DE1031842B - UEberlagerungsempfaenger fuer mehrfach frequenzmodulierte Traegerwellen - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an Empfängern für FM-Multiplex-Betrieb.

Bekanntlich versteht man unter FM-Multiplex-Betrieb die Mehrfachausnutzung eines Nachrichtenkanals durch Frequenzmodulation einer Trägerwelle mit einer der Zahl der gewünschten Nachrichtenkanäle entsprechenden Anzahl von Hilfsträgern. Dabei tritt durch Kreuzmodulation leicht ein Übersprechen zwischen den einzelnen Kanälen auf.

Aufgabe der Erfindung ist die Verringerung des Übersprechens zwischen den einzelnen Kanälen beim Multiplex-Betrieb von Empfängern, insbesondere von Kundfunkempfängern.

Häufig ist eine gleichzeitige Rundfunkübertragung von zwei oder mehreremProgrammen, d:. h. Nachrichitenkanälen, erwünscht, so z. B. für die Übertragung von getrennten und zusätzlichen Programmen, die für das plastischen Hören erforderlichsind, oder für die zusätzliche Übertragung eines Hilfsprogramms, das sich mit Informationen auf das Hauptprogramm bezieht, aber für den größeren Teil der Hörer nicht von Interesse ist.

Dabei ist es notwendig, daß das Übersprechen, also das Eindringen des Programms eines Kanals in das Programm des anderen Kanals, sehr geringfügig bleibt. Dieser Wert des Übersprechens muß wesentlich kleiner sein, als es in den bisher bekannten Multiplex-Schaltungen der Fernmeldetechnik für erforderlich gehalten wurde.

Besonders beim Rundfunkempfang, wo der wesentliche Anteil des Programms aus Unterhaltungs- oder Musiksendungen besteht, ist eine verzerrungsfreie Wiedergabe über einen größeren Dynamikbereich notwendiger, als das bei normalen Nachrichtengeräten der Fall ist. Diese Rundfunkempfänger sind besonders dann gegen Verzerrungen, insbesondere gegen das Übersprechen, empfindlich, wenn das Diminuendo eines Kanals mit dem Crescendo eines anderen Kanals zeitlich zusammentrifft. Durch eine Untersuchung der Übertragung einer großen Anzahl von Testprogrammen normaler Rundfunksender wurde festgestellt, daß jedes hörbare Übersprechen störend und belästigend wirkt und daß der sicherste AVeg zur Vermeidung dieser Störungen die Verringerung des Übersprechens auf einen Wert ist. der unterhalb des normalen, im Kanal enthaltenen Rauschpegels liegt.

In Multiplex-Betrieb kann das Übersprechen (die Kreuzmodulation) entweder in den Sender- oder Empfängerschaltungen oder in beiden gleichzeitig hervorgerufen werden. Es ist eine Übertragungseinrichtung bekannt, bei der das Übersprechen senderseitig so weit verringert ist, daß das Problem für die Senderschaltungen als gelöst angesehen werden kann. Die Erfindung befaßt sich daher mit der Lösung der empfängerseitigen Aufgabe.

überlagerungsempfänger für mehrfach
frequenzmodulierte Trägerwellen

Anmelder:

Esther Marion Armstrong,
New York, N. Y. (V. St. A.)

. Vertreter: Dr.-Ing. B. Johannesson, Patentanwalt,
Hannover, Göttinger Chaussee 76

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 12. Oktober 1953

John H. Böse, New York, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Die Erfindung bezieht sich auf Überlagerungsempfänger für den Empfang eines Hauptträgers, der mit einer Nachricht direkt und ferner mit einem oder mehreren Zwischenträgern frequenzmoduliert ist, die ihrerseits je mit einer Nachricht moduliert sind. Erfindungsgemäß enthält der vor dem ersten Diskriminator liegende Zwischenfrequenzteil so stark gedämpfte Schwingungskreise mit kleiner Induktivität und großer Kapazität, daß die Phasenkurve eines jeden Schwingungskreises im Zwischenfrequenzband praktisch linear verläuft und deshalb auch ohne Anwendung einer Kompensation der Verzerrungen kein Übersprechen hervorruft. Die durch diese starke Dämpfung verursachte Abnahme der Verstärkung und Trennschärfe vfhd durch eine entsprechend höhere Zahl von Zwischenfrequenzstufen ausgeglichen. Ferner gehört zur Erfindung, daß die beiden Zweige des Diskriminators jeder für sich so bemessen sind, daß sie auch ohne gegenseitige Kompensation der Verzerrungen kein Übersprechen verursachen.

Es ist zur Vermeidung des Über Sprechens bekannt, einen Gegentaktdiskriminator großer Bandbreite zu verwenden, in dem die geradzahligen Harmonischen durch gegenseitige Kompensation unterdrückt werden. Die Erfindung zeigt dagegen, daß eine Kompensation unzweckmäßig ist, weil sie wegen verschiedener Ursachen des Übersprechens amplitudenabhängig ist und auch von der Temperatur abhängt und durch Alterung von Schaltelementen verlorengeht.

In einem Überlagerungsempfänger für eine Trägerfrequenz, die mit einer einzigen Nachricht frequenzmoduliert ist, ist es bekannt, die Schwingungskreise

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so stark zu dämpfen, daß die Verzerrungen das zu- Die Elimination des Übersprechens durch die gelässige Maß nicht überschreiten. Bisher ist aber nicht nannte kritische Einstellung bleibt jedoch nicht konerkannt worden, daß diese Maßnahme im Zwischen- slant. Sie kann bei einer Amplitude des empfangenen frequenzteil eines Überlagerungsempfängers für mehr- Signals befriedigend, bei einer anderen Amplitude fach frequenzmodulierte Trägerschwingungen zur 5 jedoch unbefriedigend sein. Auf jeden Fall steigt der Vermeidung des Übersprechens mit Vorteil bei gleich- Betrag des Ubersprechens nach einiger Zeit über ■erzeitigem Verzicht auf jede Kompensation des Über- trägliche Grenzen an, während die Kennlinie des Sprechens im ganzen Empfänger angewendet werden Hauptkanals keine meßbare Änderung erfährt. Die kann. leichte Änderung in der Konstanz von Induktivitäten

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung nach- 10 und Kapazitäten der Abstimmkreise durch Alterung stehend näher erklärt. oder Temperaturschwankungen sind bereits aus-

Der Empfänger in Abb. 1 enthält zunächst einen reichend, die ursprüngliche Einstellung zu verderben. Hauptkanal mit einem HF-Verstärker 1, einer Misch- Ein derartiger Empfänger ist für die Praxis natür-

stufe 2, die mit einem Oszillator 3 verbunden ist, Hch unbefriedigend, da die ursprüngliche Übersprechsowie einen Zwischenfrequenzverstärker 4, 5, der eine 15 freiheit bald verschwinden wird und die für die Wie-Anzahl von Verstärkerröhren und Bandfiltern enthält derherstellung dieser Übersprechfreiheit notwendige und dem die Begrenzerstufe 6, 7 folgt. Dieser folgen Prüfeinrichtung so kompliziert und die Einstellung so wiederum ein Breitbandverstärkers und ein Diskri- fein ist, daß sie durch den Service nicht wieder herminator 9. Der Ausgang des Diskriminators ist in be- gestellt werden kann.

kannter Weise über den Entzerrer 10 und NF-Ver- 20 Die Beseitigung des Übersprechens in der Diskrimistärker 11 mit dem nicht gezeigten Lautsprecher ver- natorschaltung ist besonders schwierig, da die Beziebunden. Weiterhin ist der Ausgang des Diskrimina- hung zwischen den Frequenzen von Haupt- und Hilfstors 9 über ein Hochpaßfilter 12 mit einem Hilfskanal kanal den Hilfskanal sehr empfindlich gegen nichtverbunden. Dieser Kanal enthält die Verstärker 13, lineare Verzerrungen macht, die bei der Gleichrich-14, einen Bandpaß 15, eine Begrenzer- und Gleich- 25 lung in besagtem Diskriminator auftreten. Die Nichtrichterschaltung 16 bis 20, eine Mischröhre 21, den linearität der Diskriminatorschaltung bewirkt Oberüblichen Entzerrer 22, den Tiefpaß 23 und den NF- wellen der Modulation des Hauptkanals, die direkt Verstärker 24. im Frequenzbereich des Hilfskanals liegen. Dies rührt

In solchen Empfängern gibt es im Hauptkanal nicht von der Kreuzmodulation auf Grund der fehnach den Untersuchungen des Erfinders hauptsächlich 30 lenden Linearität der Phasenverschiebung her, sonzwei Stellen, wo die Verzerrungen so· beträchtlich dern von der fehlenden Linearität der Diskriminatorsind, daß sie zum Übersprechen führen können. Dies kurve mit einem zusätzlichen überlagerten Effekt, der sind einerseits die Abstimmkreise des ZF-Verstär- der Detektorverzerrung zugeschrieben wird. Das kers 4, 5 und andererseits der Diskriminator bzw. der Übersprechen ergibt sich, weil das Band des Hilfs-Demodulator 9. Beim ZF-Verstärker entsteht dieses 35 kanals im 20- bis 50-kHz-Bereich liegt und die zweite Problem, weil jedem Sender bei der Kanalverteilung und dritte Harmonische des Hauptkanals, die die praktisch nur eine Bandbreite von z. B. 200 kHz je größte Amplitude haben, direkt in diesen Bereich Kanal zugeteilt ist. Dabei steht die Forderung nach fallen. Daher ist es wesentlich, daß die Diskriminator-Aufrechterhaltung einer linearen Phasenverschiebung schaltung des Hauptkanals, die mit dem Hilfskanal über den Arbeitsbereich des Kanals (150 kHz und 40 verbunden ist, extrem niedrige Verzerrungen hat. Das mehr) im Gegensatz zur Forderung nach einer aus- bisher verwendete Verfahren zur Verringerung der reichenden Selektivität zur Unterdrückung der Über- Nichtlinearität eines symmetrischen Diskriminators tragung dicht benachbarter Kanäle. Wenn die Phasen- beruht auf der getrennten Einstellung der beiden verschiebung nicht linear zur Frequenzänderung über Zweige der Schaltung, damit Verzerrungen, die in den Arbeitsbereich erfolgt, prägen die Frequenzände- 45 einem dieser Zweige auftreten, durch die gleichen rungen der Modulation des Hauptkanals dem zweiten Verzerrungen des anderen Zweiges kompensiert wer-Kanal dieselben Frequenzänderungen auf, so· daß bei den und dabei eine Ausgangsspannung mit geringen Demodulation des zweiten Kanals Teile der Modula- nichtlinearen Verzerrungen erzeugen. Die Untertion des Hauptkanals wiedergegeben werden. suchungen des Erfinders haben ergeben, daß dieses

Bei Verwendung der üblichen Zweistufenverstär- 50 Verfahren zur Erzielung einer geringen Verzerrung kung mit einem Verstärkungsgrad von über 100 je der Ausgangsspannung das Übersprechen nicht elimi-Stufe des ZF-Verstärkers ist es möglich, die Abstim- niert, sondern daß das Übersprechen in den getrennmung der Transformatoren der beiden Stufen so ein- ten Zweigen des Diskriminators erzeugt wird. Diese zustellen, daß sich ihre jeweilige Phasenverzerrung sind aber nicht symmetrisch und können daher nicht kompensiert. Diese Einstellung ist sehr kritisch, da 55 kompensiert werden.

die Phasenverzerrungen zu klein sind, um eine meß- Das Übersprechen ist dabei eine Kombination von

bare Änderung im Verstärkungsbetrag hervorzurufen, Amplitudenmodulationsverzerrungen, die einerseits trotzdem aber ein wesentliches Übersprechen ver- von der fehlenden Linearität der Diskriminatorkurve Ursachen. Die Einstellung muß daher während einer und andererseits von der fehlenden Linearität des direkten Beobachtung des Übersprechens erfolgen. 60 Gleichrichtervorganges herrühren. Das Übersprechen Daher ist es zur Sicherung einer befriedigenden im Hilfskanal kann einerseits durch direkt eindrinlinearen Phasenverschiebung notwendig, die Einstel- gende Oberwellen des Hauptkanals und andererseits lung der zwei Verstärkerstufen so zu treffen, daß das durch Kreuzmodulation der Phase der Zwischen-Übersprechen einer Stufe gegen das der anderen Stufe trägerfrequenz infolge nichtlinearer Teile des Hilfsausgeglichen wird oder daß das in der Diskriminator- 65 kanals hervorgerufen werden. Daher ist an beiden schaltung auftretendeübersprechen neutralisiert wird. Stellen der Schaltung, an denen das Übersprechen er-Dies erfordert eine Einstellung während des Emp- zeugt wird (ZF-Verstärker und Diskriminator), eine fanges von Signalen eines Multiplex-Senders gerin- dauernde Elimination des Übersprechens durch Komger Verzerrung. Dieser Sender kann in bekannter pensation der Verzerrungen unmöglich. Ein für die Weise ausgeführt sein (USA.-Patent 2 630 497). 70 Praxis geeigneter Multiplex-Empfanger kann daher

nicht durch die beschriebene Kompensation hergestellt liehen Verstärkungswerte können kleine Impedanzwerden, werte der Kapazitäten und Induktivitäten verwendet Die Erfindung zeigt einen Weg, wie ein Multiplex- werden. Dies bewirkt eine erhöhte Stabilität der EinEmpfänger von jeglichem Übersprechen befreit wer- stellung und macht die ZF-Selektivitätscharakteristik den kann. Dies geschieht dadurch, daß der ZF-Ver- 5 von Röhrenwechsel, Temperaturschwankungen usw. stärker aus Schaltelementen zusammengesetzt wird, relativ unabhängig. Wenn die genannten Änderungen die jedes für sich innerhalb des Arbeitsbereiches eine über einen größeren Zeitraum konstant bleiben, so lineare Phasenkurve aufweisen und somit frei von können sie durch einfache Abstimmung der Bandfilter Phasenverzerrungen sind, die ein Übersprechen ver- auf maximale Verstärkung beseitigt und der frühere Ursachen könnten. Weiterhin wird ein symmetrischer io Arbeitspunkt derZF-Stufen wiederhergestellt werden. Diskriminator so ausgebildet, daß jeder Zweig für Der Diskriminator 9 des Empfängers ist symmesich eine so kleine Verzerrung hat, daß er kein Über- trisch und hat zwei Zweige, deren jeweilige Verzersprechen verursachen kann. Durch diese Dimensionie- rung durch entsprechende Dimensionierung sehr rung wird jedes Übersprechen vermieden, ohne dabei klein, ist. Die Anordnung eines Phasendiskriminators irgendwelche Verzerrungen eines Schaltelementes 15 dieser Art ist in Abb. 5 dargestellt. Dabei bilden die durch gleichartige Verzerrungen eines anderen Schalt- Schaltelemente 36, 37 und 38 den Primärkreis des elementes zu neutralisieren. Das Übersprechen wird Phasendiskriminators, der eine kleine Impedanz hat unhörbar, wenn sein Pegel unter dem Rauschpegel und durch den Widerstand 36 (z. B. 2500 Ohm) stark liegt. bedämpft ist. Dieser Primärkreis ist mit dem Sekun-Mit der im folgenden beschriebenen Anordnung 20 därkreis durch magnetische Kopplung zwischen den kann der Rauschpegel des Hilfskanals an der Grenze Spulen 38 und 42 sowie durch das Hochspannungsdes Senderbereiches auf einem Wert gehalten werden, ende mit der Sekundärseite über die Kondensatoren der besser als 60 db ist. Dieser Wert ist durch die 39, 40 verbunden. Die Sekundärseite ist durch die FCC (Federal Communication Comission) festgelegt Widerstände 43, 44 stark belastet, deren Gesamtworden und entspricht (9,15 m über der Erde) einer 25 widerstand angenähert gleich dem Widerstand 36 der Feldstärke von 1 mV/m. Das Signal-Geräuschverhält- Primärseite ist. 45 und 46 sind Gleichrichterdioden nis von 60 db ist das gleiche wie das von der FCC ge- und 47, 48 kleine Lastwiderstände, deren parallel geforderte Signal-Geräuschverhältnis, daß in den heuti- schaltete Kondensatoren eine für die Zwischenträgergen FM-Rundfunksendern für ein Signal vorhanden frequenz große Impedanz im Verhältnis zum Wert sein muß, das die Sendeantenne verläßt. Das bedeutet, 30 der Lastwiderstände des Gleichrichters haben. 51 stellt daß eine Einrichtung in Übereinstimmung mit der eine Drossel für die Vervollständigung des Gleichvorliegenden Erfindung an der Bereichsgrenze eines Stromweges der Gleichrichterschaltung dar und bildet gewöhnlichen Rundfunksenders auf seinen zweiten eine große Impedanz für die Zwischenfrequenz. Kanal das gleiche Signal-Geräuschverhältnis errei- Zur Vervollständigung der Beschreibung dieses chen wird, wie es für einen einzelnen Kanal angege- ₃₅ Empfängerteiles werden im folgenden Angaben über hen ist, wenn es von einer Sendestation ausgeht. Die die Dimensionierung der Schaltung gemacht, die den 1-mV-Linie liegt im allgemeinen 65 bis 95 km von Fachmann bei der Reproduzierung der gewünschten einem gewöhnlichen FM-Sender entfernt. Ergebnisse unterstützen sollen.

Der Zwischenfrequenzverstärker 4-5 des Empfän-- Dabei sind in Abb. 2 bei einer Zwischenfrequenz

gers besteht aus einer Anzahl von Verstärkerröhren, ₄₀ von'10,7 MHz die Werte der

die durch Bandfilter (selektive Transformatoren)- der Transformatorspulen 32, 33 L = 2,6 μΗ

in Abb. 2 gezeigten Type gekoppelt werden Dieser Kondensatoren 31, 34 C - 75 pF

Transformator hat eine solche Kennlinie_ (Abb 3), Parallelwiderstände 30,35 J? = 6,2 kß

daß das Übersprechen wegen der geringfügigen nichtlinearen Phasenverschiebung, verglichen mit dem 45 Der Kopplungsgrad zwischen den Transformator-Rauschpegel, ausreichend klein bleibt. Die dafür er- spulen soll so eingestellt werden, daß sich eine Kennforderliche Kennlinie ist jedoch so flach, daß die linie gemäß Abb. 3 ergibt. Für die erste Diskrimi-Selektivität gegenüber den benachbarten Kanälen un- natorschaltung gemäß Abb. 5 ist dann: zulänglich ist. Durch eine Erhöhung der Stufenzahl

des ZF-Verstärkers gemäß der Erfindung über das 50 Transformatorspule 38 L — 3,4 μΗ

übliche hinaus wird jedoch eine Gesamtkennlinie er- Kondensator 37 C = 65 pF

reicht, die sowohl die erforderliche Selektivität gegen- Widerstand 36 R = 2,5 kü

über den Nachbarkanälen als auch eine ausreichend Transformatorspule 42 L — 6 μΗ

kleine Abweichung von der linearen Phasenverschie- Kondensatoren 39, 40 C = 75 pF

bung ermöglicht und damit verhindert, daß das Über- 55 Trimmer 41 C = 10 pF

sprechen wahrnehmbare Werte annimmt. So wird bei Widerstände 43,44 R = 1200 Ω

Verwendung von fünf ZF-Stufen 4, 4a, 4i>, 4c und 5 Widerstände 47, 48 R = 10 kü

in Abb. 1 a, die durch Transformatoren nach Abb. 2 Kondensatoren 49, 50 C = 50 pF

gekoppelt sind, eine Gesamtkennlinie gemäß Abb. 4 Induktivität 51 L = 150 μΗ

erzielt. Die Unabhängigkeit dieser Kennlinie von 60

äußeren Einflüssen ist sehr wichtig und kann nur Mit diesen. Werten und bei richtiger Einstellung

durch Verhinderung einer Rückkopplungsverstärkung der magnetischen Kopplung zwischen den Induktivierzielt werden, die ein oder das andere Ende des täten 38 und 42 wird eine Kennlinie gemäß Abb. 6 flachen Kennlinienteiles verzerren würde. Daher müs- erzielt, wobei die jeweiligen Verzerrungen in den sen Transformatoren kleiner Impedanz bei kleiner 65 beiden symmetrischen Gleichrichterkreisen kleiner Stufenverstärkung verwendet werden, wie es im fol- als 0,5% sind. Es kann jedoch ein Wert bis zu 0,25% genden erläutert werden soll. Die normale Stufen- erreicht werden. Unter diesen Bedingungen kann eine verstärkung wird von einem Wert von 100 je Stufe befriedigende Freiheit vom Übersprechen bzw. von bei Simplex-Betrieb auf 5 bis 10 je Stufe bei Multi- Auswirkungen der Kreuzmodulation des Hauptkanals plex-Betrieb verringert. Infolge der kleinen erforder- 70 auf den Hilfskanal mit einer Anordnung erzielt wer-

den, die in Abb. 1 durch die Filter- und Gleichrichteranordnung 12 bis 24 dargestellt ist.

Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß die Lösung der Aufgabe zur Beseitigung des Übersprechens in der Elimination der das Übersprechen erzeugenden nichtlinearen Verzerrungen, insbesondere an der jeweiligen Quelle, nämlich an jedem einzelnen Teil der Schaltung, welche zum Übersprechen beitragen kann, liegt. Dadurch wird die komplizierte Kompensation der nichtlinearen Verzerrungen, die das Übersprechen erzeugen, unnötig und eine stabile Anordnung möglich.

Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf den beschriebenen Zwei-Kanal-Betrieb, sondern kann sinngemäß auf jeden gewünschten Mehrkanalbetrieb angewendet werden, dessen Verwendung durch den ■verfügbaren Frequenzbereich gestattet wird.

Claims (6)

PatentAnsprüche:

1. Überlagerungsempfänger mit verzerrungsarmem Diskriminator für den Empfang eines Hauptträgers, der mit einer Nachricht direkt frequenzmoduliert ist und ferner mit einem oder mehreren Zwischenträgern frequenzmoduliert ist, die ihrerseits je mit einer Nachricht moduliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß der vor dem ersten Diskriminator (9) liegende Zwischenfrequenzteil (4, 5) so stark gedämpfte Schwingungskreise mit kleiner Induktivität und großer Kapazität enthält, daß die Phasenkurve eines jeden Schwingungskreises im Zwischenfrequenzband praktisch linear verläuft und deshalb auch ohne Anwendung einer Kompensation der Verzerrungen kein Übersprechen hervorruft, daß die durch die starke Dämpfung verursachte Abnahme der Verstärkung und Trennschärfe durch eine entsprechend höhere Zahl vonZwisohenfrequenzstufen

ausgeglichen ist und daß die beiden Zweige des Diskriminators — jeder für sich — so bemessen sind, daß sie auch ohne gegenseitige Kompensation der Verzerrungen kein Übersprechen verursachen.

2. Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung je Zwischenfrequenzstufe nur etwa 5 bis 10 beträgt.

3. Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß etwa fünf Zwischenfrequenzstufen vorhanden sind.

4. Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Zwischenfrequenz von 10,7 MHz die parallel zu den Schwingungskreisen geschalteten Widerstände (30, 35) etwa 6 kß betragen.

5. Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hälften des Sekundärzwischenfrequenzkreises des ersten Diskriminators für sich je durch einen so bemessenen Widerstand (43, 44, von z.B. 1,2 kß) bedämpft sind, daß die Summe der beiden gleich großen Widerstandswerte etwa gleich dem Widerstandswert des Dämpfungswiderstandes (36, von z. B. 2,5 kß) des Primärkreises ist, und daß die Belastungswiderstände (47, 48) der beiden Dioden des Diskriminators relativ klein bemessen sind (z.B. 10 kß).

6. Empfänger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Primär- und Sekundärkreis des Diskriminators durch kleinere Widerstände als die übrigen Schwingungskreise bedämpft sind (z. B. 2,5 kß gegenüber 6,2 kß).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 868 624, 864705, 419;
USA.-Patentschrift Nr. 2 630 497.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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