de amplitud absoluta de la línea superior de la pantalla. Es posible seleccionar para la amplitud escala logarítmica o escala lineal. MARKER Los marcadores son funciones que se activan con la tecla "MARKER". Son unas figuras romboidales que aparecen en pantalla y que indican el valor de la frecuencia y la amplitud del punto de la señal en la que se encuentran situados. Si se activa otra función mientras está activado el MARKER es posible seguir viendo el valor de amplitud y frecuencia en la parte superior derecha de la pantalla. Mediante la rueda es posible desplazar el MARKER a lo largo de toda la pantalla. ANCHO DE BANDA DE RESOLUCIÓN. El ancho de banda de resolución selecciona el filtro de FI necesario para cada medición y su valor indica el ancho de banda de este filtro definido a 3 db. Para ver la importancia de la elección del ancho de banda de resolución se muestra el siguiente ejemplo. Idealmente la gráfica de la amplitud en función de la frecuencia debería estar formada por unas líneas verticales de anchura mínima, para poder distinguir entre armónicos de frecuencias próximas, tal como se indica en la figura a, sin embargo, para dibujar estas líneas es posible utilizar un lapicero de distintos grosores. Si utilizamos un lapicero excesivamente grueso, la representación quedará como en la figura b, es decir aparece un único trazo para representar los tres armónicos, si el lapicero es excesivamente fino podría ocurrir que no se vieran bien los armónicos. Laboratorio de Comunicaciones Pag 0:7

8 La función de ancho de banda de resolución es muy similar al caso del grosor del lapicero. A medida que el espectro de frecuencia representado en pantalla varía en función del span, debe cambiar el ancho de banda de resolución. Si se utiliza un ancho de banda muy fino en un span muy grande, las señales podrían aparecer en pantalla tan estrechas que pasasen desapercibidas. Si se utiliza un ancho de banda de resolución mayor que la separación entre dos armónicos estos van a aparecer en pantalla como un único trazo. Supóngase que se pretende analizar una señal que contiene dos rayas espectrales separadas 100 KHz. La figura muestra aproximadamente el espectro que se presentará en pantalla en función de que se eligiese un ancho de banda de 30 KHz o de 500 KHz. Como conclusión puede decirse que debe seleccionarse una ancho de filtro menor que las mínimas separaciones en frecuencia que se desee observar, siempre y cuando, claro esta, estas se conozcan. BW = 30 Khz BW = 500 Khz 100 Khz 100 Khz Normalmente los analizadores de espectros seleccionan el ancho de banda de resolución, sin embargo es posible controlarlo manualmente. La forma de las señales que aparecen en pantalla es una combinación de la verdadera forma de la señal y la forma del filtro de ancho de banda de resolución. El seleccionar distintos anchos de banda de resolución se imponen las siguientes limitaciones: 1.- Velocidad de barrido. Es la velocidad a la que el analizador de espectros barre todo el margen de frecuencias de la pantalla. A menor ancho de banda de resolución menor velocidad de barrido. 2.- A medida que se reduce el ancho de banda de resolución baja el pedestal o nivel de ruido de referencia. Laboratorio de Comunicaciones Pag 0:8

9 TIEMPO DE BARRIDO. Cuando se coloca una señal de un filtro, la salida pasa por un periodo transitorio hasta que finalmente se estabiliza al valor en régimen permanente. BW To fo To T1 fo El tiempo entre To y T1 se denomina a veces tiempo de integración del filtro y es, aproximadamente, el inverso de su ancho de banda. Por ello, al efectuar el barrido del filtro en el analizador, éste deberá hacerse de manera suficientemente lenta para permitir que el filtro permanezca sintonizado a cada frecuencia durante, al menos, el tiempo de integración. Lo anterior se traduce en que, a menos anchura del filtro (mejor resolución), el tiempo de barrido deberá hacerse mayor. Especialmente si se analiza una porción ancha del espectro. Es posible entones que el seleccionar un filtro demasiado estrecho lleve a un tiempo prohibitivo para hacer la medida. Se define el tiempo de barrido como el tiempo que tarda el analizador en barrer el margen de frecuencias seleccionado. Para evitar problemas con el transitorio del filtro puede estimarse el mínimo tiempo de barrido necesario a través de la siguiente expresión aproximada: Tiempo de barrido Margen total de frecuencias 2 (BW) La relación entre el ancho de banda de resolución y el tiempo de barrido es controlado automáticamente por el analizador de espectros, siendo posible inhibir esta acción automática con solo seleccionar uno de estos dos parámetros. Cuando el analizador se encuentra descalibrado, en la parte superior derecha de la pantalla aparece un asterisco *, Para volver a calibrar el aparto se debe pulsar RES BW y a continuación AUTO COUPLE. Las opciones de tiempo de barrido aparecen pulsando la tecla SWP/BW. Laboratorio de Comunicaciones Pag 0:9

10 2.- OSCILOSCOPIOS HP y HP INTRODUCCIÓN En el análisis de circuitos es necesario hacer visibles determinados procesos variables con el tiempo como es el caso de las señales en corriente alterna, para lo cual se dispone de un aparato denominado osciloscopio. El osciloscopio es un aparato de medida que consta de una pantalla a través de la cual es posible la visualización de las señales, dando la posibilidad, además, de obtener distintos parámetros de la misma. El osciloscopio trabaja según dos ejes de coordenadas (ordenadas y abcisas), lo que permite registrar la composición de dos señales cualquiera. La forma de representar las señales es mediante un tubo de rayos catódicos controlado por la tensión de las señales que se desean visualizar. Las posibilidades de medidas que ofrece el osciloscopio son las siguientes: Es posible la visualización de señales tanto continuas como periódicas de cualquier tipo, asimismo es posible observar de forma transitoria señales no periódicas. Mediante las distintas divisiones de la pantalla es posible medir, tanto tensiones como corrientes, además de diferentes parámetros relacionados con el tiempo, como es el caso del periodo de señales periódicas o el desfasaje existente entre dos señales OSCILOSCOPIOS HP y HP INTRODUCCIÓN Las principales características de los osciloscopios HP y HP son las siguientes: El ancho de banda es de 100 MHz. para el HP y de 500 MHz para el HP Configuración automática del panel frontal. Medidas automáticas y mediante cursores de frecuencia, tiempo y voltaje. Almacenamiento de formas de onda. Grabación y llamada de 16 configuraciones del panel frontal. Detección de pico. Laboratorio de Comunicaciones Pag 0:10

11 MANDOS DEL OSCILOSCOPIO. Los mandos de ambos osciloscopios son idénticos por lo tanto se va a estudiar el frontal de uno cualquiera de los dos: En el frontal del osciloscopio aparecen botones de color gris y de color blanco: - Los botones de color gris hacen que en la parte inferior de la pantalla aparezcan menús programables que permiten el acceso a multitud de aplicaciones del osciloscopio, siempre relacionadas con el botón pulsado. - Los botones de color banco indican operaciones instantáneas y no tienen ningún menú asociado a ellos. 1.- MEDIDAS. En este bloque se encuentran las principales funciones del osciloscopio, es decir medidas de voltaje, medidas de tiempo y la selección de cursores de pantalla, para realizar medidas tanto de tensión como de amplitud de forma manual. VOLTAJE: pulsando este botón se habré una pantalla de menús en que se pueden obtener las siguientes funciones: - Elegir el canal sobre el que se van a realizar las medidas. Laboratorio de Comunicaciones Pag 0:11

12 - Diferentes medidas de voltaje (Vp-p, Vavg, Vrms) - Borrar medidas. - Próximo menú: - Mostrar medidas. - Diferentes medidas (Vmax, Vmin, Vtop, Vbase). - Volver al primer menú. TIME: al pulsar este botón se habré una pantalla de menú con las siguientes opciones: - Fuente sobre la que se realizará la medida. - Medidas de tiempo, frecuencia, periodo y porcentaje de nivel alto de señal. - Borrar medidas. - Próximo menú: - Mostrar medidas - Medidas de tiempo: (tiempo en nivel alto, tiempo a nivel bajo, tiempo de subida, tiempo de bajada) CURSOR: al pulsarlo aparecen cursores para medida de tiempos y tensiones y se abre su correspondiente pantalla de menú. - Fuente sobre la que se va a realizar la medida. - Cursor activo: - Al pulsar V1 o V2 aparecen dos líneas horizontales, discontinuas que permiten realizar medidas de tensiones. - Al pulsar t1 o t2 aparecen dos líneas verticales, discontinuas, que permiten realizar medidas de tiempo. - Borrar cursores. Para desplazar los cuatro cursores es necesario, en primer lugar seleccionar el curso a modificar (V1, V2, t1, t2) y en segundo lugar, con el potenciómetro 2, desplazarlo. En la parte inferior de la pantalla aparece la medida correspondiente al cursor que se encuentra activo en ese momento. 3.- SAVE/RECALL. Con estos dos botones se abren sendas pantallas de función, referidas a guardar en memoria o recuperar de memoria, estados del analizador de espectros. 4.- AUTOESCALA. Con este botón se reinicializa el osciloscopio, tomando automáticamente los valores adecuados en la escala vertical y horizontal, para la presentación en pantalla de la señal. Laboratorio de Comunicaciones Pag 0:12

13 5.- VERTICAL. Este bloque sirve para modificar la escala vertical de la pantalla. Aparece un bloque referido al canal 1 y otro al canal 2, ambos con las mismas funciones. - VOLT/DIV: modifica la base de amplitudes desde 5V/cuadro hasta 2 mv/cuadro. - Al pulsar el botón 1 se activa la entrada correspondiente al canal 1. Con el botón POSICIÓN se desplaza la señal hacia arriba o hacia abajo. - Terminal de entrada 1 o canal X cuando el osciloscopio está en la posición XY. 6.- STORAGE. En este bloque se encuentran cuatro tecla de almacenamiento en pantalla. Son teclas de acción instantánea que cambia el modo de funcionamiento del osciloscopio. - RUN: el osciloscopio obtiene los datos y visualiza la traza más reciente. - STOP: congela la pantalla - AUTOSTORE: el osciloscopio obtiene los datos, visualizando la traza más reciente, totalmente iluminada y las formas de ondas previamente adquiridas medio iluminadas. - ERASE: borra la pantalla. 7.- HORIZONTAL. Este bloque actúa sobre todo lo referido a la base de tiempos y a los retardos de la señal de entrada. - Con el botón DELAY se desplaza la señal a derecha o izquierda, es decir, se retarda o adelanta la señal respecto al centro de la pantalla. -MAIN/DELAYED: al pulsar esta tecla se abre una pantalla de menú, con las siguientes funciones: - MAIN: se observa en pantalla las señales de la entrada. - DELAYED: la pantalla se divide en dos mitades, en la mitad superior aparece la señal en su totalidad y en la parte inferior aparece la zona de la señal de la pantalla superior que está limitada por las dos líneas verticales. Para seleccionar más o menos trozo de señal, se cambia la base de tiempos y se observa, en la pantalla superior, que se modifica la zona seleccionada, así mismo es posible moverse dentro de la señal girando el botón DELAY a favor o en contra de las agujas del reloj.. - XY. selecciona el modo XY. - ROLL: dibuja la traza de la señal sin borrar el trazo anterior de la misma. Laboratorio de Comunicaciones Pag 0:13

14 - VERNIER ON/OFF: hace más pequeño el valor de los incrementos al mover el botón DELAY. - TIME REF LFT/CNTR: toma el nivel de referencia de tiempo a la izquierda o en el centro. - TIME/DIV: modifica la base de tiempos del osciloscopio. 8.- TRIGGER. - SOURCE: selecciona la fuente de disparo del osciloscopio: - 1: canal : canal 2. - LINE. - EXTERNO. - LEVEL: modifica la posición de la señal de disparo. - MODE: indica el modo de la señal de disparo. - AUTO LVL. - AUTO. - NORMAL. - SINGLE. - TV. SLOPE/COUPLING: modifica la forma de disparo y las señales de acoplamiento. - Disparo en el flanco de subida o en el flanco de bajada. - AC o DC. - Filtros de rechazo: OFF, LF, HF. - Rechazo de ruido. - En la segunda pantalla aparecen los modos referentes a TV. Laboratorio de Comunicaciones Pag 0:14

15 3.- REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA VISUALIZACIÓN DE LA BANDA DE FM COMERCIAL. A.- Conectando el extremo BNC de la antena a la entrada del analizador de espectros, observar en la pantalla la banda de frecuencias en las que se encuentra la FM comercial ( MHz) B.- Visualizar en el analizador de espectros, únicamente la emisora que se recibe con mayor potencia. C.- Pulsando la función CENTER FREQ, ir girando la ruleta de selección viendo como van apareciendo gradualmente las emisoras adyacentes. Calcular en estas condiciones la separación media entre dos emisoras consecutivas, para ello seguir los siguientes pasos Activar los marcadores, pulsando la tecla MKR. Seleccionar la función MARKER, de esta manera aparece un segundo marcador. En pantalla aparece la diferencia entre ambos marcadores, tanto en frecuencia como en amplitud. Indicar, aproximadamente, cual es el ancho de banda de las emisoras de FM comercial. Separación: Ancho de banda: Pulsar la función MARKER NORMAL para eliminar el segundo marcador. D.- Visualizar 5 emisoras y medir el nivel de señal con el que llegan 3 de ellas, para ello se recomienda seguir los pasos siguientes: - Pulsar la tecla MKR, la cuál activa los marcadores de medida. - Llevar el marcador 1, a una de las emisoras que se desea medir - Pulsar la función SELECT , y MARKER ON, para activar un segundo marcador. - Llevar el segundo marcador a otra de las emisoras a medir. Laboratorio de Comunicaciones Pag 0:15

16 - Volver a pulsar la función SELECT , y MARKER ON, para activar el tercer marcador. - Llevar el tercer marcador a la emisora que resta. - Activar la tecla MKR FCTN y seleccionar la función MK TABLE ON. - Representar la siguiente tabla con los valores obtenidos. FRECUENCIA NIVEL DE SEÑAL - Eliminar la tabla. - Desactivar los marcadores uno a uno, seleccionándolos mediante el cursor y pulsando MARKER OFF E.- En este apartado se va a observar la influencia del ancho de banda de resolución (BW), sobre la señal representada en la pantalla del analizador. - Introducir con el generador de funciones una señal cuadrada de frecuencia 100 khz y amplitud 100 mv. - Visualizar cinco armónicos de la señal cuadrada. Cual es el ancho de banda de resolución fijado por el analizador? - Pulsar la función BW - Pulsar, en las teclas de función de la pantalla del analizador la tecla RES BW AUTO MAN. Se pondrá en MAN (Manual). - Mediante las teclas de incremento de valores (STEP), variar el ancho de banda del filtro de resolución. - Observar la diferencia entre las señales visualizadas para los anchos de banda: 3 khz, 10 khz, 30 khz, 100 khz y 300 khz. - Volver a situar el BW del analizador en su posición de AUTO. Laboratorio de Comunicaciones Pag 0:16

17 APÉNDICE.- Relación de emisoras de AM y FM de la comunidad de Madrid. AM Frecuencia (khz) Emisora 585 Radio Radio Radio Madrid 918 Radio Intercontinental 954 Radio España 999 COPE FM Frecuencia (MHz) Emisora 88.2 RNE M RNE Europa FM 91.7 Dial Madrid 92.4 Radio Ole 93.2 Radio Principales 96.5 Radio Radio Alcalá 98.0 Onda Cero 99.5 Cadena Radio Torrejón COPE-FM Onda Madrid SER-Henares Radio Voz Radio Radio Madrid Hit Radio RK20 Laboratorio de Comunicaciones Pag 0:17

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