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Verfahren zur Verschleierung von Nachrichtensignalen Es existieren
zwei grundsätzlich voneinander verschiedene Gruppen von Verfahren zur Verschleierung
von Nachrichtensignalen. Bei den Verfahren der ersten Gruppe wird das zu übertragende
Signal sendeseitig in zeitlich aufeinanderfolgende oder frequenzmäßig benachbarte
Elemente aufgeteilt, die dann in einer von der ursprünglichen Ordnung abweichenden
Reihenfolge an den Empfänger übermittelt und dort wieder geordnet werden. Diese
Verfahren ergeben trotz verhältnismäßig großem technischem Aufwand nur eine beschränkte
Sicherheit gegen unbefugtes Abhören, und zwar bei Sprachsignalen unter anderem deshalb,
weil die für solche Signale charakteristischen Amplitudenschwankungen erhalten bleiben.
Bei den Verfahren der zweiten Gruppe wird sendeseitig dem zu übertragenden Signal
ein Zusatzsignal beigefügt, welches den zeitlichen Verlauf des Nachrichtensignals
verdecken und damit unkenntlich machen soll. Empfangsseitig wird dann das Zusatzsignal
wieder subtrahiert. Das Zusatzsignal wird sende- und empfangsseitig aus je einer
Signalquelle gewonnen, die miteinander synchron laufen, oder es wird das sendeseitig
erzeugte Zusatzsignal, gegebenenfalls nach Verschleierung, über einen besonderen
Kanal an den Empfänger übermittelt. Es kann auch sendeseitig ein verhältnismäßig
einfach verlaufendes Hilfssignal erzeugt und an den Empfänger übermittelt werden,
wobei sende- und empfangsseitig durch identische Mittel das kompliziertere Zusatzsignal
hergestellt wird. Auch die Verschleierungsverfahren der zweiten Gruppe bieten keine
vollkommene Sicherheit gegen unbefugte Entschleierung, und zwar kann es insbesondere
durch Anwendung von Methoden der Statistik gelingen, das Nachrichtensignal zu rekonstruieren,
allerdings oft nur mit großem Zeitaufwand.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der zweiten Gruppe und
bezweckt, die Sicherheit gegen unbefugtes Entschleiern zu erhöhen. Es soll insbesondere
das an den Empfänger übermittelte Signal auch einer Untersuchung mit statistischen
Methoden standhalten.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verschleierung des Nachrichtensignals
einer amplitudenmodulierten Impulsreihe durch senderseitige Addition und empfängerseitige
Subtraktion eines Zusatzsignals zum bzw. vom Nachrichtensignal durchläuft die mit
dem Summensignal modulierte Impulsreihe senderseitig eine Schaltungsanordnung, deren
an sich lineare übertragungskennlinie durch in Abhängigkeit von den Amplituden der
Impulse erfolgende Zuschaltung konstanter Größen derart in eine sägezahnförmige
umgewandelt ist, daß im Bereich der auftretenden Amplitudenwerte mindestens zwei
zwischen konstanten Extremwerten linear ansteigende Äste auftreten. Empfängerseitig
werden entsprechende Mittel zur Wiedergewinnung des Nachrichtensignals angewendet.
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Das Verfahren wird an Hand eines Beispiels und der Fig. 1 bis 5 näher
erläutert.
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Die Fig. 1 zeigt in Zeile a eine Folge von Impulsen (dick gezeichnet),
deren Höhe x dem zeitlichen Verlauf des Nachrichtensignals a folgt (sinusförnüge
dünne Linie). In Zeile b ist das Zusatzsignal dargestellt, das ebenfalls aus einer
Folge von Impulsen besteht. Die einzelnen Impulse treffen zeitlich mit den Impulsen
der Zeilea zusammen, und ihre Höhew verändert sich von Impuls zu Impuls nach irgendeiner
möglichst unregelmäßig verlaufenden Funktion. Die Zeile c zeigt (dick gezeichnet)
das Summensignal, das aus Impulsen besteht, deren Höhe y=x+w entsprechend dem aus
Nachrichtensignal (Zeile a) und Zusatzsignal (Zeile b) gebildeten Summensignal moduliert
ist.
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Während nun die Höhen w der aus dem Zusatzsignal gebildeten Impulse
(Zeile b) möglichst gleichmäßig über den gesamten möglichen Bereich (Null bis wmar)
verteilt sein sollen, trifft dies für die Höhen x der aus dem Nachrichtensignal
gebildeten Impulse (Zeile a) im allgemeinen nicht zu. Handelt es sich z. B. um ein
Gesprächssignal, so gruppieren
sich die Höhen x bevorzugt um einen
mittleren Wert, und zwar wegen der Gesprächspausen und Silbenzwischenräume sowie
wegen der mit geringerer Lautstärke gesprochenen Partien. Ganz große und ganz kleine
Höhen x kommen also nur verhältnismäßig selten vor. Die Höhen y der Impulse des
Summensignals (Zeile c) liegen demnach ebenfalls bevorzugt um einen mittleren Wert
K; ganz große Höhen (annähernd 2K) und ganz kleine Höhen (annähernd Null) kommen
also nur verhältnismäßig selten vor. Auf Grund dieser Eigenschaften des Summensignals
lassen sich unter anderem Gesprächspausen leicht nachweisen; eine solche liegt jeweils
dann vor, wenn Impulshöhen außerhalb des Bereiches zwischen xmittel und (xnittet+Wmax)
überhaupt nicht auftreten. Auch verhältnismäßig langsam ablaufende Veränderungen
des Gesprächssignals, d. h. Schwingungen von verhältnismäßig niedriger Frequenz
bleiben trotz der Verschleierung erkennbar.
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Mit der Erfindung wird nun bezweckt, einen Ausgleich unter den vorkommenden
Impulshöhen zu schaffen, indem - qualitativ ausgedrückt - die größten Impulshöhen
in kleine verwandelt werden, so daß sie in einen vorher ebenfalls nur verhältnismäßig
schwach belegten Bereich zu liegen kommen. Demgemäß wird ein Impuls, dessen Höhe
y = x + w den konstanten Wert K überschreitet (Fig. 1 c), durch Subtraktion dieses
Wertes auf die Höhe z = Y - K reduziert. Impulse, deren Höhe y den Wert K nicht
erreichen, werden dagegen unbeeinfiußt gelassen; für solche Impulse ist also z =
y. Die Fig. 1 d zeigt die Folge der Impulse nach dieser Umwandlung; diese Folge
wird an den Empfängen übermittelt.
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Die Fig. 2 erläutert die eben genannte Umwandlung noch deutlicher.
Aus jedem Gesprächsimpuls mit der Höhe x und dem gleichzeitig auftretenden Zusatzimpuls
mit der Höhe w wird der Summenimpuls mit der Höhe y gebildet. Überschreitet y den
konstanten Wert K (Fig. 2b), so weist der Ausgangsimpuls die Höhe z2 = y2 - K auf;
ist dagegen y kleiner als K (Fig. 2 a), so bleibt z1 = Y1.
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Die beschriebene Umwandlung erfolgt dadurch, daß die dem Summensignal
entsprechende Impulsfolge (Fig. 1 c) einer Schaltungsanordnung zugeführt wird, deren
Kennlinie gemäß Fig. 3 a eine sägezahnförmige Gestalt aufweist. Diese Kennlinie
drückt den Zusammenhang zwischen der Größe y = (x + w) des Summensignals und der
Höhe z der Ausgangsimpulse aus; die in die Figur eingetragenen Größen lassen die
Wirkung der Schaltungsanordnung ohne weiteres erkennen. Es kann auch gemäß Fig.
5 a eine Kennlinie zur Anwendung kommen, die mehrere Perioden von der Ausdehnung
K umfaßt. Demgemäß ist, allgemein ausgedrückt, die Höhe eines Ausgangsimpulses z
= y - n - K, wenn die Höhe des zugehörigen Eingangsimpulses zwischen n - K und (n+
1) - K liegt. Die Zahl n bezeichnet dabei also die Anzahl der Perioden mit der Höhe
K, die von der Höhe y überschritten wird. Entsprechende Mittel zur Wiedergewinnung
des Nachrichtensignals werden empfängerseitig gemäß Fig. 3 b bzw. 5 b verwendet.
Beispiele für Anordnungen zur Realisierung solcher Kennlinien werden weiter unten
an Hand der Fig. 10 bis 15 gegeben.
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Zweckmäßig wird K ein wenig größer (auf jeden Fall nicht kleiner)
als x"="" gewählt, und w"", soll möglichst mit (N - 1) - K übereinstimmen,
wenn N
die Anzahl der benutzbaren Perioden der sägezahnförmigen Kennlinie
bedeutet. Auf diese Weise wird die angestrebte zufällige Verteilung der Impulshöhen
über den gesamten beanspruchten Bereich in der an den Empfänger übermittelten Impulsfolge
bestmöglich erreicht. Dies geht aus folgenden Zusammenhängen hervor, wobei gemäß
Fig. 4 a und 4 b K = x,"", und wraax = K gewählt ist: Da die Höhen
w der aus dem Zusatzsignal gebildeten Impulse voraussetzungsgemäß gleichmäßig über
den gesamten möglichen Bereich (Null bis K) verteilt sind (Feld A in Fig. 4 a),
ist die Wahrscheinlichkeit dafür, daß eine Impulshöhe in dem Bereich zwischen w
und (w + A w) liegt, unabhängig von w gleich
Bei Abwesenheit der Nachrichtenimpulse, d. h. wenn x = 0, besteht ein linearer Zusammenhang
zwischen z und w (erste Periode K der sägezahnförmigen Kennlinie); es sind dann
also auch die Höhen z der Ausgangsimpulse ebenfalls zufällig über den gesamten möglichen
Bereich zwischen Null und z.", verteilt (Feld B in Fig. 4 a). Werden nun zum Zusatzsignal
Nachrichtenimpulse mit der Höhe x addiert, so werden die Höhen y der Impulse des
Summensignals im Bereich zwischen x und (K+x) zufällig verteilt sein (FeldC in Fig.
4b). Diese Verteilung wird durch die sägezahnförmige Kennlinie aber wiederum in
eine zufällige Verteilung der Höhen z im Bereich zwischen Null und zm" umgeformt
(Feld D in Fig. 4b); aus der Fig. 4 b geht deutlich hervor, daß der Teil D1 demjenigen
Teil des Feldes C entspricht, der zwischen x und K liegt, der Teil D2 demjenigen
Teil des Feldes C, der zwischen K und (K + x) liegt. Es läßt sich also bei Beobachtung
des Ausgangssignals (Folge von Impulsen mit den Höhen z) nicht mehr feststellen,
ob ein Nachrichtensignal überhaupt vorhanden ist und welche Größe es gegebenenfalls
aufweist. Die Verschleierung ist also unter den zugrunde gelegten Voraussetzungen
vollkommen.
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Die vorausgesetzte gleichmäßige Verteilung der Impulshöhen w des Zusatzsignals
wird sich praktisch nicht vollkommen erzielen lassen. In vielen Fällen werden beispielsweise
Impulse, deren Höhe nahe K liegt, mit geringerer Wahrscheinlichkeit auftreten als
Impulse mit kleineren Höhen. Die Wahrscheinlichkeit wird also nahe bei K mehr oder
weniger steil vom angestrebten konstanten Wert auf Null abfallen. In solchen Fällen
ergeben sich optimale Verhältnisse dann, wenn dieser Abfall symmetrisch zum Wert
K gelegt wird.
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Ein Ausbleiben des Gesprächssignals kann in gewissen Fällen ermöglichen,
daß durch Vergleich der an den Empfänger übermittelten Impulsfolge mit dem auf besonderem
Kanal ebenfalls an den Empfänger übermittelten Zusatzsignal der Verlauf dieses Zusatz-;
signals ermittelt werden kann. Um diese Emittlung zu verhindern, welche die unbefugte
Entschleierung von Nachrichtensignalen erleichtert, kann dem Nachrichtensignal a
ein ununterbrochenes Decksignal überlagert werden, das z. B. aus einem Rauschsignal
> gewonnen wird. Wenn sich dieses Decksignal in einem außerhalb des Nutzfrequenzbandes
liegenden Frequenzbereich befindet, kann es empfangsseitig leicht durch Filterung
beseitigt werden. Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren zur weiteren
Erhöhung der Sicherheit der Geheimhaltung mit anderen, an sich bekannten Verfahren
zur Veränderung des Nachrichtensignals kombiniert werden.
Schaltungsanordnungen,
die zur Durchführung des beschriebenen Verschleierungsverfahrens verwendbar sind,
sind an sich wohlbekannt. Es genügt daher, im folgenden Beispiele für sende- und
empfangsseitige Einrichtungen an Hand von Blockschaltbildern (Fig. 6 bis 15) zu
beschreiben.
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Die Fig.6 zeigt übersichtlich die wesentlichen Teile einer Nachrichtenübertragungsanlage,
welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet. Der Impulsmodulator PM erzeugt
entsprechend dem zu übertragenden Nachrichtensignal a eine Folge von Impulsen mit
modulierter Höhex. Ein Impulserzeuger PG liefert das Zusatzsignal, das aus
Impulsen mit der Höhe w besteht, die jeweils gleichzeitig mit den Impulsen
x auftreten. Im Modulator ZM wird das Summensignal mit der Höhe y = x -f-
w erzeugt und daraus mit Hilfe einer Anordnung mit sägezahnartiger Kennlinie das
Ausgangssignal z = y -- nK, das über den Sender TR an den Empfänger RE übermittelt
wird. Aus dem dort wiedergewonnenen Ausgangssignal (Impulse mit der Höhe z) und
dem Zusatzsignal (Impulse mit der Höhe w) wird durch den Demodulator ZD wieder eine
Folge von Impulsen rekonstruiert, deren veränderliche Höhe x das Nachrichtensignal
a wiedergibt; das Nachrichtensignal a wird hieraus durch den Impulsdemodulator PD
ererzeugt. Maßnahmen, die zum empfangsseitigen Erzeugen eines Zusatzsignals dienen,
welches dem sendeseitig verwendeten Zusatzsignal entspricht, sind nicht Gegenstand
der Erfindung; solche Maßnahmen sind, wie in der Einleitung ausgeführt wurde, bekannt.
Es wird hier also vorausgesetzt, daß das empfangsseitig durch PG erzeugte Signal
aus Impulsen besteht, die zu gleicher Zeit und mit gleicher Höhe w wie diejenigen
der Sendeseite auftreten.
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Eine andere Variante zeigt Fig. 7. Hier weist außer dem Nachrichtensignal
a auch das aus der Quelle PG stammende Zusatzsignal b zunächst einen stetigen
Verlauf auf; es kann sich beispielsweise um eine Rauschspannung handeln.
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Im ModulatorZM wird das Summensignal y=a-@b gebildet, und daraus das
Signal z = y-n - K gewonnen. Aus diesem Signal wird durch die Torschaltung
TS die an den Empfänger zu übermittelnde Impulsfolge erzeugt. Empfangsseitig wird
durch die Torschaltung TD das im Demodulator ZD aus dem empfangenen impulsförmig
verlaufenden Signal und dem stetig verlaufenden Zusatzsignal b gebildete Differenzsignal
in eine Impulsfolge umgewandelt, die entsprechend dem Nachrichtensignal a moduliert
ist; dieses selbst wird durch den Impulsmodulator PD rekonstruiert. Das Ausführungsbeispiel
nach Fig.7 ist besonders geeignet zum nachträglichen Anfügen einer Verschleierungseinrichtung
an eine bestehende, mit Impulsmodulation arbeitende Nachrichtenübertragungsanlage.
Das Signal w kann sendeseitig der Anlage zugeführt und somit das Signal z erzeugt
werden, ohne daß an dieser eine Veränderung vorzunehmen wäre, denn sie enthält in
irgendeiner Form schon die Teile TS und TR.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei Anlagen zur Mehrkanalübertragung
nach dem Zeit-Multiplex-System zur Verschleierung mindestens eines Kanals verwendet
werden, wie dies als Beispiel in Fig. 8 gezeigt ist. Auf der Senderseite werden
im Kanal-Modulator KM beispielsweise vier zeitlich verschachtelte, mit je
einem Nachrichtensignal a modulierte Impulsfolgen gebildet. Die Impulse des dritten
Kanals werden dabei zur Verschleierung über den Modulator ZM geleitet. Dessen Ausgangsimpulse
z werden sodann zusammen mit den Impulsen der übrigen Nachrichtenkanäle dem Kanalsammler
KS zugeleitet, an dessen Ausgang also eine Folge von Impulsen auftritt, welche zeitlich
abwechselnd den verschiedenen Nachrichtenkanälen zugeordnet sind. Diese Impulse
werden durch den Sender TR an den Empfänger RE übermittelt. im Xänalverteiler KV
werden die Empfangsimpulse wieder auf die zugeordneten Kanalleitungen verteilt.
Aus den Impulsen des dritten Kanals wird darauf durch ZD wieder die unverschleierte
Impulsfolge gewonnen. Im Kanalmodulator KD werden schließlich die den Kanalimpulsfolgen
zugeordneten ursprünglichen Nachrichtensignale a wiedergewonnen.
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Es können auch, wie in Fig. 9 gezeigt, alle Kanäle einer Zeit-Multiplex-übertragungsanlage
gemeinsam verschleiert werden, indem die am Ausgang des Kanalsammlers KS auftretende
Impulsfolge über den Modulator ZM geleitet wird, so daß eine Folge von verschleierten
Impulsen entsteht, welche zeitlich abwechselnd den verschiedenen Nachrichtensignalen
a entsprechen. In diesem Falle wird die empfangene Impulsfolge zuerst über ZD geleitet,
so daß zunächst wieder das unverschleierte Multiplex-Signal entsteht, aus welchem
dann durch den Kanalverteiler KV und Demodulator KD die den einzelnen Kanälen
zugeordneten Impulse herausgegriffen bzw. zum Nachrichtensignal a demoduliert werden.
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Die Fig.10 zeigt als Beispiel den Aufbau des Modulators ZM. In der
Addierstufe AD, werden zunächst die Impulse mit den Höhen x der vom Kanalsammler
ankommenden Folge zu den Impulsen mit der Höhe w des Zusatzsignals addiert; die
Höhe y der Ausgangsimpulse dieser Stufe ist also gleich x -k- w. Eine weitere Addierstufe
AD2 bildet die- Differenzspannung aus y und einer sprungweise veränderlichen Hilfsspannung
h,. Diese Hilfsspannung wird in Abhängigkeit von.y durch den Stufenzusatz SZ erzeugt,
dessen Charakteristik in Fig. 11 gezeigt ist. Die resultierende Ausgangsspannung
z ist somit nach der in Fig. 3 a oder Fig. 5 gezeigten Charakteristik von den Momentanwerten
x und w der Eingangsspannungen abhängig. Der Stufenzusatz SZ kann beispielsweise
aus einem Verstärker mit Begrenzer derart aufgebaut sein, daß die Ausgangsspannung
bei überschreitung eines bestimmten Grenzwertes der Eingangsspannung sich sprungweise
um den Wert K erhöht. Zur Erzielung einer Charakteristik mit mehreren Perioden können
weitere derartige Schaltungsanordnungen SZ,= mit entsprechend verschiedenen Ansprechspannungen
dazugeschaltet werden, wie dies in Fig. 10 gestrichelt angedeutet ist.
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An Stelle der in Fig. 10 dargestellten Anordnung kann der Modulator
ZM gemäß Fig. 12 auch eine einzige Addierstufe AD aufweisen, der gleichzeitig
die Eingangs- und Zusatzimpnlsfolge mit den Höhen x bzw. w sowie ein sprungweise
veränderliches Signal hl zugeführt wird. Dieses letztere Signal wird im Kippzusatz
KZ erzeugt, der durch das Ausgangssignal von AD gesteuert ist. KZ kippt von
einer ersten Lage in eine von dieser um K verschiedene zweite Lage, sobald die zugeführte
Größe z den Grenzwert K überschreitet. Es behält diese zweite Lage bei und kippt
erst zurück zur ersten Lage, sobald z den Wert Null (z. B. 0) unterschreitet: Die
den beiden Lagen zugeordneten Signale l1 wechseln also zwischen dem
Wert
K und dem Wert Null, so daß die resultierende Ausgangsgröße z des Modulators der
in Fig. 3 gezeigten Charakteristik entspricht.
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Bei der in Fig. 13 gezeigten Einrichtung ist ebenfalls eine gemeinsame
Addierstufe AD2. zur Bildung der Summe z aus den Höhen x und w sowie aus dem sprungweise
veränderlichen Signal h2 vorgesehen. Das Signal h., wird von einem Stufenzusatz
SZ entnommen, der dem in Fig. 10 erläuterten Beispiel entspricht. Zur Steuerung
dieses Stufenzusatzes dient die aus der Addierstufe AD, entnommene, aus x
und w gebildete Summenspannung y.
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Bei der als weiteres Beispiel in Fig. 1 gezeigten Einrichtung sind
zwei Impulsmodulatoren PMi bzw. PMz vorgesehen, deren Ausgangsimpulse entsprechend
der in AD gewonnenen Summenspannung y derart moduliert sind, daß die modulierten
Höhen stets um den konstanten Wert K voneinander verschieden sind. Die Torschaltungen
USi bzw. US2 werden durch ein Hilfssignal ho derart gesteuert, daß jeweils nur die
Ausgangsimpulse des einen Impulsmodulators weitergeleitet werden. Das durch den
Stufenzusatz SZ erzeugte Hilfssignal ho wechselt entsprechend dem Verlauf von y
zwischen zwei konstanten Werten. Die Höhe z der Ausgangsimpulse ist also nach der
in Fig. 3 a gezeigten Charakteristik von x und w abhängig.
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Zur empfangsseitigen Demodulation können gemäß Fig15 auch zwei getrennte
Impulsdemodulatoren PDl und PD2 vorgesehen werden, deren Ausgangsimpulse stets um
den konstanten Betrag K voneinander verschieden sind. In ADi und AD2 werden aus
diesen Signalen und dem Zusatzsignal zwei Differenzsignale gebildet, von denen jeweils
nur das eine über die Torschaltung US, bzw. US, weitergeleitet wird. Diese
Torschaltungen werden durch ein Hilfssignal ho gesteuert, das aus den genannten
Differenzsignalen mit Hilfe des Stufenzusatzes SZ gewonnen wird. Die so gebildeten
Ausgangssignale x sind somit nach der in Fig. 3 b gezeigten Charakteristisk von
z und w abhängig.
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Wenn der Abfall bei der mehrfach erwähnten sägezahnförmigen Kennlinie
nicht ideal »senkrecht« verläuft, können empfangsseitig gewisse Störsignale auftreten.
Diese können dadurch unterdrückt werden, daß sendeseitig das Summensignal quantisiert
wird, bevor es der Schaltungsanordnung nüt sägezahnförmiger Kennlinie zugeführt
wird. Die Feinheit der Quantisierung muß unter Berücksichtigung der Steilheit des
erwähnten Abfalles so gewählt werden, daß beispielsweise für jeden Impuls y (Fig.
1 c und 2) eindeutig entschieden werden kann, ob seine Höhe größer oder kleiner
als K ist. Bei gewissen Formen von Nachrichtensignalen, wenn dieses z. B. nur verhältnismäßig
wenige voneinander verschiedene Werte annehmen kann (z. B. Telegraphiesignale) genügt
es, eine verhältnismäßig grobe Quantisierung des Zusatzsignals anzuwenden.