常用信號完整性的測試手段和在設計的應用
發布時間:2011-12-09
中心議題:
- 信號完整性的測試手段
- 信號完整性仿真
- 信號完整性測試應用實例
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信xin號hao完wan整zheng性xing設she計ji在zai產chan品pin開kai發fa中zhong越yue來lai越yue受shou到dao重zhong視shi,而er信xin號hao完wan整zheng性xing的de測ce試shi手shou段duan種zhong類lei繁fan多duo,有you頻pin域yu,也ye有you時shi域yu的de,還hai有you一yi些xie綜zong合he性xing的de手shou段duan,比bi如ru誤wu碼ma測ce試shi。這zhe些xie手shou段duan並bing非fei任ren何he情qing況kuang下xia都dou適shi合he使shi用yong,都dou存cun在zai這zhe樣yang那na樣yang的de局ju限xian性xing,合he適shi選xuan用yong,可ke以yi做zuo到dao事shi半ban功gong倍bei,避bi免mian走zou彎wan路lu。本ben文wen對dui各ge種zhong測ce試shi手shou段duan進jin行xing介jie紹shao,並bing結jie合he實shi際ji硬ying件jian開kai發fa活huo動dong說shuo明ming如ru何he選xuan用yong,最zui後hou給gei出chu了le一yi個ge測ce試shi實shi例li。
信(xin)號(hao)完(wan)整(zheng)性(xing)的(de)測(ce)試(shi)手(shou)段(duan)很(hen)多(duo),涉(she)及(ji)的(de)儀(yi)器(qi)也(ye)很(hen)多(duo),因(yin)此(ci)熟(shu)悉(xi)各(ge)種(zhong)測(ce)試(shi)手(shou)段(duan)的(de)特(te)點(dian),以(yi)及(ji)根(gen)據(ju)測(ce)試(shi)對(dui)象(xiang)的(de)特(te)性(xing)和(he)要(yao)求(qiu),選(xuan)用(yong)適(shi)當(dang)的(de)測(ce)試(shi)手(shou)段(duan),對(dui)於(yu)選(xuan)擇(ze)方(fang)案(an)、驗證效果、解決問題等硬件開發活動,都能夠大大提高效率,起到事半功倍的作用。
信號完整性的測試手段
信號完整性的測試手段主要可以分為三大類,如表1所suo示shi。表biao中zhong列lie出chu了le大da部bu分fen信xin號hao完wan整zheng性xing測ce試shi手shou段duan,這zhe些xie手shou段duan既ji有you優you點dian,但dan是shi也ye存cun在zai局ju限xian性xing,實shi際ji上shang不bu可ke能neng全quan部bu都dou使shi用yong,下xia麵mian對dui這zhe些xie手shou段duan進jin行xing一yi些xie說shuo明ming。

表1:信號完整性測試手段分類。
1.波形測試
波形測試是信號完整性測試中最常用的手段,一般是使用示波器進行,主要測試波形幅度、邊沿和毛刺等,通過測試波形的參數,可以看出幅度、邊(bian)沿(yan)時(shi)間(jian)等(deng)是(shi)否(fou)滿(man)足(zu)器(qi)件(jian)接(jie)口(kou)電(dian)平(ping)的(de)要(yao)求(qiu),有(you)沒(mei)有(you)存(cun)在(zai)信(xin)號(hao)毛(mao)刺(ci)等(deng)。由(you)於(yu)示(shi)波(bo)器(qi)是(shi)極(ji)為(wei)通(tong)用(yong)的(de)儀(yi)器(qi),幾(ji)乎(hu)所(suo)有(you)的(de)硬(ying)件(jian)工(gong)程(cheng)師(shi)都(dou)會(hui)使(shi)用(yong),但(dan)並(bing)不(bu)表(biao)示(shi)大(da)家(jia)都(dou)使(shi)用(yong)得(de)好(hao)。波(bo)形(xing)測(ce)試(shi)也(ye)要(yao)遵(zun)循(xun)一(yi)些(xie)要(yao)求(qiu),才(cai)能(neng)夠(gou)得(de)到(dao)準(zhun)確(que)的(de)信(xin)號(hao)。
首先是要求主機和探頭一起組成的帶寬要足夠。基本上測試係統的帶寬是測試信號帶寬的3倍以上就可以了。實際使用中,有一些工程師隨便找一些探頭就去測試,甚至是A公司的探頭插到B公司的示波器去,這種測試很難得到準確的結果。
其次要注重細節。比如測試點通常選擇放在接收器件的管腳,如果條件限製放不到上麵去的,比如BGA封裝的器件,可以放到最靠近管腳的PCB走線上或者過孔上麵。距離接收器件管腳過遠,因為信號反射,可能會導致測試結果和實際信號差異比較大;探頭的地線盡量選擇短地線等。
最後,需要注意一下匹配。這個主要是針對使用同軸電纜去測試的情況,同軸直接接到示波器上去,負載通常是50歐姆,並且是直流耦合,而對於某些電路,需要直流偏置,直接將測試係統接入時會影響電路工作狀態,從而測試不到正常的波形。
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2.眼圖測試
眼圖測試是常用的測試手段,特別是對於有規範要求的接口,比如E1/T1、USB、10/100BASE-T,還有光接口等。這些標準接口信號的眼圖測試,主要是用帶MASK(模板)的示波器,包括通用示波器,采樣示波器或者信號分析儀,這些示波器內置的時鍾提取功能,可以顯示眼圖,對於沒有MASK的de示shi波bo器qi,可ke以yi使shi用yong外wai接jie時shi鍾zhong進jin行xing觸chu發fa。使shi用yong眼yan圖tu測ce試shi功gong能neng,需xu要yao注zhu意yi測ce試shi波bo形xing的de數shu量liang,特te別bie是shi對dui於yu判pan斷duan接jie口kou眼yan圖tu是shi否fou符fu合he規gui範fan時shi,數shu量liang過guo少shao,波bo形xing的de抖dou動dong比bi較jiao小xiao,也ye許xu有you一yi下xia違wei規gui的de情qing況kuang,比bi如ru波bo形xing進jin入ruMASK的某部部分,就可能采集不到,出現誤判為通過,數量太多,會導致整個測試時間過長,效率不高,通常情況下,測試波形數量不少於2000,在3000左右為適宜。
目前有一些儀器,利用分析軟件,可以對眼圖中的違規詳細情況進行查看,比如在MASK中(zhong)落(luo)入(ru)了(le)一(yi)些(xie)采(cai)樣(yang)點(dian),在(zai)以(yi)前(qian)是(shi)不(bu)知(zhi)道(dao)哪(na)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)落(luo)入(ru)的(de),因(yin)為(wei)所(suo)有(you)的(de)采(cai)樣(yang)點(dian)是(shi)累(lei)加(jia)進(jin)去(qu)的(de),總(zong)的(de)效(xiao)果(guo)看(kan)起(qi)來(lai)就(jiu)象(xiang)是(shi)長(chang)餘(yu)暉(hui)顯(xian)示(shi)。而(er)新(xin)的(de)儀(yi)器(qi),利(li)用(yong)了(le)其(qi)長(chang)存(cun)儲(chu)的(de)優(you)勢(shi),將(jiang)波(bo)形(xing)采(cai)集(ji)進(jin)來(lai)後(hou)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)顯(xian)示(shi),因(yin)此(ci)波(bo)形(xing)的(de)每(mei)一(yi)個(ge)細(xi)節(jie)都(dou)可(ke)以(yi)保(bao)留(liu),因(yin)此(ci)它(ta)可(ke)以(yi)查(zha)看(kan)波(bo)形(xing)的(de)違(wei)規(gui)情(qing)況(kuang),比(bi)如(ru)波(bo)形(xing)是(shi)000010還是101010,這個功能可以幫助硬件工程師查找問題的根源所在。
3.抖動測試
抖動測試現在越來越受到重視,因為專用的抖動測試儀器,比如TIA(時間間隔分析儀)、SIA3000,價格非常昂貴,使用得比較少。使用得最多是示波器加上軟件處理,如TEK的TDSJIT3軟件。通過軟件處理,分離出各個分量,比如RJ和DJ,以及DJ中的各個分量。對於這種測試,選擇的示波器,長存儲和高速采樣是必要條件,比如2M以上的存儲器,20GSa/s的采樣速率。不過目前抖動測試,各個公司的解決方案得到結果還有相當差異,還沒有哪個是權威或者行業標準。
4.TDR測試
TDR測試目前主要使用於PCB(印製電路板)信號線、yijiqijianzukangdeceshi,birudanduanxinhaoxian,chafenxinhaoxian,lianjieqideng。zhezhongceshiyouyigeyaoqiu,jiushiheshijiyingyongdetiaojianxiangjiehe,birushijigaixinhaoxiandexinhaoshangshengyanzai300ps左右,那麼TDR的輸出脈衝信號的上升沿也要相應設置在300ps附近,而不使用30ps左右的上升沿,否則測試結果可能和實際應用有比較大的差別。影響TDR測試精度有很多的原因,主要有反射、校準、讀數選擇等,反射會導致較短的PCB信號線測試值出現嚴重偏差,特別是在使用TIP(探針)去測試的情況下更為明顯,因為TIP和信號線接觸點會導致很大的阻抗不連續,導致反射發生,並導致附近三、四英寸左右範圍的PCB信號線的阻抗曲線起伏。
5.時序測試
現(xian)在(zai)器(qi)件(jian)的(de)工(gong)作(zuo)速(su)率(lv)越(yue)來(lai)越(yue)快(kuai),時(shi)序(xu)容(rong)限(xian)越(yue)來(lai)越(yue)小(xiao),時(shi)序(xu)問(wen)題(ti)導(dao)致(zhi)產(chan)品(pin)不(bu)穩(wen)定(ding)是(shi)非(fei)常(chang)常(chang)見(jian)的(de),因(yin)此(ci)時(shi)序(xu)測(ce)試(shi)是(shi)非(fei)常(chang)必(bi)要(yao)的(de)。測(ce)試(shi)時(shi)序(xu)通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)多(duo)通(tong)道(dao)的(de)示(shi)波(bo)器(qi)和(he)多(duo)個(ge)探(tan)頭(tou),示(shi)波(bo)器(qi)的(de)邏(luo)輯(ji)觸(chu)發(fa)或(huo)者(zhe)碼(ma)型(xing)和(he)狀(zhuang)態(tai)觸(chu)發(fa)功(gong)能(neng),對(dui)於(yu)快(kuai)速(su)捕(bu)獲(huo)到(dao)需(xu)要(yao)的(de)波(bo)形(xing),很(hen)有(you)幫(bang)助(zhu),不(bu)過(guo)多(duo)個(ge)探(tan)頭(tou)在(zai)實(shi)際(ji)操(cao)作(zuo)中(zhong),並(bing)不(bu)容(rong)易(yi),又(you)要(yao)拿(na)探(tan)頭(tou),又(you)要(yao)操(cao)作(zuo)示(shi)波(bo)器(qi),那(na)個(ge)時(shi)候(hou)感(gan)覺(jiao)有(you)孫(sun)悟(wu)空(kong)的(de)三(san)頭(tou)六(liu)臂(bi)就(jiu)方(fang)便(bian)多(duo)了(le)。邏(luo)輯(ji)分(fen)析(xi)儀(yi)用(yong)做(zuo)時(shi)序(xu)測(ce)試(shi)並(bing)不(bu)多(duo),因(yin)為(wei)它(ta)主(zhu)要(yao)作(zuo)用(yong)是(shi)分(fen)析(xi)碼(ma)型(xing),也(ye)就(jiu)是(shi)分(fen)析(xi)信(xin)號(hao)線(xian)上(shang)跑(pao)的(de)是(shi)什(shen)麼(me)碼(ma),和(he)代(dai)碼(ma)聯(lian)係(xi)在(zai)一(yi)起(qi),可(ke)以(yi)分(fen)析(xi)是(shi)哪(na)些(xie)指(zhi)令(ling)或(huo)者(zhe)數(shu)據(ju)。在(zai)對(dui)於(yu)要(yao)求(qiu)不(bu)高(gao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia),可(ke)以(yi)用(yong)它(ta)來(lai)測(ce)試(shi),它(ta)相(xiang)對(dui)示(shi)波(bo)器(qi)來(lai)說(shuo),優(you)勢(shi)就(jiu)是(shi)通(tong)道(dao)數(shu)多(duo),但(dan)是(shi)它(ta)的(de)劣(lie)勢(shi)是(shi)探(tan)頭(tou)連(lian)接(jie)困(kun)難(nan),除(chu)非(fei)設(she)計(ji)的(de)時(shi)候(hou)就(jiu)已(yi)經(jing)考(kao)慮(lv)了(le)連(lian)接(jie)問(wen)題(ti),否(fou)則(ze)飛(fei)線(xian)就(jiu)是(shi)唯(wei)一(yi)的(de)選(xuan)擇(ze),如(ru)果(guo)信(xin)號(hao)線(xian)在(zai)PCB的內層,幾乎很難做到。
6.頻譜測試
對於產品的開發前期,這種測試應用相對比較少,但是對於後期的係統測試,比如EMC測試,很多產品都需要測試。通過該測試發現某些頻點超標,然後可以使用近場掃描儀(其中關鍵的儀器是頻譜儀),例如EMCSCANER,來(lai)分(fen)析(xi)板(ban)卡(ka)上(shang)麵(mian)具(ju)體(ti)哪(na)一(yi)部(bu)分(fen)的(de)頻(pin)譜(pu)比(bi)較(jiao)高(gao),從(cong)而(er)找(zhao)出(chu)超(chao)標(biao)的(de)根(gen)源(yuan)所(suo)在(zai)。不(bu)過(guo)這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)相(xiang)對(dui)都(dou)比(bi)較(jiao)昂(ang)貴(gui),中(zhong)小(xiao)公(gong)司(si)擁(yong)有(you)的(de)不(bu)多(duo),因(yin)此(ci)通(tong)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)都(dou)是(shi)在(zai)設(she)計(ji)時(shi)仔(zai)細(xi)做(zuo)好(hao)匹(pi)配(pei)和(he)屏(ping)蔽(bi),避(bi)免(mian)後(hou)麵(mian)測(ce)試(shi)時(shi)發(fa)現(xian)信(xin)號(hao)頻(pin)譜(pu)超(chao)標(biao),因(yin)為(wei)後(hou)期(qi)發(fa)現(xian)了(le)問(wen)題(ti),很(hen)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)是(shi)很(hen)難(nan)定(ding)位(wei)的(de)。
7.頻域阻抗測試
現在很多標準接口,比如E1/T1等(deng),為(wei)了(le)避(bi)免(mian)有(you)太(tai)多(duo)的(de)能(neng)量(liang)反(fan)射(she),都(dou)要(yao)求(qiu)比(bi)較(jiao)好(hao)地(di)匹(pi)配(pei),另(ling)外(wai)在(zai)射(she)頻(pin)或(huo)者(zhe)微(wei)波(bo),相(xiang)互(hu)對(dui)接(jie),對(dui)阻(zu)抗(kang)通(tong)常(chang)都(dou)有(you)要(yao)求(qiu)。這(zhe)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia),都(dou)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)頻(pin)域(yu)的(de)阻(zu)抗(kang)測(ce)試(shi)。阻(zu)抗(kang)測(ce)試(shi)通(tong)常(chang)使(shi)用(yong)網(wang)絡(luo)分(fen)析(xi)儀(yi),單(dan)端(duan)端(duan)口(kou)相(xiang)對(dui)簡(jian)單(dan),對(dui)於(yu)差(cha)分(fen)輸(shu)入(ru)的(de)端(duan)口(kou),可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)Balun進行差分和單端轉換。
傳輸損耗測試,對於長的PCB走(zou)線(xian),或(huo)者(zhe)電(dian)纜(lan)等(deng),在(zai)傳(chuan)輸(shu)距(ju)離(li)比(bi)較(jiao)遠(yuan),或(huo)者(zhe)傳(chuan)輸(shu)信(xin)號(hao)速(su)率(lv)非(fei)常(chang)高(gao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia),還(hai)有(you)頻(pin)域(yu)的(de)串(chuan)擾(rao)等(deng),都(dou)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)網(wang)絡(luo)分(fen)析(xi)儀(yi)來(lai)測(ce)試(shi)。同(tong)樣(yang)的(de),對(dui)於(yu)PCB差分信號或者雙絞線,也可是使用Balun進行差分到單端轉換,或者使用4端口網絡分析來測試。多端口網絡分析儀的校準,使用電子校準件可以大大提高校準的效率。
8.誤碼測試
誤wu碼ma測ce試shi實shi際ji上shang是shi係xi統tong測ce試shi,利li用yong誤wu碼ma儀yi,甚shen至zhi是shi一yi些xie軟ruan件jian都dou可ke做zuo,比bi如ru可ke以yi通tong過guo兩liang台tai電dian腦nao,使shi用yong軟ruan件jian,測ce試shi連lian接jie兩liang台tai電dian腦nao間jian的de網wang絡luo誤wu碼ma情qing況kuang。誤wu碼ma測ce試shi可ke以yi對dui數shu據ju的de每mei一yi位wei都dou進jin行xing測ce試shi,這zhe是shi它ta的de優you點dian,相xiang比bi之zhi下xia示shi波bo器qi隻zhi是shi部bu分fen時shi間jian進jin行xing采cai樣yang,很hen多duo時shi間jian都dou在zai等deng待dai,因yin此ci漏lou過guo了le很hen多duo細xi節jie。低di誤wu碼ma率lv的de設she備bei的de誤wu碼ma測ce試shi很hen耗hao費fei時shi間jian,有you的de測ce試shi時shi間jian是shi一yi整zheng天tian,甚shen至zhi是shi數shu天tian。
實shi際ji中zhong如ru何he選xuan用yong這zhe上shang述shu測ce試shi手shou段duan,需xu要yao根gen據ju被bei測ce試shi對dui象xiang進jin行xing具ju體ti分fen析xi,不bu同tong的de情qing況kuang需xu要yao不bu同tong的de測ce試shi手shou段duan。比bi如ru有you標biao準zhun接jie口kou的de,就jiu可ke以yi使shi用yong眼yan圖tu測ce試shi、阻抗測試和誤碼測試等,對於普通硬件電路,可以使用波形測試、時序測試,設計中有高速信號線,還可以使用TDR測試。對於時鍾、高速串行信號,還可以抖動測試等。
lingwaishangmianzhongduodeyiqi,henduodoukeyishixianduozhongceshi,birushiboqi,keyishixianboxingceshi,shixuceshi,yantuceshihedoudongceshideng,wangluofenxiyikeyishixianpinyuzukangceshi、傳輸損耗測試等,因此靈活應用儀器也是提高測試效率,發現設計中存在問題的關鍵。
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信號完整性仿真
xinhaowanzhengxingceshishixinhaowanzhengxingshejideyigeshouduan,zaishijiyingyongzhonghaiyouxinhaowanzhengxingfangzhen,zhelianggeshouduanjiehezaiyiqi,weiyingjiankaifahuodongtigongleqiangdadezhichi。tu1是目前比較常見的硬件開發過程。

圖1:常見的硬件設計流程。
在zai需xu求qiu分fen析xi和he方fang案an選xuan擇ze階jie段duan,就jiu可ke以yi應ying用yong一yi些xie信xin號hao完wan整zheng性xing測ce試shi手shou段duan和he仿fang真zhen手shou段duan來lai分fen析xi可ke行xing性xing,或huo者zhe判pan斷duan哪na種zhong方fang案an優you勝sheng,比bi如ru測ce試shi一yi些xie關guan鍵jian芯xin片pian的de評ping估gu板ban,看kan看kan信xin號hao的de電dian平ping、sulvdengshifoumanzuyaoqiu,huozheliyongshixiandedaodeqijianmoxing,jinxingfangzhen,kanjiekoudexinhaochuanshujulishifoumanzuyaoqiudeng。zaipingshiliyongceshishouduan,yekeyidedaoyixieqijiandemoxing,birudianlandechuanshumoxing,zhezhongmoxingkeyiliyongzaifangzhenzhong,dangzhexiemoxingjileibijiaoduo,yixiebufenceshi,baokuoshejiwanbihoudeyanzhengceshi,keyiyongfangzhenlaitidai,zheduiyuxiaolvtigaohenyouhaochu,yinweiyigeshejizhongdesuoyoudexinhaodouwanquanjinxingceshi,shibijiaokunnande,yeshihenhaofeishijiande。
在設計階段,通常是使用仿真手段,對具體問題進行分析,比如負載的個數,PCB信號線的拓撲結構,並根據仿真結果對設計進行調整,以便將大多數的信號完整性問題解決在設計階段。
係xi統tong調tiao試shi以yi及ji驗yan證zheng測ce試shi階jie段duan,主zhu要yao是shi利li用yong信xin號hao完wan整zheng性xing測ce試shi手shou段duan,對dui設she計ji進jin行xing測ce試shi,看kan是shi否fou設she計ji的de要yao求qiu。如ru果guo發fa現xian了le嚴yan重zhong問wen題ti,就jiu要yao去qu解jie決jue,信xin號hao完wan整zheng性xing的de測ce試shi和he仿fang真zhen手shou段duan都dou將jiang用yong來lai尋xun找zhao問wen題ti的de根gen源yuan,以yi及ji尋xun找zhao適shi合he的de解jie決jue方fang案an上shang麵mian。
信號完整性測試和信號完整性仿真緊密結合,是信號完整性設計的基本要求。
應用實例
某種進口電纜A在zai公gong司si的de各ge個ge產chan品pin中zhong廣guang泛fan應ying用yong,由you於yu是shi獨du家jia供gong應ying商shang,多duo年nian價jia格ge一yi直zhi沒mei有you下xia降jiang過guo,在zai通tong信xin產chan品pin的de價jia格ge逐zhu年nian大da幅fu度du地di下xia降jiang的de情qing況kuang下xia,是shi不bu大da正zheng常chang的de,這zhe種zhong情qing況kuang下xia需xu要yao尋xun找zhao替ti代dai的de供gong應ying商shang,由you於yu涉she及ji的de產chan品pin眾zhong多duo,並bing且qie產chan品pin在zai網wang絡luo中zhong的de地di位wei很hen高gao,替ti代dai就jiu顯xian得de非fei常chang謹jin慎shen,因yin此ci需xu要yao通tong過guo多duo方fang麵mian測ce試shi驗yan證zheng,才cai能neng夠gou決jue定ding能neng否fou替ti代dai。
根據規格需求,找到擬用來替代的國產電纜B,根據這種情況,設計多種測試進行驗證兩種電纜的效果:1.頻域測試:測試兩種電纜的傳輸損耗、反射、串擾等;2.時域測試:測試兩種電纜的眼圖測試、波形測試等;3.仿真:利用仿真軟件,仿真眼圖傳輸情況;4.其他測試:呼叫測試(係統測試的一種,模擬實際應用的性能)。圖2、3和4是部分的測試結果。

圖2:兩種電纜的差分傳輸損耗(上)和差分近端串擾(下)。
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圖3:仿真傳輸眼圖(上:電纜A,下:電纜B)。
從圖2可以看到,兩種電纜的差分傳輸損耗差不多,而電纜A得近端串擾則相對比較大。圖3使用了仿真軟件,仿真20米長的電纜,傳輸40Mbps信號的眼圖情況,仿真使用的電纜模型是利用上麵頻域測試得到的模型,通過仿真可以看到電纜B的眼圖比電纜A的眼圖要好,不論眼高還是眼圖抖動。

圖4:實際應用測試(上:電纜A,下:電纜B)。
圖4是實際應用的眼圖情況,很明顯電纜B的眼圖要比電纜A的眼圖要好,和前麵的仿真結果比較吻合,不過電纜A的實際反射比較大一點,這和仿真使用驅動器件的模型有關。
綜合其他測試的結果,最後結論認為擬用來替代的國產電纜B,性能優於進口電纜電纜A,因此完全可以替代。這個替代,將給公司帶來每年數百萬元的成本下降。
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