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Verfahren zur ÜbertraRunR von elektrischen Signalen Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Übertragung von elektrischen Signalen, bei dem
erste Signale sendeseitig unter Zuhilfenahme einer Verzögerungseinrichtung gegenläufig
zu ihrer Flußrichtung periodisch derart abgetastet werden, daß zwischen den aufeinanderfolgenden
Abtastabläufen signalfreie Zeiträume entstehen, in denen weitere, in der Zeit geraffte
zusätzliche Signale übertragen werden.
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Es ist bekannt, Sprach- und Datenübertragung im Simplexverkehr vorzunehmen,
wobei mit einer Sprechtastenschaltung gearbeitet werden muß. Der für die Sprach-
und Datenübertragung einfachere Duplexverkehr erfordert dagegen zwei getrennte Radiofrequenzkanäle
und einen entsprechend größeren Filter-und Weichenaufwand.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ubertragung
von elektrischen Signalen zu schaffen, bei dem die Vorteile des Simplexverkehrs
hinsichtlich der Radiofrequenzen und die Vorteile des Duplexverkehrs hinsichtlich
einer kontinuierlichen Sprach- oder Datenübertragung vereinigt sind Erfindungsgemäß
wird dies bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß zur
Herstellung von Duplexverbindungen zwischen wenigstens zwei Stationen auf einem
Kanal die signalfreien Zeiträume mindestens so groß gehalten werden wie die Dauer
der zeitgerafften Signale plus der doppelten, in Abhängigkeit von der sich aus der
maximalen Entfernung der gerufenen Station ergebenden Lauf zeit und einschließlich
benötigter Umschalt- und Einschwingzeiten beim Übergang vom Senden auf Empfang in
den beteiligten Stationen, daß die
zeit gerafften Signale von der
rufenden Station periodisch ausgesandt werden und daß die Aussendung der Signale
der gerufernen Station durch die periodische Aussendung der zeitgerafften Signale
der rufenden Station synchronisiert wird.
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Es ist zwar (deutsche Auslegeschrift 1 069 ?99) ein Zeitraffungs-JIultiplexverfahren
bekannt, welches darin zu s besteht, daß jede Kanalsignalwelle in £1eichlangc Abschnitte
aufgeteilt wird, diese Abschnitte dann in ihrer zeitlichen Lange gerafft und in
zyklischer Folge mit Abschnitten anderer Kanäle von einer Sendestation zu einem
Empfänger übertragen werden. Bei diesem bekannten Verfahren handelt es sich jedoch
nicht um das bei der Erfindung behandelte Problem, daß die Empfangsstation ihrerseits
Nachrichten zur Sendestation übertragen soll und die gesicherte Daten- oder Sprachübertragung
in beiden Richtungen vorgenommen werden muß.
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Die vorliegende Erfindung ist besonders bei Sprach- und/oder Datenübertragung
und vor allem zwischen mobilen Funkstationen oder zwischen einer mobilen und einer
feststehenden Funkstation geeignet.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind anhand von Zeichnungen näher
erläutert, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie verschiedene Zeitdiagramme
dargestellt sind In Fig. la ist das Blockschaltbild einer Sende- und Empfangsstation
A dargestellt. Die von einer Signalquelleg z.E einem Mikrophon 1 kommenden Signale
erden einem Analog/Digital-Umsetzer 2 zugeführt und gelangen zu einer Laufzeitkette
3 In dieser Laufzeitkette 3 werden die digitalisierten Signale durch ein Abtastorgan
4 gegenläufig zu ihrer Ausbreitungsrichtung abgetastet. Vie Anfangsstellung des
Abtastorganes 4 ist mit einer durchgezogenen Linie, die Endstellung mit einer strichpunktierten
Linie angedeutet. Wird. z.B. die Abtastung
so vorgenommen, daß das
Abtastorgan 4 etwa während der halben Laufzeit der Laufzeitkette 3 von seiner Anfangsstellung
in seine Endstellung gelangt und dieses Signal über die Antennc 5 zu der Antenne
6 einer Empfangsstation B übertragen, so steht die Halfte der Zeit für eine weitere
Signalübertragung von der Station B zur Station A zur Verfügung. Bei der Übertragung
von A nach B muß der die Signale vom Abtastorgan 4 zur Antenne 5 führende Schalter
7 geöffnet, der Schalter 8 dagegen, welcher die Antenne 5 mit einer weiteren Verzögerung.
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leitung 9 verbindet, geschlossen sein. Diese Verzögerungsleitung 9
wird allerdings nur dann benötigt, wenn die Signale von der Station B ebenfalls
zeitgerafft sind; die Abtastung der Laufzeitkette erfolgt hier gleichsinnig mit
der Ausbreitungsrichtung, und zwar mit einer solchen Geschwindigkeit, daß das Abtastorgan
10, ausgehend von der mit einer ausgezogenen Linie dargestellten Stellung, bis zu
der strichpunktiert eingezeichneten Stellung etwa doppelt so lange braucht, wie
die Laufzeit der Laufzeitkette 9 beträgt. Der Start des Abtastorgans 10, welches
eine mitlaufende Abtastung vornimmt, erfolgt zu dem Zeitpunkt, in welchem die ersten,
zeitlich komprimierten Signale von der Station B aus an der Lauf zeitkette 9 eintreffen.
Die Signale selbst werden nach ihrer zeitlichen Dehnung durch die Laufzeitkette
9 und das Abtastorgan 10 einen Digital-Analog-Umsetzer 11 zugeführt und gelangen
zu einer Wiedergabeeinrichtung 12, z.B. in Form eines Lautsprechers. Zur Steucrung
der .\btastorgane 4 und 10 sowie der Schalter'7 und 8 ist eine Steuerzentrale 13
vorgesehen, welche, wie durch gestrichelte Linien angedeutet, die Schaltbefehle
zu den genannten Organen in bekannter Weise überträgt und diese betatigt. Anstelle
einer Laufzeitkette können für die Zeitraffung bzw. Zeitdehnung avch Schieberegister
verwendet werden. Bei Signalen, die von Anfang an digital gebildet sind bzw. verarbeitet
werden,können die Umsetzer 2 und 11 entfallen.
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In der Station B, welche im Ruhezustand auf Empfang geschaltet wird,
ist eine Laufzeitkette 14 vorgesehen, die ebenso wie die Laufzeitkette 10 bei Fig.
la, mitlaufend durch das Abtastorgan 15 abgetastet wird, und zwar so, daß das durch
die Laufzeitkette 3 der Station A und deren Abtastorgan 4 mit dem Zeitraffungsfaktor
von eta 0,5 zeitlich geraffte Signale einer Zeitdehnung um den Dehnungsfaktor 2
unterworfen wird. Dies bedeutet, daß die Abtastung der Laufzeitkette 14 innerhalb
der doppelten Laufzeit dieser Kette einmal vorgenommen wird. Die Signale gelangen
über einen Digital-Analog-Umsetzer 16 zu einer Wiedergabeeinrichtung 17, z.B. in
Form eines Lautsprechers.
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Wird von der Station B ein von einer Signalquelle, z.3. einem Mikrophon
18, kommendes Signal zur Station A übertragen, so wird dieses zunächot dem Analog-Digital-Umsetzer
zugeführt, gelangt zu der Laufzeitkette 20, die durch das Abtastorgan 21, ähnlich
wie die Laufzeitkette 3 bei der Station A, gegenläufig.
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abgetastet wird. Der Durchlauf vom Ende bis zum Anfang der Laufzeitkette
20 muß für das Abtastorgan 21 innerhalb etwa der halben Laufzeit der Laufzeitkette
20 beendet sein. Die AbtftE beginnt, wenn das erste Signal an der Laufzeitkette
20 angekommen ist. In diesem Betriebsfall muß der Schalter 22 des Empfangszweiges
der Station B geöffnet, der Schalter 23 des Sendezweiges dagegen geschlossen sein.
Die Betätigung der Abtastorgane 15 und 21 sowie der Schalter 22 und 23 wird von
einer Steuerzentrale 24 aus geleitet. Dabei muß diese Steuerzentrale 24 durch die
zeitgerafften Signale der rufenden Station A synchronisiert werden, derart, daß
nach der Übertragung der ersten zeitgerafften Signale von der Station A zur Station
B letztere durch Öffnung des Schalters 22 und Schließung des Schalters 23 von Empfang
auf Senden umgeschaltet, die gegenläufige Abtastung der Laufzeitkette 20 gestartet
und die Rückstellung des Abtas-torgans 15 in die mit ausgezogenen Linien dargestellte
Ausgangsstellung vorgenommen wird. Die Station
A muß zu dieser
Zeit auf Empfang geschaltet werden (Schalter 7 auf, Schalter 8 zu, Start des Abtasters
10). Nach der Übertragung der von der Station B kommenden zeitgerafften Signale
zur Station A muß wieder der in Fig. lb gezeigte Schaltzustand hergestellt werden.
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Zur Synchronisation der von der Station A aus gerufenen Station B
kann der Anfang der von der Station ausgesandten zeitgerafften Signale benutzt werden,
wenn diese stets zu einem vorgegebenen Zeitpunkt beginnen. Hierzu ist zweckmäßig
von der Niederführungsleitung der Antenne 6 eine Fühlerleitung 25 zu der Steuerzentrale
24 geführt, welche die Ankunft eines komprimierten Signals von der Station A und
alle weiteren von dieser Station kommenden Signale meldet und dadurch den Takt der
Steuer zentrale 24 festlegt. Auch für die Steuerzentrale 13 der Station A ist eine
derartige Fühlerleitung 26 vorgesehen, welche dann benötigt wird, wenn die Station
B die Station A ruft und diese somit von der Station B aus synchronisiert werden
muß.
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Es kann aber z.B. bei Verkehr zwischen einer festen und mehreren mobilen
Stationen, stets ein und dieselbe Station zur Synchronisierung herangezogen werden,
wodurch die zur Synchrostation benötigten Taktgeber nur einmal erforderlich sind.
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Anstelle der Synchronisation der. Station B durch den Anfang des von
der Station A ausgesandten zeitgerafften Nutzsignals können zusätzlich zu der von
A nach B zu übertragenden Information den zeitgerafften Signalen ein oder mehrere
Synchronisierzeichen beigefügt sein. Die Fühlerleitung 25, 26 bzw. die Steuereinrichtungen
24 und 13 sind in diesem Fall m!reckmaßig so ausgelegt, daß sie selektiv nur die
speziellen Synchronisierzeichen übertragen bzw. auswerten.
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Wenn es bekannt ist, wie viele Einzelsignale innerhalb einer Signalperiode
von einer Station zur anderen übertragen werden, kann die Umschaltzeit der gerufenen
Station B vom Empfang auf Senden dadurch besonders klein gehalten werden, daß in
der gerufenen Station eine Zahlachaltung betätigt wird, vrelche bereits
beim
Eintreffen des zahlenmäßig vorbekannten Signals die Umschaltung vom Senden auf Empfang
vornimmt und den Hochfrequenzsender hochtastet. Während einer laufenden Verbindung
so'l zweckmäßig die Sendeperiodendauer konstant gehalten werden, wenn besonders
einfache Synchronisiervorgängc benutzt worden sollen. Es kann aber auch z.B. zur
besseren Geheimhaltung eine in gevJissem Umfang variable Sendeperiodendauer vorgesehen
werden, vor allem dann, wenn die für die Signalübertragung zur Verfügung stehende
Zeit nicht voll ausgenutzt wird.
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Zur Erzielung einer sicheren Signalübertragung ist es zweckmäßig,
die Senderspitzenleistung gegenüber dem Simplexverkehr um etwa den reziproken Zeitraffungsfaktor
zu erhöhen.
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Zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der in den Fig. la und 1b
dargestellten Stationen ist in Fig. 2 ein Zeitdiagramm gezeichnet, wobei im einzelnen
von folgenden Voraussetzungen ausgegangen ist: Periodendauer: 8 msec (Zeit zwischen
t1A und t3A).
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Kontinuierliche Bit-Folge: 7 k bit/sec.
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Bitzahl in 8 msec: 56.
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Bit-Folge nach der Zeitraffung: 16 k bit/sec.
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Dauer eines zeitgerafften Bündels: 3,5 msec.
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Entfernung der Gegenstation: 0 bis 50 km.
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Funkfeldlaufzeit Atl: 0 bis 0,167 msec.
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Nach der ersten Zeitachse ergeben sich somit am Ausgang von A mit
einer Periode mit 8 msec aufeinanderfolgende Bündel mit je 56 bit, deren Dauer (tlA
bis t2A) 3,5 msec beträgt. Der Ab7 stand vom Beginn des einen Bündels bis zum Beginn
des nuchstenS Bündels ist 8 msec. Am Eingang von B treffen diese Bündel um die Funklaufzeit
btl verschoben, also maximal 0,167 msec später ein, wenn eine maximale Entfernung
von 50 km zugelassen wird. Da die Dauer eines Bündels (t?n bis t2A) zu 9,5 msec
angenommen
ist, stehen unter Zugrundelegung der maximalen Funkfeldlaufzeit von 0,167 msec mindestens
0,333 msec als Umschaltzeit zur Verfügung. Dabei ist zu berücksichtigen, daß bei
Zählung der innerhalb eines Bündels maximal enthaltenen 56 Bit bei der Empfangsstation
bereits beim Einlaufen des 56. Bit der Sender der Empfangsstation getastet werden
kann. Hierzu wird eine Zählschaltung verwendet, die bei Erreichen der Zahl 56 den
Sender hochtastet. Diese Umschaltzeit, in der auch die Filter-Einschwingvorgänge
berücksichtigt sind, ist auf der dritten Zeitachse mit #tuB bezeichnet, sie schwankt
zwischen 0,5 und 0,333 msec je nach der Entfernung zwischen rufender und gerufener
Station. Zur Zeit t1B ist mit Sicherheit die Signalübertragung von der Station A
zu Station B abgeschlossen; es kann also die Station B die Aussendung gegebenenfalls
zeitlich komprimierter Signale durchführen, deren maximale Dauer wiederum 3,5 msec
betragen kann (t13 bis t2B). Diese Signale kommen, wie in der vierten Zeitachse
dargestellt, nach der Funklaufzeit #tl bei der Station A an. Dort steht eine Zeit
#tx - tuA (= mindest.Umschaltzeit von A) zur Verfügung, so daß auch die Station
A z.Zt. t3A nieder mit der Aussendung eines Bündels (t3a. bis t4A) beginnen kann.
Dieses trifft bei der Station B zur Zeit t3A ein und der Abstand zwischen ti XÄ
und tvA beträgt genau 8 msec. Die Stirnsciten der Bündel können somit, da sie stets
8 msec voneinander entfernt sind, zur Synchronisation der Station 3 benutzt werden
und es ist sichergestellt, daß die Nachrichtenübertragung von der Station A zur
Station B und umgekehrt von der Station B zur Station A, also Duplexverkehr, ohne
gegenseitige Störungen möglich ist. Die signaifreien Zeitraume, also z.B. die Zeit
zwischen t2A und t3A, müssen mindestens so groß gehalten werden, wie die Dauer der
zeitgerafften Signale (tlA bis t2A) plus der doppelten Laufzeit und einschließlich
benötigter Umschalt- und Einsch\ingseiten AtuB und AtuA in beiden Stationen beim
Übergang vom Senden auf Empfang.
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Wird anstelle der in Fig la und ib g<.zeichneten Funkverbindung
eine
leitungsgebundene Übertragung vorgesehen, so sind die auf diesen Leitungen benötigten
Laufzeit anstelle der Funklaufzeit zu berücksichtigen.
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Wenn man die Sendepausen der Stationen A und B vernachlässigt, was
bei hinreichend langer Periodendauer zulässig ist, wird die jeweils übertragene
Bitzahl/sec etwa verdoppelt. Auf die radiofrequente Kanal breite und somit den Rasterabstand
hat dies nur wenig Einfluß, da die Frequenzkonstanz und die Zrlischenfrequenz-Filterflanken
den-größten und praktisch konstanten Anteil beitragen, und da bei guter Zeitregeneration
nach dem Empfänger die Digitnl-Signalübertragung gegen Verzerrung relativ unempfindlich
ist. Die doppelte Signalkanalbreite wurde jedoch den Rauschabstand um 3 dB mindern,
wenn man mit gleicher Sendeleistung wie beim üblichen Simplexverkehr arbeitet.
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Der rasche Wechsel der Sendeperiode ist jedoch hinreichend schnell
gegen die thermische Zeitkonstante auch einer Transistor-Endstufe, so daß man aus
den im allgemeinen bestimmenden thernischen Gründen bei gleicher Dauerleistung die
Sendeleistung für die Bitgruppe verdoppeln kann, und somit keinen Verlust im Rauschabstand
im Duplexverkehr erhält.
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Wenn man bei Funkübertragung Mehrwegeausbreitungen einbezieht, die
eine Ubertragung hoher Bitraten unsicher machen können, so lassen sich auch diese
Schwierigkeiten im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung beseitigen. Es sei zoB.
angenommen, daß 4 k Bit/sec unter allen vorkommenden Verbindungen noch fehlerfrei
regeneriert erden können. Für die im Zusammenhang mit Fig. 2 gemachten Voraussetzungen
wird nun folgendermaßen vorgegangen: Das Zeitschema nach Fig. 3a bis 3f zeigt schematisch
eine Laufzeitkette 30, deren Laufzeit 2 msec betrage. Die kontinuierliche Bitfolge
von 8 msec Dauer mit den vier gleichgroßen Teilen N1 bis N4 wird in vier Kanäle
aufgeteilt, wobei, wie in Fig. 4 gezeigt, jeder der Kanäle K1 bis K4 Bündel N1'
bis N4'
von 4 msec Dauer zu übertragen hat. Im einzelnen wird hierzu
folgendermaßen vorgegangen: Die Laufzeitkette 30 wird von einem ersten Abtas-torgan
KA1 in gleicher Richtung wie. die einlaufende Bitgruppe abgetastet (ton links nach
rechts), und zwar so, daß für das Durchlaufen der halben Laufzeitkette 30 durch
das Abtastorgan KA1, d.h.
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bis das Abtastorgan KAi von der Stellung nach Fig. 3a in die Stellung
nach Fig. 3c gelangt, gerade 4 msec vergehen; in dieser Zeit hat das von der Leitung
31 kommende Signal das Abtastorgan KA1 mit seinem ersten Teil N1 überholt, d.ho
daß das vom Abtastorgan KAl abgenommene, in Pig. 4 mit N1 bezeichnete Signal die
Information des Teilbereiches N1, jedoch auf 4 msec verteilt, enthält. Wenn das
Abtastorgan KA1 ein Viertel der Verzögerungsleitung 30 durchlaufen hat, wird am
Anfang der Verzögerungsleitung 30 das Abtastorgan KA2 angeschaltet und läuft ebenfalls
entlang der Verzögerungsleitung 30 (Fig.3b).
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In Fig. 3c, wo das Abtastorgan KA2 bereits von der Hälfte des Informationsteils
N2 überholt ist, wird ein drittes Abtastorgan KA3 an den Beginn der Verzögerungsleitung
30 angeschaltet, während gleichzeitig das Abtastorgan KAi, welches bereits den gesamten
Inhalt des Nachrichtenteils N1 abgenommen hat, abgeschaltet wird.
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In Fig. 3d hat KA2 die Mitte der Verzögerungsleitung 30 erreicht und
wird abgeschaltet, dafür wird KA4 angeschaltet. Der Vorgang setzt sich entsprechend
fort, wie in Fig. 3e und 3f dargestellt, und insgesamt entsteht bei den Kanälen
K1 bis K4 die in Fig.4 gezeichnete zeitliche Verteilung, d.h. es bilden sich vier
jeweils um 2 msec überlappende Bündel von 4 msec Dauer. Wird nun das Bündel N1'
im Kanal K1 nach Fig. 4 um 6 msec, das Bündel N2' im Kanal K2 um 4 msec und das
Bündel N3' im Kanal 3 um 2 msec verzögert, so entstehen in den Kanälen K1 bis K4
vier zeitlich gleichliegende Bündel von je 4 msec, die ebenfalls, wenn auch in vier
getrennten Kanälen, gleichzeitig übertragen werden können. Damit sind Schwierigkeiten
vermieden,
die bei der Übertragung zu hoher Bitraten auftreten können. Die Übertragung dieser
Bündel selbst erfolgt analog der in Fig. la und 1b sowie Fig. 2 beschriebenen Weise,
wobei lediglich statt des dort gezeichneten einzigen Bündels vier-iJu verschiedenen
Kanälen liegende, z.B. durch Frequenzdiversity trennbare, Bündel übertragen werden.
Die Rückumsetzung in die ursprüngliche Bitfolge geschieht dabei wieder durch entsprochend
gegenläufige Abfrage und Zeitverschiebung.
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Komprimiert man bei der Anordnung nach Fig. 1 die Bitfolge zeitlich
so, daß die Sendezeit von A jeweils unter Berücksichtigung der doppelten Lauf zeit
und der Umschaltzeiten nur etvra ein Viertel der Gesamtperiode ausfüllt, so hat
der Sender in 13 die Möglichkeit, je ein weiteres Viertel der Periode zum Senden
von B nach einer dritten Station C zu benutzen, so daß also auch ein Relaisstellenduplexbetrieb
auf ein und derselben Radiofrequenz möglich ist.
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Die in diesen Beispielen genannte Zahl von max. 50 km stellt keine
Grenze der Reichweite dar, sondern läßt sich je nach Zeit kompression und Periodendauer
beliebig erweitern. Sollte jedoch einmal eine gewählte Maximalreichweite überschritten
erden, so läßt sich ohne weiteres die Anlage im Simplexbetrieb noch über laufzeitmäßig
unbegrenzte Reichweiten betreiben 14 Patentansprüche 4 Piguren