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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung eines Funksystems,
eine Verwendung und ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltung eines
Funksystems.
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Ein
Funksystem ist beispielsweise ein Funknetz gemäß einem Industrie-Standard, wie dem
IEEE 802.15.4. Innerhalb des Funksystems kann eine Synchronisation
der Systemzeit aller Teilnehmer des Funksystem, insbesondere aller
Knoten eines Funknetzes, wünschenswert
sein.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Schaltung eines Funksystems
möglichst
zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schaltung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und
in der Beschreibung enthalten.
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Demzufolge
ist eine Schaltung eines Funksystems vorgesehen. Bei dem Funksystem
ist eine Systemzeit in Symbole als Zeiteinheiten eingeteilt. Die
Schaltung weist einen Symbolzähler
auf. Der Symbolzähler
ist an seinem Ausgang zur Bereitstellung einer Systemzeit für die Schaltung
aus einer Anzahl gezählter
Symbole ausgebildet.
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Mit
dem Symbolzähler
ist ein Systemtaktgenerator beispielsweise mittels eines Gatters,
eines Halbleiterschalters oder einer Festverdrahtung verbindbar.
Der Systemtaktgenerator weist einen ersten Quarz auf, dessen Frequenz
ein ganzzahliges Vielfaches einer Symbolfrequenz ist, Die Symbolfrequenz ist
durch eine Anzahl von Symbolen pro Sekunde definiert. Der Systemtaktgenerator
weist einen Frequenzteiler zur Ausgabe von zu zählenden Symbolen in einem Betriebsmodus
auf. Hierzu ist der Frequenzteiler zur Teilung der Frequenz des
ersten Quarzes ausgebildet und mit dem ersten Quarz verbunden.
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Die
Schaltung weist einen Ruhetaktgenerator mit einem zweiten Quarz
auf. Die Ausgangsfrequenz eines Ausgangstaktsignals des Ruhetaktgenerators
ist ein nicht-ganzzahliges Vielfaches der Symbolfrequenz. Die Ausgangsfrequenz
ist daher höher
als die Symbolfrequenz. Die Symbolfrequenz kann jedoch nicht durch
ganzzahlige Teilung des Ausgangstaktsignals gewonnen werden.
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Die
Schaltung weist ein Schaltmittel auf, das ausgebildet ist die zu
zählenden
Symbole durch Austastung des Ausgangstaktsignals des Ruhetaktgenerators
in einem Ruhemodus zu bilden. Die Schaltung ist dabei zu einer Reduktion
des Stromverbrauchs im Ruhemodus gegenüber dem Stromverbrauch im Betriebsmodus
ausgebildet. Hierzu ist vorzugsweise eine Anzahl von Funktionen
des Betriebsmodus der Schaltung im Ruhemodus deaktiviert. Die Austastung
bewirkt eine Subtraktion von Takten des Ausgangstaktsignals. Beispielsweise
weist das Ausgangstaktsignal des Ruhetaktsignals Takte in Form von
Rechtecksignalen mit einer steigenden und einer fallenden Flanke
auf. Zur Austastung werden beispielsweise einzelne Rechtecksignale
ausgeblendet. Mittels der Austastung werden Takte des Ausgangstaktsignals
daher zur Bestimmung der Systemzeit nicht mitgezählt. Das Schaltmittel ist beispielsweise
eine Logik, wie beispielsweise ein UND-Gatter oder beispielsweise
ein Transmissiongate oder beispielsweise ein Halbleiterschalter
in Form eines Transistors.
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Die
Schaltung weist einen Modulo-Teiler auf, der mit einem Ausgang des
Ruhetaktgenerators verbunden ist. Der Modulo-Teiler ist zwischen
mindestens zwei ganzzahligen Teilerwerten veränderbar. Vorzugsweise ist der
Modulo-Teiler zwischen genau zwei Werten beispielsweise 20 und 21
veränderbar. Ein
Modulo-Teiler erzeugt immer bei Erreichen seines Teilerwertes an
seinem Ausgang ein Signal mit dem das Zählen eines Takts unterdrückt wird.
Beispielsweise wird jeder zwanzigste bzw. einundzwanzigste Takt
des Ruhetaktgenerators nicht gezählt.
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Der
Ausgang des Modulo-Teilers ist mit einem Steuereingang des Schaltmittels
zur Austastung des Ausgangstaktsignals mittels des Ausgangssignals
des Modulo-Teilers verbunden. Dabei steuern die Ausgabewerte des
Modulo-Teilers den Schaltzustand des Schaltmittels.
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Die
Schaltung weist eine Logik auf, die mit einem Steuereingang des
Modulo-Teilers verbunden ist. Die Logik ist ausgebildet durch die Änderung
der Teilerwerte des Modulo-Teilers einen Teilerfaktor des Modulo-Teilers
zu steuern. Zur Veränderung
der mindestens zwei ganzzahligen Teilerwerte ist der Modulo-Teiler
vorzugsweise zum Einladen der Teilerwerte von der Logik über seinen
Steuereingang ausgebildet. Alternativ ist es zur Veränderung
der Teilerwerte möglich,
das der Modulo-Teiler derart ausgebildet ist, dass in ihm fest oder
programmierbar gespeicherte Teilerwerte durch Umschalten mittels
eines Steuersignals der Logik am Steuereingang auswählbar sind.
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Der
Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zu Grunde ein möglichst
verbessertes Verfahren zum Betrieb anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
8 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und
in der Beschreibung enthalten.
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Demzufolge
ist ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltung eines Funksystems
vorgesehen. Bei dem Funksystem ist eine Systemzeit in Symbole als Zeiteinheiten
eingeteilt.
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In
einem Betriebsmodus wird ein Systemtaktgenerator aktiviert. Aus
einem Ausgangstaktsignal des Systemtaktgenerators wird im Betriebsmodus
die Systemzeit durch Zählen
vorzugsweise der Takte des Ausgangstaktsignals des Systemtaktgenerators
bestimmt. Bevorzugt entsprechend die Takte des Ausgangstaktsignals
des Systemtaktgenerators den Symbolen der Systemzeit.
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In
einem Ruhemodus wird der Systemtaktgenerator deaktiviert. Im Ruhemodus
wird ein Ausgangstaktsignal eines Ruhetaktgenerators in Abhängigkeit
von einem Ausgangssignal eines Modulo-Teilers ausgetastet. Die Systemzeit
wird vorzugsweise durch Zählen
von verbleibenden Takten des ausgetasteten Ausgangstaktsignals des
Ruhetaktgenerators bestimmt.
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Eine
Ausgangsfrequenz des Ausgangstaktsignals des Ruhetaktgenerators
ist dabei ein nicht-ganzzahliges Vielfaches einer Symbolfrequenz. Die
Ausgangsfrequenz des Ruhetaktgenerators ist daher höher als
die Symbolfrequenz. Die Symbolfrequenz kann jedoch nicht durch ganzzahlige
Teilung des Ausgangstaktsignals gewonnen werden.
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Der
Modulo-Teiler stellt das Signal am Ausgang zur Austastung in Abhängigkeit
von einem Teilerfaktor und dem Ausgangstaktsignal des Ruhetaktgenerators
bereit. Der Teilerfaktor des Modulo-Teilers wird durch Änderung
zwischen zumindest zwei ganzzahligen Teilerwerten gebildet. Vorzugsweise
ist der Modulo-Teiler zwischen genau zwei Werten beispielsweise
durch Umschalten veränderbar.
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Der
Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zu Grunde eine Verwendung
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Verwendung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
9 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen und
in der Beschreibung angegeben.
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Demzufolge
ist eine Verwendung eines Quarzes einer Echtzeituhr (RTC – engl.
Real Time Clock) zur Bereitstellung einer in Symbole eingeteilten
Systemzeit in einem Funksystem während
eines Ruhemodus vorgesehen. Ein Quarz einer Echtzeituhr weist vorzugsweise
eine geringere Stromaufnahme als ein (höherfrequentes) Quarz eines
Systemtaktgenerators auf. Vorteilhafterweise weist das Quarz der
Echtzeituhr eine Quarzfrequenz von 32,768 kHz oder einem Vielfachen
hiervon auf.
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Ein
Frequenzvervielfacher ist zur ganzzahligen Vervielfachung der Quarzfrequenz
des Quarzes der Echtzeituhr ausgebildet. Beispielsweise wird durch
den Frequenzvervielfacher die Quarzfrequenz verdoppelt.
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Ein
Schaltmittel ist zur Austastung der vervielfachten Quarzfrequenz
des Quarzes in Abhängigkeit
von einem Ausgangssignal eines Modulo-Teilers ausgebildet.
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Ein
Teilerfaktor des Modulo-Teilers wird durch Änderung zwischen mindestens
zwei ganzzahligen Teilerwerten gebildet. Durch das Austasten einzelner
Takte des Ruhetaktgenerators mittels des Ausgangssignals des Modulo-Teilers
ergibt sich im Mittel ein nichtganzzahliges Teilerverhältnis zwischen
der Ausgangsfrequenz des Ruhetaktgenerators und der Zählfrequenz
des Symbolzählers.
Beispielweise ist das Teilerverhältnis
1:1,048576.
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Eine
Logik ist zur Änderung
der ganzzahligen Teilerwerte des Modulo-Teilers – beispielsweise durch Umschaltung
zwischen zwei Teilerwerten – ausgebildet.
Dabei ist die Logik derart ausgebildet, dass durch die Austastung
und die Änderung
der ganzzahligen Teilerwerte eine Eingangsfrequenz am Eingang eines
Symbolzählers
an eine vorbestimmte Symbolfrequenz angenähert ist. Der Symbolzähler ist
zur Bereitstellung der Systemzeit aus einer Anzahl gezählter Symbole
ausgebildet. Die Symbolzeit kann aufgrund der Näherung daher einen kleinen
Zählfehler
aufweisen.
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Die
im Folgenden beschriebenen Weiterbildungen beziehen sich sowohl
auf die Schaltung, als auch auf die Verwendung, als auch auf das
Verfahren.
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Das
Symbol ist eine Zeiteinheit der Systemzeit. Hingegen ist ein Übertragungssymbol
eine nachrichtentechnische Informationseinheit. Ein Übertragungssymbol
ist vorzugsweise immer gleich lang, enthält aber je nach Übertragungsrate
eine unterschiedliche Anzahl von Datenbits. Die Menge der definierten Übertragungssymbole
eines Codierverfahrens für
die Übertragung
kann als Konstellation bezeichnet werden. Es ist möglich, dass
eine Zeitdauer des vom Symbolzähler
gezählten
Symbols von einer Dauer eines Übertragungssymbols
verschieden ist. Beispielsweise ist die Symboldauer der Systemzeit ein
ganzzahliges Vielfaches oder ein ganzzahliger Bruchteil der Dauer
des Übertragungssymbols.
In einer bevorzugten Weiterbildung stimmen die Dauer des Übertragungssymbols
und die Symboldauer der Systemzeit überein.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung weist die Schaltung des Funksystems
eine Steuerschaltung auf, die zur Aktivierung des Systemtaktgenerators
für den
Betriebsmodus und zur Deaktivierung des Systemtaktgenerators für den Ruhemodus ausgebildet
ist. Die Steuerschaltung weist hierzu vorteilhafterweise eine Recheneinheit,
beispielsweise einen Mikrocontrollerkern auf. Der Ruhemodus wird vorzugsweise
verlassen, wenn der Symbolzähler
bei Erreichen eines programmierten Zählerstands ein Unterbrechungssignal
(engl. interrupt) erzeugt und damit eine Recheneinheit (Controller)
sowie die Schaltung aufweckt.
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Gemäß einer
Ausgestaltung weist die Steuerschaltung weitere Schaltmittel zur
Umschaltung zwischen den Ausgangssignalen des Systemtaktgenerators
und des Ruhetaktgenerators auf. Die weiteren Schaltmittel sind beispielsweise
Gatter, Transmissiongates und/oder Halbleiterschalter.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildungsvariante weist der Ruhetaktgenerator
einen Frequenzvervielfacher zur Vervielfachung einer Frequenz des zweiten
Quarzes des Ruhetaktgenerators zur Bildung des Ausgangstaktsignals
auf.
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Vorzugsweise
werden durch die Austastung ausgeblendete (subtrahierte) Takte des
Ausgangstaktsignals des Ruhetaktgenerators verteilt, um im Ruhemodus
die Systemzeit der Schaltung an die Systemzeit der Funksystems anzunähern.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung ist hierfür vorgesehen, dass die Logik
für eine
Verteilung der ausgetasteten Takte des Ausgangstaktsignals des Ruhetaktgenerators
ausgebildet ist. Bevorzugt weist die Logik einen Ring-Zähler und eine Auswahlschaltung
zur Ausgabe eines Wertes in Abhängigkeit
von dem Zählwert
des Ring-Zählers
auf. Vorzugsweise sind die Werte binär und weisen vorteilhafterweise nur
die Werte „Null” und „Eins” auf.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Logik
zur Addition des Wertes mit einem konstanten Faktor – insbesondere
zwanzig – und
zur Ausgabe der Summe der Addition als die mindestens zwei ganzzahligen
Teilerwerte an den Steuereingang des Modulo-Teilers ausgebildet
ist. Zur Addition von dem Faktor Zwanzig mit lediglich einem einzigen
Bit muss für
dieses Bit lediglich die niedrigste binäre Stelle des Faktors geändert werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung weist die Auswahlschaltung einen Multiplexer
und einen durch Festverdrahtung gebildeten Vektor auf. Alternativ
ist es möglich
den Vektor durch eine Teilschaltung oder eine externe weitere Schaltung
zu generieren.
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Die
zuvor beschriebenen Weiterbildungsvarianten sind sowohl einzeln
als auch in Kombination besonders vorteilhaft. Dabei können sämtliche
Weiterbildungsvarianten untereinander kombiniert werden. Einige
mögliche
Kombinationen sind in der Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Figur erläutert. Diese
dort dargestellten Möglichkeiten
von Kombinationen der Weiterbildungsvarianten sind jedoch nicht
abschließend.
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Im
Folgenden wird die Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel anhand einer
zeichnerischen Darstellung näher
erläutert.
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Dabei
zeigt die Figur
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ein
Bockschaltbild einer Schaltung eines Funksystems.
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Die
für das
Funksystem gemäß dem Industrie-Standard
IEEE 802.15.4 verwendete Symbolperiode betragt 16 μs. Ist das
Funksystem in einem Betriebsmodus (aktiver Zustand) kann der 16
MHz Systemtakt als Zeitbasis für
eine Systemzeit verwendet werden. In einem Ruhemodus (inaktiver Zustand)
ist dieser Systemtaktgenerator abgeschaltet und es steht nur noch
ein Uhrenquarz (RTC – engl.
Real Time Clock) mit einer Taktfrequenz von 32,768 kHz zur Verfügung. Bei
Verdopplung der Frequenz auf 65,536 kHz entsteht eine Periode von
15,258 μs,
welche deutlich von der gewünschten
Symbolperiode der Systemzeit des Funksystems abweicht.
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Die
in der Figur gezeigte Blockschaltung ermöglicht die Begrenzung des maximalen
Zählfehlers auf
eine Symbolperiode unabhängig
von der Betriebszeit des Symbolzählers.
Dabei ist natürlich auch
der Uhrenquarz nicht ideal und kann einen zusätzlichen Fehler aufgrund von
Frequenzabweichungen verursachen. Aufgrund dieses Fehlers und weiterer
Fehlerquellen, wie dem Systemtakt, kann zudem eine Synchronisation
im Funksystem erforderlich sein.
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In
der Figur ist eine Schaltung eines Funksystems durch ein Blockschaltbild
schematisch dargestellt.
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Die
Schaltung gemäß der Figur
weist eine Logik 500 auf. Diese weist einen Zähler 510 auf,
der als Ringzähler
zwischen 0 und 758 zählt.
Eine Auswahlschaltung ist durch den fest-verdrahteten Vektor 520 und
den Multiplexer 530 der Logik 500 gebildet. Durch
den Ringzähler 510 wird
ein Bit aus dem Vektor 520 ausgewählt. Wenn dieses Bit den Wert „Eins” besitzt,
wird ein Teilerwert k des Modulo-Teilers 400 auf den Wert „Einundzwanzig” gesetzt.
Wenn das Bit den Wert „Null” besitzt,
wird der Teilerwert k des Modulo-Teilers 400 auf „Zwanzig” gesetzt.
Hierzu wird zu dem konstanten Faktor 540 „Zwanzig” mittels
des Addierers 550 das Bit hinzuaddiert. Hierzu ist es ausreichend
die niedrigste binäre
Stelle des Faktors 540 beispielsweise durch entsprechende
Verdrahtung zu ändern.
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Ein
Ausgang der Logik 500 zur Ausgabe des Teilerwertes k ist
mit einem Steuereingang 420 des Modulo-Teilers 400 verbunden.
Hingegen ist der Eingang des Ringzählers 510 der Logik 500 mit
einem Ausgang des Modulo-Teilers 400 verbunden.
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Immer
zu einem Zeitpunkt, wenn der Ausgang des Modulo-Teilers 400 gleich
Null ist, wird das Zählen
durch einen Symbolzähler 300 unterdrückt. Der
Ausgang des Symbolzählers 300 gibt
als 32-Bit breiten Datenwert die gezählte Systemzeit tS entsprechend
der Anzahl gezählter
Symbole aus. Die Systemzeit tS ist in Symbole
eingeteilt. Zur Unterdrückung
des Zählens
gelangt eine logische Null an den Steuereingang en des Schaltmittels 700.
Gleichzeitig wird der Ringzähler 510 inkrementiert
und damit das nächste
Bit im Vektor 520 ausgewählt. Das Schaltmittel 700 und
der Zähler 300 können zusammen
in einer Schaltungseinheit ausgebildet sein, die beide Funktionen
des Schaltens und Zählens
umfasst.
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Mit
dem Symbolzähler 300 ist über das Schaltmittel 610 ein
Systemtaktgenerator 100 verbindbar. Der Systemtaktgenerator 100 weist
einen Quarz 110 mit einer Quarzfrequenz fS von
16 MHz auf, die an einem Ausgang 102 zur Taktung einer
digitalen Schaltung in einem Betriebsmodus ausgegeben wird. Die
Frequenz fS des Quarzes 110 ist
ein ganzzahliges Vielfaches einer Symbolfrequenz. Daher weist der
Systemtaktgenerator 100 zudem einen Frequenzteiler 120 zur
Ausgabe von zu zählenden Symbolen
in dem Betriebsmodus auf, wobei der Frequenzteiler 120 die
Frequenz fS des Quarzes 110 durch
den Faktor 256 teilt. An dem Ausgang 101 des Systemtaktgenerators 100 werden
daher zu zählende
Symbole mit der Symbolperiode von 16 μs ausgegeben.
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Weiterhin
weist die Schaltung des Ausführungsbeispiels
der Figur einen Ruhetaktgenerator 200 mit einem weiteren
Quarz 210. Die Quarzfrequenz des weiteren Quarzes 210 beträgt 32,768
kHz, so dass die Periode 15,2587 μs
von der Symbolperiode von 16 μs
des Funksystems abweicht. Die Ausgangsfrequenz fR eines
Ausgangstaktsignals des Ruhetaktgenerators 200 ist daher
ein nicht-ganzzahliges Vielfaches der Symbolfrequenz. Das kleinste
gemeinsame Vielfache liegt bei 250000 μs (1/4 s). Innerhalb von 250
ms dürfen
759 Takte des Ruhetaktgenerators nicht gezählt werden, damit der Symbolzähler 300 im
Ruhemodus nach 250 ms den gleichen Zählerstand (Systemzeit tS) aufweist, wie im Betriebsmodus mit dem
exakteren Systemtakt des Systemtaktgenerators 100.
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Ein
gleichmäßiges Verteilen
dieser auszulassenden Takte des Ruhetaktgenerators innerhalb der Zeitdauer
von 250 ms bedeutet, dass theoretisch immer nach 20,586 Takten ein
Takt weggelassen werden muss. Da jedoch nur ganze Takte gezählt werden
können,
bedeutet dies, dass 445 mal nach 21 Takten und 314 mal nach 20 Takten
ein Takt wegzulassen ist. Eine Teilung durch die Teilerwerte 20
und 21 wird durch den Modulo-Teiler 400 bereitgestellt. Die
Auswahl der Teilerwerte k erfolgt dabei durch die Logik 500.
Hierdurch wird der maximale Zählfehler
im Symbolzähler
nicht größer als
eine Symbolperiode. Immer nach 250 ms reduziert sich der Zählfehler
auf Null. Hierdurch wird der überraschende
Effekt erzielt, dass die Gesamtabweichung aufgrund von Zählfehlern
für unendliche
Laufzeit nie größer als
eine Symbolperiode ist.
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Zum
Weglassen der Takte des Ruhetaktgenerators ist ein Schaltmittel 700 vorgesehen,
das ausgebildet ist die zu zählenden
Symbole durch Austastung des Ausgangstaktsignals des Ruhetaktgenerators 200 in
dem Ruhemodus zu bilden.
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Ein
Eingang 410 des Modulo-Teilers 400 ist zur Teilung
durch die Teilerwerte k mit einem Ausgang 201 des Ruhetaktgenerators 200 verbunden. Der
Ausgang des Modulo-Teilers 400 ist mit einem Steuereingang
en des Schaltmittels 700 zur Austastung mittels des Ausgangssignals
des Modulo-Teilers 400 verbunden.
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Mit
dieser Lösung
des Ausführungsbeispiels der
Figur ist es möglich
die Schaltung des Funksystems für
einen längeren
Zeitraum in einen Ruhemodus (engl. sleep) zu versetzen. Es wird
nur der Uhrenquarz 210 (RTC) für den Betrieb des Symbolzählers benötigt, wodurch
die Stromaufnahme erheblich reduziert werden kann. Nach Ablauf des
Ruhemodus ist ein angenähert
symbolgenaues Aufwachen der Schaltung möglich.
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Zum
Wechsel zwischen Ruhemodus und Betriebsmodus kann eine Steuerschaltung 600 vorgesehen
sein, die im Ausführungsbeispiel
der Figur zudem die Schaltmittel 610, 620 und 640 zur
Umschaltung zwischen dem Ausgangsignal des Systemtaktgenerators
und dem Ausgangssignal des Ruhetaktgenerators aufweist. In einer
alternativen Ausgestaltungsvariante wird ein Multiplexer zur Umschaltung verwendet,
der mit dem Ausgang 101 des Systemtaktgenerators 100 und
dem Ausgang 201 des Ruhetaktgenerators 200 verbunden
ist.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausgestaltungsvariante
der Figur beschränkt.
Beispielsweise ist es möglich
die Systemzeit auch für
ein anderes Funknetz beispielweise nach einem anderen Industriestandard,
wie dem IEEE 802.11, vorzusehen.
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- 100
- Systemtaktgenerator
- 101
- Ausgang
- 102
- Systemtaktausgang
- 110
- Quarz
- 120
- ganzzahliger
Teiler
- 200
- Ruhetaktgenerator
- 201
- Ausgang
- 210
- Quarz
- 220
- Vervielfacher
- 300
- Zähler
- 400
- Modulo-Teiler
- 410
- Teilereingang
- 420
- Steuereingang
- 500
- Logik
- 510
- Zähler, Ringzähler
- 520
- fest-verdrahteten
Vektor
- 530
- Multiplexer
- 540
- Faktor „20”
- 550
- Addierer,
Summierer
- 600
- Steuerschaltung
- 610,
620, 640
- Schaltmittel
- 700
- Schaltmittel
- en
- Steuereingang
- fR
- Ausgangsfrequenz
- fS
- Quarzfrequenz
- k
- Teilerwert
- tS
- Systemzeit