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Soluciones de integridad de señal para el diseño de hardware de alta velocidad




Enviado por Pablo Turmero



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    1 Documento – “Guía del diseñador
    digital para verificar la integridad de la señal”
    Definición de la “Integridad de Señal”
    Tecnología Digital Computación / Comunicaciones
    Semiconductores / Electrónica Avanzada Integridad de
    Señal en Diseño/Análisis Sondas: Donde todo
    empieza Análisis Lógico: La visión Digital
    Osciloscopios: La visión analógica TLA + TDS =
    Digital+Analogico (iView) Análisis de Jitter y Tiempos
    Depuración de Integridad de la Señal Soluciones de
    Integridad de Señal Nº Literatura # 55S-15465-0

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    2 La Integridad de Señal (SI) Definida ¿Qué
    es la SI?La integridad de la señal implica la
    distribución de señales digitales y
    analógicas de una parte de un circuito a otra de manera
    que la información contenida sea transportada de forma
    determinística y fiable.
    Ingeniería/Verificación de la SI: La
    verificación de la SI ocurre durante la fase de
    diseño para asegurar que un sistema cumple o excede las
    especificaciones de fabricación, de fiabilidad y de las
    normativas de la Industria. 1 0 0 0 1 1 Logic Signal +5 Volt
    Supply Ground Text-Book View of Digital Signals Logic Signal +5
    Volt Supply Ground Real View of Digital Signals (analog)

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    3 SI – Problemas y Soluciones (Gp:) Osciloscopios, Sondas y
    Analizadores Lógicos Tektronix ….. los
    “Ojos” del Ingeniero Integridad de Señal (el
    problema) “Integridad” – definida como
    “completa y sin defectos” SI en el diseño
    analógico/digital consiste en la transmisión de
    señales de calidad suficiente, inluyendo la capacidad de
    recuperar y reconstruir la señal Fidelidad de Señal
    (La Solución de Tektronix) “Fidelidad” es el
    grado de exactitud y repetibilidad en la reproduccción de
    las señales para su análisis y depuración No
    se quiere ser parte del problema cambiando las
    características de las señales – Se quiere
    ser lo menos intrusivo posible durante la captura,
    visualización y análisis de señales.

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    4 SI – Normativas de la Industria Buscar: AC Parametrics,
    AC Specs, AC Timing, Clock Specs

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    5 Lo que nos Dicen los Clientes – Tecnologías Velocidades
    más elevadas 2.5 Gb/s PCI Express (3GIO) 3.125 Gb/s XAUI
    333 MHz DDR 1+ GHz RDRAM 3.125Gb/s SFI-5 2.5 Gb/s InfiniBand 1.6
    GHz HyperTransport (Gp:) CPU (Gp:) 3GIO (Gp:) Switch (Gp:)
    MobileDocking (Gp:) 3GIO (Gp:) Memory (Gp:) Local I/O (Gp:)
    Graphics (Gp:) HDD (Gp:) Serial ATA (Gp:) PCI (Gp:) Memory Bridge
    (Gp:) MobileDocking (Gp:) MobileDocking (Gp:) USB 2.0 (Gp:) I/O
    Bridge (Gp:) 3GIO (Gp:) 3GIO

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    6 La Innovación Crea Problemas de SI Las velocidades en
    uso actualmente crean más problemas de integridad:
    Arquitectura de buses síncronos más rápidos
    Relojes y Datos más rápidos Transiciones más
    cortas Tiempos de “setup & hold” más
    críticos Problemas eléctricos y físicos
    Excursiones de tensión menores Señales
    diferenciales de alta velocidad Interconexiones de impedancia
    controlada Dificultad de conexión Interfases Opticas /
    Eléctricas Hoy – Los diseñadores digitales
    necesitan obtener visibilidad de las características
    analógicas de sus señales digitales

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    7 SI – Problemática de Diseño (Gp:) Elect /
    Optical Signal Conformance Test (Gp:) Jitter Analysis (Gp:)
    Timing Margins (Gp:) Signal Integrity (Gp:) Prototype Debug
    “Para conseguir diseños fiables hay que analizar
    cuidadosamente el comportamiento temporal, la distribución
    de la placa de circuito, la Integridad de Señal, las EMI,
    y la termodinámica del sistema” Pete Mueller, Intel
    Los diseños incorporan más comunicaciones serie Las
    velocidades de datos más elevadas a menudo requieren de
    interconexiones ópticas

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    8 Los Requerimientos de Medida de la SI según Nuestros
    Clientes Tiempos de subida menores de 200ps Jmedidas de jitter de
    50ps pp Medidas Opticas y Diferenciales Tiempos S&H menores
    200ps Sin transmisión de reloj Conformidad con
    máscaras estándar Medidas específicas de la
    aplicación Análisis de datos en serie La integridad
    de señal es nuestro mayor problema

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    9 SI – Problemática de Medida Velocidades de datos y
    reloj mayores Tiempos subida/bajada más rápidos
    Tiempos S&H más cortos Especificaciones de jitter
    más exigentes Excursiones de tensión menores
    Señales diferenciales Problemas de impedancia y
    terminación Arquitecturas de bus síncronas Mayor
    número de señales a observar Dificultad de acceso
    Dificultad de depuración Los diseñadores digitales
    necesitan correlacionar las características digitales y
    analógicas de un SUT

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    10 Medidas de “Conformidad” en Osciloscopios Ejemplo
    InfiniBand: Consideraciones sobrer el ancho de banda
    eléctrico del sistema: BW Osciloscopio = bit rate
    eléctrico X 1.8 (regla aproximada de las especificaciones
    Fiber Channel) Para InfiniBand Eléctrico @ 2.5 Gb/s
    signinfica > 4.5 GHz (para XAUI @ 3.125 Gb/s significa 6GHz)
    Consideraciones sobrer el ancho de banda óptico del
    sistema : BW Sistema= bit rate óptico X 0.75 BW filtrado
    por el Receptor Optico de Referencia (ORR) para STM-16 –3db
    @1.87GHz, los límites se extienden hasta 4GHz

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    11 SI – Ancho de Banda/Precisión Amplitud A la
    frecuencia de corte a 3dB, el error de amplitud será ~
    30%. La especificación de error de amplitud es
    típicamente del 3% max. REGLA: Especificar el conjunto
    Osciloscopio + Sonda con un BW del sistema de 3 a 5 veces mayor
    que el de la señal a medir. (Gp:) trise (Gp:) 0.35 * (Gp:)
    BW = (Gp:) * Esta constante se basa en un modelo de 1er orden –
    en osciloscopios de altísimo ancho de banda la constante
    puede llegar a ser tan alta como 0.45 (Gp:) 70.7 (- 3 dB) (Gp:)
    0.1 (Gp:) 0.2 (Gp:) 0.3 (Gp:) 0.4 (Gp:) 0.5 (Gp:) 0.6 (Gp:) 0.8
    (Gp:) 0.9 (Gp:) 1.0 (Gp:) 0.7 (Gp:) 100 (Gp:) 97.5 (Gp:) 95 (Gp:)
    92.5 (Gp:) 90 (Gp:) 87.5 (Gp:) 85 (Gp:) 82.5 (Gp:) 80 (Gp:) 77.5
    (Gp:) 75 (Gp:) 72.5 (Gp:) } 3% (Gp:) Frecuencia Normalizada (Gp:)
    Amplitud (%) Osciloscopios

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    12 Ancho de Banda & Armónicos Onda Cuadrada Digital
    – Suma de Componentes Impares -1 0 1 0 50 100 (Gp:)
    Fundamental (1er Armónico) (Gp:) 5o Armónico (Gp:)
    3er Armónico (Gp:) Suma Fourier (1er-5o
    Armónico)

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    13 Consideraciones sobre Flancos Rápidos (Gp:)
    Non-Monotonic (Non-Linearity) Hay que asegurarse de que las
    sondas y el sistema de medida no son las causas de estos
    problemas.

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    14 Flanco de Bajada No-Monotónico Causa un
    “Glitch” Digital Se produce por una pista de 8 cm en
    el PCB Glitches Glitch (vista digital) Glitch (vista
    analógica)

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    15 (Gp:) Igual BW de la transición Doble que el BW Tres
    veces el BW Cinco veces el BW (Gp:) Ancho de Banda
    Osciloscopio/Sonda: (Gp:) 41% 12% 5% 2% (Gp:) Error Tiempo de
    Subida= Consideraciones sobre Flancos Rápidos ¡Lo
    que no vemos nos puede dañar! (Gp:) Forma de Onda Real
    cuando: BW Osciloscopio= 5X BW Flanco (~2% Error de Tiempo de
    Subida) (Gp:) 41% Error de Tiempo de Subida: BW Osciloscopio= BW
    (Gp:) REGLA: Especificar el conjunto Osciloscopio + Sonda con un
    BW del sistema de 3 a 5 veces mayor que el de la señal a
    medir. (Gp:) tr(medición) » [ tr(osciloscopio)2 +
    tr(sonda)2 + tr(señal)2 ]

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    16 Tiempos Setup/Hold < 200ps (Ventana Válidez) Tiempos
    s&h Rambus ~200ps DDR <250ps Firewire 1394b skew <100ps
    Requiere alineación del orden del ps (Gp:) SETUP TIME
    (Gp:) HOLD TIME (Gp:) DATA VALID (Gp:) CLOCK (Gp:) DATA (Gp:) A
    (Gp:) B (Gp:) C Utillaje de Alineación (Deskew)

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    17 Especificaciones de Integridad de la Señal Medidas:
    Overshoot, Undershoot, Ringback Monotonicidad (Linealidad) (Gp:)
    Diagrama de Ojo: p.e. USB

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    18 Consideraciones Sobre la SI Respuesta Transitoria Tiempos
    Subida/Bajada Overshoot / Undershoot Fidelidad de Señal
    Carga Capacidad Análisis TDR Caracterización
    Impedancia Conectores, backplanes, etc.

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    19 Análisis de Datos Serie – Un Nuevo Reto Muchas
    tecnologías requieren conformidad con estándares de
    “diagrama de ojo” o Máscaras Serie Captura de
    paquetes de datos relevantes medioante disparo de patrón
    serie (ST) Recuperación de Reloj (CR)

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    20 Búsqueda de Eventos en Datos Serie Disparo de Patron
    Serie Depuración más simple Permite el aislamiento
    de fallos dependientes de los datos en un único disparo
    durante pruebas de funcionamiento y conformidad Es preciso en la
    actualidad

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    21 Diagramas Ojo – Calidad Transmisión (SI) Revela
    las características combinadas del emisor Tiempos de
    Subida y Bajada Overshoot, Undershoot y Ringing (Ringback) Ciclo
    de Trabajo (Duty Cycle) Jitter y Ruido Una apertura mayor indica
    una mayor tolerancia a ruido y jitter Una apertura mayor indica
    mejor sensibilidad del receptor Una gran anchura de la traza y
    las transiciones indica un degradación de la sensibilidad
    del receptor La apertura del ojo se correlaciona con el Jitter y
    el BER (JIT3) (Gp:) Jitter (Gp:) Ruido Apertura Ojo

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    22 Respuesta del Receptor de Referencia Optico H(?) (Gp:) Optical
    Reference Receiver (ORR) (Gp:) EO (Gp:) OI (Gp:) H(?) (Gp:) O/E
    converter (Gp:) Filter Gráfico que muestra la respuesta
    real de un filtro de Bessel-Thomson de 4º orden y la
    tolerancia admitida por los estándares SDH/SONET para
    STM-16/OC-48 @ 2.488Gb/s.

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    23 CSA7000: 2.5 Gbit/sec Optico Pantalla Sistema Disparo
    Amp/Atenuador Sistema Adquisición HW PLL Reloj Recuperado
    Out Del Canal Seleccionado Reloj Recuperado Datos Recuperados Out
    Datos Recuperados Ch1 – 4GHz (20GS/s) TX Optico O/E (Gp:)
    Conexión del O/E al CH1 (Gp:) Optical Reference Receiver
    (ORR) (Gp:) EO (Gp:) OI (Gp:) H(?) (Gp:) Convert. O/E (Gp:)
    Filtro (Gp:) Unico del CSA7000

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    24 Diagramas Ojo / Máscaras en los TDS R-T (Gp:) 100 kb/s
    (Gp:) 10 Gb/s (Gp:) 10 Mb/s (Gp:) 1 Mb/s (Gp:) 1 Gb/s (Gp:)
    Estándares Com. (rangos medio y bajo) (Gp:) 100 Mb/s (Gp:)
    DS1 (Gp:) DS2 (Gp:) OC-1 (STS-1)STM-0 (STM-0E) (Gp:) OC-3 (STS-3)
    STM-1 (STM-1E) (Gp:) OC-12 / STM-4 (Gp:) E2 (Gp:) DS3 (Gp:) E3
    (Gp:) E1 (Gp:) OC-48 / STM-16 (Gp:) E4 (Gp:) DS4 (Gp:)
    Estándares Datos (alta velocidad) (Gp:) FC1063 (Gp:) FC531
    (Gp:) FC266 (Gp:) FC133 (Gp:) Gigabit Ethernet (Gp:) InfiniBand
    (Gp:) FC2125 (Gp:) IEEE1394b (S1600B) (Gp:) IEEE1394b (S800B)
    (Gp:) IEEE1394b (S400B) (Gp:) USB1.1 (Gp:) USB2.0 (Gp:) Ethernet
    (Gp:) Serial ATA (Gp:) (Gp:) (hasta 3.2 Gb/s hoy y mayores en el
    futuro)

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    25 Retos de la Conexión (Probing) Señales de alta
    velocidad Datos y reloj diferenciales Conectores Componentes de
    alta densidad Efectos inductivos Conexiónes a tierra Carga
    de las sondas Espacio disponible Densidad

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    26 Carga de una Sonda, Modelo Simplificado Carga Creciente (Gp:)
    Frecuencia de la Señal (Hz) (Gp:) Impedancia Entrada (?)
    (Gp:) 100M (Gp:) 10M (Gp:) 1M (Gp:) 100k (Gp:) 10k (Gp:) 1k (Gp:)
    100 (Gp:) 10 (Gp:) 1 (Gp:) 100 (Gp:) 1k (Gp:) 10k (Gp:) 100k
    (Gp:) 1M (Gp:) 10M (Gp:) 100M (Gp:) 1G (Gp:) 10G (Gp:) Z00.15
    pF/500 ? (Gp:) Activa1.0 pF/1 M? (Gp:) 1X Pasiva100 pF/1 M? (Gp:)
    10X Pasiva10 pF/10 M? (Gp:) 10X pasiva: la carga llega a
    159?@100MHz (Gp:) >1GHz

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    27 Modelo Preciso Sonda Activa más Rápida Existente
    Sonda Activa referida a tierra P7260 con interfaz
    TekConnect

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    28 Sondas – Carga Nueva Sonda FET P7260 6 GHz BW Total del
    Sistema ¡Cinput<0.5 pF! ¡Rango Dinámico 6
    Vp-p! Rinput 20 KW Tiempo de Subida (TDS6604) 75ps (10-90% Tr)
    55ps (20-80% Tr) Requerido para circuitos con Tr de 200ps

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    29 Low Voltage Differential Signaling (LVDS) Estándares
    LVDS (ANSI/TIA/EIA-644 e IEEE 1596.3) Alta velocidad >1 Gb/s,
    bajos consumo y ruido InfiniBand: 2.5Gb, nivel diferencial >
    175mV, transporte de reloj Sonda Dif. P7330 3.5 GHz 0.5 pF C
    LVDS

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    30 Modelo Preciso Sonda Activa Diferencial más
    Rápida Existente Sonda Activa Diferencial P7330 con
    interfaz TekConnect

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    31

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    32 Jitter – es un gran problem de SI a alta velocidad
    ¿Qué es el jitter? “la desviación de
    un flanco respecto a donde debería estar” Causas del
    Jitter: Ruido Térmico Relojes de referencia Ruido
    Inyectado (EMI/RFI) Inestabilidades Jitter: “Variaciones a
    corto plazo de los instantes significativos de una señal
    digital respecto a su posición temporal ideal”
    (ITU). FORMA DE ONDA DIGITAL Otras

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    33 Separación Rj / Dj – requerido por los
    últimos estándares Jitter Aleatorio (Rj) RMS
    ilimitado, Gausiano Jitter Determinístico (Dj) Pk-Pk
    Jitter Periódico (Pj) Distorsión Ciclo de Trabajo
    (DCD) Interferencia Intersimbólica (ISI) o Jitter
    Dependiente de Datos (DDj) Jitter Total (Tj) Tj = DjPk-Pk + RjRMS
    x N (N = 14 para 7 sigma, BER de 10-12)

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    34 Los Componentes de Jitter Degradan la SI Medida del Jitter
    Determinístico (Dj) como las variaciones pico a pico de
    las posiciones temporales ideales Fuentes posibles Insuficiente
    ancho de banda de la conexión al transmisor óptico
    (acoplado en AC) Sobreexcitación del laser (corte o
    saturación) induciento tiempos de recuperación
    largos Ruido interno (relojes, diafonía) Mediad del Jitter
    Aleatorio (Rj) como la desviación estándar (RMS)
    Fuentes posibles PLL en la fuente de los datos Ruido en la
    polarización del Laser o en la regeneración
    temporal de la fuente de los datos Ruido inducido externamente
    (ambiental)

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    35 “Delta Time Accuracy” (DTA) Ejemplo: Para un
    TDS6604 de 20GS/s con un cristal de 2.5ppm, midiendo un reloj de
    400MHz (periodo de 2.5ns) DTA = (0.06 / SR) + (estabilidad
    cristal X medida) = (0.06 / 20GS/s) + (2.5ppm X 2.5ns) o (0.06 X
    50ps) + (2.5ppm X 2.5ns) = 3ps + 0.00625ps Obsérvese la
    pequeña contribución de la inestabilidad del
    cristal en el error total TDS6604 DTA ~ Especificación 3
    ps (1.5 ps típica) – ésta es la
    precisión (no la resolución) Es el método
    para especificar la precisión temporal según la
    IEEE1057 Inluye los efectos de la precisión del intervalo
    de muestreo y la base de timepos, los error de
    cuantización e interpolación, el ruido del
    amplificador y el jitter del reloj de muestreo

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    36 Método en Tiempo Real del TDSJIT3 Método para
    Separación Rj / Dj y Estimación BER Basadao en
    datos capturados en tiempo real Incluye medidas TIE mediante
    “Golden PLL” Descomposición de Jitter con
    Análisis Espectral Ancho margen de ruido – trabaja
    con un nivel de ruido alto Funciona con secuencias de datos
    cortas o largas- no se precisan detalles sólo velocidad de
    datos y longitud de la secuencia Disparo en un punto aleatorio de
    la secuencia Resultados: Rj, Dj, Pj, DCD, ISI, BER TDS-JIT3: para
    TDS5000, CSA/TDS7000, TDS6604

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    37 Apertura del Ojo y Estimación del BER La
    “Apertura del Ojo" se define como la región entre
    transiciones de datos para la cual la tasa de error no sobrepasa
    el BER especificado o máximo. Se reduce por el jitter Con
    separación Rj / Dj, las medidas de jitter se pueden usar
    para calcular y representar el VER a viversos niveles vs la
    apertura de ojo estimada (también conocida como curva de
    la bañera). Los Osciloscopios R-T Tektronix + el software
    JIT3 proporciona una excelente aproximación (buena
    correlación) con BERT Ejemplo: Fibre Channel @ 1.0625 Gb/s
    Apertura Ojo = 57% del UI para BER = 10-12 (Gp:) -0.5 (Gp:) 0
    (Gp:) 0.5 (Gp:) 1 (Gp:) 1.5 (Gp:) 10 (Gp:) -15 (Gp:) 10 (Gp:) -10
    (Gp:) 10 (Gp:) -5 (Gp:) 10 (Gp:) 0 (Gp:) Bathtub curve (Gp:) Eye
    Opening = 0.57UI (Gp:) BER = 10-12 (Gp:) 100% Errors (Gp:) Error
    Rates (Gp:) Eye Opening (UI)

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    38 Estimación del BER (Bit Error Rate) Empieza con TIE PLL
    TIE Realiza la FFT Determina frecuencia y velocidad del
    patrón Suma componentes relacionados con el patrón
    Suma componente no correlacionados Mide RMS de los componentes
    restantes Estimación BER

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    39 Windows / Conectividad y Análisis Conectividad y
    Análisis PRESTACIONES INTEGRIDAD ACELERACION (Gp:)
    Vnetajas del Entorno PC (Gp:) Impresoras y almacenamiento en red
    Recursos de Internet (p.e. email) Soporte de múltiples
    pantallas (Gp:) Infrastructura Software (Gp:) TekVISA Controles
    ActiveX Excel toolbar (Gp:) Integración PCs Externos y
    Ordenadores no-Windows (Gp:) LabVIEW y Lab Windows (PNP)
    Aplicaciones UNIX y otros recursos LAN (VXI-11) (Gp:) API para
    Windows y UNIX (Gp:) C, C++, Visual Basic, MATLAB y otros Medidas
    y análisis definidos por el usuario

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