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HINITERGRUND
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Audio-Headsets, und insbesondere
Audio-Headsets, die
in einem Flugzeug während
eines Flugs verwendet werden.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Drahtgebundene
Headsets werden üblicherweise
in einem Flugzeug von Piloten, Passagieren und anderen in einem
Flugzeug befindlichen Personen verwendet. Gegenwärtig gestattet die Bundesluftfahrtbehörde der
USA keine drahtlosen Kommunikationssysteme, die eine Avionik (Luftfahrtelektronik) während eines
Flugs stören.
Avioniksysteme sind empfindlich gegenüber eine Störung von bekannten Kurzstreckendatenkommunikationsvorrichtungen (Short
Range Wireless Communications Devices), wie beispielsweise Mobiltelefone,
Bluetooth Headsets, und andere übertragende
PDA-Geräte
(Personal Data Assistant Devices). Dies beschränkt die für Headsets verfügbaren Technologiemöglichkeiten,
die innerhalb des Flugzeugs verwendet werden. Die im Stande der
Technik verwendeten Übertragungssysteme
basieren auf einer einzelnen trägerbasierten Übertragung.
In diesen Systemen wird die Mehrheit der Übertragungsenergie in der Nähe der Trägerfrequenz
konzentriert, wie zum Beispiel 2.4 GHz oder 900 MHz. Typischerweise
verwenden die Kurzstreckendatenübertragungen
aus dem Stande der Technik 0.75 bis 1.0 Watt Leistung in diesen
Schmalbändern.
Diese Hochleistungs-Schmalbandübertragungen
können
die Avionik nachteilig beeinflussen, insbesondere da die Avionik
nicht ausgelegt ist, um gegen solche Hochleistungsübertragungen
störunempfindlich
zu sein.
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Bluetooth
und verwandte Technologien aus dem Stand der Technik verwenden Schmalbandträgersignale,
und sie verwenden einen begrenzten Frequenzsprung (2.4 GHz–2.480 GHz). 1a und 1b stellen
ein beispielhaftes Schmalbandträgersignal
im Zeitbereich beziehungsweise im Frequenzbereich dar. Direct Sequence
Spread Spectrum (DSSS) und Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)
Verfahren belegen typischerweise größere Bandbreiten als eine einfache
Schmalbandübertragung.
Diese Technologien verbessern Kommunikationsbandbreite und -Widerstand
gegenüber
Störungen
aufgrund der geringfügig
größeren Bandbreite. Jedoch
sind diese Übertragungen
sogar mit den komplexen FHSS-Verfahren empfindlich gegenüber einer
Störung.
Die Verbesserungen der Bandbreite befinden sich im Bereich von lediglich
einigen MHz. Falls zum Beispiel ein industrieller, wissenschaftlicher
und medizinischer (industrial, scientific and medical – ISM) Störsender
in dem Frequenzbereich von 2.40–2.48
GHz wirksam wird, dann könnte
eine Bluetooth-Gerät
in dieser Umgebung nicht funktionieren.
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Die
im Stand der Technik verwendeten Übertragungssysteme sind meistens
trägerbasierte Schmalbänder und
weisen begrenzte zugeordnete Bandbreiten auf um Signale zu übertragen.
Die begrenzte Kanalkapazität
hat eine mangelhafte Audioqualität/-verständlichkeit
und Funktionssicherheit zur Folge. Eine Kanalkapazität in einem
Kommunikationskanal wird durch das Shannon-Hartley Theorem bestimmt,
welches festlegt, dass die Summe an Information, die über Funk übermittelt
wird, logarithmisch proportional zur Signalstärke ist, die als Signal-Rausch-Verhältnis ausgedrückt wird,
und direkt proportional zu der Bandbreite ist. Da die Bandbreite in
diesen Schmalbandkanälen
begrenzt ist, ist die Kanalkapazität ebenfalls begrenzt. Aufgrund
dieser begrenzten Verfügbarkeit
von Bandbreiten weisen diese Systeme eine begrenzte Kanalkapazität auf, und
diese Systeme können
die notwendigen Fehlerkorrekturen oder wiederholte Datenpaketübertragungen
nicht ausführen,
die für
kritische Kommunikationen benötigt
werden.
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Im
Falle von mangelhaften Kommunikationsverbindungen werden die Datenpaketfehler
in diesen Systemen die Audioqualität und -verständlichkeit
der Kommunikation beeinflussen. In einigen Situationen stellt das
Flugzeug-Headset einsatzbezogene kritische Kommunikationen zwischen
dem Pilot und dem Tower bereit. Demzufolge sind Datenpaketfehler
in den Übertragungen
und eine mangelhafte Verständlichkeit
für diese
Einsatzgebiete nicht annehmbar.
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Was
im Stande der Technik benötigt
wird, ist ein drahtloses Headset, das für die Verwendung in einem Flugzeug
geeignet ist, und das die oben genannten Probleme und Nachteile
vermeidet.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein eingebautes drahtloses Ultrabreitband-Headset
(Ultra Wide Band – UWB)
bereit, das eine Avionik nicht stört und somit für die Verwendung
in einem Flugzeug geeignet ist. Das UWB-Headset kann umfassen ein
Sliding Window Packet Transmission Verfahren, ein Verfahren zur
Korrektur und Verdeckung von Fehlern, eine adaptive Datenpaket-Latenz-Verringerung, und
Verfahren zur Unterdrückung
von Eigenechos und ein Regenerationsverfahren. Diese Algorithmen können bei
Kommunikationssystemen aus dem Stand der Technik nicht angewendet
werden, aber können
stattdessen bei Bitübertragungsschichten
mit großen
Bandbreitenkanälen,
wie zum Beispiel dem UWB-Kommunikationssytem der vorliegenden Erfindung
angewendet werden.
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Bei
einer Ausführungsform
ist die Erfindung auf die Verwendung einer Ultrabreitbandkommunikationstechnologie
gerichtet, basierend auf einer drahtlosen Kombination aus Basisstation/Headset.
Das Headset und die Basisstation können beide einen UWB-Transceiver ebenso
wie einen digitalen Signalprozessor, einen Mikrocontroller, Audio-Bauteilsätze aus
Encoder und Decoder und analoge Hilfsschaltungen umfassen. Ein Sliding
Window Error Packet Correction- und Fehlerverdeckungs-Algorithmus können angewandt
werden, um eine zusammengefügte
Audioinformation, die während
der Übertragung verloren
oder beschädigt
wurde, entweder wieder zurück
zu gewinnen oder wieder herzustellen. Darüber hinaus kann eine Übertragungslatenz
adaptiv verringert werden und ein Verfahren zur Unterdrückung/Wiederherstellung
verwendet werden, um Eigenechos heraus zu filtern.
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Das
UWB-Headset der vorliegenden Erfindung verwendet eine geringere Übertragungsleistung
als ein Gerät,
das eine Radiofrequenz unbeabsichtigt ausstrahlt, und diese Eigenschaft
ermöglicht es
dem Headset, um näher
an empfindlichen Instrumenten betrieben zu werden. Die Übertragungsleistung
des UWB-Systems ist ziemlich gering verglichen mit einem Mobiltelefon.
Ein Mobiltelefon sendet 0.75 bis 1.0 Watt über wenige KHz. UWB-Systeme
senden im Gegensatz dazu weniger als –42 dBm/MHz (0.0000631 Milliwatt/MHz).
Die Emissionsgrenzwerte der spektralen Leistungsdichte der Federal
Communication Commission beträgt
für im
UWB-Band betriebene UWB-Strahler –41.3 dBm/MHz. Dies ist die gleiche
Grenze, die für
Emitter mit unbeabsichtigter Strahlung wie zum Beispiel Computer
gilt. Aufgrund dieser sehr geringen Leistung beeinflusst das UWB- Headset die Avionik
innerhalb des Flugzeugs bei einem beliebig gegebenen Übertragungsband nicht.
Gemäß dem Shannon-Hartley
Theorem ist die Menge an Information, die über Funk gesendet wird logarithmisch
proportional zu der Signalstärke,
wie durch das Signal-Rausch-Verhältnis ausgedrückt, und
ist direkt proportional zu der Bandbreite. Durch Verwenden von 3
bis 5 GHz für Übertragungen
kann eine größere Kanalkapazität von bis
zu 480 mbps erreicht werden. Im Falle von UWB-Übertragungen kann die Energie über eine
große
Bandbreite, wie zum Beispiel das 3 bis 5 GHz Frequenzspektrum verteilt
werden. Somit ist die Bandbreite, die in dem System verwendet wird,
in der Nähe
von 2 GHz und die Gesamtübertragungsleistung
beträgt
0.12 Milliwatt. Die UWB-Technologie ist verwendbar für Anwendungen,
die eine Robustheit gegen beabsichtigte und unbeabsichtigte Störsender
benötigen.
Die UWB-Technologie kann diese Robustheit durch Verwendung der großen Bandbreite
bieten. Eine Verwendung von UWB gewährleistet eine sehr geringe Übertragungsleistung
und kurze Impulsbreiten.
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Die
Erfindung weist in einer Ausgestaltung ein drahtloses Kommunikationssystem
für eine
Verwendung in einem Flugzeug auf. Ein drahtloses Headset umfasst
wenigstens eine Ohrmuschel mit einem Gehäuse. Ein erster Ultrabreitband-Transceiver ist
in dem Ohrmuschelgehäuse
angeordnet. Eine Basisstation umfasst einen zweiten Ultrabreitband-Transceiver. Der
zweite Ultrabreitband-Transceiver steht mit dem ersten Ultrabreitband-Transceiver drahtlos
in Verbindung.
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Die
Erfindung weist in einer anderen Ausgestaltung ein Verfahren zum
Betreiben eines drahtlosen Kommunikationssystems zur Verwendung
in einem Flugzeug auf, einschließlich eines Bereitstellens eines
drahtlosen Headsets innerhalb des Flugzeugs. Das Headset umfasst
einen ersten Ultrabreitband-Transceiver. Eine Gegensprechanlage
wird innerhalb des Flugzeugs bereitgestellt. Eine Basisstation ist
elektrisch an die Gegensprechanlage angeschlossen. Die Basisstation
umfasst einen zweiten Ultrabreitband-Transceiver. Datenpakete werden drahtlos
und bidirektional zwischen dem ersten und zweiten Ultrabreitband-Transceiver übertragen.
Das Übertragen
umfasst ein Übertragen
einer Vielzahl von Datenübertragungsblöcken (Frame).
Jeder der Datenübertragungsblöcke umfasst
eine Vielzahl der Datenpakete. Wenigstens eines der Datenpakete
in jedem Datenübertragungsblock
wurde niemals zuvor übertragen.
Wenigstens eines der Datenpakete in jedem Datenübertragungsblock wurde früher übertragen.
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Die
Erfindung weist in noch einer anderen Ausgestaltung ein Verfahren
zum Betreiben eines drahtlosen Kommunikationssystems zur Verwendung
in einem Flugzeug auf, einschließlich eines Bereitstellens
eines drahtlosen Headsets innerhalb des Flugzeugs. Das Headset umfasst
einen ersten Ultrabreitband-Transceiver, ein Mikrofon und einen Lautsprecher.
Ein erstes Eigenecho wird innerhalb des Headsets abhängig von
einem ersten von dem Mikrofon empfangenen Mikrofonsignal erzeugt.
Das erste innerhalb des Headsets erzeugte Eigenecho wird zu dem
Lautsprecher übertragen.
Eine Gegensprechanlage ist innerhalb des Flugzeugs bereitgestellt.
Die Gegensprechanlage weist einen Mikrofoneingang und einen Headsetausgang
auf. Eine Basisstation ist elektrisch an den Mikrofoneingang und
den Headsetausgang der Gegensprechanlage angeschlossen. Die Basisstation
umfasst einen zweiten Ultrabreitband-Transceiver. Signale werden
drahtlos und bidirektional zwischen dem ersten und zweiten Ultrabreitband-Transceiver übertragen.
Ein zweites Mirkofonsignal wird von dem zweiten Ultrabreitband-Transceiver
zu dem Mikrofoneingang der Gegensprechanlage übertragen. Das zweite Mirkofonsignal
ist eine zeitversetzte Wiedergabe des ersten Mirkofonsignals des
Headsetmikrofons. Ein zweites Eigenecho wird innerhalb der Gegensprechanlage abhängig von
dem zweiten Ultrabreitband-Transceiver
empfangenen Mirkofonsignal erzeugt. Das zweite innerhalb der Gegensprechanlage
erzeugten Eigenechos wird zu dem zweiten Ultrabreitband-Transceiver über den
Headsetausgang der Gegensprechanlage übertragen. Ein Eigenechounterdrückungssignal
wird innerhalb der Basisstation abhängig von dem Mirkofonsignal
des zweiten Ultrabreitband-Transceivers erzeugt. Das innerhalb der
Basisstation erzeugte Eigenechounterdrückungssignal wird zu dem zweiten
Ultrabreitband-Transceiver übertragen,
so dass das Eigenechounterdrückungssignal
im Wesentlichen das zweite durch den zweiten Ultrabreitband-Transceiver
empfangene Eigenecho aufhebt.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das UWB-Headset die
Avionik aufgrund seiner Verwendung von einer sehr geringen Übertragungsleistung
und kurzen Impulsen nicht beeinflusst, das heißt Carrierless Impulse Radio.
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Obwohl
die Erfindung hierin als auf ein Audiokommunikationssystem angewandt
beschrieben wurde, ist ein weiterer Vorteil, dass die Erfindung
auf andere Echtzeit Audio/Video-Systeme erweitert werden kann, die
Bitübertragungsschichten
und/oder niedrige Datenübertragungsraten
auf Kanälen
mit hoher Kapazität
wie zum Beispiel Innenräume,
Automobile, Schiffe, Boote, oder ähnliche geschlossene Räume verwenden.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass die UWB-Kommunikationen aufgrund der
geringen Leistung und kurzen Impulse während einer Übertragung
schwer abzuhören
sind.
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Ein
noch weiterer Vorteil ist, dass Mehrwegkopien der Übertragung
erzeugt werden können,
weil eine Flugzeugkabine eine Faradayschen Käfig Effekt aufweist. Somit
kann das UWB-System Rake Receiver Verfahren verwenden, welche mehrwegerzeugte Kopien
des ursprünglichen
Impulses wiederherstellen, um die Leistung des Empfängers zu
verbessern. Eine Verwendung eines UWBs liefert eine größere Kanalkapazität.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
oben genannten und andere Kennzeichen und Merkmale der Erfindung,
und die Art und Weise diese zu erreichen, werden ersichtlicher und die
Erfindung selber wird verständlicher
durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung einer Ausführungsform
der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Abbildungen, wobei:
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1a zeigt
eine Zeitbereichsdarstellung eines beispielhaften im Stand der Technik
verwendeten Schmalbandträgersignals.
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1b zeigt
eine Frequenzbereichsdarstellung des Schmalbandträgersignals
aus 1a.
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2a zeigt
eine Zeitbereichsdarstellung eines beispielhaften UWB-Impulses,
der bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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2b zeigt
eine Frequenzbereichsdarstellung des UWB-Impulses aus 2a.
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3 zeigt
ein Blockdiagramm einer Ausführungsform
eines drahtlosen Kommunikationssystems der vorliegenden Erfindung
in Verwendung in einem Cockpit eines Flugzeugs.
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4 zeigt
ein ausführlicheres
Blockdiagramm des drahtlosen Kommunikationssystems aus 3.
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5 zeigt
ein weiteres ausführlicheres Blockdiagramm
des Headsets des drahtlosen Kommunikationssystems aus 3,
welche eine mögliche
Aufteilung der Bauteile zwischen den beiden Ohrmuscheln darstellt.
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6 zeigt
ein Blockdiagramm von einer bestimmten Ausführungsform einer UWB-Schaltung, die
für eine
Verwendung in der Basisstation und/oder dem Headset des drahtlosen
Kommunikationssystems aus 3 geeignet
ist.
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7 zeigt
ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform
eines Verfahrens einer UWB-Datenübertragung
der vorliegenden Erfindung darstellt, die für die Verwendung mit dem drahtlosen
Kommunikationssystem aus 3 geeignet ist.
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8a zeigt
ein Blockdiagramm eines drahtgebundenen Kommunikationssystems mit
einer Eigenechoerzeugung aus dem Stand der Technik.
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8b zeigt
ein Blockdiagramm eines drahtgebundenen Kommunikationssystems mit
einer Eigenechoerzeugung aus dem Stand der Technik.
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9 zeigt
ein Flussdiagramm einer Ausführungsform
eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung zum Betreiben eines
drahtlosen Kommunikationssystems zur Verwendung in einem Flugzeug.
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10 zeigt
ein Flussdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens
der vorliegenden Erfindung zum Betreiben eines drahtlosen Kommunikationssystems
zur Verwendung in einem Flugzeug.
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Entsprechende
Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Bauteile überall in den verschiedenen Abbildungen.
Obwohl die Abbildungen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung darstellen, sind die Abbildungen nicht
notwendigerweise maßstabsgerecht
und bestimmte Merkmale können übertrieben
gezeigt sein, um die vorliegende Erfindung besser darzustellen und
zu erläutern.
Obwohl die Erläuterung
durch hierin dargelegte Beispiele Ausführungsformen der Erfindung
darstellen, sind die nachfolgenden Ausführungsformen in einigen Ausgestaltungen
nicht als vollständig
anzusehen oder sollen nicht derart ausgelegt werden, dass sie den
Schutzumfang der Erfindung auf die genau offenbarten Ausgestaltungen
begrenzen.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Die
hierin offenbarten Ausführungsformen sind
nicht als vollständig
anzusehen oder sollen die Erfindung nicht auf die in der nachfolgenden
Beschreibung offenbarten Ausgestaltungen beschränken. Stattdessen sind die
Ausführungsformen
ausgewählt
und beschrieben, so dass ein Fachmann ihre Lehren verwenden kann.
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Eine
Ultrabreitbandübertragung
ist ein Kommunikationsverfahren, das Impulse wie in 2b gezeigt,
von sehr kurzer Zeitdauer verwendet, was wie in 2b gezeigt,
zu sehr großen
oder Breitbandübertragungs-Bandbreiten
führt.
Eine Bandbreite, die größer ist
als 500 MHz, kann als UWB angesehen werden. Diese Art von Übertragung
unterscheidet sich von trägerbasierten
AM/FM-Übertragungen
erheblich. Eine UWB-Übertragung
basiert auf Impulsen, und jeder Impuls in dem UWB-System kann die gesamte
UWB-Bandbreite nutzen.
Gegenwärtig
benutzen die meisten UWB-Geräte
3.1–6.1
GHz, und die FCC autorisiert die unlizenzierte Verwendung von UWB
in 3.1–10.6
GHz.
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Bezug
nehmend auf 3 ist eine Ausführungsform
eines drahtlosen Kommunikationssystems 20 der vorliegenden
Erfindung zur Verwendung in einem Cockpit 22 eines Flugzeugs 24 gezeigt.
Das System 20 umfasst eine elektronische Wechselsprechanlage,
die im Allgemeinen als Sprechanlage (Intercom) bezeichnet wird,
in bidirektionaler Datenkommunikation mit einer UWB-Basisstation 28 über eine
oder mehrere Leitungen 30. Die UWB-Basisstation 28 steht
in drahtloser bidirektionaler Datenkommunikation mit einem UWB-Headset 32 über eine entsprechende
Antenne 34, 36.
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4 stellt
ein ausführlicheres
Blockdiagramm des Systems 20 bereit. Sowohl die Basisstation 28 als
auch das Headset 32 weisen entsprechende UWB-Sender/Empfänger 38, 40,
digitale Signalprozessoren/Mikroprozessoren 42, 44,
Analog/Digital- und Digital/Analog-Bauteilsätze aus Encoder und Decoder 46, 48,
und verschiedene analoge Hilfs schaltungen 50, 52 auf.
Das Headset 32 umfasst ein Mikrofon 53 und wenigstens
einen Lautsprecher 55.
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In
einer bestimmten Ausführungsform
weisen die UWB-Transceiver 38, 40 eine Bandbreite
von 3.1 bis 4.8 GHz auf und die Übertragungsleistung
beträgt
weniger als –41.5
dBm/MHz. In einer Ausführungsform
sind die UWB-Transceiver 38, 40 als von Wisair
Ltd. gelieferte 502 und 531 Chips ausgebildet, und die DSPs 42, 44 sind
als von Texas Instruments Inc. gelieferte C5409 DSPs ausgebildet.
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Der
UWB-Transceiver 40 des Headsets 32 kann innerhalb
eines Gehäuses
einer Ohrmuschel 54 (5) angeordnet
werden, an welchen eine Antenne 36 angebracht ist. Die
Antenne 36 ist elektrisch an den UWB-Transceiver 40 angeschlossen
und ragt über
das Gehäuse 54 nach
außen
hinaus. Im Allgemeinen können
alle Bauteile des Headsets 32 in einem oder dem anderen
Ohrmuschelgehäuse 54, 56 angeordnet
werden. Angeordnet innerhalb des Gehäuses 54, zusätzlich zu
dem Transceiver 40 und dem DSP 44, befinden sich
ein Lautstärkeregler 58, ein
Lautsprecher 60, eine aktive Rauschunterdrückungsschaltung 62 und
eine Leuchtdiode 64. Angeordnet innerhalb des Gehäuses 56 befinden
sich Lautsprecher 66, eine Batterie 68 und eine
Ladungsschaltung 70.
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Verschieden
elektrische Leitungen 72 können die Bauteile der Gehäuse 54, 56 miteinander
verbinden. Die Leitungen 72 können durch ein halbsteifes
Band (nicht gezeigt) mechanisch gestützt werden, das wie es im Stand
der Technik bekannt ist, die Gehäuse 54, 56 mechanisch
verbindet.
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An
das Gehäuse 56 können ein
Galgenmikrofon 74 und ein Ladekabel 76 angebracht
sein. Das Ladekabel 76 kann verwendet werden um die Batterie 68 zu
laden, oder um einen Notstrom zu liefern, falls die Batterie 68 ausfällt.
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Das
Blockdiagramm aus 6 stellt eine bestimmte Ausführungsform
einer UWB-Schaltung
dar, die für
eine Verwendung in einer Basisstation 28 und/oder einem
Headset 32 geeignet ist.
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In
verschiedenen Ausführungsformen
von Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Betreiben eines drahtlosen
Kommunikationssystems kann ein Sliding Window Packet Transmission
Algorithmus und/oder ein Fehlerkorrektur- und Verdeckungs-Algorithmus
angewandt werden. Diese Algorithmen können angewandt werden, um eine
zusammengefügte
Audioinformation, die während
der Übertragung verloren
oder beschädigt
wurde, entweder wieder zurück
zu gewinnen oder wieder herzustellen. Andere Ausführungsformen
von Verfahren der vorliegenden Erfindung können ein adaptives Latenz-Verfahren anwenden,
in welchem die Latenzzeit einer Übertragung
adaptiv verringert werden kann. Andere Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung können ein
Verfahren zur Unterdrückung
von Eigenechos und ein Regenerationsverfahren anwenden, die verwendet
werden können
um Eigenechos heraus zu filtern. Es versteht sich von selbst, dass
jegliche Kombination der oberhalb bezeichneten vier Algorithmen/Verfahren
in verschiedensten Ausführungsformen
der Erfindung angewandt werden können.
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Der
Sliding Window Packet Transmission Algorithmus kann angewandt werden,
um die große Kommunikationsbandbreite
des UWB-Kanals am besten auszunützen,
während
die Latenzzeit gering gehalten wird. Im UWB gibt es aufgrund der
großen Frequenzbandbreite
eine größere Kanalkapazität gemäß dem Shannon-Hartley-Theorem.
Die Kommunikationskanalkapazität,
die für
Audiodaten benötigt wird,
ist gering (beispielsweise 0.25 mbs) verglichen zu der UWB-Kanalkapazität (beispielsweise
53–400 mbs).
Das Sliding Packet Verfahren überträgt jedes Audiodatenpaket
mehrfach (beispielsweise vier bis acht Mal) in aufeinanderfolgenden
Datenübertragungsblöcken, die
zusammen mit vorherigen und nachfolgenden Datenpaketen eingebettet
sind. An der Empfängerseite
werden die Datenpakete von einer oder mehrerer der Datenübertragungsblöcke, die keine
Fehler enthalten, wieder hergestellt, und redundante Kopien der
Datenpakete werden verworfen. Datenpaketnummern und Datenübertragungsblocknummern
können
zugeteilt werden, um diesen Sliding Window Packet Transmission Algorithmus
anzuwenden.
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Der
Grad der Latenz kann verringert oder erhöht werden, wie zum Beispiel
durch schnelleres oder langsameres Abspielen der Audiodaten, als Antwort
auf berechnete Datenpaketfehlerquoten. Diese Einstellung des Latenzgrads
kann periodisch in Echtzeit durchgeführt werden, das heißt automatisch
im Datenfeld. Jedoch ist es ebenfalls möglich, dass die Latenzgradeinstellung
nach der Installation oder in der Fabrik durchgeführt wird.
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Im
Verfahren zur Korrektur und Verdeckung von Fehlern, falls keine
fehlerfreien Datenpakete empfangen werden, kann ein beschädigtes Datenpaket
von den redundanten Fehlerdatenpaketen wieder hergestellt werden.
Die fehlerhaften Kopien der Datenpakete können durch Verwendung Voting-Algorithmus
kombiniert werden, um ein Pseudodatenpaket zu erzeugen, das das
am meisten wahrscheinliche Datenpaket darstellt. Wenn Korrekturen
nicht möglich
sind, kann das Pseudodatenpaket von Daten mit dem Fehlerverdeckungs-Algorithmus
erzeugt werden, um die Lücke
in der Audiokommunikation zu füllen.
Der Fehlerverdeckungs-Algorithmus kann ein Linear Predictive Coding
(LPC), einen Pitch Detector, ein Smoothing basierend auf den vorherigen
Informationen, und Interpolationsverfahren verwenden. Diese Algorithmen
können
Audioartefakte aufgrund verlorener Datenpakete verringern, und können die Verständlichkeit
der Audiokommunikation verbessern.
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Eine
Ausführungsform
eines UWB-Datenübertragungs-Verfahren 700 gemäß der vorliegenden Erfindung
ist in 7 dargestellt. Ungefähr zwei Millisekunden an Audio
kann vom Analog/Digital-Konverter 702 zum Audiodateneingang 704 transportiert werden.
Bei einer Abtastfrequenz von 16 KHz werden zweiunddreißig Abtastungen
in Ping-Pong-Zwischenspeichern 706 gespeichert.
Ping-Pong-Zwischenspeicher 706 werden in der Doppelpufferung verwendet,
in welchen eine Eingabe/Ausgabe gleichzeitig mit der Verarbeitung
durchgeführt
wird. Das heißt,
Daten können
in einem Zwischenspeicher verarbeitet werden, während der nächste Satz von Daten in den
anderen Zwischenspeicher eingelesen wird.
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Wie
bei 708 gezeigt, werden die empfangenen Audiodaten in Datenpakete
im Zwischenspeicher 710 gegliedert. Wie durch Pfeil 712 gezeigt
kann ein Datenpaketzwischenspeicher 710 als Ringspeicher
ausgelegt sein, in welchem sich jedes Datenpaket mit jedem neu empfangenen
Datenpaket um eine Position verschiebt. Nach Erscheinen in einer
der vier Positionen wird ein Datenpaket gelöscht, um Platz für das nächste zu
empfangene Datenpaket zu machen. Somit wird jedes Datenpaket viermal übertragen,
jedes Mal in einem unterschiedlichen Datenübertragungsblock. Um ein Datenpaket
erfolgreich zu empfangen, muss das Datenpaket nur ohne einen Fehler in
einem oder mehreren der vier Datenübertragungsblöcke übertragen
und empfangen werden. Bei zweiunddreißig Abtastungen pro Da tenpaket
können
die vier Datenpakete im Datenpaketzwischenspeicher 710 einhundertachtundzwanzig
Abtastungen darstellen, plus einen zusätzlichen Overhead für zyklische Redundanzprüfungen (bezeichnet
durch ”C” bei jedem
Datenpaket) und Datenpaketidentifikationsnummern (bezeichnet durch ”P” bei jedem
Datenpaket).
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Im Übertragungsschritt 714 umfasst
ein Datenübertragungsblock 716 die
Datenübertragungsblocknummer
(bezeichnet durch ”F”), die
zu dem oberhalb beschriebenen Overhead und einhundertachtundzwanzig
Abtastungen hinzugefügt
wird. Die Daten, einschließlich
acht Millisekunden an Audiodaten (zwei Millisekunden aktueller Daten
und sechs Millisekunden vorheriger Daten von den drei alten Datenpaketen)
werden auf Wisair UWB-Kanal 718 übertragen.
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Im
Empfangsschritt 720 wird derselbe Datenübertragungsblock 716 empfangen,
der in Schritt 714 übertragen
wurde. Im Datenpaketsortierungsschritt 722 wird der empfangene
Datenübertragungsblock 716 in
Datenpakete 724 sortiert. In Schritt 726 kann
der oben genannte Fehlerverdeckungs-Algorithmus durchgeführt werden.
Falls ein Datenpaket fehlt, können
zum Beispiel dann die Daten wieder hergestellt werden. Im Audiodatenabspielschritt 728, können ungefähr zwei
Millisekunden an Audio zu dem Digital/Analog-Konverter 730 transportiert
werden. Bei einer Abtastfrequenz von 16 KHz werden zweiunddreißig Abtastungen
in Ping-Pong-Zwischenspeichern 732 gespeichert, welche
wiederum zur Doppelpufferung verwendet werden.
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Im
oberhalb erwähnten
adaptiven Latenzzeitverringerungs-Verfahren kann eine Audiolatenzzeit
basierend auf den Kanalfehlerquoten adaptiv verringert werden. Dieses
Verfahren kann durch Verwendung von zwei Datenpaketnummern, die
in dem Datenpaket innerhalb des übertragenen
Datenübertragungsblocks
und dem empfangenen Datenübertragungsblock
eingebettet sind, durchgeführt
werden. Auf der Sende- beziehungsweise Empfängerseite wird die Datenpaketnummer
in dem Übertragungszwischenspeicher
und dem Empfangszwischenspeicher verglichen, um die Zeit vom Sender zum
Empfänger
und wieder zurück
(Round Trip Delay) in der Verbindung zu bestimmen. Falls die Verzögerung größer ist
als eine Grenzwertdauer, können dann
die Audiodaten durch Verwenden eines Sample Warping Algorithmus
schneller abgespielt werden. In einigen Beispielen können Datenpakete
verworfen werden und mit den verworfenen Datenpaketen zusam mengehörige Audioartefakte
können
mittels Verwenden des oben beschriebenen Fehlerverdeckungsalgorithmus
verdeckt werden. Dieses Verfahren kann sowohl auf der Übertragungs-
als auch der Empfängerseite
der Verbindung durchgeführt
werden, um Erhöhungen
in der Audiolatenzzeit zwischen der Basisstation und dem Headset
zu unterdrücken. Zusätzlich zum
Verringern der Latenzzeit des Kanals kann dieses Verfahren ebenfalls
einen Aufbau einer Latenz aufgrund Taktschwankungen und Taktunterschieden
vermeiden. Aufgrund unvermeidbarer Taktunterschiede, ohne dieses
Latenzzeiteinstellungssystem, würden
Daten auf der Empfängerseite
akkumuliert werden oder würden
in Zwischenspeichern auf der Übertragungsseite
gespeichert werden. Dieser Zustand würde ein Ansteigen der Latenzzeit
mit der Zeit während
der Verwendung des Headsets verursachen.
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Wie
oben erwähnt
kann die vorliegende Erfindung Gebrauch von einem adaptiven filterbasierten
Eigenechounterdrückungs-
und Wiederherstellungsverfahren machen. Wie in der 8a,
dem Stand der Technik gezeigt, können
die Eigenechos von einer Wechselsprechanlage 826 zu einem
drahtgebundenen Headset 832 geliefert werden, um den Pilot
zu informieren, das seine Stimme an den Tower übertragen wird. In einem drahtlosen
Kommunikationssystem 920 (8b) der
vorliegenden Erfindung kann der drahtlose Kommunikationskanal eine
zusätzliche
Verzögerung
zu der Kommunikation einbringen. Diese Verzögerung kann verursachen, dass das
Eigenecho etwas später
ankommt, wie beispielsweise 20 bis 50 Millisekunden. Diese Verzögerung im Eigenecho
kann eine Störung
verursachen und beeinflusst die Audioverständlichkeit nicht nachteilig. Ein
UWB-Kommunikationssystem 920 umfasst
eine Wechselsprechanlage 926, die durch elektrische Leitungen 930, 931 an
eine UWB-Basisstation angeschlossen ist. Eine UWB-Basisstation 928 umfasst einen
Eigenechounterdrücker 978,
welcher einen normalisierten Least Mean Square (NLMS) basierten adaptiven
Filter verwendet. Ein adaptiver Eigenechounterdrücker 978 kann das
nichtlineare Eigenecho unterdrücken,
das durch die Wechselsprechanlage geliefert wird. Ein Unterdrücker 978 kann
ebenfalls adaptiv die Bulkverzögerung
eines Wechselsprechanlagensystems bestimmen. Derselbe adaptive Filter
kann über
die drahtlose Verbindung an das Remote-Headset 932 übertragen
werden, wo der Filter durch einen Eigenechogenerator 980 verwendet wird,
um ein Eigenecho für
den Piloten zu erzeugen. Ein Eigenechogenerator 980 empfängt eine
Eingabe von einem Mikrofon 982 und liefert eine Ausgabe
an den Lautsprecher 984. Somit kann die Verzögerung in
dem Eigenecho, das durch die drahtlose Verbindung verursacht wird
beseitigt werden. Der im Eigenecho unterdrücker 978 verwendete
Filter kann derselbe sein wie der Filter, der im Eigenechogenerator
verwendet wird.
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In 9 ist
eine Ausführungsform
von einem Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Betreiben eines
drahtlosen Kommunikationssystems zur Verwendung in einem Flugzeug
dargestellt. In einem ersten Schritt 902 wird ein drahtloses
Headset einschließlich
eines ersten Ultrabreitband-Transceivers innerhalb des Flugzeugs
bereitgestellt. Zum Beispiel wird wie in 3 gezeigt
ein Headset 32 einschließlich eines UWB-Transceivers 40 (4)
innerhalb eines Flugzeugs 24 bereitgestellt.
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Im
nächsten
Schritt 904 wird eine Wechselsprechanlage innerhalb des
Flugzeugs bereitgestellt. In 3 wird eine
Wechselsprechanlage 26 innerhalb eines Flugzeugs 24 bereitgestellt.
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Als
nächstes
wird in Schritt 906 eine Basisstation einschließlich eines
zweiten Ultrabreitband-Transceivers elektrisch an die Wechselsprechanlage
angeschlossen. Das heißt,
eine Basisstation 28 einschließlich eines UWB-Transceivers 38 (4)
wird elektrisch an die Wechselsprechanlage 26 (3)
angeschlossen.
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Schließlich werden
in Schritt 908 Datenpakete drahtlos und bidirektional zwischen
dem ersten und zweiten Ultrabreitband-Transceiver übertragen, wobei
das Übertragen
ein Übertragen
einer Vielzahl von Datenübertragungsblöcken umfasst,
und jeder der Datenübertragungsblöcke eine
Vielzahl von Datenpaketen umfasst, und wenigstens eines der Datenpakete
in jedem Datenübertragungsblock
nie übertragen
worden ist, und wenigstens eines der Datenpakete in jedem Datenübertragungsbloch
früher übertragen worden ist. Wie in 4 gezeigt
erfolgt eine drahtlose, bidirektionale Kommunikation zwischen UWB-Transceivern 38, 40.
Wie oberhalb mit Bezug auf 7 beschrieben
erfolgt die Kommunikation in der Form von digitalen Datenpaketen.
Die Datenpakete können
innerhalb Datenübertragungsblöcken wie
beispielsweise Datenübertragungsblock 716 übertragen
werden, welcher vier Datenpakete umfasst. Eines der Datenpakete,
das heißt
Datenpaket N, innerhalb dem Datenübertragungsblock 716, ist
zuvor nicht übertragen
worden, und die anderen drei Datenpakete, das heißt Datenpakete
N-1, N-2 und N-3, innerhalb Datenübertragungsblock 716 sind in
früheren
Datenübertragungsblöcken übertragen worden.
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In 10 ist
eine weitere Ausführungsform von
einem Verfahren 100 der vorliegenden Erfindung zum Betreiben
eines drahtlosen Kommunikationssystems zur Verwendung in einem Flugzeug
dargestellt. In einem ersten schritt 1010 ist ein drahtloses Headset
einschließlich
einem ersten Ultrabreitband-Transceiver, ein Mikrofon und ein Lautsprecher innerhalb
eines Flugzeugs bereitgestellt. Zum Beispiel ist wie in 3 gezeigt
ein Headset 32 einschließlich eines UWB-Transceivers 40 (4),
ein Mikrofon 53 und ein Lautsprecher 55 innerhalb
eines Flugzeugs bereitgestellt.
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Im
nächsten
Schritt 1020 wird ein erstes Eigenecho innerhalb des Headsets
abhängig
von einem ersten von dem Mikrofon empfangenen Mikrofonsignal erzeugt,
und das erste innerhalb des Headsets erzeugte Eigenecho wird zum
Lautsprecher übertragen.
Zum Beispiel wird wie in 8b gezeigt ein
Eigenecho durch einen Eigenechogenerator 980 innerhalb
eines Headsets 932 basierend auf einem vom Mikrofon 982 empfangenen
Signal erzeugt. Ein Eigenechogenerator 980 überträgt das Eigenecho zum
Lautsprecher 984.
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Als
nächstes
wird in Schritt 1030 eine Wechselsprechanlage innerhalb
eines Flugzeugs bereitgestellt, wobei die Wechselsprechanlage einen
Mikrofoneingang und einen Headsetausgang aufweist. Wie in 3 dargestellt
wird eine Wechselsprechanlage 26 innerhalb eines Flugzeugs
bereitgestellt. Wie in 8b dargestellt, weist die Wechselsprechanlage 926 einen
mit ”Mic
In” bezeichneten
Mikrofoneingang und einen mit ”Head
phone Out” bezeichneten
Headsetausgang auf.
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In
Schritt 1040 ist eine Basisstation elektrisch an den Mikrofoneingang
und dem Headsetausgang der Wechselsprechanlage angeschlossen, wobei
die Basisstation einen zweiten Ultrabreitband-Transceiver umfasst.
Wie in 8b gezeigt ist die Basisstation
elektrisch an den Mikrofoneingang beziehungsweise dem Headsetausgang
einer Wechselsprechanlage 926 über elektrische Leitungen 930, 931 angeschlossen.
Die Basisstation 928 umfasst eine mit ”UWB System” bezeichneten UWB-Transceiver
in 8b.
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Als
nächstes
werden in Schritt 1050 Signale drahtlos und bidirektional
zwischen dem ersten und zweiten Ultrabreitband-Transceiver übertragen.
Wie in 4 gezeigt, erfolgt eine drahtlose, bidirektionale Kommunikation
zwischen UWB-Transceivern 38, 40.
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Im
nächsten
Schritt 1060 wird ein zweites Mikrofonsignal von dem zweiten
Ultrabreitband-Transceiver zum Mikrofoneingang der Wechselsprechanlage übertragen,
wobei das zweite Mikrofonsignal eine zeitverzögerte Wiedergabe des ersten
Mikrofonsignals vom Headsetmikrofon ist. In der Ausführungsform
von 8b überträgt der UWB
Sender/”System” der Basisstation 928 ein
Mikrofonsignal zum ”Mic
In”-Eingang
der Wechselsprechanlage 926 über Leitungen 930.
Das Mikrofonsignal ist eine Wiedergabe des durch das Mikrofon 982 erzeugten
Mikrofonsignals, ist jedoch verzögert,
wie zum Beispiel durch 20 bis 50 Millisekunden, aufgrund der Zeit,
die für
eine drahtlose Kommunikation zwischen den zwei UWB-Transceivern
benötigt
wird.
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Als
nächstes
wird in schritt 1070 ein zweites Eigenecho innerhalb der
Wechselsprechanlage abhängig
vom zweiten Mikrofonsignal erzeugt, das vom zweiten Ultrabreitband-Transceiver
empfangen wird, und das zweite innerhalb der Wechselsprechanlage erzeugte
Eigenecho wird zu dem zweiten Ultrabreitband-Transceiver über den
Headsetausgang der Wechselsprechanlage übertragen. In 8b wird
ein Eigenecho innerhalb der Wechselsprechanlage 926 durch
den Eigenechogenerator erzeugt. Dieses Eigenecho wird basierend
auf dem Mikrofonsignal erzeugt, das an dem Mic In Eingang des UWB-Transceivers der
Basisstation 928 empfangen wird. Dieses innerhalb der Wechselsprechanlage 926 erzeugte
Eigenecho wird zum UWB-Transceiver der Basisstation 928 über den
Head Phone Out Ausgang der Wechselsprechanlage 926 und
Leitungen 931 übertragen.
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In
einem letzten Schritt 1080 wird ein Eigenechounterdrückungssignal
innerhalb der Basisstation abhängig
vom Mikrofonsignal von dem zweiten Ultrabreitband-Transceiver erzeugt,
und das innerhalb der Basisstation erzeugte Eigenechounterdrückungssignal
wird zu dem zweiten Ultrabreitband-Transceiver übertragen, so dass das Eigenechounterdrückungssignal
das zweite durch den zweiten Ultrabreitband-Transceiver empfangene
Eigenecho im Wesentlichen unterdrückt. Das heißt, ein Eigenechounterdrückungssignal
wird innerhalb einer Basisstation 928 durch einen Eigenechounterdrücker 978 erzeugt.
Dieses Eigenechounterdrückungssignal basiert
auf dem Mikrofonsignal, das auf Leitungen 930 von dem UWB-Transceiver
der Basisstation übertragen
wird. Das Eigenechounterdrückungssignal
wird zum UWB-Transceiver der Basisstation auf derselben Leitung 931 übertragen,
die das Eigenecho von einer Wechselsprechanlage 926 überträgt. Das
Eigenechounterdrückungssignal
kann zum Eigenecho von der Wechselsprechanlage die gleiche Magnitude
aufweisen und ein umgekehrtes Vorzeichen haben, um dadurch das Eigenecho
auf der Leitung 931 wirksam zu unterdrücken.
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Obwohl
diese Erfindung mit einer beispielhaften Anordnung beschrieben wurde,
kann die Erfindung innerhalb des Geistes und Umfang dieser Offenbarung
weiterentwickelt werden. Diese Anmeldung ist dazu vorgesehen, um
jegliche Arten, Verwendungen, oder Adaptierungen unter Verwendung der
allgemeinen Grundsätze
der Erfindung abzudecken. Ferner ist die Anmeldung dazu vorgesehen, solche
Abweichungen von der vorliegenden Offenbarung abzudecken, die innerhalb
bekannter oder gewöhnlichem
Handeln im Stande der Technik liegen, zu welcher diese Erfindung
gehört.