DE3838228A1 - Verfahren zur zusaetzlichen uebertragung von digitalen daten in bandbegrenzten uebertragungskanaelen - Google Patents
Verfahren zur zusaetzlichen uebertragung von digitalen daten in bandbegrenzten uebertragungskanaelenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Verfahren dieser Art dienen der zusätzlichen Übertragung
von digitalen Datensignalen über einen bereits vorhandenen
und hauptsächlich zur Übertragung von anderen Signalen genutzten,
bandbegrenzten Übertragungskanal.
Bei der zusätzlichen Nutzung vorhandener Übertragungskanäle
durch Datensignale (z. B. Radiodaten-Signale im
Rundfunk) darf das Programm (Hauptbenutzer) nicht durch
die Daten (Mitbenutzer) gestört werden.
Die Datensignale müssen aus diesem Grund so verrundet werden,
daß sie diese Bedeutung erfüllen. Dies geschieht in
den meisten Fällen dadurch, daß das Spektrum der Datensignale
hart begrenzt wird, wie z. B. beim UKW-Hörrundfunk-Radio-Daten-System
("UKW-RDS") oder bei der Datenübertragung
über einen Schmalband-Datenkanal, beispielsweise dem
Tonkanal vom Studio (im Funkhaus) zum Sender. In anderen
Fällen muß die Verrundung so erfolgen, daß die erste zeitliche
Ableitung der verrundeten Kurvenform ein Minimum an
Schwingungen (Extrema) aufweist, wie z. B. beim AM-Hörrundfunk-Radio-Daten-System
("AM-RDS").
Aus "Tech. 3244-E Specifications of the Radio Data System
RDS for VHF/FM Sound Broadcasting" (Brüssel, 1984), Seiten
5 bis 10 von der European Broadcasting Union (EBU) ist
eine zeitliche Kurvenform für ein verrundetes Datensignal,
die EBU-Kurvenform, bekannt, die von der EBU ursprünglich
nur für UKW-RDS verbindlich festgelegt worden ist und deren
zeitlicher Verlauf und Spektralverteilung in Fig. 1
gezeigt ist, die jedoch nur die Bedingung einer harten
Bandbegrenzung, nicht aber die Bedingung einer ausreichend
kleinen Zahl an Schwingungen in der ersten zeitlichen Ableitung
der Zeitfunktion der Datensignalfolge erfüllt und
daher z. B. für AM-RDS nur bedingt verwendet werden kann.
Das Anwendungsgebiet für solche Kurvenformen ist im Prinzip
das ganze Gebiet der Datenübertragung, wenngleich aufgrund
nichtlinearer Eigenschaften mancher Systeme (z. B.
Wanderfeldwellen-Verstärker im Satellitenfunk) die Zeitverläufe
der Daten verzerrt werden, weshalb dann oft auf
eine exakte Formung verzichtet wird.
Nach dem Stand der Technik läßt sich die Verrundung für
langsame Datenübertragung optimal mit Hilfe digitaler Methoden
realisieren. Für schnelle Datenübertragung sind
bislang analoge Verrundungen üblich, die demzufolge nur
näherungsweise die theoretischen Werte erreichen.
Die als Biphasen-Signal ausgebildeten EBU-Kurvenform in
Fig. 1a ist ursprungssymmetrisch und nähert sich für
T→±∞ oszillatorisch sehr schnell dem Wert Null, wobei T
die Breite (Dauer) des unverrundeten Datensignals (Einzelbit)
ist. Wesentlich von Null verschiedene Amplituden sind
bei dieser Kurvenform nur im Bereich ±2T anzutreffen.
Die zugehörige Spektralverteilung in Fig. 1b ist ebenfalls
ursprungssymmetrisch und weist wesentlich von Null verschiedene
Spektralanteile nur innerhalb eines durch die
Grenzfrequenzen +Fg und -Fg definierten Bereichs auf, der
die Bandbreite dieser EBU-Kurvenform darstellt und der gemäß
der o. a. EBU-Vorschrift abhängig von der Daten- oder
Bandrate ist. Für Biphase-Signalformen z. B. ergibt sich
ein Bereich von ±2 · Bandrate. Bei einer Bandrate von
1,2 kBd für UKW-RDS beispielsweise beträgt die Bandbreite
±Fg somit ±2,4 kHz. Bei AM-Anwendungen dagegen ist die
Bandrate ≲ 200 Bd, woraus für Biphase-Signalformen nach
dieser EBU-Vorschrift eine Grenzfrequenz Fg≲ 400 Hz
folgt.
Zur Diskussion der hier interessierenden Eigenschaften der
EBU-Kurvenform genügt es, das nicht modulierte Datensignal
(Basisbandsignal) zu betrachten.
In Fig. 2a ist eine typische zeitliche Folge von unverrundeten
digitalen Datensignalen im NRZ (No-Return-To-Zero)-Format
gezeigt.
Mit der gemäß der o. a. EBU-Vorschrift vorgenommenen Verrundung
(vgl. Fig. 1) der Datensignale ergibt sich die in
Fig. 2b gezeigte Zeitfunktion F(t) der Folge der nunmehr
verrundeten Datensignale der Fig. 2a im Biphasen-Format.
Das entsprechende Augenmuster zu dieser EBU-Signalform ist
in Fig. 8a gezeigt.
Kennzeichnend für diese gemäß der o. a. EBU-Vorschrift gebildete
Zeitfunktion F(t) sind die Einsattelungen S im Bereich
der Extrema (Minima und Maxima) der Funktion, die in
Fachkreisen auch unter der Bezeichnung "Hundeknochen" bekannt
sind.
In der Praxis zeigt es sich nun, daß beim Empfang von UKW-RDS-Sendern
im Auto häufig starke Störungen durch Mehrwegeempfang
entstehen. Dadurch kommt es zu erheblichen Datenfehlern,
die besonders auf diese Einsattelungen S zurückzuführen
sind.
Im Gegensatz zur Datenübertragung im UWK-RDS werden die
digitalen Datensignale im AM-Bereich, also im AM-RDS, als
Phasenmodulation (PM) des Trägers übertragen. Für diesen
Dienst gibt es noch keine EBU-Richtlinie, jedoch könnte
die in Fig. 1 gezeigte EBU-Kurvenform im Prinzip auch in
diesem Bereich zur Verrundung von digitalen Datensignalen
eingesetzt werden, was jedoch zu keiner optimalen Lösung
führt.
Da die Phasenmodulation (PM) für die Daten und die Amplitudenmodulation
(AM) für die Nachricht zueinander orthogonal
sind, stören sich die beiden Modulationen im Prinzip
gegenseitig nicht und können daher auch wieder empfangsseitig
getrennt werden.
In der Praxis gibt es allerdings ein wechselseitiges Übersprechen
von den Daten zur Nachricht und umgekehrt. Da aus
Kompatibilitätsgründen die Störung durch die Daten eine
Toleranzgrenze (z. B. Störabstand <40 dB) nicht überschreiten
darf, ist es notwendig, die Signalform für die
Daten zu verrunden und die Datengeschwindigkeit und den
Phasenschub zu begrenzen. Bei gegebener Toleranzgrenze für
das Maß der Kompatibilität ist es das Ziel, die übertragenen
Daten so zu verrunden, daß Datengeschwindigkeit und
Datenhub maximal groß werden. (Dabei kann dann die Datengeschwindigkeit
erhöht werden, wenn der Phasenhub erniedrigt
wird, und umgekehrt. Der Abgrenzung dieser beiden Parameter
gegeneinander muß aufgrund der Datenfehlerwahrscheinlichkeit
erfolgen.)
Die Größe des Phasenhubes beeinflußt die Störfestigkeit
der Datenübertragung. Bei gegebener Bitfehlerrate (z. B.
BER = .0001) ist ein Phasenhub von ca. ±15 Grad erforderlich.
(Dieser Wert ist abhängig vom Störphasenhub der Sender
und der Empfänger und unterliegt somit einem technischen
Wandel.)
Nimmt man den Wert des Phasenschubes als fest an, so wirkt
sich die Form der verrundeten Daten direkt auf die (aufgrund
der Kompatibilität) erreichbare Datengeschwindigkeit
aus.
Die Störung des Programms durch die Daten erfolgt aufgrund
einer Umwandlung der PM in eine AM. Exakt ausgedrückt,
wird dabei die mit der PM stets verknüpfte Frequenzmodulation
(FM) in eine AM gewandelt. Diese Umwandlung der FM in
eine AM erfolgt insbesondere an unsymmetrischen Flanken
der Zwischenfrequenz (ZF)-Filter.
Dies verdeutlicht Fig. 3, die die Durchlaßkurve U(f) eines
typischen ZF-Filters als Funktion der Frequenz f zeigt und
die zu höheren Frequenzen hin eine unsymmetrische Flanke
aufweist. Durch diese Flanke wird die an sich symmetrisch
um eine Mittenfrequenz erfolgende Frequenzmodulation mit
einem Frequenzhub Δ f in unsymmetrische Schwankungen Δ U der
Amplitude des ZF-Signals U um den zur Mittenfrequenz gehörenden
Amplitudenwert umgesetzt, was sich beim Empfang
des Hauptprogramms störend auswirken kann.
In die Größe dieser Störung geht der gewählte Phasenhub Δϕ
und damit auch der zugehörige Frequenzhub Δ f sowie die
Form des verrundeten Datensignals ein.
Phasen- und Frequenzmodulation sind dabei wie folgt miteinander
verknüpft: Gehört zur Phasenmodulation ein (Daten-)Signal s(t), so
gehört zur Frequenzmodulation ein Signal d s(t)/dt, also
die zeitliche Ableitung des (Daten-)Signals s(t).
In Fig. 7a ist noch einmal die in Fig. 2b bereits gezeigte
und nach der o. a. EBU-Vorschrift gebildete Zeitfunktion
F(t) zusammen mit ihrer ersten zeitlichen Ableitung F′(t)
dargestellt. Bedingt durch die Einsattelungen S in F(t)
weist die Ableitung F′(t) eine vergleichsweise hohe Zahl
von Schwingungen bzw. Extrema auf, die, wie praktische
Versuche gezeigt haben, ein bei bestimmten Ausbreitungsbedingungen
über der Toleranzgrenze liegendes und damit hörbares
"Datenbrummen" zur Folge haben können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der
eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die zusätzlich
zu übertragenden Datensignale so verrundet werden, daß sie
auch unter extremen Ausbreitungsbedingungen sowohl in Datenübertragungssystemen,
die eine harte Bandbreitenbegrenzung
fordern, wie z. B. UKW-RDS, als auch in Datenübertragungssystemen,
die ein Minimum an Schwingungen oder Extrema
in der ersten Ableitung der Zeitfunktion f(t) der zu
übertragenden Datensignalfolge fordern, wie z. B. AM-RDS,
unter Einhaltung des vorgegebenen Mindest-Störabstandes
eingesetzt werden können.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch
1 beschrieben. Die übrigen Ansprüche beinhalten
vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung
sowie bevorzugte Anwendungen.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht zeitliche Kurvenformen
für verrundete Datensignale vor, bei denen die Minima der
Zeitfunktion f(t) der Folge der verrundeten Datensignale
nur in dem unteren Teilbereich des zulässigen Amplituden-Gesamtbereichs
liegen und die Maxima entsprechend nur in
dem oberen Teilbereich, wobei sowohl der untere als auch
der obere Teilbereich jeweils etwa 25% des Amplituden-Gesamtbereichs
ausmachen. Des weiteren ist bei den erfindungsgemäßen
Kurvenformen die Zahl der Extrema (Minima und
Maxima) der Zeitfunktion f(t) der Folge der verrundeten
Datensignale kleiner oder höchstens gleich der Zahl der
Extrema einer auf der Basis der EBU-Kurvenform (vgl. Fig. 1)
für die gleiche Folge von Datensignalen gebildeten
Zeitfunktion F(t). Schließlich sind die erfindungsgemäßen
Kurvenformen in ihrer Bandbreite auf etwa 70-90%, vorzugsweise
etwa 78-82%, insbesondere etwa 80%, der von
der gewählten Bandrate abhängigen Bandbreite der EBU-Kurvenform
beschränkt.
Besonders vorteilhaft sind dabei die erfindungsgemäßen
Kurvenformen, bei denen auch die Zahl der Extrema (Minima
und Maxima) der ersten zeitlichen Ableitung f′(t) der
Zeitfunktion f(t) kleiner oder höchstens gleich ist der
Zahl der Extrema (Minima und Maxima) der ersten zeitlichen
Ableitung F′(t) der Zeitfunktion F(t).
Besonders vorteilhaft sind hierbei Kurvenformen, die erfindungsgemäß
aus dem Produkt zweier Cosinus-Funktionen
mit einer linearen Funktion oder aus dem Produkt einer Cosinus-
und einer Sinus-Funktion gebildet werden.
Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Kurvenformen liegt
darin, daß sie universell in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten
zur zusätzlichen Übertragung von digitalen
Daten über bandbegrenzte Übertragungskanäle eingesetzt
werden können, sei es z. B. im UKW-RDS oder im AM-RDS oder
bei der Übertragung zusätzlicher Daten über den Tonkanal
zwischen Studio und Sender.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Fig. 4 bis 8
näher erläutert.
Die Fig. 4 und 5 zeigen, im gleichen Maßstab wie Fig. 1,
die Zeitfunktion (a) und die Spektralverteilung (b) von
besonders vorteilhaften erfindungsgemäßen Kurvenformen
(Typ A und B) für ein einzelnes verrundetes Datensignal im
Biphasen-Format, die aus dem Produkt zweier Cosinus-Funktionen
mit einer linearen Funktion (Geraden) (Fig. 4) bzw.
aus dem Produkt aus einer Cosinus- und einer Sinus-Funktion
gebildet sind.
Die beiden Kurvenformen sind, ähnlich wie die EBU-Kurvenform
in Fig. 1, "Partial-Response"-Signale.
Auch die beiden erfindungsgemäßen Kurvenformen Typ A und B
sind wie die EBU-Kurvenform ursprungssymmetrisch sowohl im
Zeitbereich als auch in der Spektralverteilung.
Für T→±∞ nähern sich beide Kurvenformen im Zeitbereich
oszillatorisch sehr schnell dem Wert Null, wobei wesentlich
von Null verschiedene Amplituden nur innerhalb des
Bereichs ±2T anzutreffen sind.
Die Bandbreite der neuen Kurvenformen Typ A und B ist jedoch
jeweils auf etwa 80% der Bandbreite der EBU-Kurvenform
begrenzt. Dadurch wird bei der Anwendung für UKW-RDS
der Störabstand zum Multiplex-Signal und zum Datenkanal
(auf 60 kHz) verbessert.
Die entsprechenden Augenmuster der beiden erfindungsgemäßen
Kurvenformen Typ A und B sind in Fig. 8b und 8c dargestellt.
Ein Vergleich der beiden erfindungsgemäßen Kurvenformen
Typ A und B mit der EBU-Kurvenform zeigt im Zeitbereich,
oberflächlich betrachtet, keine großen Unterschiede.
Jedoch ergeben sich mit der erfindungsgemäßen Verrundung
der Datensignale wesentliche Verbesserungen in den Zeitfunktionen
f(t) der verrundeten Datensignalfolgen, wie ein
Vergleich der Fig. 2 mit der Fig. 6 zeigt.
In Fig. 6 sind, im gleichen Maßstab wie in Fig. 2, die
Zeitfunktionen f(t) gezeigt, die sich ergeben, wenn die
NRZ-Datenfolge gemäß Fig. 2a mit den erfindungsgemäßen
Kurvenformen gemäß Fig. 4a (Typ A) bzw. Fig. 5a (Typ B)
verrundet wird.
Auffallend ist, daß die Zeitfunktionen f(t) der erfindungsgemäß
verrundeten Datensignalfolge keine Einsattelungen
im Bereich der Extrema mehr aufweisen (im Gegensatz
zur Zeitfunktion F(t) der gemäß EBU-Vorschrift verrundeten
Datensignalfolge).
Aber auch in den ersten zeitlichen Ableitungen f′(t) dieser
Zeitfunktionen f(t) ergeben sich mit der erfindungsgemäßen
Verrundung der Datensignale erhebliche Verbesserungen,
wie die Fig. 7 zeigt.
Dort werden zum einen die Zeitfunktionen F(t) der EBU-Form
(vgl. Fig. 2b) und f(t) der erfindungsgemäßen Kurvenform
Typ A sowie zum anderen deren erste zeitliche Ableitungen
F′(t) und f′(t) für dieselbe (unverrundete) NRZ-Datenfolge
(vgl. Fig. 2a) miteinander verglichen.
Wie klar erkennbar ist, ist auch die Zahl der Schwingungen
bzw. der Extrema bei f′(t) wesentlich kleiner als bei
F′(t).
Da die Zeitfunktionen f(t) der erfindungsgemäß verrundeten
Datensignale keine Einsattelungen und die ersten zeitlichen
Ableitungen f′(t) dieser Zeitfunktionen f(t) keine
unnötigen Schwingungen mehr aufweisen, ist mit diesen
erfindungsgemäßen Verrundungen (Typ A oder B) eine Übertragung
zusätzlicher Datensignale bei AM-RDS auch unter
extremen Ausbreitungsbedingungen ohne "Datenbrummen" nunmehr
möglich.
Während bei Übertragungssystemen mit harter Bandbreitenbegrenzung,
wie z. B. UKW-RDS, die Eigenschaft der beiden erfindungsgemäßen
Kurvenformen Typ A und B, noch härter
bandbegrenzt zu sein (ca. 80%) als die EBU-Kurvenform,
besonders wichtig ist, tritt diese Forderung nach einem
scharf begrenzten Spektrum bei Systemen wie z. B. AM-RDS
aufgrund der Orthogonalität von PM und AM in den Hintergrund
gegenüber dem Problem der störenden Umwandlung von
FM in AM, so daß in solchen Systemen eher die Eigenschaft
der beiden erfindungsgemäßen Kurvenformen Typ A und B,
keine unnötigen Schwingungen in der ersten zeitlichen Ableitung
f′(t) der Zeitfunktion f(t) zu haben, ausschlaggebend
ist.
Es versteht sich, daß die Erfindung mit fachmännischem
Wissen und Können aus- und weitergebildet sowie an die unterschiedlichsten
Anwendungen angepaßt werden kann, ohne
daß dies hier erläutert werden müßte.
So sind die erfindungsgemäßen Kurvenformen für die Einzelbits
nicht auf die beiden in den Figuren näher beschriebenen
konkreten Ausführungsformen beschränkt; vielmehr können
auch andere mathematische Formeln gefunden werden, die
vergleichbare Kurvenformen ergeben, d. h. die keine Einsattelungen
in den Zeitfunktionen f(t) zur Folge haben und
die härter begrenzt sind als die entsprechende EBU-Kurvenform.
Weiterhin ist die Erfindung nicht auf das Biphasen-Format
beschränkt, sondern kann auch im NRZ-Format direkt angewendet
werden (also ohne Umwandlung von unverrundeten NRZ-Datenfolgen
in verrundete Biphasen-Datenfolgen). Dies ist
insbesondere für AM-RDS wichtig.
Schließlich sind die Anwendungen der Erfindung nicht auf
die hier näher erläuterten Beispiele UKW-RDS, AM-RDS und
Schmalband-Datenkanal-Übertragung beschränkt, sondern können
allgemein in Datenübertragungssystemen eingesetzt werden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen vor
allem
- a) in der minimalen PM→Am-Konversion,
- b) in der minimalen Bandbreite (bezogen auf die Daten- oder Bandrate) und
- c) in dem sehr guten Augenmuster.
Claims (6)
1. Verfahren zur zusätzlichen Übertragung von digitalen
Datensignalen über einen auch zur Übertragung von anderen
Signalen genutzten, bandbegrenzten Übertragungskanal, bei
welchem Verfahren zur Erzielung eines vorgegebenen Mindest-Störabstands
zwischen den digitalen Datensignalen und
den anderen Signalen die digitalen Datensignale vor der
Übertragung in ihrer zeitlichen Kurvenform verrundet werden,
wobei die maximal zulässige Bandbreite der verrundeten
Datensignale durch die von der Bandrate abhängigen
Bandbreite ±Fg der durch die European Broadcasting Union
(EBU) in: "Tech. 3244-E Specifications of the Radio Data
System RDS for VHF/FM Sound Broadcasting" (Brüssel, 1984),
Seiten 5 bis 10 definierten EBU-Kurvenform für verrundete
Datensignale festgelegt ist und wobei die Zeitfunktion
f(t) der Folge der verrundeten Datensignale durch einen
Amplituden-Gesamtbereich definiert ist,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Minima der Zeitfunktion f(t) der Folge der verrundeten Datensignale (A oder B) nur im etwa 25% des Amplituden-Gesamtbereichs umfassenden unteren Teilbereich liegen und die Maxima nur im ebenfalls etwa 25% des Amplituden-Gesamtbereichs umfassenden oberen Teilbereich;
- - daß die Zahl der Extrema (Minima und Maxima) dieser Zeitfunktion f(t) kleiner oder höchstens gleich ist der Zahl der Extrema (Minima und Maxima) einer auf der Basis der EBU-Kurvenform für die gleiche Folge von digitalen Datensignalen gebildeten Zeitfunktion F(t);
- - daß die Bandbreite der verrundeten Datensignale (A oder B) etwa 70-90%, vorzugsweise etwa 78-82%, insbesondere etwa 80%, der Bandbreite ±Fg der EBU-Kurvenform beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zahl der Extrema (Minima und Maxima) der ersten zeitlichen
Ableitung f′(t) der Zeitfunktion f(t) der Folge der
verrundeten Datensignale (A oder B) kleiner oder höchstens
gleich ist der Zahl der Extrema (Minima und Maxima) der
ersten zeitlichen Ableitung F′(t) der auf der Basis der
EBU-Kurvenform für die gleiche Folge von Datensignalen gebildeten
Zeitfunktion F(t).
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kurvenform (A) der einzelnen verrundeten
Datensignale aus dem Produkt zweier Cosinusfunktionen
und einer linearen Funktion gebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kurvenform (B) der einzelnen verrundeten
Datensignale aus dem Produkt einer Cosinus- und
einer Sinusfunktion gebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kurvenform mit Hilfe einer Fensterfunktion
gewichtet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet
durch die Verwendung zur zusätzlichen Übertragung
von digitalen Datensignalen über ein UKW- oder AM-Hörrundfunk-Radio-Daten-System
(UKW-RDS oder AM-RDS) oder über
einen Schmalband-Datenkanal, insbesondere einen Tonkanal
zwischen Studio und Sender.
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DE19883838228 DE3838228A1 (de) | 1988-11-11 | 1988-11-11 | Verfahren zur zusaetzlichen uebertragung von digitalen daten in bandbegrenzten uebertragungskanaelen |
EP19890107860 EP0367896A3 (de) | 1988-11-11 | 1989-04-29 | Verfahren zur zusätzlichen Übertragung von digitalen Datensignalen über bandbegrenzte Übertragungskanäle |
DK324389A DK324389A (da) | 1988-11-11 | 1989-06-29 | Fremgangsmaade til tilfoejet overfoering af digitale data i baandbegraensede overfoeringskanaler |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE3616864A1 (de) * | 1985-09-25 | 1987-04-02 | Verkehrswesen Hochschule | Modifiziertes am-hoerrundfunksystem |
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- 1988-11-11 DE DE19883838228 patent/DE3838228A1/de not_active Withdrawn
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