DE2033017A1 - Vorrichtung zum Empfang mehrerer Eingangssignale gleicher Frequenz - Google Patents

Description

Anmelderint *Stuttgart, den 1. Juli 1970

Baytheon Company P 2Ή1 S/kg

Lexington, Mass., V.St.A.

Vorrichtung zum Empfang mehrerer Eingangssignale gleicher Frequenz

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Λ

Empfang mehrerer Eingangssignale gleicher Frequenz, jedoch mit unbekannten und veränderlichen Phasendifferenzen, insbesondere zum Raum- oder Frequenz-Diversity-Empfang, mit mehreren, je.einem der Eingangssignale zugeordneten Kanälen, deren Ausgangssignale einem gemeinsamen Addier_er zugeführt werden und von denen jeder Kanal einen ersten Mischer zur Überlagerung des entsprechenden Eingangsaignales mit dem Ausgangssignal des Addierers, ein dem ersten Mischer nachgeschaltetes Filter und einen an das Filter angeschlossenen zweiten Mischer zur überlagerung des entsprechenden Eingangssignales mit einer vom Filter ausgewählten Komponente des Ausgangssignales des ersten Mischers umfaßt· 00 988 7/13 79

Die vorliegende Erfindung befaßt sich demnach mit einer Vorrichtung zur Verarbeitung von Signalen, die auf ein ankommendes Signal anspricht und ein Ausgangssignal liefert, das unabhängig von der Phasenlage des Eingangssignales ist, jedoch in einer bestimmten Beziehung zum Eingangssignal steht. Signalverarbeitende Vorrichtungen dieser Art werden insbesondere in Verbindung mit Diversity-Empfängern verwendet, die eine Vielzahl von Einrichtungen aufweisen und die so geschaltet sind, daß sie ankommende Signalenergie über Zuleitungen von Antennen empfangen, die entweder räumlich voneinander entfernt sind oder voneinander verschiedene Charakteristiken aufweisen, durch die sie sich in ihrem Ansprechverhalten unterscheiden·

Häufig ist es wünschenswert, an zwei oder mehr Stellen ankommende Signale in einer Weise zu vereinigen, die die Abgabe einer maximalen Signalleistung an eine Last ermöglicht. Es ist jedoch im allgemeinen schwierig, diese Signale so zu verarbeiten, daß die Abgabe der maximalen Signalleistung an die Last gewährleistet ist» Diese Schwierigkeit ergibt sich teilweise aus der Tatsache, daß die Phasenlagen der Hauptfrequenzen eines gegebenen Spektrums oder der Träger der knkommenden Signale im allgemeinen voneinander unabhängig sind» Deshalb liefert eine Addition von zwei oder mehreren solcher Signale eine Ausgangsspannung, deren Amplitude von der Vektorsumme der ankommenden Signale abhängt, und ergibt ein Ausgangs signal,, das sich als Funktion der Phasenlagen und Amplituden der ankommenden Signale ändert. Wenn beispielsweise Signale addiert verdenk die

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von Jeder einzelnen einer Mehrzahl von Antennen erhalten werden, hängt die übertragene Leistung ab von der relativen Lage jeder Antenne zum Sender· Auch wird bei einem Antennenfeld die räumliche Anordnung der Elemente wichtig, so wie es bei einer akustischen Anlage die räumliche Verteilung der Wandler ist. In anderen Fällen ' kann sich das übertragende Medium ändern und zu unerwünschten Phasendifferenzen zwischen den ankommenden * Signalen führen, die miteinander kombiniert werden ' sollen. Während unter bestimmten Bedingungen Phasen- {

abweichungen korrigiert werden können, so daß die übertragung einer maximalen Signalleistung an die Last möglich ist, die beispielsweise ein Diversity-Empfanger sein kann, können sich in anderen Fällen das übertragende Medium und die Richtung zum Sender in einer Art und Weise ändern, die solche Phasenkorrekturen schwierig, wenn nicht unmöglich macht·

Es ist deshalb erwünscht, getrennte Signale mit differierender Phasenlage so zu vereinigen, daß eine maximale Leistungsübertragung an eine Last unabhängig von der Phasenlage der ankommenden Signale erzielt wird. Es ist außerdem erwünscht, modulierte Signale einer gemein- " samen Quelle zu kombinieren, um eine maximale 'Ausgangsleistung zu erzielen, wenn die Signale von einer Vielzahl von Antennenelementen empfangen werden. In anderen Fällen ist es erforderlich, bei einer Frequenz-Diversity-Übertragung die Signale von einer Vielzahl von Antennen·* elementen in wirksamer Weise zu kombinieren· Schließlich kann es wünschenswert sein, in wirksamer Weise einzelne Signale zu kombinieren, die dieselbe Information enthalten, unabhängig von der Art der übertragung und des Empfanges·

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Bisher ist es üblich gewesen» die Kombination nach der Demodulation vorzunehmen,, um die oben erwähnten Signal- übertragungsfunktionen zu erhalten und gleichzeitig, den Rauschempfang zu vermindern» Wenn -jedoch vor der Demodu lation das Signal- Rausch-Verhältnis so groß ISt₁ daß das Rauschen den Demodulationsvorgang beeinträchtigt, dann ergibt die Kombination nach der Demodulation nicht mehr die maximale Signalleistung· Durch ein® Kombination der Signale vor der Demodulation können zwar die mit der Kombination nach der Demodulation zusammenhängenden unerwünschten Ergebnisse vermieden werden,, jedoch erfordert die Kombination vor der Demodulation, daß die zu kombi- nierenden Signale zu jedem gegebenen Zeitpunkt auein- ander in Phase sind. Deshalb ist dieee Art der Kombination häufig nur schwierig zu erzielen und erfordert ein® komplexe Schaltung, die in der Lage iet, Phasenäifferea- zen zwischen den Trägern zu kompensieren· Während auf diese Weise kombinierte Signale ein günstiger©$ Signal- Rausch-Verhältnis am Eingang des Demodulators ®rgeb®n$ führen die Schwierigkeiten der Einstellung auf di© je weiligen Phasendifferenzen zwischen den Signalea %n einem komplexen Aufbau.,, der häuf ig "eine AnzBhl von ■■ ■ Phasenvergleichs- und Rückkopplungs-Hegeleinrichttmgen umfaßt. Wenn beispieleweise vier Signale kombiniert wer=·" den sollen, ist es im allgemeinen erforderlieh₉ mindestens drei Gegenkopplungssysteme vorzusehen^ um die Phasen.« differenzen von dreien der ankommenden Signale in bezug auf das eine der Signale herabzumindern·

Vielfach ist ein verbessertes Signalverarbeitungseystem - erwünscht, bei dem die Phasendifferenzen zwischen einer

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Vielzahl von ankommenden Signalen kompensiert oder vernachlässigbar klein gemacht werden können, damit diese Signale zu einem Ausgangssignal kombiniert werden können, das die damit verbundenen erwünschten Eigenschaften aufweist und insbesondere für eine Kombination vor der Demodulation geeignet ist· Diese verbesserten Signaleigenschaften sind beispielsweise das Signal-Rausch-Verhältnis , der Formfaktor usw.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein *

verbessertes Signalverarbeitungssystem zu schaffen, bei dem die Phasendifferenzen zwischen ankommenden Signalen wirksam kompensiert oder vernachlässigbar klein gemacht werden, so daß Ausgangssignale gleicher Phasenlage erzeugt werden, die besonders zur Kombination vor der Demodulation geeignet und im wesentlichen von der Phasenlage der ankommenden Signale unabhängig sind. Diese Anordnung kann zweckmäßig als System zum Eliminieren von Phasendifferenzen oder zur Phasenisol^- tion durch Synthese (synthetic phase isolator) bezeichnet werden.

Es ist bereits ein System zum Eliminieren von Phasen- f

differenzen oder zur Phasenisolation durch Synthese vorgeschlagen worden ( Patentanmeldung P 15 91 408.6-35), bei dem nicht wie bei den oben behandelten, bekannten Vorrichtungen an den Ausgängen von paarweise einander zugeordneten Kanälen Phasenvergleiche angestellt und von diesen Phasenvergleichen Steuersignale zur Regelung der Frequenz von Oszillatoren abgeleitet werden, die zur Erzeugung von Uberlagerungsfrequenzen dienen, sondern es

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wird für jedes eintreffende Signal ein künstliches Signal erzeugt, das die gleiche, jedoch entgegengesetzte Phasenlage wie das eintreffende Signal auf» weist· Die überlagerung eines jeden dieser künstlichen Signale mit dem Eingangssignal ergibt resultierende Signale, die die gleiche Phase haben und infolgedessen von den eintreffenden Signalen isoliert sind. Die künstlichen Signale werden durch Mischen eines gemeinsamen Signales mit jedem der eintreffenden Signale erzeugt. Diese Signalverarbeitung wird als synthetisch© oder künstliche Phaaeniaolation bezeichnet®

Dieser ältere Vorschlag macht von einer Technik zur Signalverarbeitung vor der Demodulation Gebrauch, die in sofern regenerierend ist, als daß sie Signale mit einer Zwischenfrequenz aufnimmt- und auf eine neue Zwischenfrequenz verschiebt» Hierin liegt für einige Anwendungen ein Nachteil, weil eine solche Erequenzverschiebung nicht für alle Anwendungszwecke brauchbar ist«

Die oben erwähnte Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art jeder Kanal außerdem einen an dessen Eingang angeschlossenen 9O°~Phaaenschieber, eine an den Phasenschieber angeschlossene, aus einem dritten Mischer, einem zweiten Filter und' einem vierten Mischer bestehende Schaltungsanordnung, in der das um 90° phasenverschoben© Eingangssignal in der gleichen Weise verarbeitet wird wie das ursprüngliche-Eingangssignal in der den ersten Mischer, das Filter und den zweiten-Mischer umfassenden Schaltungsanordnung, und daß die Ausgänge der beiden Schaltungsanordnungen mit einem Addierer verbunden sind, dessen Auegangesignal dem allen Kanälen gemeinsamen Addierer zugeführt wird·

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Bei der vorliegenden Erfindung findet auch eine künstliche Phasenisolation statt, jedoch wird die bei dem älteren Vorschlag vorhandene unerwünschte Frequenzverschiebung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch eliminiert, daß die Phase der Trägerfrequenz geändert wird. Ähnlich wie bei dem älteren Vorschlag können Frequenzunterschiede zwischen»zwei Kanälen bis zu der Grenze korrigiert werden, die durch die Filterbandbreite gegeben ist·

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen im wesentlichen darin, daß 1· die Bandbreite des regenerativen Kreises oder des Kreises, der die Änderungsgeschwindigkeit der Phase steuert, durch einen Tiefpaß bestimmt wird, der im Gegensatz zu einem RLG-Filter leicht änderbar istf 2· das System bei Frequenzen van O Ez regenerativ ist, Frequenzfehler, sofern sie auftreten, als niederfrequente Signale in dem Verarbeitungskanal mit dem Wert der Frequenzdifferenz zwischen Eingangsund Ausgangssignal entstehen, so daß diese Information für eine automatische Frequenzsteuerung benutzt werden kann, weil nicht nur die Frequenz, sondern auch der Sinn der Abweichung festgestellt werden kann, und 4·» die ä

Vorrichtung in Verbindung mit vorhandenen Empfangern benutzt werden kann, ohne daß irgend welche Abänderungen nötig wären, weil keine Frequenzverschiebung eintritt.

Die oben behandelten Vorteile werden also bei einer Vorrichtung erzielt, die Mittel zum Empfang von Informationen tragenden EingangsSignalen mit wechselnden Phasendifferenzen aufweisen und bei denen an diese zum Empfang dienenden

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Mittel zwei Schaltungsanordnungen angeschlossen sind, von denen jede Mittel zur Überlagerung^ Kombination und Filterung von Signalen enthält und Ausgangesignale liefert, die die genannte Information enthalten, während die Phasendifferenzen der Ausgangssignale im wesentlichen unabhängig von den Ausgangs Signalen ist«, Außerdem ist die Frequenz dieser Ausgangssignale gegenüber der Frequenz der Eingangssignale unverschoben# Ferner sind Hückkopplungsmittel vorgesehen, die von den AusgangsSignalen gespeist werden und für die eine regenerative Schleife nur bei etwa O Hz besteht. Diese Schleife enthält Mittel zur überlagerung der die Information enthaltenen Signale mit den genannten EingangsSignalen®

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung au entnehmen, in der die Erfindung anhand dee in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben, und erläutert wird. Die der Beschreibung und der Zeichnung au entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformender Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in "beliebiger Kombination Anwendung finden® Die Zeichnung zeigt das Blockschaltbild einer ¥orri©htuag naeh der Erfindung.

Die in der Zeichnung als Ausführungsbeispiel dargestellt® Vorrichtung weist mehrere Kanäle 1, 2_% 3 ·«,. I auf, die durch gestrichelte Blöcke 12 angedeutet sind© Jedem der Kanäle 1 bis N wird auf einer Eingangsleitung 14 ein Eingangssignal zugeführt· Jeder Kanal 12 umfaßt zwei .Wege 16 und 18· Das Eingangssignal auf der Leitung

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wird dem Weg 16 über einen ersten Mischer 20 zugeführt, der eine Vervielfacherfunktion ausübt, wie es später noch beschrieben werden wird. Das Ausgangssignal des ersten Mischers 20 wird einem Tiefpaß 22 zugeführt, dessen Ausgangssignal zu einem zweiten Mischer 24 gelangt. Das Eingangssignal auf der Leitung 14 wird dem zweiten Mischer 24 auch direkt zugeführt. Das Ausgangssignal des zweiten Mischers 24 wird einem Addierer 26 zugeführt. Dem Weg 18 wird das Eingangssignal über einen Phasenschieber 28 zugeführt, der dem auf der Leitung 14 ein- i treffenden Signal eine Phasenverschiebung von -90° aufprägt. Das um -90° verschobene Signal wird dann einem dritten Mischer 30 zugeführt, der in der gleichen Weise arbeitet wie die beiden Mischer 20 und 24 des ersten Weges 16. Das Ausgangssignal des dritten Mischers 30 wird einem liefpaß 32 zugeführt, dessen gefiltertes Ausgangssignal einem vierten Mischer 34 zugeführt, wird. Dem vierten Mischer 34 wird das um -90° phasenverschobene Signal auch unmittelbar zugeführt· Das Ausgangssignal des vierten Mischers 34 wird in dem Addierer 26 mit dem Ausgangssignal des zweiten Mischers 24 kombiniert.

Jeder der Kanäle 12 hat den gleichen Grundaufbau, wie I

er bezüglich des Kanales 1 beschrieben worden ist. Die Ausgangssignale der Addierer 26 aller Kanäle 1 bis N werden einem Addierer 36 zugeführt, in dem sie alle kombiniert werden. Das Ausgangssignal dieses weiteren Addierers 36 wird einem Verstärker 38 mit automatischer Verstärkungsregelung zugeführt· Um das Ausgangssignal des Verstärkers 38 konstant zu halten, ist ein Gleich-· richter 40 in einer Rückkopplungsschleife vorgesehen, die den Ausgang des Verstärkers 38'mit dessen Eingang

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verbindet. Das Ausgangssignal des Verstärkers 38 wird als Rückkopplungssignal vom Punkt K den ersten und dritten Mischern 20 bzw. $0 in jedem der Kanäle 1 bis N zugeführt· Wie ersichtlich, führen vom Punkt K Verbindungen zu den entsprechenden Mischern 20 und 30 jedes der Kanäle 1 bis N.

Jeder der Kanäle 1 bis H arbeitet in solcher Weise, daß das von jedem der Kanäle 1 bis H dem gemeinsamen Addierer 36 zugeführte Ausgangssignal im wesentlichen die gleiche Frequenz aufweist wie das auf der Leitung 14 abgeführte' Eingangssignal«, Das auf der Leitung 14- zugeführte Eingangssignal kann beispielsweise durch die Gleichung

Acosfa^t +0) (1)

wiedergegeben werden» Ferner sei angenommen, daß das Ausgangssignal dee gemeinsamen Summierers 36 die form

Bcos^t (2)

hat. Das Ergebnis der im ersten Mischer 20 stattfindenden Überlagerung ist ein Signal, das den Signalamplituden und den Phasendifferenz^!! proportional ist, nämlich

Ab[cos 0 + cos (2W₁* + 0)]» ' ■ * . (5).

Wegen der Phasenverschiebung von -90°', die durch den Phasenschieber 28 bewirkt wird, ist das des dritten Mischer zugeführte Signal·

Aeinfc^t + 0). . (4)

Das Ausgangssighal des dritten Mischer® 50 ist ebenfalls den Signalamplituden und den Phasendifferenzen proportional, ist jedoch wegen der Phasenverschiefeiaag folgende Gleichung gegeben

AB [sin 0 + sin (2^t + 0)]..

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Infolgedessen ist das Eingangssignal in zwei Teile zerlegt, nämlich in den Teil "ursprüngliche Phase" und den Teil "verschobene Phase"· Der Teil "ursprüngliche Phase" nach Gl.(3) wird dem einen Tiefpaß 22 zugeführt, während der Teil "verschobene Phase" nach Gl.(5) dem zweiten Tiefpaß 32 zugeführt wird.

Das Ausgangssignal des Tiefpasses 22 ist -

ABcos0, . (£) j

wogegen das Ausgangssignal des anderen Tiefpasses 32 ABsin0 (7)

ist. Das Ausgangssignal des Tiefpasses 22 nach Gleichung (6) wird in dem zweiten Mischer 24 zusammen mit dem auf der Leitung 14 zugeführten ursprünglichen Signal nach Gl,(1) gemischt. Entsprechend wird auch das Ausgangssignal des zweiten Tiefpasses 32 nach Gl.(7) in dem vierten Mischer 34 mit dem um -90° phasenverschobenen Eingangssignal nach Gl.(1) gemischt. Durch die Mischung in dem zweiten bzw. vierten Mischer 24 bzw. 34 entstehen die Mieehprodukte

A²B JcOs(V,, t + 2 0) + COs(A^t)] (8)

und ·.-".■■

- cos(6>,,t + 2 0)], (9)

die dem Addierer 26 dieses Kanales zugeführt werden. Durch die Addition im Addierer entsteht ein Ausgangssignal, das die gleiche Frequenz wie das Eingangssignal nach.Gl-.(1) hat. Bei diesem Vorgang wurde eine quadratische Bewertung des Verhältnisses (ratio squard weighting^ angewandt. In dem gemeinsamen Addierer 36 werden die phasenverschobenen Signale aus den Kanälen 1 bis N miteinander addiert. Das Ausgangssignal des gemeinsamen Addierers 36 wird, dem der automatischen Verstärkungs-

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regelung dienenden Verstärker 38 zugeführt, dessen Amplitude mit Hilfe des Gleichrichters 40 konstant gehalten wird, der in einer Rückkopplungsschleife vorgesehen ist. Das Ausgangssigbal des Verstärkers 38 wird als Rückkopplungs- oder Mischsignal den beiden Mischern 20 und 30 jedes Kanales zugeführt, um' das Eingangssignal zu liefern, das für die gewünschte Überlagerung oder Multiplikation in jedem dieser Mischer oder Vervielfacher benötigt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung modifiziert demnach das eintreffende Signal durch eine Änderung der Phase des Trägers. Die Geschwindigkeit, mit der die Phase des Trägers geändert werden kann, ist durch die Bandbreite der beiden Tiefpässe 22 und 32 bestimmt. Wenn die Änderung des Phasenwinkels pro Sekunde groß wird, findet eine Frequenzkorrektur statt. Eine solche Korrektur ist nötig, wenn die eintreffenden Signale in ihrer Frequenz leicht voneinander abweichen. .Es ist möglich, die Frequenzdifferenzen zwischen zwei und mehr Kanälen bis zu der Grenze zu korrigieren, die durch die Filterbandbreite bestimmt ist. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung bestehen darin, daß die Eingangsfrequenz im wesentlichen gleich der Ausgangsfrequenz ist und das System nur bei Frequenzen von oder nahe 0 Hz regenerativ ist»

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß Frequenzfehler, sofern sie existieren,, nur als Niederfrequenzsignale in den Verarbeitungskanälen auftreten. Diese Information kann für eine automatische Frequenzregelung benutzt werden, weil nicht nur die Frequenz, sondern auch die Richtung der Abweichung bestimmt

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werden kann. Da keine Frequenzverschiebung stattfindet, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter in Verbindung mit bestehenden Empfängern benutzt werden, beispielsweise solchen, bei denen die letzten Demodulatoren eine Zwischenfrequenz von 70 MHz benutzen, ohne daß.eine Modifikation notwendig wäre.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einer Vielzahl von Systemen Anwendung finden. Ein solches System ist beispielsweise ein im Bereich der Troposphäre abtastendes System. -

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Claims (2)

1. - 14 -

   Patentansprüche

   Vorrichtung zum Empfang mehrerer Eingangssignale gleicher Frequenz, jedoch mit unbekannten und veränderlichen Phasendifferenzen, insbesondere zum Raum- oder Frequenz-Diversity~Empfang_f mit mehreren, je einem der Eingangssignale zugeordneten Kanälen, deren Ausgangssignale einem gemeinsamen Addierer zugeführt werden und von denen jeder Kanal einen ersten Mischer zur Überlagerung des entsprechenden Eingangssignales mit dem Ausgangssignal des Addierers, ein dem ersten Mischer nachgeschaltetes Filter und einen an das Filter angeschlossenen zweiten Mischer zur Überlagerung des entsprechenden Eingangssignales mit einer vom Filter ausgewählten Komponente des Ausgangssignales des ersten Mischers umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal außerdem einen an dessen Eingang angeschlossenen 9O°-Phasenschieber (28), eine an den Phasenschieber (28) angeschlossene, aus einem dritten Mischer (30), einem zweiten Filter (32) und einem vierten Mischer (34) bestehende Schaltungsanordnung, in der das um 90° phasenverschobene Eingangssignal in der gleichen Weise verarbeitet wird wie das ursprüngliche Eingangssignal "in der den ersten Mischer (20), das Filter (22) und den zweiten Mischer (24) umfassenden Schaltungsanordnung, und daß die Ausgänge der beiden Schaltungsanordnungen mit einem Addierer (26) verbunden sind, dessen Ausgangssignal dem allen Kanälen gemeinsamen Addierer (36) zugeführt wird·

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2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurcli gekennzeichnet, daß die Filter (22 und 32) von Tiefpässen gebildet werden.

   3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des gemeinsamen Addierers (36) den ersten und dritten Mischern (20 bzw. 30) über einen geregelten Verstärker (30) mit geregelter Amplitude zugeführt wird·

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