DE1462455A1 - Schaltungsanordnung fuer ein digitables Datenuebertragungssystem - Google Patents

Description

Karl-Α. Brose

Dipl -Ing. _Λ , ' ^ , L

8023 München-Pullach 1462455

WieBerStr.2-Tel.Mänchen7?0ö70 '

Po . . Münohen-Pullach, 10, Mai 1968

Aktenzeichen: B 88 735 VIIIa/21a1 7/θ1 - P Ή 62 455.6 Anmelder: The Bendix Corporation

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HEUE UNTERLAGEN

Schaltungsanordnung für ein digitales Datenübertragungssystem

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein digitales Datenübertragungssystemjbei welchem senderseitig eine Verschlüsselungseinrichtung zur Transformation der digitalen Ein- ' gangsdaten in ein analoges Signal, sowie ein Modulator zum Aufprägen des Analogsignales auf einen Träger vorgesehen ist, und wobei empfängerseitig ein Demodulator zum Empfang der übermittelten ifelle und zum Darstellen der analogen Signalmodulation darauf, sov/ie eine Entschlüsselungseinrichtung zum V/iedergewinnen der digitalen Eingangsdaten vorgesehen sind.

Die Geschwindigkeit, mit welcher Daten übertragen werden können, ist untrennbar mit der Bandbreite des Übertragungskanales verbunden. Theoretisch können Daten in Binärform mit keiner größeren GescVhv.indigkeit übertragen werden als 2B Bit pro Sekunde, wenn B die Bandbreite des Kanales in Hz ist. Überlegungen haben gezeigt, rtaß diese Geschwindigkeit nur so lange eine absolute Grenze für die Übertragungsgeschwindigkeit einer Information darstellt, äü.p die Informrtion in binärer Form gesendet bzw. übermittelt wird. Binäre Daten sind dadurch gekennzeichnet, daß nur auf zwei Pegeln Informationen vorliegen. Venn dieselbe Information in ein herkömmliches Signal mit mehreren Pegeln transformiert wird, dann wird die neue Grenze für die Datenübertragungsgeschwindigkeit 2B l'ogpN Bit pro Sekunde, wenn N die Anzahl der

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Pegel und B wie oben die Bandbreite des übertragunrskarale^ dargestellt.

DiPBe Theorie gibt aber eine Übertragungsgeschwindigkeit an, die in der Praxis nie erreicht werden kann und zwar einmal, weil grundsätzlich eine rauschfreie Übertragung nicht möi.OioU ist und weil zum zweiten die Anzahl der Pegel nicht unendlich erhöht werden kann. Jedes Trr-pkti sehe tfte^tragrn^ssysterr ie-t mit Pauschen behaftet und bei aller, bekannten Mitteln z^r S^-'n"·"¹-pegelerfassung sind Toleranzen im Betrieb unumgänglich.

Die Üb ermit tiling von Daten in Digital form zwischen verschiedenen Geschäftsbetrieben er]"-igt nraktisci-.e Bedeutung. To^dplerweise werden die Daten über dieselben Teleforleit-'ji ;ρ^ übermittelt, die auch zum Surechverkehr dienen. Di*³ JT^nnbr^dl L-eite sdbh'er Leitungen ist ^ KFz. Diese Leitungen sin'? nbei-* τ'oh*" geeignet zur Datenuhertra.Tins¹ nd.t mehr als "5 K^z Bf^i'ibrei^e, da ihre Amplituden- und Phflseneißer.scbafter· st«.rk von e^n^r verzerrungsfreien Leiten"· a

Die hier am meist er interessierenden t^;i rensoi.'^f t*=n 8^π'πμ ch'e Dämpf unrsverr.erruni··, die Gripper lauf ZPit sov/?.e Art; unc Bptrag des erzeugten Hauschens. Weiter ändern sieh diese "Ji---; ■--schäften mit der Art der vorv/erdeten Te.^{1 a}fcnle^ tm.-·. Bei r--·!- ' frweise ist die Dämpfun^-sverzer^ung bei Tril^ersyste-vie^ v/en-r',"".ioL anders a."¹ s bei Leitersysteaip'-i und hnt wiedei' andere \,'ev~,e bei den verschiedenen in Drahtsystenie"" verv/ei„deten Kabel&rtei· . ^r.,^;ei.-ter ist offensichtlich die Art des Kabels bz'v. d~"e Anze'il der Trägerverbin^ungen nicht frei v/ählbar, v/enr ejn Telefon esnr.üch geführt wird. Das Wahlsystem verbindet di'·; miteinander ^r-y-eohe^- den Stellen durch die ievreils zum Zeitpunkt des Gescr-'o^r Verfügbare Fernleitung. Die GesorJicasra.rtner können infolgedessen nie sicher sein, daß i.winer dieselbe Le? tun · o^e- 9.11c:^N

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nur derselbe Weg grundsätzlich zwischen den beiden Stationen verfügbar.^ ist. .·...:-■,';.. ··,.-, ■.,-;■-..,■,.,.,,.- _. . _:. , ,.- .■·.,. ,_.·.· ]_■:...^

Telefongespräche werden im wesentlichen in Ortsgespräche, Nahgespräche (bis 600 km); und Ferngespräche, ( 600 - 4QO0 km), eingeteilt.- Der Telefonsprechkanal hat einen normalen Über- ,_: tragungsbereich von etwa 300 ■- 3300Hz. Wenn man die. Band-, breite als diejenigen Frequenzen ausdrüokt, die weniger als 20 db relative dämpfung aufweisen·, dann haben 90 f> aller Kreise Bandbreiten von mindestens 2700 Hz. Wenn aber dieBand- ·.-. breite in Auedrücken .derjenigen Frequenzen definiert wird, ' ■> .■■<■■ die weniger als 0,5 Millisekunden relativer Gruppenlaufzeit aufweisen, dann haben 9Q^ aller Ferngespräche nur 1200 Hz Bandbreite. Dies ist also ein erheblich geringerer Wert als der nominelle 3 kHz SprechrDurchlassbereich. ..... >/.· ,·■■■:■·.>

Die Gruppenlaufzeit-Eigenschaften begrenzen im allgemeinen; den Teil des Durchlassbandes., der zur Datenübertragung ver- , wendet werden kann. Die 0,5 Millisekunden Gruppenlaufzeit-Bandbreite kann sich von etwa 1 kHz bis 2,6 kHz ändern. Zur Verwendung eines solchen Kanal es für Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit ist eine intensive, lintzerrung an der Jümpfangsstation erforderlich. Die Veränderung der Übertragungseigenschaften mit der Zeit ist klein; wenn ein gegebener Kanal kontinuief-ich verwendet wird, dann ist ein häufiges Ändern der Entzerrung nicht erforderlich. Wenn ein Netzwerk alt näherungsweiser Entzerrung verwendet wird, dann kann »an für 90 £ aller Anruf· die minimale 0,5 Millisekunden iAufaeitverzögerunge-Bandbreite von 1,0 bis 1,4 kHz ausdehnen. . ■.. .. ■■■■■.■■■

Ba in einigen Trägereinrichtungen keine Frequeni-Verriegelungemechantemen vorgesehen sind, tritt bei Feragesprächekanälen eint

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Frequenzverschiebung auf. Diese Frequenzverschiebung liegt etwa zwischen 2 und 20 Hz in Abhängigkeit der Einrichtungen, über_v welche das Gespräch läuft. Diese Frequenzverschiebung tritt als Problem bei allen Modulations systemen auf, die örtliche Standardfrequenzen auf der Empfangsseite verwenden.

Bei Telefonanlagen treten eine ganze Reihe von statistisch verteilten Verschiebungen auf, die als Kauschen bezeichnet werden. Dazu gehört das thermische Rauschen, das Rauschen von Röhren und Halbleiterbauteilen, Kontaktrauschen, das induzierte, lietzbrummen, atmosphärische Störungen, Schaltkreisunterbrechungen und Nebensprechen. Aus dieser Vielzahl von Ursachen ergibt sich ein im wesentlichen konstantes und fast statistisch verteiltes ständiges Rauschen mit niedrigem Pegel, in welchem gelegentlich Störungsspitzen mit hohem Pegel liegen. Die Verteilung des ständigen Anteils des Rauschens ist nahezu statistisch und seine Größe hängtyab von der Tageszeit, dem Wetter, der Jahreszeit sowie auch den jeweils verwendeten Schaltkreisen. Bei einem durchschnittlichen Signalpegel von -22dbm auf der Empfangsseite ist das mittlere Signal-Rauschverhältnis 35 db. Bis zu 6 ^ aller Verbindungen haben ein Signal-Rauschverhältnis unter 10 db.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung für ein Datenübertragungssystem der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, mit dessen Hilfe man unter Berücksichtigung der oben erläuterten prinzipiellen Schwierigkeiten soviel Daten wie möglich über einen Kanal begrenzter Bandbreite übermitteln kann.

läin zum Stand der Technik gehörendes Verfahren zum Übertragen von Daten in Form einer binär kodierten Impulsfolge über einen Übertragungskanal mit begrenzter Bandbreite besteht darin,. daß diese Impulsfolge in eine Y/ellenform mit drei unterseheid-

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baren Amplitudenbereichen, d.h. einem inneren und zwei äusseren Bereichen, umgewandelt wird, in der sieh, die Amplitude von einem Impuls zum nächsten maximal zwischen einem der drei Bereiche zu einem angrenzenden Bereich ändern kann und in der sich die zwei aufeinanderfolgenden: Aua^enbetreiehsimpulse in demselben Aussenbereieh befinden, wenn die zwei Aussenbereichsimpulse durch eine gerade Anzahl von Innenbereichs impuls en voneinander getrennt werden, jedoch in entgegengesetzten Aussenbereichen liegen, wenn sie durch eine ungerade Anzahl von Innenbereichsimpulsen voneinander getrennt werden.

Im Gegensatz dazu geht die Erfindung aus von einer Schaltungsanordnung der eingangs definierten Gattung und besteht darin, daß das von der Verschlüsselungseinrichtung erzeugte Analog-Signal eine analoge Multipegelspannung ist, bei welcher die Amplitude von peak zu peak proportional einer vorherbestimmten Anzahl von Bits der Eingangsdaten ist und die Jäntsehlüsselungseinrichtung auf ^ede Veränderung dea Pegels der analogen Multipegelspannung ansprechende Einrichtungen zur« Erzeugung eines digitalen Signales aufweist. Bei der Erfindung wird im wesent— liehen ein senderseitig erzeugtes Multipegelsignal ohne Ände-* rung seiner Art an die Empfangsstation gegeben und dort wird das empfangene/Signal dekodiert und in das ursprüngliche, binär Daten darstellende Signal verwandelt, während nach dem zum Stand der Technik gehörenden Vorschlag die übermittelte Datenwellenform sich nicht in der Originalform befindet, sondern vielmehr in drei von einem Detektor erfassbare Amplitudenzonen verlegt ist, nämlich zwei äussere Zonen und eine innere Zone. An der Empfangsstation bestimmt dann ein Detektor, ob die Amplitude des empfangenen, geänderten Signales sich Inder inneren Zone befindet und aus dieser Erfassung wird "dann die Originalwellenform· rekonstruiert. Mit Hilfe des Verfahrens nach dem bekannten Yorsehlag kann Man nur bezogen, auf die Bandbreitenbegrenzung des Übertragungskanals die doppelte Übertragungsgeschwindigkeit erreichen. Eine größere Übertragungsgeschwiildig-

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keit kann bei dem bekannten "Vorschlag grundsätzlich nicht erreicht werden, während dies bei der Erfindung grundsätzlich möglich ist. Bei der Erfindung wird z.B. beim Arbeiten mit' vier Pegeln eine dreimal größere übertragungsgeschwindigkeit erzielt als bei einem herkömmlichen Binärsystem und beim Arbeiten mit sechs Pegeln ist die übertragungsgeschwindigkeit sogar fünfmal, höher als bei herkömmlichen Binärverfahren.

Die vorliegende Erfindung erreicht eine Erhöhung der Datengeschwindigkeit durch Codierungseinrichtungen, die ein Binärsignal in ein Analogsignal umwandeln. Wenn bei der Transformation H" logische Einheiten zur Erzeugung einer Periode des analogen Signales erforderlich sind, dann kann das analoge Signal als M-Pegel-Signal betrachtet werden, welches theoretisch Daten mit einer Geschwindigkeit übertragen kann, die M-1 grosser ist als die Übertragungsgeschwindigkeit bei binären Signalen für dieselbe Bandbreite. Eine Folge dieser Verminderung der Anforderungen an die Bandbreite ist eine Verschiebung der wichtigen Komponenten des Signalspektrums in Sichtung auf niedrigere Frequenzen. Da Telefon- und Radioschaltungen nicht für die Übertragung von niederfrequenten" Signalen eingerichtet sind, sind Modulierungsmittel erforderlich, um die niederen Frequenzen "des Basisband-Analogsignales auf eine Frequenz zu heben, die innerhalb des Durchlassbereiches des Ubertragungskreis.ee- liegt. Dabei bleibt jaber_f der Vorteil der Verringerung der Bandbreite erhalten.

Im wesentlichen weist die Verschlüsselungs- oder Transformationsschaltung nach, der Erfindung einen vorwärts und rückwärts arbeitenden Zähler auf, an welchen die Signale in binärer Datenform angelegt werden. Jede binäre eins des Signales''bewirkt, daß die Zählung im Zähler erhöht wird, bis ein vorherbestimmter Zählerinhalt erreicht ist, woraufhin weitere folgende binäre

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logische KLnser eine Reduzierung des Zählerinhalts herab bis zur anfänglichen Zählung bewirken, die z.B. als Hull angenommen werden kann. Folgende logische Einser bewirken eine Wiederholung des Zyklus im Zähler. Wenn als N/2 die maximale Änderung der Zählung im Zahler ist, dann sind N logische Einser erforderlich zur Erzeugung einer Periode des Zählers. Entsprechend ist die Anzahl der Pegel von 2 auf M erzeugt und die Datengeschwindigkeit pro Periode der Bandbreite wird N = 2 (M-1). Es sind weiter Mittel vorgesehen, um die im Zähler gespeicherte Zahl in eine analoge Spannung zu transformieren, welche -die Modulation der Welle für das Senden steuert. Am Empfänger wird die Trägerwelle demoduliert, um das analoge Basisbandsignal zu erhalten. Dieses Signal wird dann decodiert und man erhält einen binären Datensignalausgang.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben eich aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Systems unter Hinweis auf die Zeichnung. In dieser zeigen:

Fig. 1A und 1B Bbckdiagramme des Datensenders bzw. des Datenempfängers nach der Erfindung;

_SL^„ein BlockJLisgraimii der YerschltisseluiigseinriGh=^ tung nach Pi^

Fig. 2A eine graphische

jeweils angeschalteten Tore Anzahl der Pegel für die

Fig. 3 ein Blockdiagramm der Verschlüsselungseinrich? tung und der Zeitgeberteile nach der Fig. 1Bj

Fig. 3A in Form einer Karte die Zuordnung der AnscM.-tung verschiedener Tore in Fig. 3 zu Anzahl der übermittelten Signalpegel; und

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Pig. 4 eine im System auftauchende Wellenformen zum Erläutern der Arbeitsweise des Systems.

In Figur 1 ist im Blookdiagramm ein Sender dargestellt, der dazu dient, über Telefonleitungen entsprechend der Erfindung verschlüsselte Datensignale zu übermitteln. Ein Audio-Oszillator 10 schwingt mit einer Frequenz, die nahe der Frequenz der minimalen Gruppenlaufzeit der Übertragungsleitung liegt. Diese " Frequenzen können zwischen 1000 und 2000 Hz liegen. Der verstärkte Ausgang des Schwingkreises 10 wird als ein Eingang in einen abgeglichenen Diodenring-Modulator 12 eingegeben, der als Steuereingang ebenfalls den Ausgang des Verschlüsselungsgenerators 14 empfängt. Die Wellenform des Yerschlüsselungsgenerators ähnelt einer auf den Linien stufenweisen Dreieckswelle, wobei diese Welle immer mehr einer Dreieckswelle ähnelt, je mehr Pegel verwendet werden. Der Ausgang des Modulators ist eine sowohl hinsichtlich ihrer Amplitude modulierte als auch durch Phasenverschiebung verschlüsselte Trägerwelle. Die Amplituden der Welle hängen ab von der Anzahl der gewählten Ausgangsverschlüsselungspegel, während die Phase der Welle die ₍ Polarität der Pegel anzeigt. Wenn zwei Pegel gewählt werden, dann ist der Ausgang des Yerschlüsselungsgenerators eine Rechteckwellenform und der Modulatorausgang ist eine mit konstanter Amplitude laufende Trägerwelle, die in ihrer Phase für jede binäre eins um 180° umgekehrt ist. Wenn drei Ausgangspegel für den Verschlüsselungsgenerator gewählt werden, erzeugt die erste binäre eins am Eingang einen Träger einer ersten Phase (+), die zweite binäre einlässt den Träger verschwinden und die dritte binäre eins lässt den Träger mit entgegengesetzter Phase (-) . wieder erscheinen. Die Basisband-Wellenform hätte also eine positive Stufe, einen Teil mit dem Pegel Full und eine negative Stufe. Da eine binäre eins dazu erforderlich ist, eine einzelne· Veränderung im Pegel am Ausgang des Verschlüsselungsgenerators

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zu erzeugeni können die drei Ausgangspegel des Verschlüsselungsgenerators Informationen mit einer Geschwindigkeit von 4 Bit pro Periode der Bandbreite übermitteln.

Der Ausgang der Modulators 12 geht über ein Bandpassfilter 15 und einen Verstärker 16 zur Übertragungsleitung.

Im folgenden wird unter Hinweis auf Fig. 1B die Schaltung des Empfängers beschrieben. Der Eingang aus der Übertragungsleitung führt durch ein Bandpassfilter 20 und einen Verstärker 21 mit gesteuerter Verstärkung. Der Ausgang des Verstärkers 21 wird einem Vollweggleiohrichter 22 zugeführt, welcher die Frequenz des !Prägers verdoppelt. Diese verdoppelte Frequenz (3600 Hz) wird an einen Schwingkreis 23 mit hoher Güte gelegt, der mit der verdoppelten Frequenz schwingt. Bin Null-Durchgang-Detektor und Rechteckverstärker 24, der einen Schmitt-Triggerkreis aufweisen kann, formt den Ausgang des Schwingkreises 24 in eine Rechteckwelle mit konstanter Amplitude. Diese Rechteokwelle wird durch eine Verzögerungsschaltung 25 geschickt, die eine 90°, Phasenverschiebung bei der 1800 Hz-Trägerfrequenz bewirkt. IFeiter wird das Signal einem Frequenzteiler 26 zugeführt, der die Frequenz durch zwei teilt. Die Blöcke 22 26 erzeugen ein Bezugssignal, welches um 90° zum einlaufenden Signal phasenverschoben ist, und das in einem synchronen Demodulator 27 verwendet werden soll.

Der Demodulator 27 weist einen abgeglichenen Phasendetektor auf, der einen Ausgang erzeugt, dessen Grosse abhängt von der Amplitude des Signals vom Verstärker 21 und dessen -Polarität von der Phase des eingehenden Signals bezüglich des Bezugssignales abhängt. Ein Tiefpassfilter 28 weist Harmonische zurück, die vom Demodulator erzeugt werden und ergibt am Auegang die Basisbandwellenform, die am Ausgang des Verschlüsselungs-

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generators 14 des Senders vorliegt. Die wiedererhaltene Basisbandwellenform wird in einem Gleichstromverstärker 29 verstärkt und der Entschlüsselungsschaltung 31 eingegeben. Die nunmehr verbleibenden Blöcke 32 - 36 der Fig. 1B dienen zur zeitlichen Ordnung des Datenausgangs.

Der Verschlüsselungsgenerator 14 ist in Hg, 2 dargestellt. Er weist einen Vorwärts- Rückwärtszähler mit Torschaltmitteln w auf, die zur Auswahl der Zählungen pro Periode dienen. Drei Flip-Flops 41-43 mit gemeinsamen Eingängen 45 - 47 sind durch UND-Tore 51-54 gekoppelt, um nach oben die Wechsel des Datensignal eingang es bis sechs zu zählen und dann die Zählung nach unten durchzuführen usw. Die Richtung der Zählung wird yon einem Flip-Flop 55 gesteuert, welcher entweder die TOD-Tore 53 und 54 durch eine Vorwärtssteuerleitung 56 anschaltet oder die UND-Tore 51 und 52 über eine Rückwärtssteuerleitung 57. Die Arbeitsweise des Zählers ist wie folgt: Es wird zunächst angenommen, daß die Flip-Flops 41 - 53 auf Null gestellt sind, d.h. ihre komplementären Ausgänge W, X und Y sind angeschaltet und die Vorwärtssteuerleitung 56 ist erregt. Das erste Bit des Datensignals schaltet das Flip-Flop 41 um, so daß es einen komplementären Zustand annimmt, in dem W an ist und W aus ist. Dieses Digit kann aber die Flip-Flops 46 oder 47 nicht zum Umschalten bringen, weil das Tor 53 zum Zeitpunkt von dessen Erscheinen nicht angeschaltet war, da W im Aus-Zustand war. Die Zählung nach dem ersten Wechsel ist von rechts nach links gelesen also 001, d.h. Y ist aus, X ist aus und W ist an. Das zweite Bit des Datensignales schaltet das Flip-Flop 41 um und wird durch das dann angeschaltete Tor 53 zur .■umschaltung von Flip-Flop 42 weitergeleitet. Die Zählung beträgt dann 010 entsprechend Y aus, X an, W aus. Das dritte Bit schaltet das Flip-Flop 41 um, aber nicht den Flip-Flop 42, weil das Tor 53 wieder nicht angeschaltet war. Damit steht

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die Zählung bei 011 entsprechend Y aus, X an, W an. Das vierte Bit geht durch die geöffneten Tore.53 und 54 zur Umschaltung aller dreier Flip-flops. Damit steht die Zählung auf 100, entsprechend Y an, X aus, W aus. Die Zählung schreitet dann fort bis die gezählte Summe sechs erreicht ist und entsprechend Y an, X an, W aus. Diese Zählung wird von einem UND-Tor 58 erfasst, welches das Komplement von W empfängt und ferner X, Y und eine Anschalt- oder Einschaltspannung F. Das Flip-Flop 55 wird in seinen Komplementärzustand geschaltet, wodurch die Rückwärtssteuerleitung 57 erregt und die Vorwärtssteuerleitung 56 entregt wird.

Der siebte Bit des Eingangs schaltet das Flip-Flop 41 um und geht durch das geöffnete Tor 51 zur Umschaltung an das Flip-Flop 42. Damit steht die Schaltung auf 101 entsprechend W an, X aus, Y an (entsprechend der Zahl 5 im Zehnersystem). Weiter folgende Eingangs-Bits bewirken, daß die Zählung nach unten geht, bis der Wert 001 entsprechend Y aus, X aus, W an, erreicht ist. Das UND-Tor 59, welches W empfängt, die Komplemente von X und Y, sowie eine Ansohaltspannung E, ist dann angeschaltet, schaltet das Flip-Flop 55 um, wodurch dann wiederum die Torwärtssteuerleitung 56 erregt und die Rüokwärtssteuedeitung 57 entregt wird. Daraufhin wiederholt sich dieser periodische Zählvorgang.

Eine Bewertungssohaltung mit Widerständen 60 - 63 von gleichem Wert, die an die W-X-Y- Ausgänge der Zähler gelegt sind und die mit Widerständen 65 und 66 von halbem Wert an einen Belastungswider stand 67 gelegt 0ist, entwickelt über dem Belastungswider stand eine Spannung, die analog ist dem Stand der Zählung im Zähler. Das heisst also, daß die Spannung über dem Widerstand 67 in gleichen Schritten mit jedem zur Zählung addierten Bit von einem Mindestwert bei der Zählung eins auf

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einen maximalen negativen Wert bei der Zählung sechs ansteigt.

Der Datensignaleingang zum Zähler führt durch ein UND-Tor 82, welches die Daten mit einem Zeitgeber- oder Uhrsignal kombiniert, um einen binären Wechsel bei jeder zu sendenden logischen eins zu erzeugen. Eine Serie von logischen Einsen bewirkt damit, daß der Zähler einen zyklischen Ausgang erzeugt. Logische Nullen bewirken keine Änderung des Zustandes im Zähler, so daß der Ausgangspegel des Zählers konstant bleibt, wenn eine Null gesendet wird.

Ein anderes Verschlüsselungsschema wird dann erhalten, wenn man einfach das Und-Tor 82 auslässt und die Daten allein als Zählereingang verwendet. Der Pegel des Verschlüsselungsausgangs ändert sich dann nur, wenn das Datensignal sich von einer logischen Null auf eine logische Eins ändert. Der später zu beschreibende Entschlüsseier arbeitet mit dem oben zuerst beschriebenen Verschlüsselungssystem, bei dem der gesendete Signalpegel sich mit jeder logischen Jblins im Datensignal ändert.

Man kann auch weniger als sechs Ausgangspegel durch eine Einrichtung wählen, die UND-Tore 67 - 70 und einen Betriebsartenschalter 71 auf weist.'Die Tore 67 - 70 werden in der in der Tabelle der Fig. 2A gezeigten Weise geöffnet, damit der Zähler bei dem gewählten Ausgangspegel mit einem neuen Zyklus beginnt. Der Schalter 71 weist Kontakte A-F und gekuppelte Schaltarme 71 - 74 auf. Die Schaltarme oder Schaltglieder 72 und 73 erden Paare von Kontakten gemäss der Ordnung von -ü'ig. 2A und öffnen damit dasjenige Paar von UND-Toren b8, 59, 67-70, welches die geerdeten Kontakte als Eingänge hat. Wenn beispielsweise der Ausgangspegel zwei gewählt wird, dann erden die Kontaktarme 72 und 73 die Kontakte A und B, wodurch die Torschal- ·

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tungen 69 und 70 teilweise geöffnet werden. Das Tor 70 wird "bei der Zählung vier vollständig geöffnet und bewirkt damit, daß der Zähler seine Dichtung umdreht. Bei der Zählung drei ist das Tor 69 vollständig offen und bewirkt, daß der Zähler sich vorwärts bewegt.

Bei zwei Ausgangspegel wechselt die über dem Belastungswi-derstand abfallende Spannung 67 zwischen dem Wert entsprechend der Zählung drei und dem entsprechend der Zählung vier. Da diese Spannungen von gleicher Polarität sind, muss man eine Vorspannung, die gleich dem Mittelwert der Spannungspegel für drei und vier ist, davon abziehen, um dem Modulator 12 zwei verschieden polige Spannungen zuführen zu können. Wenn drei Ausgangspegel gewählt werden, bestimmen die Torschaltungen und 70 die Arbeitsweise des Zählers, der dann zwischen den Zählungen von zwei und vier hin- und herschwingt. Dabei wird dann eine Vorspannung gebrauoht, die gleioh ist dem Spannungsabfall, der bä der Zählung drei über dem Belastungswiderstand 67 auftritt. Diese Vorspannung wird für alle ungradzahligen Ausgangspegel benötigt, während der obige Wert einer Vorspannung dann benötigt wird, wenn eine gradzahlige Anzahl von Pegel- η gewählt wird.

Die Vorspannung wird vom Schaltarm 74 einem Gleichspannungsverstärker 81 zugeführt, welcher die Vorspannung mit der Zählerausgangsspannung kombiniert, um so zweipolige Multipegel-Signale zu erzeugen. Mit geraden Zahlen bezeichnete Kontakte sind mit einem von den Widerständen 75 und 76 gebildeten Spannungsteiler verbunden und ungradzahlig bezeichnete Kontakte sind mit einem von den Widerständen 77 und 78 gebildeten Spannungsteiler verbunden. Der Ausgang des Verstärkers wird dem Modulator 12 zugeführt, der in der oben beschriebenen

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Weise die hinsichtlich Amplitude und Phasenverschiebung modulierten Signale erzeugt.

Im folgenden werden unter Hinweis auf ^ig. 3 die in I¹Ig. 1B erscheinenden Blöcke 31-36 erläutert.

Das im Demodulator 27 erhaltene und im Verstärker 29 verstärkte bipolare Multipegelsignal wird im Verstärker 100 in ein unifc polares Multipegelsignal durch Addition einer entsprechenden Vorspannung transformiert. Der Ausgang des Verstärkers 100 wird gleichzeitig an mehrere Schmitt-Trigger 101 - 105 gelegt, die derart eingestellt sind, daß sie bei sukzessiv ansteigendem Signalpegel umschalten. Solange die Eingangsamplitude diesen Schwellwert an je einem der Schmitt-Trigger übersteigt, erscheint ein Ausgang an der entsprechenden Ausgangsleitung 106 - 110 der Schmitt-Trigger-Kreise. Wenn die Signalamplitude des Eingangs unterhalb des eingestellten Schwellwerts des jeweiligen Schmitt-Triggers ist, dann erscheint an den entsprechenden Komplementärleitungen 112 - 116 der nicht getriggerten Schmitt-Trigger eine Ausgangsgrösse. Die Ausgänge der den Einsern entsprechenden Leitungen 106 - 110 und der den Komplementen entsprechenden leitungen werden differenziert und durch ODER-Tore 117 einer örtlichen Synchronisationsleitung 118 zugeführt, die ihrerseits zu dem digitalen Daten-Phasenvergleicher führt. Die Schaltung zur Erzeugung örtlicher Zeitsignale, die mit den einlaufenden Daten synchronisiert sind, wird weiter unten beschrieben. Pur den Augenblick soll angenommen werden, daß solche Zeitsignale über die leitung 119 verfügbar sind. Mit jedem der Zeitimpulse wird der Zustand der Triggerschaltungen 101 - 105 durch UND-Tore 121 130 erfasst, die mit den Stell- und Rückstelleingängen von Flip-Flops 132 - 136 verbunden sind, um zu bewirken, daß die Flip-Flops denjenigen Zustand jeweils einnehmen, den auch der

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zugeordnete jeweilige Schmitt-Trigger einnimmt.

Die den Einsern und die den Einser-Komplementen zugeordneten Ausgänge der flip-Flops 132 - 156 sind durch UlTD-Impul st ore 138 - 147 mit dem Stelleingang eines Flip-Flops 150 verbunden.. Die Tore 138 - 147 werden entsprechend der Tabelle der Fig. 3A geöffnet. Die Triggerschaltungen 101 - 105 sind so eingestellt, daß sie auf ansteigende Signalpegel ansprechen, z.B. auf 2,0 Volt für den Trigger 101, 2,5 Volt für den Trigger 102, 3,0 YoIt für den Trigger 103, 3,5 Volt für den TriggerΊ04, 4,0 Volt für den Trigger 105. Wenn ein Zwei-Pegelsignal gesendet wird, dann schwingt der Signalpegel um einen Wert entsprechend den Zählungen drei und vier des VerschlüBselers nach Fig. 2. Dann ist es nur notwendig die Übergänge der Triggerschaltung 103 zu erfassen, die von dem der Zählung vier entsprechenden Signalpegel betätigt wird, um das einlaufende Signal zu decodieren. Es sei angenommen, daß das einlaufende Bit eine binäre Hull sei. Am Ausgang des Verstärkers 100 ist dann ein Signalpegel vorhanden, der der Zählung drei der Verschlüsselungseinrichtung entspricht. Die Triggerschaltungen 101 und 102 werden also betätigt, Wenn eine binäre Eins dann gesendet wird, dann steigt der Ausgang am Verstärker 100 auf 3 Volt. Der Ausgang über die Leitung des Triggers 103 bewirkt dann die Einstellung in einen Zustand des Flip-Flops 134, wodurch der Ausgang durch das geöffnete Tor 143 den Flip-Flop 150 in den einen Zustand stellen kann. Die entgegengesetzte Phase des Zeitsignales, welches auf der Leitung 152 steht, bewirkt die Rückstellung des Flip-Flops 150 in der Mitte des Intervalls zwischen den Daten-Bit und überträgt den Zustand des Flip-Flops 150 durch die MD-Tore 153 und 154 auf ein Flip-Flop 155» Die Tore 153 und 154 sowie das Flip-Flop 155 bilden den Block 36 der Fig. 1B. Wenn

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das nächste Daten-Bit eine logische Eins ist, dann fällt der Pegel am Ausgang des Verstärkers 100 unter 3 Volt, wodurch der Trigger 103 in seinen anderen Zustand übergeht. Der dem Komplement entsprechende Impuls wird durch das Tor 125 geleitet und "bewirkt die Zurückstellung des Flip-Flops 134. Das Tor 142 lässt den Komplementausgang des Flip-Flops 134 zum Flip-Flop 150 gelangen und stellt den letzteren auf "eins".

" In der nun folgenden Hälfte des Halb-Bit-Intervalls überträgt das Tor 153 den der Eins entsprechenden Ausgang des Flip_TFlops 150 auf das Flip-Flop 155. Wenn das nächste Daten-Bit eine logische Null ist, dann ändert sich der Pegel des Ausgangs am Verstärker 100 nicht und damit ändert auch keine der Triggerschaltungen ihren Zustand. Der Trigger 103 bleibt in seinem Komplement-Zustand, der Flip-Flop 134 ändert also seinen Zustand nicht und es wird kein Impuls weitergeleitet, um den Flip-Flop 150 zu stellen. Das Komplement des Flip-Flops 150 wird dadurch während des Datenintervalls durch das Tor 154 geleitet, um das Flip-Flop 155 in seinen Komplement-Zustand zurückzustellen, womit die Übertragung einer logischen Null angezeigt wird.

Der Zeitgeberschwinger wird von einem spannungsgesteuerten Oszillator 32 gebildet, der mit der doppelten Bit-Frequenz arbeitet. Der Schwinger weist weiter ein Flip-Flop 34 auf, der die Oszillatorfrequenz auf die Frequenz der Bit teilt, sowie einen digitalen Phasenverglelcher 33, der die Frequenzsteuerspannung an den Oszillator 32 liefert. Im Phasenvergleicher 33 empfängt ein Flip-Flop 160 differenzierte Ausgänge von jedem der ODER-Tore 117 an demjenigen Eingang, an dem er in den einen Zustand eingestellt wird, so daß jeder Übergang der Trigger 101 - 105 die Stellung des Flip-Flop in dieser Einstellung bewirkt. Beide Phasen des Zeitgeber-

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Signales, die auf den Leitungen 161 und 162 vom Flip-Flop 34 vorliegen, "bewirken, daß· das flip-flop 160 zurück gestellt wird. Der Ausgang des Flip-Flop 160 wird an zwei Impulstore 164 und 165, die nach Art von UND-Toren ausgebildet sind, gegeben, welche ausserdem als jeweils zweiter Eingang_entgegengesetzte Phasen des Zeitgebersignales vom Flip-Flop/erhalten. Die Impulstore 164 und 165 steuern Impulsgeneratoren 166 und 167 mit entgegengesetzten Impulsen, die einen Integrierkondensator 168 speisen. Wenn die einkommenden Daten zu früh einlaufen, d.h. daß die Zeitgeberfrequenz zu niedrig ist, wird das Flip-Flop 160 zu der Zeit eingestellt, bei welcher eines der beiden Tore, z.B. das Tor 165, geöffnet ist. Dadurch wird der Impulsgenerator 167 zur Erzeugung eines Impulses derartiger Polarität angestoßen, daß die Frequenz des Oszillators 32 ansteigt. Diese Impulse werden im Kondensator 168 angesammelt,, der mit der Zeit eine solche Spannung annimmt, daß er die Frequenz des Oszillators 32 auf die doppelte Bit-Frequenz Btellt. Dann ist die Frequenz dee Ausgangs des Flip-Flops 34 gleich der Bit-Frequenz und die einlaufenden Daten bewirken, daß das Flip-Flop 160 zu dem Zeitpunkt gestellt wird, der zusammenfällt mit der Anstiegskante der Zeitgeberimpulse auf den Leitungen 161 und 162. Während eines kleinen Zeitabschnittes im Bereich der Anstiegsflanke der Zeitgeber-impulse werden entweder beide Tore 164 und 165 geöffnet oder keines von beiden? in jedem der beiden Fälle tritt aber keine Spannungsänderung am Kondensator 168 auf, weil entweder zwei Impulse entgegengesetzter Polarität an den Kondensator angelegt werden, oder überhaupt kein Impuls. Wenn die Frequenz des Oszillators 32 anfangs zu hoch ist, dann arbeitet der Phasenvergleicher in der oben beschriebenen Weise aber entgegengesetzter Riohtung und bewirkt eine Absenkung der Ausgangsfrequenz des Flip-Flops 34 auf einen Wert, der gleich ist der Bit-Frequenz der einlaufenden Daten.

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Im folgenden soll die Wirkungsweise des Systems nach der Erfindung unter Hinweis auf I¹Ig. 4 erläutert werden, die verschiedene .Wellenformen mit gleicher Zeitachse zeigt. Das Eingangsdatensignal soll von dem Linienzug A dargestellt sein, womit es entsprechend der Darstellung tier Binärzahl 110100111 entspricht. Wenn der Dateneingang eine logische Eins ist, bewirkt ein positiver Zeitgeberimpuls (linienzug B), daß der Zähler der Verschlüsselungseinrichtung um eine Einheit weitergerückt wird.. Das Bit kann dabei die im Zähler vorhandene Summe erhöhen oder erniedrigen, je nachdem, ob der Zähler sich gerade in Vorwärts- oder in Rückwärtsrichtung bewegt. Wenn das Eingangssignal eine logische ITuIl ist, dann ergibt sich keine Änderung des Inhalts des Zählers.

Wie die linie G in Fig. 4 zeigt, bewirkt die eins der Eingangsgrösse im ersten Bit-Intervall, daß der Zähler in seiner Zählung eine Stufe nach oben geht, und zwar genauso, wie die zweite eins während des zweiten Bit-Intervalls. Das dritte Bit ist eine Null und also wird die Zählung nicht verändert. Das vierte Bit ist eine eins, aber der Zähler erreichte seinen maximalen'Stand bei der vorhergehenden eins und hat sich nun umgekehrt. Daher wird der Zählerinhalt für das vierte Bit um eins vermindert. Die fünften und sechsten Bits sind Nullen, so daß also keine Änderung im Zähler eintritt. Das siebte, das achte und das neunte Bit sind jeweils Einser, wodurch jedes solche Bit ein Nachuntenzählen im Zähler bewirkt, wobei ausserdem das neunte Bit den Zähler wieder in die Vorwärtsrichtung umstellt, weil fünf Niveaus überschritten wurden, seit diemaximale Zählung im Zähler während des zweiten Bit erreicht wurde.

Die Linie D zeigt die Modulation des Trägers. Positive Niveaus oder Pegel der Verschlüsselungseinrichtung, von denen zwei vorhanden sind, werden durch zwei Trägerpegel wiedergegeben bzw.

9 0 D S C 3 / 0 Λ Ö b

gesendet. Negative Pegel des Versohlüsslers, wovon ebenfalls zwei vorliegen, werden von denselben beiden Trägerniveaus aber mit umgekärter Trägerphase wiedergegeben. Der Ausgang des Demodulators am Empfänger ist von derselben Form wie von dem Linienzug 0 gezeigt. Zur Entschlüsselung wird eine Vorspannung addiert, um alle Pegel des Demodulatorausgangs über die gestrichelte linie unterhalb der Linie C, die als Bezugslinie gilt, zu heben. Diese Pegel bewirken die Betätigung der Triggerschaltungen 101 - 104, wie dies mit der Reihe E in fig. 4 gezeigt ist. Da die Übergänge der Triggerkreise von einem Zustand in denranderen und nicht ihr Zustand selber, d.h. das "ein" oder "aus", das Einstellen des Flip-Flops 150 besorgen, wird eine Triggerschaltung weniger benötigt,als die Anzahl der Pegel im Demodulatorausgang beträgt. Der Ausgang des Flip-Flops 150 ist als Linienzug F gezeigt. Die Daten des FliprFlops 150 werden an der Mitte des Bit-Intervalls zum FlipxFlop 155 übertragen. Der Ausgang von FlipxFlop 155, der mit dem Linienzug H gezeigt ist, ist damit genau eine Rekonstruktion der Originaldaten des Linienzuges A.

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Claims (8)

1. ZO

   Ko/Po . München-Pullach, 10. Mai 1968

   Aktenzeichen! B 88 735 VIIIa/21a,1, 7/01 Anmelder} The Bendix Corporation

   NEUE PATENTANSPKÜCHE

   Schaltungsanordnung für ein digitales Datenü"bertragungssystem, "bei welchem senderseitig eine Verschlüsselungseinrichtung zur

   ^ Transformation der digitalen Eingangsdaten in ein analoges Signal, sowie ein Modulator zum Aufprägen des Analogsignales auf einen Träger vorgesehen ist, und wobei empfängerseitig ein Demodulator zum Empfang der übermittelten Welle und zum Darstellen der analogen Signalmodulation darauf, sowie eine Entschlüsselungseinrichtung zum Wiedergewinnen der digitalen Eingangsdaten vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Verschlüsselungseinrichtung (14) erzeugte Analog-Signal eine analoge Multipegelspannung ist, bei welcher die Amplitude von peak zu peak proportional einer vorherbestimmten Anzahl von Bits der Eingangsdaten ist und die Entschlüsselungseinrichtung (31) auf jede Veränderung des Pegels der analogen Multipegelspannung ansprechende ifiinrichtungen (101 - 105, 132 - 136, 150^55) zur Erzeugung eines digitalen Signales aufweist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlüsselungseinrichtung einen Zähler (41 - 43) aufweist, der bei jedem Eingangs-Bit einen Schritt weiter zählt, bis eine vorherbestimmte maximale Summe gezählt ist, wobei eine bei vorliegender maximalen Zählung im Zähler ansprechende Einrichtung den Zähler umschaltet, und daß eine Ausgangsspannung von der Verschlüsse-lungseinrichtung erzeugt wird, die proportional der Zählung im Zähler ist.

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   Unterlagen (Art. 7 § I Abs. 2 Nr. 1 Satz 3 des Änderunflsges. y, 4, S« ISSZl

   ΙΑ
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß empfängerseitig ein Schwingkreis (32,34) zur Erzeugung von SynchronisationsSignalen vorgesehen ist, der mit der Frequenz der einlaufenden Daten synchron gesteuert ist«
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entschlüsselungseinxiohtung mehrere Trigger-Sohaltungen (101 - 105) aufweist, die jeweils bei sukzessiv ansteigenden Pegeln der Eingangsspannung ihren Zustand ändern.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 und 4, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von ersten Flip-Flop-Kreisen (132-136), logische Schaltmittel (121-13Oj. zum Einstellen der Flip-Flops auf den Zustand der Triggerkreise (101 - 105) "bei Erscheinen eines ersten Synchronisationssignals vom Zeitgeber-Oszillator (32, 34), durch einen zweiten Flip-Flop (15P) und mehrere Impuls-Tore (138 - 147), die zusammen die Ausgänge der ersten Flip-Flop-Kreise (132 - 136) an das zweite Flip-Flop (150) legen, um dieses zweite Flip-Flop bei Änderung des zweiten Zustandeε eines jeden der ersten Flip-Flops (132 - 136) zu stellen, und durch Mittel zum Zurückstellen des zweiten Flip-Flops (150) bei Erscheinen eines zweiten Synohronisierungssignals von dem synchronisierten Oszillator in der iintsohlüsselungseinrichtung.
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 und 5» dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerte Einrichtung (160, 164 - 168) die Ausgänge der Triggerschaltungen (101 - 105) zur Einstellung der Frequenz des synchronisierten Oszillators (32, 34) empfängt.
7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler eine Anzahl von Flip-Flops (41 - 43) mit je einem Eingang aufweist, die von einem Zustand in den anderen bei Anlegen eines Signales an diesen Eingang übergehen, daß eine erste

   90980 3/UAÖ5

   -χα

   Vielzahl von logischen Schaltungen (53, 54) vorgesehen ist, die aufeinanderfolgende Flip-Flops trennen, um an den Eingang eines folgenden Flip-Flops den Ausgang des ersten Flip-Flops zusammen mit dem Ausgang des zweiten vorangehenden Flip-rFlops zu koppeln, wobei eine zweite Mehrzahl von logischen Schaltungen (51,52) vorgesehen ist, die aufeinanderfolgende Flip-Flops voneinander trennt um zum Eingang eines folgenden Flip-Flops das Komplement des Ausgangs des ersten vorhergehenden Flip-Flops zusammen mit f dem Komplement des zweiten vorhergehenden Flip-Flops zu koppeln, und daß eine dritte Mehrzahl von logischen Schaltungen (58, 59, 67 - 70) vorgesehen ist, um die von den Zuständen aller Flip-Flops dargestellte Zahl zu testen und die erste und zweite Vielzahl logischer Schaltungen abwechselnd bei Erscheinen der ersten und zweiten vorherbestimmten Zahl im Zähler zu öffnen.
8. 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator einen abgeglichenen Modulator (12) aufweist, der die Amplitude des Trägers entsprechend der Größe der analogen Multipegelspannung der Verschlüsselungseinrichtung (14) und die Phase des Trägers entsprechend der Polarität dieser analogen Spannung steuert.

   9= Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der synchronisierte Oszillator (32,34) einen spannungsgesteuerten Schwingkreis (32) aufweist, der mit der doppelten Bit-Frequenz der digitalen Daten, mit welcher er"synchronisiert ist, schwingt, und eine erste Flip-Flop-SchaHung (34) zum Spannungsteilen der Oszillator-Frequenz, dessen Ausgänge entgegengesetzte Phasen des Eingangssignales des synchronisierten Oszillators darstellen und daß die gesteuerte Schaltung (160, 164 - 168) eine zweite Flip-Flop-Schaltung aufweist, die von den einlaufenden Signaldaten in einen Zustand und von einer

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   -I'll

   Polarität des Signales von jeder Phase des Ausgangs des Flip-Flops (34) zurückgestellt wird, wobei zwei Impulstore (164» 165) nach Art von UUD-Toren je durch eine Polarität der entgegengesetzten Phasen des Ausgangs des Flip-Flops (34) zur öffnung vorbereitet werden und vom zweiten Flip-Flop-Kreis (160) vollständig geöffnet werden, und zwei Impulsgeneratoren (166,167) die Impulse entgegengesetzter Polarität erzeugen und von je einem der Impulstore gesteuert werden, und daß eine Integrierschaltung vorgesehen ist, an welche die Ausgänge der Impulsgeneratoren zur Sammlung einer Steuerspannung für den spannungsges*euerten Oszillator (32) vorgesehen ist.

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