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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anpassung von Comfort
Noise Generation (CNG) Parametern, die zur Erzeugung eines Hintergrundrauschsignals
in einem Telekommunikationssystem bestehend aus einem paket-orientierten
Telekommunikationsnetzwerk und zumindest einem ersten und zweiten
daran angeschlossenen Kommunikationsgerät vorgesehen sind. Die CNG-Parameter werden
in dem ersten Kommunikationsgerät
erzeugt und eingefügt
in zumindest einen Silence Insertion Descriptor (SID) Übertragungsrahmen über das
paketorientierte Telekommunikationsnetzwerk an das zweite Kommunikationsgeräts übertragen.
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Aufgrund
einer zunehmenden globalen Ausrichtung von Unternehmen nimmt die
Nutzung von Telekommunikationsdiensten zur Übermittlung von Sprache und
Daten ständig
zu. Dies hat zur Folge, dass die durch die Telekommunikationsdienste
verursachten Kosten ständig
steigen und zu einem erheblichen Kostenfaktor für Unternehmen werden, die Möglichkeiten
zur Reduzierung dieser Kosten suchen. Eine Möglichkeit Daten, insbesondere
Sprachdaten kostengünstig
und weltweit übermitteln
zu können,
bieten globale und lokale Computernetze, wie beispielsweise ein
Intranet oder das Internet. Hierbei werden auch vermehrt echtzeit-kritische
Daten, beispielsweise Sprach- und Videodaten über lokale und globale paketorientierte
Telekommunikationssysteme übermittelt.
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In
derartigen, insbesondere gemäß der Voice
Over Internet Protocol (IP) – Technologie
oder Code Division Multiple Access (CDMA)-Technologie realisierten
Telekommunikationssystemen können die
beispielsweise bei einem IP-Telefongespräch auftretenden Gesprächspausen
bzw. die Zuhörphasen eines
Gesprächspartners
vorteilhaft dazu verwendet werden, das zu ü bertragende Datenvolumen innerhalb
des Telekommunikationssystems zu reduzieren. Hierzu werden beispielsweise
bei Sprachpausen eines Gesprächspartners
anstelle eines realen Hintergrundgeräusches lediglich mehrere das
Hintergrundgeräusch
beschreibende Parameter in einem hierfür vorgesehen Übertragungsrahmen übertragen,
aus denen in der Empfangsstation ein künstliches angenehmes Hintergrundrauschsignal
(„Comfort
Noise Signal") erzeugt
wird, so das dem aktuell sprechenden Gesprächspartner der Eindruck vermittelt
wird, dass die Telekommunikationsverbindung auch in Gegenrichtung
weiterhin besteht.
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Diese
Parameter beschreiben somit die Rauschsignalstärke sowie dessen spektrale
Eigenschaften und werden in der Literatur als "Silence Insertion Descriptor (SID) Informationen" oder „Comfort
Noise Generation (CNG) Parameter" bezeichnet. In
der Empfangseinheit werden die CNG-Parameter zur Erzeugung eines
künstlichen
angenehmen Hintergrundgeräusches
(„Comfort
Noise Generation") verwendet.
Hierbei sind viele unterschiedliche Verfahren zur Erzeugung von
CNG-Parameter und der folgenden Widerherstellung des Hintergrundgeräusches („Comfort
Noise Generation")
bekannt, die sowohl in der Empfangseinheit als auch in der Sendeeinheit
implementierte und vordefinierte sowie zumindest teilweise standardisierte
Protokolle für
den Austausch von CNG-Parameter erfordern.
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Eine
unverbindliche Definition derartiger CNG-Parameter im Hinblick auf
den zu verwendenden Übertragungsrahmen
bzw. die in einem Datenpaket übertragene „Comfort
Noise Payload" erfolgt im
Standard G.711 Appendix II der ITU Telecommunication Standardization
Section (ITU-T), die bereits festlegt, dass die „Comfort Noise Payload" einen die Rauschsignallautstärkepegel
angebenden Parameter sowie mehrere die Spektraleigenschaften des Hintergrundrauschens
in Form von Filterkoeffizienten angebende Parameter umfassen kann.
Jedoch werden durch den ITU-T Standard G.711 Appendix II für „Interworking
Scenarios" bei beispielsweise
mehreren unterschiedlichen Ga teway-Computersystemen keine verbindlichen
Randbedingungen in Hinblick auf den Aufbau und die Verwendung des
SID-Übertragungsrahmens
gesetzt, so dass unterschiedliche Ausgestaltungen des verwendeten
SID-Übertragungsrahmens
sowie der darin enthaltenen CNG-Parameter innerhalb der unterschiedlichen
Telekommunikationssysteme vorliegen können.
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Insbesondere
bei den gemäß der Voice
Over IP – oder
CDMA – Technologie
arbeitenden Telekommunikationssystemen werden beispielsweise in
einem derartigen SID-Übertragungsrahmen
entweder ausschließlich
die Lautstärkeparameter
(„Quantized Energy
Level") oder zusätzlich die
Spektralparameter in Form von Filterkoeffizienten („Quantized
Reflection Coefficients") übertragen,
wobei hierbei die Anzahl der Filterkoeffizienten von Anwendungsfall
zu Anwendungsfall deutlich variieren kann. Dies führt zu SID-Übertragungsrahmen
mit unterschiedlicher Länge
zwischen 1 Byte und 15 Bytes. Auch wird durch den ITU-T Standard
G.711 Appendix II keine explizite Anleitung für die Ermittlung der Größenordnung
der Parameter vorgegeben, so dass auch die in den SID-Übertragungsrahmen
enthaltenen Parameter bzgl. der von Ihnen angenommenen Werte in
einem breiten Umfang streuen können.
Derartig unterschiedlich ausgestaltete CNG-Parametersätze führen zu
einer deutlichen Verschlechterung des erzeugten Hintergrundgeräusches,
welches beispielsweise in Extremfällen einen derartig hohen Lautstärkepegel
annehmen kann, dass das eigentliche Sprachsignal übertönt wird,
zumindest jedoch gestört wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren zur Anpassung
von in zumindest einem SID-Übertragungsrahmen übertragenen CNG-Parametern
zur Erzeugung eines Hintergrundrauschsignals in einem paket-orientieren
Telekommunikationssystem anzugeben, bei dem CNG-Parameter unterschiedlichster
Ausgestaltung bzw. Verfahren zu Erzeugung derartiger CNG-Parametersätze unterstützt werden
und jeweils ein annähernd
gleich gute Signaleigenschaften aufweisendes Hintergrundrauschsignal
erzeugt wird.
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Die
Aufgabe wird ausgehen von dem Oberbegriff des Patentanspruches 1
durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
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Der
wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu
sehen, dass die übertragenen
CNG-Parameter mit einem vorgegebenen CNG-Parameter-Format verglichen
werden und bei einem Abweichen von dem vorgegebenen CNG-Parameter-Format
an das vorgegebene CNG-Parameter-Format dadurch angepasst werden,
das einzelne CNG-Parameter entfernt und/oder fehlerbehaftete, fehlende
oder inkompatible CNG-Parameter durch vorgegebene Soll-CNG-Parameter
ersetzt werden. Vorteilhaft können
durch das Aussondern von überzähligen und/oder
das Ersetzen von fehlenden oder fehlerbehafteten CNG-Parametern
durch Default-Parameter hohe Lautstärkepegel des Hintergrundrauschsignals,
die das eigentliche Sprachsignal übertönen oder stören, vermieden werden. Das Verfahren
ist insbesondere auch für
den Einsatz innerhalb unterschiedlicher Gateway-Computersysteme mit unterschiedlichen „Interworking
Scenarios" geeignet.
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Weiterhin
vorteilhaft wird durch das vorgegebene CNG-Parameter-Format die Anzahl der übertragenen
CNG-Parameter auf höchstens
11 Parameter beschränkt,
die einen QEL-Parameter
und 10 QRC-Koeffizienten umfassen. Die Beschränkung der Parameteranzahl auf
höchstens
11 Parameter, wovon 10 als Spektralparameter ausgebildet sind, ermöglicht den
Einsatz von handelsüblichen
Filtereinheiten und reduziert sowohl den hardwaretechnischen Implementierungsaufwand
als auch den Rechenaufwand innerhalb des Telekommunikationssystems.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand von schematischen Blockdarstellungen
näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 beispielhaft
ein Telekommunikationssystem, insbesondere zur Übertragung von Sprachdatensignalen;
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2 beispielhaft
das den Lautstärkepegel angebende
erste Byte eines SID-Übertragungsrahmens;
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3 beispielhaft
die Comfort Noise Payload eines SID-Übertragungsrahmens
und
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4 beispielhaft
in einem Ablaufdiagramm die einzelnen Verfahrensschritte zur Anpassung
der CNG-Parameter.
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In 1 ist
beispielhaft anhand eines schematischen Strukturbildes ein Telekommunikationssystem 1,
insbesondere ein paket-orientiertes Telekommunikationssystem dargestellt,
dass ein erstes Kommunikationsgerät 2 und ein zweites
Kommunikationsgerät 3 aufweist,
die beispielsweise über
ein paketorientiertes bzw. IP-orientieres Kommunikationsnetzwerk 4 miteinander
verbunden sind. Die Datenübertragung über das
IPorientiere Kommunikationsnetzwerk 4 erfolgt hierbei mittels
Datenpakete. Beispielsweise können
das erste und zweite Kommunikationsgerät 2, 3 als
Gateway-Computersysteme ausgestaltet sein, die unterschiedlicher
technischer Struktur sind und an die wiederum Kommunikationsendgeräte wie beispielsweise
ein IP Telefon oder Client-Computersysteme etc. angeschlossen sind
(in den Figuren nicht dargestellt). Ferner ist in dem ersten Kommunikationsgerät 2 beispielhaft
eine Sendeeinheit 5 und in dem zweiten Kommunikationsgerät 3 eine
Empfangseinheit 6 vorgesehen, die zur Übertragung der Datenpakete über das
IP-orientiere Kommunikationsnetzwerk 4 beispielsweise gemäß dem Übertragungsstandard
G.711 der ITU ausgebildet sind. Alternativ kann auch der Übertragungsstandard G.726
der ITU Verwendung finden.
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Um
die Übertragungsrate
innerhalb des IP-orientierten Kommunikationsnetzwerks 4 zu
reduzieren weist die Sendeeinheit 5 eine „Voice
Activity Detection (VAD)" Einheit 7 auf,
die über
eine Verbindungsleitung mit beispielsweise einem Eingang I2 des
ersten Kommunikationsgerätes 2 verbunden
ist und die die sogenannte „Voice
Activity Detection (VAD)" Funktionalität unterstützt. Ein
am Eingang I2 empfangenes Datensignal bzw. Sprachdatensignal wird
an die VAD-Einheit 7 übertragen
und dort ein Fehlen von zu sendenden Sprachdaten in dem Datensignal
bzw. das alleinige Vorliegen von Hintergrundrauschen erkannt. Liegen
keine Sprachdaten vor, so wird durch die VAD-Einheit 7 ein sogenannter „Silence
Insertion Descriptor" (SID) Übertragungsrahmen
erzeugt, der in der Sendeeinheit 5 weiterverarbeitet und
anschließend
an die Empfangseinheit 6 des zweiten Kommunikationsgerätes 3 übermittelt wird.
Dieser Vorgang wird solange fortgesetzt bis erneut Sprachdaten in
der Sendeeinheit 5 zur Verfügung stehen.
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Ferner
ist in der Sendeeinheit 5 eine „Discontinuous Transmission" (DTX) Einheit 8 vorgesehen, die
ebenfalls über
Verbindungsleitungen mit dem Eingang I2 des ersten Kommunikationsgerätes 2 und der
VAD-Einheit 7 verbunden ist. Mit Hilfe der DTX-Einheit 8 werden
die erzeugten SID-Übertragungsrahmen
SID während
einer zusammenhängenden
Sprachpause gezählt
und somit die Häufigkeit der
Erzeugung bzw. der Übertragung
der SID-Übertragungsrahmen
SID während
der Sprachpausen ermittelt.
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Darüber hinaus
ist die VAD-Einheit 7 über eine
Verbindungsleitung mit einer ersten „Comfort Noise Generation" (CNG)-Einheit 9 verbunden,
die ebenfalls über
eine weitere Verbindungsleitung mit dem Eingang I2 verbunden ist.
An die erste CNG-Einheit 9 wird der in VAD-Einheit 7 erzeugte
SID-Übertragungsrahmen
SID vor der Übermittlung
an das zweite Kommunikationsendgerät 3 zur Weiterverarbeitung übergeben.
In der ersten CNG-Einheit 9 wird das in der Sprachpause
vorliegende Hintergrundrauschen anhand von „Comfort Noise Generation"-Parametern CNP erfasst,
die insbesondere die Lautstärke des
Hintergrundrauschens anhand eines „Quantized Energy Level" Parameters QEP und
gegebenenfalls die spektralen Eigenschaften des Hintergrundrauschens
anhand von mehreren „Quan tized
Reflection Coefficients" Koeffizienten
QRC wiedergeben. Die ermittelten Comfort Noise Generation Parameter CNP
bzw. der „Quantized
Energy Level" Parameters QEP
und die „Quantized
Reflection Coefficients" Koeffizienten
QRC werden in den SID-Übertragungsrahmen
SID eingefügt.
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Ferner
werden in der Sendeeinheit 5 beispielsweise übermittelte
Sprachdaten in einem Nutzdatenübertragungsrahmen
VP – in
der Literatur häufig
als „voice
frames" bezeichnet – gepackt,
die wiederum in – nicht
dargestellte Datenpakete eingefügt über das
IP-orientierte Telekommunikationsnetzwerk 4 übermittelt
werden. Hierzu ist in der Sendeeinheit 5 des ersten Kommunikationsgerätes 2 eine
erste Sprachsignaleinheit 10 vorgesehen, die mit dem Eingang
I2 des ersten Telekommunikationsgerätes 2 verbunden ist. Über die
erste Sprachsignaleinheit 10 wird ein über den Eingang I2 empfangenes
Sprachdatensignal kodiert und in einen Nutzdatenübertragungsrahmen VP eingefügt. Wie
in der 1 angedeutet werden anschließend die erzeugten Nutzdatenübertragungsrahmen
VP und die erzeugten SID-Übertragungsrahmen
SID in – nicht
dargestellte – Datenpakete
eingefügt
und über
das IP-orientierte Telekommunikationsnetzwerk 4 übermittelt.
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An
die erste Sprachsignaleinheit 10 und die erste CNG-Einheit 9 ist über Verbindungsleitungen eine
Multiplexeinheit 11 angeschlossen, die den Nutzdatenübertragungsrahmen
VP oder den SID-Übertragungsrahmen
SID hierzu in zumindest ein Datenpaket verpackt und an den Ausgang
E2 des ersten Kommunikationsgerätes 2 zur Übertragung über das
IP-orientierte Telekommunikationsnetzwerk 4 steuert.
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Am
einem Eingang I3 des zweiten Kommunikationsgerätes 3 ist eine Demultiplexereinheit 12 angeschlossen,
die die in den empfangen Datenpaketen enthaltenen Übertragungsrahmen
VP bzw. SID ausliest und entweder an eine angeschlossene zweite
Sprachsignaleinheit 13 oder an eine zweite „Comfort
Noise Generation" (CNG)-
Einheit 14 weiterleitet.
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Anhand
der zweiten CNG-Einheit 14 werden die im SID-Übertragungsrahmen SID enthaltenen
Informationen ausgelesen und zur Erzeugung eines Hintergrundgeräusches ausgewertet.
Ferner sind in der Empfangseinheit 6 beispielhaft eine
Steuereinheit 15 sowie eine Speichereinheit 16 vorgesehen, die
zur Steuerung der CNG-Einheit 14 und der zweite Sprachsignaleinheit 13 sowie
zur Speicherung von Daten, insbesondere der zuletzt empfangenen „Comfort
Noise Generation"-Parametern
CNP vorgesehen sind.
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In 2 ist
beispielhaft das die „Quantized Energy
Level" Parameter
QEP angebende erste Byte innerhalb des SID-Übertragungsrahmens
SID dargestellt. Der Rauschsignalpegel wird hierbei in -dBov angegeben,
wobei Werte von 0 bis 127 sowie von 0 bis –127 dBov abgebildet werden
können.
Zur Darstellung des genannten Wertebereiches des „Quantized
Energy Level" Parameters
QEP werden 8 Bits vorgesehen, die dem ersten Byte des SID-Übertragungsrahmens
SID entsprechen. Hierbei ist das die nullte Bitposition aufweisende
Bit pauschal mit dem Wert 0 belegt und das verbleibenden erste bis
siebte Bit geben den eigentlichen Rauschsignalpegelwert wieder,
wobei an erster Bitposition das „Most Significant Bit" (MSB) vorgesehen
ist.
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Die „Quantized
Reflection Coefficients" Koeffizienten
QRC werden anhand der zweiten bis M+1-ten Bytes innerhalb des SID-Übertragungsrahmens
SID übertragen,
wobei anhand des zweiten Bytes der erste QRC-Koeffizient N1, anhand des zweiten Bytes der zweite QRC-Koeffizient
N2 usw. übertragen
wird. Der M-te QRC-Koeffizient NM wird schließlich zuletzt übertragen,
wobei hierbei durch die Anzahl M der QRC-Koeffizienten QRC die Ordnung
des digitale Filters bestimmt wird, über welches das Hintergrundrauschen
aus einem gaussförmigen Zufallssignal
bzw. stochastischen Zufallsrauschsignal gebildet wird. Überlicherweise
werden digitale Filter, insbesondere Synthesefilter der Ordnung
M = 10 bis 15 verwendet.
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Im
Folgenden wird anhand des in 4 dargestellten
Ablaufdiagramms das Verfahren zur Anpassung von in zumindest einem
SID-Übertragungsrahmen
SID übertragenen „Comfort
Noise Generation" Parametern
CNP zur Erzeugung eines verbesserten Hintergrundrauschens näher erläutert.
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Wird
durch die zweite CNG-Einheit 14 ein SID-Übertragungsrahmen
SID mit darin enthaltenen „Comfort
Noise Generation" Parametern
CNP empfangen, so werden in einem ersten Schritt 17 diese aus
dem SID-Übertragungsrahmen
SID entnommen. Sind im SID-Übertragungsrahmen
SID keine neuen „Comfort
Noise Generation" Parametern
CNP enthalten, so werden die zuletzt in der Speichereinheit 16 abgelegten „Comfort
Noise Generation" Parameter CNP
für die
Erzeugung der Hintergrundrauschens verwendet.
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In
einem zweiten Schritt 18 werden die entnommenen CNG-Parameter CNP einer
Analyse unterzogen, und zwar derart, dass zunächst diese in den „Quantized
Energy Level" Parameter
QEP und die „Quantized
Reflection Coefficients" Koeffizienten QRC
aufgespalten werden und hierbei die Anzahl M der übertragenen
QRC-Koeffizienten N1 – NM bestimmt
wird. Darüber
hinaus werden byteweise die Parameterwerte dahingehend überprüft, ob diese
innerhalb eines vorgegebenen Bereiches liegen, der durch ein vorgegebenes
CNG-Parameter-Format CNPF bzw. eine vorgegebene Anzahl von Bytes übersteigen.
Somit ist durch das vorgegebene CNG-Parameter-Format CNPF eine vorgegebene Anzahl
von Filterkoeffizienten, im vorliegenden Ausführungsbeispiel M = 10 QRC-Koeffizienten
N1 – N10 festgelegt. Untersuchungen haben ergeben,
dass bei Verwendung von M = 10 Filterkoeffizienten die besten Ergebnisse
im Hinblick auf Übertragungsrate
und Qualität
des erzeugten Hintergrundrauschens erzielt werden. Somit werden
lediglich diejenigen aus dem SID-Übertragungsrahmen ausgelesenen
CNG-Parameter CNP, die diese Anforderungen erfüllen, ohne Anpassung unmittelbar
zur Filterung verwendet.
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Alle
verbleibenden, d.h. nicht den Vorgaben entsprechenden CNG-Parameter
CNP werden in einem dritten Schritt 19 zunächst an
das vorgegebene CNG-Parameter-Format CNPF angepasst. Hierzu werden
zunächst überzählige Filterkoeffizienten,
d.h die die Anzahl von 11 Bytes (QEL-Parameter QEP = erste Byte;
QRC-Koeffizienten
N1 – N10 = zweites bis elftes Byte) übersteigenden
12 bis N-ten Bytes des empfangenen SID-Übertragungsrahmens SID abgeschnitten
und somit entfernt. Vorteilhaft können hierdurch Standardfilter
für die
Erzeugung des Hintergrundrauschsignals verwendet werden, wodurch
der die Anpassung der Filterordnung der in den unterschiedlichen
Sende-und Empfangseinheiten
vorgesehen Filter entfällt.
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In
einem vierten Schritt 20 werden die nunmehr aus maximal
elf Bytes bestehenden CNG-Parameter CNP inhaltlich überprüft, d.h.
die QEL -Parameter QEP und die verbleibenden QRC-Koeffizienten QRC werden genauer analysiert
und beispielsweise fehlende oder unvollständige oder fehlerbehaftete
oder inkompatible durch Soll-CNG-Parameter SCNP ersetzt. Die Soll-CNG-Parameter SCNP
werden einem „Set
of Golden Parameters" SGP
entnommen, welcher in der Speichereinheit 16 gespeichert ist.
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Das „Set of
Golden Parameters" SGP
umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform einen goldenen QEL-Parameter
GQEP und zehn goldene QRC-Koeffizienten GQRC, die durch umfangreiche Analysen
zahlreicher Testfiles mit standardisierten oder im Versuchsfeld
gewonnen Sprachproben ermittelt wurden. Hierzu wurde eine Spektralanalyse der
Sprachproben erstellt, nachdem diese einer Hochpassfilterung, einer
Fensterfilterung sowie mit einer Autokorrelationsfunktion und dem
Levison-Durbin-Algorithmus
beaufschlagt wurden, wobei das „Set of Golden Parameters" SGP derart gewählt ist, dass
das erzeugte Hintergrundrauschen in einem einheitlichen Frequenzbereich
zwischen 900 bis 3400 Hz zu liegen kommt. Hierbei wird die empfangen
Signalenergie auf den genannten Frequenzbereich annähernd gleichmäßig zwischen
900 bis 3400 Hz verteilt. Insbesondere wurde darauf geachtet, dass
nur wenige Frequenzanteile in den bei dem menschlichen Gehör einen
lauteren Eindruck hervorrufenden Frequenzbereich von 300–900 Hz
fallen.
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Die
derart angepassten CNG-Parameter CNP* werden anschließend in
einem fünften
Schritt 21 im Hinblick auf den durch diesen erzeugbaren
Signalpegel des Hintergrundrauschens geglättet. Dies wird beispielsweise
analog zu dem im ITU-Standard G.711 Appendix II defirtierten Verfahren
durchgeführt.
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Im
einem weiteren sechsten Schritt 22 werden die angepassten
QRC-Koeffizienten QRC* unter Verwendung des Levison Durbin Algorithmus
in „Linear
Prediction Coefficient (LPC)"-Koeffizienten LPC umgesetzt.
Hierbei können
resourcenschonend bereits für
die goldenen QRC-Koeffizienten GQRC berechnete goldene LPC-Koeffizienten
LPC, welche ebenfalls in der Speichereinheit 16 abgespeichert sind,
unmittelbar verwendet werden, d.h. es entfällt eine rechenintensive Ermittlung
der zugehörigen LPC-Koeffizienten
LPC für
die aus dem „Set
of Golden Parameters" SGP
entnommenen QRC-Koeffizienten QRC*.
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In
einem siebten Schritt 23 wird ein gaussförmiges Zufallssignal
erzeugt, welches einer Kalibrierung unterzogen wird. Schließlich wird
in einem achten Schritt 24 das erzeugte gaussförmige Zufallssignal
durch eine Filterung bzw. eine Synthesefilterung über eine
mit den ermittelten LPC-Koeffizienten
LPC beaufschlagten Filtereinheit durchgeführt und hierdurch das Hintergrundrauschsignal
erzeugt, welches dem Sprachdatensignal überlagert wird.
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Die
Erfindung wurde voranstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Modifikationen sowie
Abwandlungen möglich
sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen
wird.