DE1524876A1

DE1524876A1 - Verfahren und Einrichtung zur Kompensierung von Verzerrungen von Signalen

Info

Publication number: DE1524876A1
Application number: DE19671524876
Authority: DE
Inventors: Donald Wortzman
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1966-11-07
Filing date: 1967-11-03
Publication date: 1970-10-22
Also published as: US3499124A; FR1542888A; GB1204527A

Description

Amtl. Aktenzeichen:

Aktenz. der Anmelder in:

Neuanmeldung Docket 15 271

Verfahren und Einrichtung zur Kompensierung von Verzerrungen von Signalen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensierung von Verzerrungen von Signalen, die in einem Aufnahme- und Wiedergabegerät frequenzmoduliert aufgezeichnet werden, unter Verwendung eines Ubertragungskanals.

Bei der graphischen Aufzeichnung eines Elektrokardiagramms (EKG) zur Herzdiagnose, ist es manchmal wünschenswert, gleichzeitig auch eine magnetische Bandaufzeichnung der Herzströme herzustellen. Eine solche BandaufzeiQhnunsg dient nicht nur zur Speicherung der Aufnahme des Herzzustandes, sondern liefert auch direkte und sofort verfügbare Steuersignale für einen zentralen Computer, der zur schnellen Analyse der Signale und Erstellung der Diagnose programmiert ist. Um solche Magnetbandaufzeichnungen überall und ohne kostspielige Aufzeichnungsgeräte durchführen zu können, ist es wünschenswert, gewöhnliche Magnetbandgeräte oder Diktiergeräte als Aufnahme- und Wiedergabeeinrichtung zu ver-

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wenden. Die handelsüblichen Ausführungen von Magnetbandgeräten sind jedoch Schwankungen der Bandgeschwindigkeit unterworfen, die durch äußere und innere SpannungsSchwankungen hervorgerufen werden. Die Folge davon ist eine Aufzeichnung, die als "Jaulen und Flattern" bekannte Schwankungen der wahren Aufzeichnung enthält. Diese Störungen sind bei der gewöhnlichen Sprachwiedergabe ohne nachteilige Folgen. Wenn jedoch solche Störungen auf einem EKG-Streifen aufgezeichnet werden, wird die Aufzeichnung für den Arzt, Diagnostiker oder den Computer verwirrend, da gewöhnlich irrtümliche Teile der Aufzeichnung nicht vom wahren Bild unterschieden werden können.

Bekannte Anordnungen zur Kompensierung dieses Fehlers verwenden eine separate Spur auf dem Aufzeichnungsträger, auf der eine frequenzmodulierte Nullspannung aufgezeichnet wird. Durch die Frequenzmodulation wird jeder Frequenz innerhalb eines bestimmten Bereichs eine entsprechende Spannung zugeordnet, so daß ein Wechsel der Frequenz einer Änderung der Spannung proportional ist. Da bei den W bekannten Anordnungen die separate Kompensationsspur kein Signal mit sich führt, ist bei der Wiedergabe jedes Auftreten des Signals eine Folge von Störungen wie des Jaulens und Flatterns. Wenn daher ein solches Signal vom, Signal auf der separaten Informations spur abgezogen wird, wird die Störung eliminiert. Dies trifft jedoch nur dann zu, wenn die Störung skomponenten auf beiden Spuren dieselben sind. Darüberhinaus zeigt es sich, daß die als Jaulen und Flattern bekannten Störungen nicht nur der Änderung der Bandgeschwindigkeit sondern auch der Trägerfrequenz proportional sind. Wenn daher die Trägerfrequenz bei einem mittleren

0(^843/137 0 „„...,.. .

Wert wie 2 kHz liegt, kann das Kompensationssignal exakt sein. Befindet sich jedoch die Trägerfrequenz auf einem höheren Wert, z. B. 2, 8 kHz, so ist die Störung um 40 % größer, und daher ist das Kompensationssignal zu klein, um alle Störungen zu beseitigen. Dasselbe gilt, wenn sich die Trägerfrequenz auf einem tieferen Wert, z. B. 1,2 kHz befindet. Die volle Kompensation ist also nur beim Mittelwert der Trägerfrequenz gewährleistet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kompensationsverfahren anzugeben, das diese Nachteile vermeidet. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß aufnahmeseitig das aufzuzeichnende Signal mit einem außerhalb des Signalfrequenzbandes gelegenen Uberwachungston moduliert, und das modulierte Signal unter Frequenzmodulation aufgezeichnet wird, und daß wiedrrgabeseitig das frequenzmodulierte Signal demoduliert wird, der Uberwachungston aus dein demodulierten Signal ausgefiltert und frequenzmoduliert wird, die Ausgangsspannung des Tondemodulators mit einem zum Verhältnis der momentanen Signalträgerfrequenz zum Mittelwert der Signalträgerfrequenz proportionalen Wert multipliziert wird und der so erhaltene Spannungswert vom demodulierten Informations signal subtrahiert wird. Diese Art der Konipensation soll als proportionale Kompensation bezeichnet werden.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung unter Verwendung eines Magnetband-Auf nähme- und Wiedergabegerätes, insbesondere zur Kompensierung von Verzerrungen, die von der Bandgeschwin-

0098^3/1370 BAD ORKaiNAL

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digkeit abhängig sind, wird gebildet durch einen Empfänger mit einem Modulator zur Demodulation des frequenzmodulierten Signals, einem Bandfilter zur Aussiebung des Uberwachungstones aus dem demodulierten Signal, einem weiteren Modulator zur Demodulation des Uberwachungstones, ein Multiplizierglied, durch das der Wert der Tondemodulations spannung mit einem zum Verhältnis der momentanen Signalträgerfrequenz zum Mittelwert der Signalträgerfrequenz ^ proportionalen Wert multipliziert wird und einem Addierglied, durch das die !Compensations spannung von der demodulierten Signal spannung subtrahiert wird.

Erfindungsgemäß wird eine weitere Verbesserung der Kompensation dadurch erreicht, daß zur Aufnahme der Signal eine der Empfängerschaltung entsprechende Schaltung dem Frequenzmodulator nachgeschaltet ist, wobei anstelle des Uberwachungstonfilters der Überwachungstongenerator tritt, und der Schaltungsausgang an den Eingang der SignalverStärkung rückgekoppelt ist.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann in vorteilhafter Weise zur Unterscheidung verschiedener Signalarten wie analoger und digitaler Signale herangezogen werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß verschiedene überwachung «töne vorgesehen sind, mit denen die einzelnen Signalarten jeweils moduliert werden. Derart gekennzeichnete Signalarten können sodann leicht optisch, akustisch oder durch einen Computer unterschieden werden. Zur Sichtbarmachung von Störungen, die nicht eliminiert werden können, wie Unterbrechungen, ist es vorteilhaft, sowohl für die demodulierte Signalfrequenz als auch für den demodulierten über-

η ν mot, 009843/1370

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lagerungston Einrichtungen zur vergleichbaren graphischen Aufzeichnung vorzusehen.

Die Erfindung wird anhand eines durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiels in Form einer Aufnahme- und Wiedergabeeinrichtung für Elektrokardiagramme beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 EKG-Auf zeichnungen ohne und mit Kompensation,

Fig. 2 zwei Aufzeichnungsspuren, von denen eine einem EKG und die

andere dem Überwachung ston entspricht, die beide von Bandfehlern herrührende Spitzen enthalten,

Fig. 3 eine Reihe von normalen und abnormalen EKG-Diagrammen und

deren Bandaufzeichnungen ohne und mit proportionaler Kompensation,

Fig. 4 ein vereinfachtes Blockdiagramm, für eine frequenzmodulierte

Aufzeichnungseinrichtung unter Verwendung eines Überwachungstones und eines einzigen Kanals,

Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Wiedergabeeinrichtung zur Steuerung

der Aufnahme nach Fig. 4 und zur Korrektur der Wiedergabe,

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Fig. 6 im Blockschaltbild eine Einrichtung zur EKG-Aufnahme mittels

eines Magnetbandgerätes mit Einrichtungen zur proportionalen Kompensation,

Fig. 7 einen Multiplikationsschaltkreis zur Erzeugung der proportio

nalen Kompensation,

Fig. 8 im Blockschaltbild die durch eine Magnetbandaufzeichnung ge

steuerte Wiedergabeeinrichtung mit proportionaler Kompensation und

Fig. 9 Diagramme von Signal- und Überwachungstonschwankungen,

der von diesen Schwankungen beeinflußten Trägerfrequenzen und der von den Trägerfrequenzen gesteuerten monostabilen Multi vibratoren,

In Fig. 1 und den oberen Zeilen von Fig. 3 sind Aufzeichnungen eines Elektrokardiagraphen wiedergegeben. Ein solches Gerät bildet im wesentlichen ein Voltmeter und die durch dieses Gerät hervorgerufene, graphisch aufgezeichnete Kurve ändert ihren Verlauf kontinuierlich mit der Zeit. Werden Aufzeichnungen eines abnormalen Herzens, wie sie in der zweiten und dritten Zeile der Fig. dargestellt sind, mit den von einer Bandaufzeichnung ohne Kompensation gewonnenen Angaben, wie sie in der zweiten Zeile von Fig. 1 und der vierten Zeile

0 0 9843/137

Docket 15 271

9- :■:■;:■.

von Fig. 3 enthalten sind, verglichen, so ist offensichtlich, daß eine große Verwirrung entstehen könnte, wenn die Aufzeichnungen vor der Diagnose nicht von Fehlern befreit würden.

Das hier bei der Aufnahme und der Wiedergabe verwendete Prinzip der Kompensation ist in den Figuren 4 und 5 vereinfacht dargestellt. Die in Verbindung mit einem Magnetband-Diktiergerät eingesetzten Steuermittel erlauben die Aufzeichnung und Wiedergabe von Informationen bei Frequenzen unter 200 Hz, wobei die durch Heulen und Flattern des Diktiergerätes entstandenen Fehler in der ersten Ordnung eliminiert werden. In Fig. 4 stellt das Eingangssignal 20 eine Herzmuskelspannung dar. Das darunter angedeutete Ubcrwachungstonsignal soll beispielsweise 400 Hz betragen. Die beiden Signale werden an die parallelen Eingangsklemmen 22 und 23 angelegt, miteinander vereinigt und dem Verstärker 24 zugeführt. Das niederfrequente Eingangssignal und der Uberwachungston werden in dem Modulator 25 frequenzmoduliert. Das resultierende Signal wird dem Aufnahmegerät 26 zugeführt und in einer einzigen Magnetspur aufgezeichnet. Der Modulator 25 arbeitet in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel bei einer mittleren Frequenz von 2 kHz.

Bei der Wiedergabe (Fig. 5) wird das frequenzmodulierte Bandsignal zur Wieder-

Demodulator

gewinnung der niederfrequenten Werte dem 27 zugeführt. Die Informations- und Überwachungstonsignale werden durch die Filter 28 bzw. 29 getrennt. Weiterhin wird das Tonsignal durch den Frequenzmodulator 30 demoduliert, so daß an seinem Ausgang die durch Heulen und Flattern entstandene

15 27! 00*6*3/1370 _BAD

Spannung auftritt. Die gewonnenen niederfrequenten Signale, die sowohl Information als auch Störungen enthalten, werden dem Differenzverstärker 31 zugeführt, in welchem die durch Heulen und Flattern hervorgerufenen Spannungen eliminiert werden. Das am Ausgang des Differenzverstärkers 31 gewonnene Signal entspricht sodann dem Eingangssignal 20 von Fig. 4.

Es wäre jedoch eine zu große Vereinfachung zu sagen, daß die Rauschkomponente durch bloßes Subtrahieren der Tonänderung von der Signaländerung vollständig kompensiert werden könnte. Die als Heulen und Flattern bekannten Rauschverzerrungen sind nämlich nicht nur der Bandgeschwindigkeit sondern auch der Trägerfrequenz proportional. Es sind daher die in den Figuren 6 und 8 dargestellten, komplizierteren Steuereinrichtungen erforderlich, um eine ausreichende Kompensierung in allen Bereichen der Frequenzmodulation zu erreichen. Die durch diese Einrichtungen bewirkte Verbesserung kommt dadurch zustande, daß das Kompensations signal, bevor es vom Informations signal subtrahiert wird, zu- ψ nächst mit einem Wert multipliziert wird, der dem Verhältnis der augenblicklichen Signalträgerfrequenz zum Mittelwert der Signalträgerfrequenz proportional ist. Die sich ergebende !Compensationsspannung ist sodann nicht nur der Änderung der Bandgeschwindigkeit sondern auch der Änderung der Signalfrequenz proportional.

Die die proportionale Kompensation bewirkende Multiplikations schaltung ist in Fig. 7 dargestellt. Ein NPN-Transistor wird über die Anschlüsse 32 und 33 sowohl

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von den Änderungen der Signal- als auch der Überwachungstonspannungen beeinflußt, wobei die letztere durch den monostabilen Multivibrator 34 zugeführt wird, dessen Ausgangs spannung somit durch die Signalträgerfrequenz beeinflußt wird. Das Signal wird der Basis 35 und der Ton vom Ausgang des monostabilen Multivibrators über einen Gleichrichter und die Leitung 39 dem Kollektor 36 zugeführt. Der Emitter 37 ist über das Tiefpaßfilter 40 mit der Aus gangs klemme 41 verbunden.

Es sei angenommen, daß ein Ausgangs signal von +1 V einer Trägerfrequenz von -33 1/3 % außerhalb des Mittelwertes der Frequenz entspricht. Wird ferner angenommen, daß die den Überwachungston enthaltende Frequenz einen Nennwert von 2 kHz besitzt, und daß der mono stabile Multivibrator 34 pro Zyklus einen Impuls abgibt, dann ist der monostabile Multivibrator bezüglich seiner Ausgangs spannungen symmetrisch. Beträgt daher die Tonfrequenz 2 kHz, so beträgt die Ausgangsspannung null Volt, unabhängig von der Signalamplitude. Wird dagegen angenommen, daß der Ton um +1 % variiert, und das Signal entsprechend dem Mittelwert von 2 kHz der Trägerfrequenz null Volt beträgt, dann liegt der Punkt A oder die Leitung 38 auf -1,5V und der Punkt B oder die Leitung 39 auf +1,5 V. Die Kompensationsspannung beträgt sodann

1 . 2 kHz · 1, 5 V · 0, 5 msec
100 1 000 msec '

was einem Wert von 0, 015 V entspricht. Wenn die Trägerfrequenz um 33 l/3

Docket 15 271 0098 A3/ 1 37 0

auf 2, 667 kHz ansteigt, beträgt die Signalausgangs spannung -IV. Die Spannung am Punkt A beträgt -2 V und am Punkt B +2 V. Die !Compensationsspannung würde in diesem Falle

1 2 kHz ' 2 V · 0, 5 msec „ ,
— ■ Volt

100 1 000 msec

und somit 0, 02 V betragen. Wir nun angenommen, daß eine Kompensations spannung von einer Einheit bei der mittleren Signalträgerfrequenz von 2 kHz erforderlich ist, so sind bei einer Frequenz von 2, 667 kHz 1, 33 Einheiten für die Kompensationsspannung erforderlich. Da die Kompensation 0, 015 V bei 2 kHz und 0, 02 V bei 2, 667 kHz beträgt, so folgt, daß, wenn 0, 015 V = I Einheit gesetzt werden, 0, 02 V = 1, 33 Einheiten sind, was genau dem benötigten Wert entspricht.

Die auf diese Weise erreichte vollständige Kompensation, die man auch als proportionale Kompensation bezeichnen kann, ist unabhängig vom Bereich der Signalträgerfrequenz. Dieses Kompensationsverfahren ist unabhängig von der speziellen Ausbildung der Multiplikationsschaltung. Sie ist auch unabhängig von der Speicherung des Überwachungstones, die auch in einem separaten Kanal erfolgen kann.

Die Wirkungsweise der verwendeten Frequenzmodulation besteht darin, daß innerhalb eines gewissen Bereiches jeder Frequenz eine Spannung zugeordnet wird, so daß einer Änderung der Frequenz eine Änderung der Spannung proportional ist. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Spannung 0 V einer

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Frequenz von 2 kHz, der maximale positive Spannungswert einer Frequenz von 2, 8 kHz und der maximale negative Spannungswert einer Frequenz von 1, 2 kHz zugeordnet. Die den dazwischenliegenden Frequenzen entsprechenden Spannungen ergeben sich durch lineare Interpolation. Die Mittelfrequenz von 2 kHz wurde zur Erzielung einer möglichst großen Modulationsbandbreite so hoch gewählt, wie die Grenzen eines nicht kostspieligen Magnetbandgerätes es gestatten. Ferner wurde ein hoher Modulationsgrad gewählt, um das durch Schwankungen in der Bandgeschwindigkeit hervorgerufene Rauschen zu begrenzen. Beträgt beispielsweise die Schwankung der Bandgeschwindigkeit 1 %, so würde diese Schwankung bei 2 kHz einer Frequenzschwankung von 20 Hz entsprechen. Ist der Modulationsgrad 40 % oder 800 Hz, so beträgt das Signal-Rausch-Verhältnis 800:20 oder 40:1. Ein höherer Modulationsgrad würde zwar das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern, eine zu starke Modulation würde jedoch die tieferen frequenzmodulierten Frequenzen in einen Bereich, beispielsweise 0 bis 100 Hz, absenken, über den hinaus es nicht möglich wäre, die erforderliche Signalbandbreite aufzuzeichnen. ™

Angenommen, das Signal betrage 0 V entsprechend einer Frequenz von 2 kHz (WN2 in den beiden ersten Zeilen der Fig. 9), so würde eine Schwankung von 1 % einer Schwankung der Trägerfrequenz von 20 Hz entsprechen. Bei 2, 8 kHz (WNl in Fig. 9) würde dieselbe prozentuale Geschwindigkeitsschwankung einer Frequenzschwankung von 28 Hz und bei 1, 2 kHz (WN3 in Fig. 9) einer Schwankung der Trägerfrequenz von nur 12 Hz entsprechen. Da die Frequenzschwankung der

η ν *i^-i 00-98*3/1370

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Spannung proportional ist, folgt, daß die als Heulen und Flattern bekannten Rauschverzerrungen zusätzlich zur Ge schwindigke its Schwankung auch der Trägerfrequenz proportional sind.

Das Signal-Rausch-Verhältnis wird weiterhin dadurch verbessert, daß mit dem Signal ein konstanter Ton aufgezeichnet wird. Diese Methode ist in den ersten vier Zeilen der Fig. 9 erläutert. Wenn das frequenzmodulierte Signal infolge von Änderungen der Bandgeschwindigkeit schwankt, ändert sich auch der Ton um denselben prozentualen Betrag an den durch WHl, WH2 und WH3 bezeichneten Stellen in Zeile 2 der Fig. 9. Da beide Trägerfrequenzen durch dieselbe Schaltung demoduliert werden, hat das der Tonänderung entsprechende Kompensationssignal dieselbe Form wie das der Trägerfrequenzänderung entsprechende Rauschsignal. Jedes durch Schwankung der Bandgeschwindigkeit hervorgerufene Signal erzeugt somit einander entsprechende Signalformen an den Ausgängen der Demodulatoren für das Signal und den Ton. In vereinfachender Weise kann ge- ψ sagt werden, daß der demodulierte Ton, multipliziert mit einer passenden Konstanten, vom demodulierten Signalträger abgezogen wird, und daß das reine Signal ohne Rauschen übrig bleibt.

Die überlagerung des Tones und des Signals kann auf zweierlei Arten erfolgen. Die eine Art besteht darin, den Ton der frequenzmodulierten Trägerfrequenz aufzuprägen und zwar bei einer Frequenz außerhalb der Bandbreite des Signalträgers. Nach der zweiten Art wird der Ton dem Signal vor der Modulation

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aufgeprägt. Jede dieser Methoden hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Welche von ihnen besser ist, hängt sehr stark von der Charakteristik des Magnetbandgerätes und dem beabsichtigten Verwendungszweck ab.

Die hier verwendete Methode der Signalüberlagerung vermeidet den hauptsächlichen Nachteil der anderen Methode, bei der das Aufnahme- und Wiedergabegerät linear sein muß, damit die beiden Trägerfrequenzen nicht miteinander interferieren.

Bei der Verwendung der Tonkompensation ist auch der Amplitude des Tones Beachtung zu schenken, da sie sich mit der verwendbaren Signalamplitude vermischt. Daher sollte die Tonamplitude einerseits so klein wie möglich gehalten werden. Andererseits verzerrt jede Störung der Tonfrequenz den Ton und erzeugt eine Kompensationsspannung, die im Signal nicht vorhanden ist, und dadurch das Rauschen vergrößert. Es muß daher ein Kompromiß gefunden werden. Erfahrungsgemäß wurden die besten Ergebnisse bei einem Ton mit ungefähr 20 % der nutzbaren Amplitude erzielt.

Ein besonders lästiges Problem bei Bandgeräten sind Unterbrechungen. Eine solche ist beispielsweise in Fig. 3 in der dritten Zeile von unten mit 90 bezeichnet. Im allgemeinen werden solche Unterbrechungen dadurch verursacht, daß der Lese-Schreibkopf während einer kurzen Zeit nicht in Kontakt mit dem magnetischen Material des Bandes ist. Das kann durch Hindernisse, durch Prellen

η ν * i«97i 009843/1370

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des Kopfes infolge von. Schwingungen oder durch Fehlen magnetischen Materials an bestimmten Punkten usw. verursacht sein. Sobald eine solche Unterbrechung auftritt, verschwindet auch das frequenzmodulierte Signal. Das äußert sich in einem Signal, das demjenigen bei einer plötzlichen Frequenzänderung ähnlich ist. Gewöhnlich ist es schwierig, eine solche Unterbrechung zu erkennen, da zwischen der plötzlichen Frequenzänderung des Signalträgers und dem plötzlichen Verschwinden des frequenzmodulierten Trägers schwer zu unterscheiden ist. Mit Hilfe des Kompensationstones kann jedoch diese Unterscheidung getroffen werden, da die Unterbrechung 90 gleichzeitig mit der mit 90' bezeichneten Unterbrechung des Tonsignals auftritt. Normalerweise weicht die Aufzeichnung des Tones wenig vom Mittelwert der Frequenz ab. Wenn jedoch der Ton dem Signal überlagert ist, verschwindet, wenn der frequenzmodulierte Träger verschwindet, auch der Ton. Ferner ändert sich jedesmal, wenn das Signal infolge von Unterbrechungen variiert, das Kompensationssignal um mehr als die normalen wenigen Prozent, und dies kann ebenfalls dazu benutzt werden, eine Unterbrechung zu lokalisieren.

Die Figuren 6 und 8 stellen im Blockdiagramm die Schaltungen für Aufnahme und Wiedergabe dar, in denen die Kompensationsmethode mit einem dem Signal aufgeprägten Ton verwendet wird. In dem Blockdiagrammen ist Z die Eingangsimpedanz mit parallel anpaßbaren Widerständen und Kapazitäten und Z ist die Rückkopplungsimpedanz. Die Blöcke 56 und 68 versinnbildlichen Wider standsaddierer. In 56 wird der negative Wert des demodulierten Tones zum Signal addiert, was dem Heraussubtrahieren von durch Jaulen und Flattern entstandenen

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- 15 Störungen entspricht.

Die beiden Stromkreise enthalten die Multiplizierglieder und Impulsformer 61 und 78, Diese entsprechen den in Fig. 7 dargestellten Schaltungen.

Anhand der oberen Schaltblockreihe in Fig. 6 soll die Wirkungsweise des Aufnahmegeräts beschrieben werden. Wenn die Eingangs spannung an Z 45 0 V ^ beträgt, ist die Ausgangs spannung am Gleichstromverstärker 47 so hoch, daß der spannungsgesteuerte Schwingkreis 49 bei 2 kHz schwingt. Das Schwingungssignal von 49 wird über die Leitung 19 als frequenzmoduliertes Signal im Aufnahme- und Wiedergabegerät 63 aufgezeichnet. Dieses Signal betätigt auch den monostabilen Multivibrator 5 3. Bei jedem Nulldurchgang des 2 kHz-Trägers (alle 250 Mikrosekunden) gibt der Impulsformer einen negativen Impuls ab, der den monostabilen, 125 Mikrosekunden-Multivibrator 53 umschaltet. Bei dieser Frequenz ist der monostabile Multivibrator ebensolange negativ wie positiv. Der Impulsformer 52 begrenzt die positive Ausgangs spannung des Multivibrators bei +V und die negative Ausgangsspannung bei -V . Bei einer Oszillatorfrequenz von 2 kHz ist die Ausgangs spannung des Impulsformer symmetrisch. Daher beträgt die Spannung am Ausgang des Tiefpaßfilters 55, die zur Impedanz Z_ 48 über die Leitung 41 zurückgekoppelt ist 0 V. Unter Vernachlässigung des Leckstromes am Eingang des Gleichstromverstärkers 47 ist somit die Summenverbindung S. J. ebenfalls auf 0 V, da die beiden an Z und Z 0 V betragen. Die Verstärkung des Gleichstromverstärkers 47 ist so groß, daß wenn die Summen-

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verbindung um einen geringen Betrag von 0 V abweicht, die Ausgangs spannung des Verstärkers 47 und die vom Oszillator 49 gesteuerte Spannung in ihrem ganzen Bereich variieren. Durch die Rückkopplung erhält die Summ en verbindung automatisch eine Spannung, die den Oszillator 49 auf. einer Frequenz von 2 kHz hält. Für jede andere Eingangs spannung ergibt sich eine Frequenz, die wiederum eine Spannung erzeugt, welche die Summenverbindung auf dem richtigen Wert zur Aufrechterhaltung dieser Frequenz hält. Das Verhältnis der Rückkopplungsspannung zur Eingangsspannung ist daher gleich dem negativen Wert des Verhältnisses von Z zu Z oder, in Gleichungsform:

^Vf ^Z2

Ig, C

(1)

V. Z.

in 1

Die Änderung der Frequenz gegenüber der Frequenz bei einer Eingangsspannung von 0 V (f ) ist proportional der Eingangsspannung. Z. B.:

wobei V die positive und negative Begrenzungsspannung (1,5V), f die mittlere Trägerfrequenz (2 kHz), f , die augenblickliche Trägerfrequenz (einschließlich "Jaul und Flatter"-Effekte) also, f = f + Wf ist.

S' S S

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009843/1370

Aus den Gleichungen (1) und (2) erhält man nunmehr

^Vin

'^fs. - ^f0»

Neben dem Eingangssignal wird, wie aus der unteren Reihe der Schaltkreise in Fig. 6 ersichtlich ist, dem Eingang auch ein vom Generator 46 erzeugter 400 Hz-Ton zugeführt. Der 400 Hz-Ton wird in ähnlicher Weise wie das Signal demoduliert. Jedoch findet in diesem Falle der positive monostabile Multivibrator 34 mit 0,625 Mikrosekunden Verwendung (s. auch Fig. 9, Zeile 6). Das Ausgangs signal des Multipliziergliedes und Impulsformers 61 ist daher für die gleiche Zeitdauer positiv und negativ. Seine durchschnittliche Ausgangsspannung beträgt 0 V und hat somit keinen Einfluß auf die Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters zur Summenverbindung. Wenn im ungünstigsten Falle die Ausgangs spannung des Multipliziergliedes und Inripulsformers nicht symmetrisch ist, erzeugt sie eine Gleichspannungsverschiebung.

Bei der Wiedergabe (Fig. 8) ist der spannungsgesteuerte Schwingkreis 49 von Fig. 6 durch das Bandgerät 63 in Wiedergabeschaltung ersetzt. Daher ist unter der Voraussetzung, daß die Bandgeschwindigkeit zwischen Aufnahme und Wieder-

r, ν .1,771 0098A3/1370

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gäbe nicht verschieden ist, und daß beim Bandgerät 63 der Strom bei Aufnahme und Wiedergabe durch dieselben Schaltelemente fließt, die Spannung am Eingang von Z_ dieselbe wie bei der Aufnahme. Auch ist, da die Verstärkung des Gleichstromverstärkers groß ist

^Vaus _fj_ . (5)

^Vf ⁼ -^Z2

Durch kombinieren der Gleichungen (1) und (5) erhält man

V=V.. (6)

aus ein

Mit anderen Worten, die Ausgangs spannung ist gleich der Eingangs spannung, unabhängig von irgendwelchen Nichtlinearitäten in irgendeinem der Schaltkreise, unter der Voraussetzung, daß die Charakteristik der Schaltelemente zwischen Aufnahme und Wiedergabe nicht geändert wird.

Bei der Wiedergabe enthalten die aufgezeichneten Schwingungen das 400 Hz-Signal, das durch den Bandfilter 7 3 ausgesiebt und dem Wechselstromverstärker 74 zugeführt wird.

Es ist bereits gezeigt worden, daß die Eingangs spannung bei der Aufnahme proportional zu f -f_n ist, oder
s· 0

Docketi5₂₇₁ 009843/1370

^Zl ^Vc

ein Z, f_ ^v s« O' ^v '

Da V = V . ist, ergibt sich
aus ein

Z V

V = + —i- -T^- (^f -¹
aus Z^ f„ s·

Wird die Ausgangsspannung als Folge des 400 Hz-Tones betrachtet, so kann sie in ähnlicher Weise beschrieben werden:

1 te

^Vf=aus ⁼ " ~7~ f ^{( f}t "^£to^}'

2 to

(Ton)

wobei V die Tonbegrenzungsspannung entsprechend V , f der mittleren Tonfrequenz (400 Hz) und f die augenblickliche Tonfrequenz ist.

Das Vorzeichen ist negativ, da der monostabil*' Multivibrator 77 des Tonkanals "

positiv gegenüber- dem negativen Wert im Signalwcg ist. Wenn der Ton 400 Hz

beträgt, ist f - f =0. Daher ist V als Folge des Tones ebenfalls 0. Wenn ^e t to aus ^e

jedoch die Tonfrequenz aus irgendeinem Grunde schwankt, ändert sich V

taus

proportional. Wenn die Gleichungen (8) und (9) addiert werden, beträgt das Gesamtausgangssignal, das aus dem Wifderstandsaddierer 68 erhalten wird

Docket 15 271

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Z₁ V Z₁ V.

ν * -^- -r± (f -f_n) ~ -r^tt -i )■ (io)

aus Z_ f _ * ·» 0' Z_ It to

2 0 Z to

Wird nun angenommen, 4»β

V^ = V · f /f _Λ t c β«' 0

ist, dies wird durch die multiplizierende Funktion des Multipliziergliedeß und Impulsformers garantiert, dann ist

_{1 c} \u. Vz₂- Tf- <<^f Λ' -L- (f_t -f_to). (U)

to

Im Idealfalle mit f * f würde eine "Jaul- und Flatter-" Geschwindigkeitsschwankung von W % · 100 resultieren in £ = £ + Wf und f = f + Wf , wobei f » ' t to to β> β s s

W % die Frequenzkomponente entsprechend dem realen Signal und W = ist. Werden

diese Werte in Gleichung {11) eingesetzt, so erhalt man

ZV f

V = —- -~ (f + Wf -f J -T^iL +Wf -1 ), (U)

aus Z, f_ ^x s β Or t ^K to to to ^v '

2 0 to

und nach Vereinfachung

Z₁ V .

V = —— _-H If _{+ W}f -£ -If +Wf ) W| (13)

aus Z, £„ Ls s 0 * s s' J ^K '

ZV ^C

( f, -f₀ * W^C f_s) (14)

009843/1370

Docket 15 271 3AO OSKaINAL

Aus Gleichung (14) ist zu ersehen, daß der "Jaul- und Flatter-"Fehler propor-

2
tional zu W ist. Daher ist, da W selbst bei den schlechtesten Bandtransporten nur einige hundertstel beträgt, der Fehler durch "Jaulen und Flattern" weniger als ein tausendstel des vollen Signals. Es ist zu beachten, daß im Schaltschema

V nach der Kompensation abgeleitet wird und daher gleich V · f /f ist. Infolge- χ, c · cso

dessen ist Gleichung (11) zu lesen

ζ: -υ- ⁽ⁱs. Λ» - r <^£t - ^£to>· <¹⁵>

2 0 t

: υ s Λ r

2 0 to

das vereinfacht werden kann zu

(f - U. (16)

s Q ^v ·

= ^ ^ (f U
aus Z f s Q

Lt U

flie zuletzt erhaltene Gleichung enthält keinen durch "Jaulen und Flattern" entstandenen Fehler. Die zuletzt erhaltene Verbesserung ist nur von akademischem Interesse, da in jedem Falle der theoretische Fehler weit unter dem liegt, was in der Praxis erreicht wird. Würde Tonkompensation, jedoch keine proportionale Tonkompensation verwendet, so wäre V konstant = V . Die Gleichung (10) würde in diesem Falle ergeben

!ξ" "V (^£ _a - V ^{+ W} <^£ ₃ - V·

Aus dieser Gleichung folgt, daß wenn f <fe=;£_n ist, das Fehlersignal infolge von

_n , . _ _?71 ■ Π098Α3/ 1 370

Docket 15 271

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"Jaulen und Flattern" ungefähr gleich O ist. Bei allen übrigen Signalträgerfrequenzen hat die "Jaul- und Flatter-"Komponente jedoch einen proportional größeren Wert. Im allgemeinen ist, da der Modulationsgrad in den meisten Systemen kaum über 40 % geht,

der Fehler infolge von "Jaulen und Flattern" = W (f -O^ 0,4 Wf . (18)

Würde keine Tonkompensation verwendet, so würde sich aus Gleichung (8) ergeben

Z V

V = ~- -T^ (^f - f J ^{+ Wf} ·

aus Z f ^x s> O s

Ct U

Im Gegensatz zur Gleichung (17 ist der Fehler infolge von "Jaulen und Flattern"

bei f -s»* f nicht = O, sondern = Wf„· s 0 0

Damit ist in der Tat, 40 % Modulation angenommen,

der Fehler infolge von "Jaulen und Flattern" = Wf ■£. 1,4 Wf . (20)

Die folgenden Rechnungen beziehen sich auf die in Fig. 9 unten angegebenen Verhältnisse.

Docket 15 271

009843/1370

(21)

ⁱ0

V . =Α/ -^— - -j^— £ (22)

sig * * ^r ' ^v '

^ντοη = ^Β = χ-^Α (-ς---ς-ι ^ι· ("»

V ₌ "' δ ι ζ— ζ ir ™

i"" V") ^X'

V · V₁ - V₁ (24)

β' If " ί "2 it ^{{ 5)}

Ko .. f ₀ ο/

Unter der Annahme, dafl die Geschwindigkeitsänderung des Bandgerätes W% ύ

betrXgt, setzt sich ί _> aus zwei Teilen zusammen, dem Signal f und dem

"Jaulen und Flattern" wi :

f = f + wf (27)

8> S S ^V

und f_t = f₀ + w£₀. (28)

Ist kein Jaulen und Flattern vorhanden, so ist -f = f .

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BAD ORK3INAL

Fall I - Keine Kompensation:

Aus den Gleichungen (22) und (27) erhält man

V = A

8 I f,

f +Wt S S

(f + wf )

* S S

V=A

f + wf

S S

-1

signal + J & F

	/	em f	S	f	f	O	+	W	f	S
ν..	= A I				*
S					^fo J

(29)

(30)

(31)

Fall II - Proportionale Kompensation:

Aus den Gleichungen (26), (27) und (28) erhält man

V = A (f + wf )
s s

¹. * «* s - ^f0

^£o

V=A

f + wf - f_ft -(f + wf ) w s ■ s 0 ^v s s

V=A

f -	f	O	£_n	W	f	O	f	β
S	O -

-wf.

(32)

(33)

(34)

.^rird jetzt angenommen, daß das "Jaulen und Flattern" nur wenige % beträgt, z. B. x%, dann beträgt das Jaulen und Flattern mit Kompensation nach Gleichung (34) nur w% des Jaulens und Flatterns ohne Kompensation nach Gleichung (31).

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Infolgedessen verbessert die Kompensation das Jaulen und Flattern um ungefähr zwei Größenordnungen. Jedoch verhindern andere Rauschprobleme gewöhnlich die Verbesserung der Kompensation um mehr als eine Größenordnung. Jedoch tritt bei Verwendung des Kompensationssignales, um B zu erhalten, B=Af /f an-

S U

stelle von B=Af /f , womit dann das Rauschen mit Kompensation für diese Anwendung auf 0 herabgedrückt wird.

Weiter ist zu bemerken, daß die Mittelfrequenz für den Ton und das Signal nicht g

unbedingt dieselbe, nämlich f , sein muß.

Aus Fig. 8 ist zu ersehen, daß die Leitungen 80 und 81 als Rückkopplung dienen, um dem Impulsformer 78 ein Signal B einzugeben, das dem demodulierten f

entspricht, und das über die Ausgangsleitung 86 des Impulsformers den Ausgang des Summiergliedes 68 zur Erzeugung der proportionalen Kompensation beeinflußt. Die Rückkopplung 81 vom Gleichstromverstärker 72 zum Multiplizierglied und Impulsformer 78 wird zur Erzielung der proportionalen Kompensation dazu benutzt, die proportionale Begrenzungsspannung des Tonkanals zu erhalten. Die Rückkopplung 81 von Fig. 8 entspricht der Leitung 32 von Fig. 7. Der Ausgang des Impulsformers 76 in Fig. 8 entspricht der Leitung 33 in Fig. 7. In Fig. 7 ist die Spannung an der Leitung 41 proportional der Spannung am Eingang 32, multipliziert mit dem Faktor (f - f ).

Bei einigen Anwendungen, z. B. bei der EKG-Analyse, würde bereits eine geringe

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Änderung der durchschnittlichen Geschwindigkeit bestimmte Messungen erheblich beeinträchtigen. Man muß daher bestrebt sein, die Gleichstromkomponenten der Aufzeichnungs- und Wiedergabegeschwindigkeiten von Maschine zu Maschine konstant zu halten. Anstelle einer schwierigen Regulierung zwischen den Maschinen kann der 400 Hz-Ton für diesen Zweck verwendet werden. Wenn jedes Aufnahme- und Wiedergabegerät einen gut geregelten 400 Hz-Oszillator besitzt, so wäre jede Differenz zwischen den Bandgeschwindigkeiten während der Aufnahme und der k Wiedergabe einer Änderung der Tonfrequenz proportional. Diese Möglichkeit einer automatischen Steuerung ist im beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht verwirklicht, da die Frequenzdifferenzen leicht sichtbar gemacht werden können.

Beim Übergang von analoger zu digitaler Information (s. Fig. 3, Zeile 6) kann das Kompensationsverfahren mit dem Überwachung ston dazu benutzt werden, die Häufigkeit der Abfrage zu bestimmen. Wenn z. B. der Überwachungston als Zeitsignal benutzt wird, um die jeweilige Abfrage ein- und auszuschalten, so erscheinen die Abfragen in denselben Abständen wie bei der ursprünglichen Aufzeichnung. Bedeutet das Fehlen eines Tones, daß keine Daten vorliegen, so werden zu diesen Zeiten automatisch keine Abfragen durchgeführt. Dabei sind die digitalen Signale nicht mit unerwünschten Verzerrungen behaftet.

Während die Nulldurchgänge des Tones bei der Aufnahme gleiche Zeitabschnitte abgrenzen, grenzt die Amplitude des demodulierten Tonkanals bei der Wiedergabe die tatsächliche Zeit ab.

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Es wurde bereits gezeigt, daß das reproduzierte Signal genau dem aufgezeichneten Signal entspricht, unabhängig von Z und Z , vorausgesetzt, daß diese Größen

X w

dieselben bleiben. Dies gilt selbst dann, wenn Z oder Z beeinflußbare Komponen-

X Lt

ten haben. Durch geeignete Wahl von Z und Z kann eine zusätzliche Kompensation von "Jaulen und Flattern" erreicht werden. Es sei z. B. angenommen, daß das aufzuzeichnende Signal nur wenig über einer Grenzfrequenz liegt. Dann könnten Z. und Z so gewählt werden, daß alle Komponenten des Signals oberhalb dieser Grenzfrequenz mit höherer Amplitude aufgezeichnet werden. Da die Energie ä

oberhalb dieser Frequenz als klein angenommen wird, ist auch die Erhöhung der Gesamtenergie bei der Aufnahme klein. Bei der Wiedergabe bewirkt die Umkehr von Z. und Z , daß Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz um denselben Betrag abnehmen, wie sie bei der Aufnahme vergrößert wurden. Daher wird jede Störung oberhalb dieser Grenzfrequenz, die im aufgenommenen Signal nicht vorhanden ist, bei der Wiedergabe verringert, während ein Signal bei diesen höheren Frequenzen ohne Störung wiedergegeben wird. In den Fällen, in denen die Energie des Signales auf sehr niedrige Frequenzen konzentriert ist, können durch diese Methode die hochfrequenten Komponenten von "Jaulen und Flattern" beträchtlich vermindert werden.

Die Impedanzen Z und Z können auch nichtlinear sein, derart, daß kleine Signale eine relativ größere Frequenzänderung hervorrufen als große Signale. Dadurch würde das Signal-Rauschverhältnis für kleine Signale verbessert. Auch hier würde infolge der Umkehrung von Z und Z das wiedergegebene Signal nicht

X Ct

gestört.

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Eine weitere Möglichkeit, den "Jaul- und Flatter-"Effekt zu verringern besteht darin, einen möglichst großen Bereich der Trägerfrequenz auszunutzen. Dies kann in einfacher Weise erreicht werden, da gerade durch die Änderung des Verhältnisses von Z zu Z der Frequenzhub proportional geändert wird.

Bei jedem System, in dem analoge Daten auf Band gespeichert werden, bildet ihre Identifizierung ein besonderes Problem. Abhängig vom beabsichtigten Zweck

ρ kann die Identifizierung in zwei Kategorien eingeteilt werden. Wird die Identifizierung von einer anderen Person vorgenommen, so ist die Sprache ein sehr geeignete Form, da sie leicht von jedermann verstanden und leicht von jedermann codiert werden kann. Da die Aufzeichnungen jedoch häufig in Verbindung mit einem Computer benutzt werden, ist es wichtig, ein Identifizierungsmittel an der Hand zu haben, das von einem Computer leicht decodiert werden kann, wie z. B. eine digitale Codierung. Zu diesem Zweck kann derselbe Mechanismus, der für die Aufzeichnung analoger Information verwendet wird, auch für die Codierung

^ verwendet werden. Das schwierigere Problem besteht in der Decodierung auf der Computerseite. Für den Computer ist es schwierig zu unterscheiden, welches analoge Information und welches digitale Information ist. Hierfür besteht die Möglichkeit, die Aufeinanderfolge für digitale Information so zu gestalten, daß der Computer sie prüfen kann. Dadurch wird jedoch meist die Länge des Programms beträchtlich erweitert, und der Computer und der Programmierer unnötig belastet. Ein besseres Verfahren besteht darin, leicht zu decodierende Information gleichzeitig aufzuzeichnen, die vom Computer automatisch als analoge oder

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digitale Information unterschieden werden kann. Im vorliegenden Falle ist der zur Kompensation von "Jaulen und Flattern" verwendete 400 Hz-Überwachung ston in idealer Weise für diesen Zweck geeignet. Der Uberwachungston, der bei jeder analogen Information 400 Hz beträgt, kann für digitale Information auf
350 Hz eingestellt werden. Diese Frequenz wurde gewählt (Fig. 3, Zeile 6), da sie nahe genug an 400 Hz liegt, um die Kompensation von "Jaulen und Flattern" weiterhin wirksam zu machen, und da sie weit genug von 400 Hz entfernt liegt, ύ

daß dieser Frequenzunterschied leicht festgestellt werden kann. Wie an einer
früheren Stelle ausgeführt wurde, ist die Impulsdauer des monostabilen Multivibrators des Tonkanals so gewählt, daß bei Empfang des Tones das Ausgangssignal 0 V bei 2 kHz beträgt. Daher ist bei 350 Hz die Ausgangs spannung negativ. Daher entspricht bei analoger Information der ausgefilterte Ton einer Spannung von 0 V und bei digitaler Information einer kleinen negativen Spannung. Für irgendwelche Unterbrechung nimmt die Spannung zufällige Werte an. Für kurze Unterbrechungen (beispielsweise 40 Millisekunden) zeigen sich diese zufälligen Werte in einer scharfen Spitze. Insofern spielt der Ton eine sehr bedeutsame Rolle.
Er wird über die Leitung 85 in Fig. 8 aufgezeichnet und gibt an, ob die Information digital, analog oder nicht vorhanden ist (s. auch Fig. 3, Zeile 6 und 7). Eine brauchbare Methode zur Zeichencodierung besteht darin, den Zeichen verschiedene Spannungen zuzuordnen.

Die beiden unteren Zeilen von Fig. 3 zeigen Test-Aufzeichnungen mit hohen,
mittleren und niederen Frequenzen unter Verwendung konventioneller und proportionaler Kompensation. Aus der zeichnerischen Wiedergabe ist ersichtlich,

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daß die bei gewöhnlicher Kompensation auftretende gezackte Linie Geräuschkomponenten enthält, die die Aufzeichnung in nachteiliger Weise beeinflussen. Andererseits zeigen die glatten Linien der untersten Zeile, daß durch die proportionale Kompensation im wesentlichen alle störenden Einflüsse beseitigt wurden.

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Claims

- 31 Patentansprüche

1. Verfahren zur Kompensierung von Verzerrungen von Signalen, die in einem Aufnahme- und Wiedergabegerät frequenzmoduliert aufgezeichnet werden, unter Verwendung eines Übertragungskanals, dadurch gekennzeichnet, daß aufnahme seitig das aufzuzeichnende Signal mit einem außerhalb des Signalfrequenzbandes gelegenen überwachung ston moduliert und das modulierte Signal unter Frequenzmodulation aufgezeichnet wird, und daß wiedergabe- %

seitig das frequenzmodulierte Signal demoduliert wird, der Überwachungston aus dem demodulierten Signal ausgefiltert und frequenzdemoduliert wird, die Ausgangsspannung des Tondemodulators mit einem zum Verhältnis der momentanen Signalträgerfrequenz zum Mittelwert der Signalträgerfrequenz proportionalen Wert multipliziert wird und der so erhaltene Spannungswert vom demodulierten Informationssignal subtrahiert wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 unter Verwen- λ

dung eines Magnetband-Aufnahme- und Wiedergabegerätes, insbesondere zur Kompen sie rung von der Bandgeschwindigkeit abhängiger Verzerrungen, gekennzeichnet durch einen Empfänger mit einem Modulator zur Demodulation des frequenzmodulierten Signals, einem Bandfilter zur Aussiebung des Uberwachungstones aus dem demodulierten Signal, einem weiteren Modulator zur Demodulation des Überwachungstones, ein Multiplizierglied, durch das der Wert der Tondemodulationsspannung mit einem zum Verhältnis der

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momentanen Signalträgerfrequenz zum Mittelwert der Signalträgerfrequenz proportionalen Wert multipliziert wird, und einem Addierglied, durch das die !Compensations spannung von der demodulierten Signal spannung subtrahiert wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Signale eine der Empfängerschaltung entsprechende Schaltung dem Frequenzmodulator nachgeschaltet ist, wobei anstelle des Uberwachungstonfilters der Uberwachungstongenerator tritt, und der Schaltung saus gang an den Eingang der Signalverstärkung rückgekoppelt ist.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterscheidung verschiedener Signalarten, wie analoger und digitaler Signale, verschiedene Überwachungstöne vorgesehen sind, mit denen die einzelnen Signalarten jeweils moduliert werden.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl für die demodulierte Signalspannung als auch für den demodulierten Uberlagerungston Einrichtungen zur vergleichbaren graphischen Aufzeichnung vorgesehen sind.

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