DE2334428A1

DE2334428A1 - Verfahren zur codierten uebertragung von nutzsignalen

Info

Publication number: DE2334428A1
Application number: DE19732334428
Authority: DE
Inventors: Heinrich Adam; Rolf Liebschner
Original assignee: WESTDEUTSCHER RUNDFUNK
Current assignee: WESTDEUTSCHER RUNDFUNK
Priority date: 1973-07-06
Filing date: 1973-07-06
Publication date: 1975-01-23
Also published as: DE2334428B2; DE2334428C3

Description

WESTDEUTSCHER RUNDFUNK Köln, den 29. Juni 1973

Anstalt des öffentlichen Rechts Pat/Zi/Be. - Reg. 531

Verfahren zur codierten Übertragung von NutzSignalen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur codierten Übertragung von Nutzsignalen vorzugsweise von tonfrequenten Nachrichtensignalen.

Es besteht oft der Wunsch und die Notwendigkeit,Nachrichten verschlüsselt zu übertragen, insbesondere dann, wenn für Außenstehende die Möglichkeit besteht, sich in den Nachrichtenkanal einzuschalten, wie dies z. B. im UKW-Bereich bei der drahtlosen Übertragung zwischen Ü-Wagen und den Empfangsstellen der Außenstudios der Rundfunkanstalten der Fall ist. Hier besteht die Möglichkeit, die im Ü-Wagen aufgenommenen Beiträge, politische Erklärungen usw., mit Hilfe von UKW-Empfangsgeräten abzuhören, auch dann, wenn sie noch nicht zur Veröffentlichung · freigegeben sind.

Im Fernsprechdienst und anderen Nachrichtendiensten wird

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zur verschlüsselten Übertragung von Nachrichten bevorzugt die Puls-Code-Modulation angewendet, bei der das Nutzsignal mit einer Tastfrequenz P - 2 f , die größer als die höchste

^S ist zu übertragende Frequenz f des NutzsignalesVöüsgetastet

und die ausgetastete Folge von Analogsignalen nach erfolgter Quantisierung und Digitalisierung,vorzugsweise binar codiert, übertragen wird. Bei diesem Verfahren können gute Übertragungsqualitäten erzielt werden, wenn die Anzahl der Digitalstufen und damit der Bit-Raten genügend groß gewählt wird. Es erfordert jedoch einen hohen apparativen Aufwand sowie eine große Kanalbreite zur Übertragung der Codewörter und findet aus diesem Grunde nur im Fernsprechdienst Anwendung.

Ein anderes, bekanntes Verschlüsselungsverfahren besteht darin, daß die Nachricht im Stereobetrieb übertragen wird und zwar in der Weise, daß die Nutzinformation im oberen Stereofrequenzband übertragen wird, während die (L + R) X ·» Information gleich Null ist. Letzteres wird dadurch erreicht, daß R und L gleiche Information besitzen und um 180° phasenverschoben sind. Durch Verwendung einer neuen Pilottonfrequenz arbeiten normale Stereoempfänger trotz anliegendem komplexen Signal weiter im Monobetrieb , so daß bei exakter Symmetrierung keine Nutzinformation zu empfangen ist. Mit diesem Verfahren können bei Nachrichtensignalen mit einem Störabstand > 6OdB gute Übertragungsqualitäten erreicht werden. Es erfordert

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Jedoch eine, große Bandbreite, von der nur ein geringer Teil zur Übertragung des Nutzsignals dient. Durch die Verwendung einer neuen Pilotfrequenz werden Eingriffe in den apparativen Aufbau sowohl der Stereocoder als auch der bereits vorhandenen Ballempfänger unerläßlich, was mit erheblichen Kosten verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Codierungsverfahren für tonfrequente Nutzsignale (Nachrichtensignale) zu entwickeln, welches eine gute Verschlüsselung der Information des Nutzsignals, d. h. eine vollständige Unverständlichkeit der Information gewährleistet, wobei das ' codierte Nutzsignal ganz im Frequenzband des nicht codierten Nutzsignals liegen soll. Das. Nutzsignal soll durch die Codierung und Decodierung nicht zusätzlich verzerrt werden, d. h. seine Klirrfaktoren kp, k·* bei f = 5 kHz sollen nach der Decodierung k₂, k, = 1 % sein. Der apparative Aufbau der Codier- und Decodiereinrichtung soll handlich sein und einen geringen Aufwand erfordern.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß sendeseitig ein doppeltsymmetrischer, mit zwei um 180° gegeneinander verpolten, symmetrischen Eingängen ausgelegter, sowie mit der Schaltfrequenz F schaltender, elektronischer Analogschalter in der Weise aus dem gleichzeitig seinen beiden abwechselnd

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durchgeschalteten Eingängen zugeführten Nutzsignal U (f .t) ein aus dem oberen und unteren Seitenbandsignal U (F- f„).t seiner Schaltfrequenz F zusammengesetztes, die Nutzfrequenzen f_n verschlüsselt enthaltendes Signalgemisch erzeugt, daß er die Nullphase des Nutzsignales U (f .t) im Takte seiner Schaltfrequenz F zwischen 0° und 180° schaltet und daß ein gleichausgelegter und schaltender, empfangsseitiger Analogschalter dadurch in der gleichen Weise aus dem als codiertes Nutzsignal übertragenen, unteren Seitenbandsignal U (F-^_n) »"t wieder das ursprüngliche Nutzsignal U (f_n.t) abtastet, daß seine Schaltfrequenz F mit Hilfe einer aus der sendeseitigen Schaltfrequenz F abgeleiteten sowie phasenstarr mit dieser gekoppelten und zusammen mit dem unteren Seitenbandsignal U (F-f_n).t übertragenen Synchronisierfrequenz F^ konphas und synchron zur sendeseitigen

Schaltfrequenz F gesteuert wird.

Um sicherzustellen, daß das codierte Nutzsignal, d. h. das am Ausgang des sendeseitigen Analogschalters anliegende und nach Unterdrückung seiner oberen Seitenbandfrequenzen (F + f ) übertragene Zweiseitenbandsignal im Frequenzbereich des Nutzsignales liegt und damit auf dessen Übertragungsleitung übertragen werden kann, wird in weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens die Schaltfrequenz F des Analogschalters so bemessen,,daß die von ihr bei der Abtastung des Nutzsignales U (f .t) mit dessen Nutzfrequenzen f gebildeten Differenzfrequenzen (F-f ) ganz im Frequenzbereich des Nutzsignales bzw. seiner Übertragungsleitung liegen.

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Die Wirkungsweise des sowohl zur Codierung eines tonfrequenten Nutzsignals U (f_n.t) als auch zu dessen Decodierung verwendeten, doppelsymmetrischen mit der Schaltfrequenz F schaltenden, elektronischen Analogschalters besteht darin, daß er die theoretische Zeitfunktion eines idealen, mit der Trägerfrequenz F arbeitenden Gegentaktringmodulators realisiert. Diese ergibt sich daraus, daß, wie in der Abb. 1 dargestellt ist, die Nullphase des modulierenden, d. h. zu codierenden Nutzsignales U=U sin ω-t

(co = 2Tf) im Takte der Trägerfrequenz F bzw.^. = 2 λ F zwischen und 180° geschaltet, d. h. mit der Trägerfrequenz F wiederkehrend jeweils für deren halbe Periodendauer 1 : 2 F um 180° verdreht wird. Sie lautet allgemein, d. h. bei einem Nutz

signal U (f_n«"t) und- bei einem Verstärkungsfaktor k des idealen Ringmodulators

U (t) s ί , k (sinlU + 2 sin 3-TLt + 1 sin 5Üt + ...) U (f_.t)

bzw. bei Vernachlässigung der Oberwellen 3H » 5-Ω., ... (2η-1).Ώ der Trägerfrequenz 12

u'(t) = k . J . U (f . t) sinttft (2)

Sie ergibt einerseits bei dem in Abb. 1 dargestellten Nutzsignal U=U.. sinw t und mit A^ = £ . k . U das Zweiseiten-

B I je

bandsignal mit unterdrücktem Träger

U₁ (t) = 2 A₁ sinÄt. siniut (3)

= A₁ (cos φ. -ω )t - cos (Λ +w)t,) (4)

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dessen unteres Seitenbandsignal A .. cos (Jl - ca)t die Nutzfrequenzüj= 2*"f gut verschlüsselt enthält und daher als codiertes Nutzsignal verwendet wird.

Andererseits ergibt sie bei einem idealen zur Demodulation des unteren Seitenbandsignals A^ cos (Sl -Co)t verwendeten Gegentaktringmodulator, wenn dieser synchron und konphas zur unterdrückten Trägerfrequenz F schaltet, ein Zweiseitenbandsignal, das analog dem Gl (3) und(4) lautet

U₂ (t) = 2 A₂ cos-2-t.cos (-ß-ft>)t (5)

= A₂ (coswt - cos (2-Q-^)t) (6)

dessen unteres Seitenbandsignal A₂ cos cot das decodierte Nutzsignal ist.

Im Gegensatz zu den herkömmlichen^ aus induktiven Phasendrehgliedern aufgebauten und die in der Gl (1) angegebene ideale Zeitfunktion der 180° « Phasenschaltung des Nutzsignals nicht bzw. nur angenähert bei sehr tiefen Trägerfrequenzen F z. B. < 100 Hz erreichenden Gegentaktringmodulatoren stellt der erfindungsgemäß ausgelegte und schaltende, doppeltsymmetrische, elektronische Analogschalter den 180° - Phasenschaltwinkel und dessen sprunghafte Schaltung ohne induktive oder kapazitive Phasendrehglieder sowie unabhängig von der Schaltfrequenz F und dem Nutzsignal dadurch her, daß einerseits seine beiden

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Eingänge um 180° gegeneinander verpolt sind und er dadurch bedingt, über seinen einen Schaltkanal das unverpolte Nutzsignal U=U sin tot und über seinen zweiten Schaltkanal das um 180° verpolte Nutz signal U ' = - U = - U sincjt überträgt. Andererseits ist er ein elektronischer Wechselschalter mit extrem kleinen, praktisch vernaehlässigbaren Schaltzeiten von z. B. < 10 ns, der mit der Schaltfrequenz F wiederkehrend abwechselnd beide Eingänge bzw. Schaltkanäle auf den Ausgang durchschaltet und dadurch bedingt aus dem Nutzsignal U=U. sintot

(Abb.1) eine Folge von zeitlich unmittelbar aufeinander folgenden, in ihren Amplituden bzw. in ihrer Polarität abwechselnd vom unverpolten Nutzsignal U und von dem um 180° verpolten Nutz-

signal U «= - U modulierten bzw. bestimmten Analogsignalen (Rechtecksignalen) austastet, deren Zeitfunktion die in der Gl (1) angegebene ideale Zeitfunktion eines Gegentaktringmodulators erfüllt. Wird gemäß einem Merkmal der Erfindung der empfangsseitige Analogschalter konphas und synchron zu dem sendeseitigen als Coder verwendeten Analogschalter geschaltet, dann tastet er aus dem übertragenen unteren Seitenbandsignal . . wieder das ursprüngliche Nutzsignal aus, d, h. er

schaltet die wiederkehrenden 180° = Phasensprünge phasengerecht zurück.

Zur konphasen und synchronen Steuerung der Decodierung des in der beschriebenen Weise codierten Nutzsignales wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zusammen mit dem codierten Nutzsignal,

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d. h. mit dem aus dem Nutzsignal erzeugten unteren Seitenbandsignal (F - f ) eine phasenstarr mit der sendeseitigen Schaltfrequenz F gekoppelte und aus dieser vorteilhafterweise, z. B. durch digitale Frequenzteilung abgeleitete Synchronisierfrequenz F_ übertragen, mit der am Empfangsort, nach erfolgter s

Aussiebung aus dem zu decodierenden Nutzsignal, in bekannter Weise die Schaltfrequenz des empfangsseitigen Analogschalters oder deren Muttergenerator, z. B. ein Quarzoszillator, konphas und synchron zur sendeseitigen Schaltfrequenz F gesteuert wird. Um sicherzustellen, daß einerseits das Seitenfrequenzspektrum (F - f ) des codierten Nutzsignales (unteren Seitenbandsignales) ganz im Frequenzbereich f des Nutzsignales und dessen Übertragungsleitung liegt und andererseits das Nutzfrequenzband des decodierten Nutzsignales nicht nennenswert durch die Synchronisierfrequenz F_ eingeengt wird, wird vorzugsweise die Schaltfrequenz F an die obere Grenze f des Nutzfrequenzbandes f des zu codierenden Nutzsignales und die Synchronisierfrequenz F_ an die untere Grenze

(F - f ) des unteren Seitenfrequenzspektrums (F - f_n) des codierten Nutzsignales gelegt. Beispielsweise hat bei einer Trägerfrequenz F = 16 kHz und bei einer Synchronisierfrequenz F_ = 1 kHz die höchste übertragene und decodierte Nutzfrequenz f max. die Größe

f max. = F - F₃ = 15 kHz
bzw. sie liegt bei 13 kHz, wenn man die Flankensteilheiten der

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anhand der Abb.2 und 3 erläuterten Hoch- und Tiefpässe be= rücksichtigt, die sendeseitig zur Unterdrückung des oberen Seitenbandsignales (F + f_n) und empfangsseitig zur Aussiebung der Synchronisierfrequenz F_a und des unteren Seitenbandsignales

(F - f ) aus dem übertragenen Signal verwendet bzw. benötigt werden.

Die in der Abb.2 schematisch dargestellte Schaltungsanordnung zur Durchführung des beschriebenen Codierungsverfahren besteht im wesentlichen aus einem doppeltsymmetrischen, z. B. mit der Schaltfrequenz F = 16 kHz schaltenden, elektronischen Analogschalter 1 mit zwei symmetrischen, um 180° gegeneinander verpolten Eingängen und aus einem die Schaltfrequenz F liefernden Quarzoszillator 2, dessen Oszillatorfrequenz F = 128 kHz aus wirtschaftlichen und aus Stabilitätsgründen gleich dem η = 8-fachen der Schaltfrequenz F = 16 kHz bemessen ist. Aus der Oszillatorfrequenz F wird mit Hilfe eines vorzugsweise digitalen 1 : 8 Frequenzteilers 3 die Schaltfrequenz F = 16 kHz sowie über diesen und einen weiteren digitalen 1 : 16 Frequenzteiler 4 die Synchronisierfrequenz F = 1 kHz abgeleitet, wobei die digitalen Frequenzteilern 3 und 4 eine phasenstarre Kopplung der Synchronisierfrequenz F₂ = 1 kHz mit der Schaltfrequenz F = 16 kHz und der Oszillatorfrequenz F_Q = 128 kHz herstellen und gewährleisten. Das in der beschriebenen Weise aus der Oszillatorfrequenz F_Q =128 kHz bzw. aus der Schaltfrequenz F = 16 kHz abgeleitete und phasenstarr mit beiden Frequenzen gekoppelte

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Synchronisiersignal F = 1 kHz wird nach Passieren des Band- . passes 5 dem Verstärker 6 zur Einstellung seiner Amplitude und über diesen parallel zwei Addierstufen 7 und 8 zugeführt, die über je einen Hochpaß 9 und 10 den beiden Ausgängen des

nachgeschaltet/
Analogschalters 1 /sowie UDer je einen Tiefpaß 11 und 12 einem als Symmetrieverstärker ausgelegten Ausgangsverstärker 13 vorgeschaltet sind und in denen das Synchronisiersignal additiv dem codierten Nutzsignal überlagert wird. Die beiden Hochpässe 9 und 10 sind so ausgelegt, daß sie die in der Nähe der Synchronisierfrequenz F liegenden Frequenzanteile des codierten Nutzsignales (Ausgangssignales) unterdrücken und damit eine gute Synchronisation des empfangsseitigen Analogschalters 16 gewährleisten. Die beiden Tiefpässe 11 und 12 dienen zur Unterdrückung des oberen Seitenbandsignales (F + f ) des vom Analogschalter 1 erzeugten Zweiseitenbandsignales (F - f ), so daß das am Ausgang des Ausgangsverstärkers anliegende codierte Nutzsignal sich aus dem unteren Seitenbandsignal U ( (F - f ) t) und dem Synchronisiersignal F zusammensetzt.

Der Wirkung der beiden Hochpässe 9 und 10 kann durch zwei den beiden Eingängen des Analogschalters 1 vorgeschaltete Tiefpässe 14 und 15 ergänzt oder ersetzt werden., wenn diese so ausgelegt werden, daß sie in dem ihnen zugeführten Nutzsignal U (i_n«"t) die in der Nähe der Schaltfrequenz F = 16 kHz liegenden Nutzfrequenzen f unterdrücken,, d. h.. exakt ausgedrückt, diejenigen Nutzfrequenzen f unterdrücken, die größer als der Unterschiedsbetrag (F - F_) von Schalt- und Synchroni si er frequenz F - F_

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Bei dem in Abb.3 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Decodierung des codierten Nutzsignales U.( (F - f ) t) wird die Schaltfrequenz F = 16 kHz des sowohl in seinem Aufbau als in seiner Schaltfrequenz F mit dem sendeseitigen Analogschalter 1 Abb.2) identischen Analogschalters 16 ebenfalls durch einen digitalen 1 : 8 Frequenzteiler 17 aus der Oszillatorfrequenz F_Q = 128 kHz eines Nachziehoszillators abgeleitet. Zur Herstellung des Synchronismus zwischen dem empfangsseitigen Analogschalter 16 und dem sendeseitigen Analogschalter 1 (Abb.1) dient eine an sich bekannte Phasenvergleichsschaltung 19, die die Phase der empfangsseitigen Schaltfrequenz F mit der Phase der mittels eines Bandpasses 20 aus dem übertragenen, codierten Nutzsignal U.( (F- f ) t) ausgesiebten Synchronisierfrequenz F vergleicht und bei Abweichung beider Phasen den Nachziehoszillator 18 nachsteuert. Wie bereits beschrieben tastet der empfangsseitige, konphas zur übertragenen Synchronisierfrequenz F_ schaltende Analogschalter 16 aus dem übertragenen und mittels den Hochpässen 21 und 22 von Synchronisierfrequenz F_e befreiten, codierten Nutzsignal, d. h. aus dem übertragenen, unteren Seitenbandsignal U-( (F- f) t), ein aus dem ursprünglichen Nutzsignal U.(f .t) und dem oberen Seitenbandsignal (Gl (5)) aus, dessen oberes Seitenbandsignal (2 F - f ) mit Hilfe der beiden dem symmetrischen Ausgang des Analogschalters nachgeschalteten Tiefpässen 23 und 24 unterdrückt wird. Der den beiden Tiefpässen 23 und 24 nachgeschaltete und als Symmetrieverstärker ausgelegte Ausgangsverstärker 25, dient wiederum zur Einstellung des Pegels des decodierten Nutzsignales U (f .t).

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Eine andere Möglichkeit zur Herstellung der Synchronität zwischen sende- und empfangsseitiger Schaltfrequenz besteht darin, daß die sendeseitige Schaltfrequenz F selbst mit dem codierten Nutzsignal U.( (F- f_n).t) übertragen wird.und am Empfangsort nach erfolgter Aussiebung aus dem übertragenen codierten Nutzsignal und nach erfolgter Regeneration seiner Amplitude direkt als empfangsseitige Schaltfrequenz F verwendet wird.

- Patentansprüche -

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Claims

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Patentansprüche

Π Γ) Verfahren zur codierten Übertragung von Nutzsignalen beliebiger Zeitfunktion z. B. von Tonfrequenzsignalen auf tonfrequenten Übertragungsleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig ein doppeltsymmetrischer, mit zwei um 180° gegeneinander verpolten, symmetrischen Eingängen ausgelegter sowie mit der Schaltfrequenz F schaltender, elektronischer Analogschalter (1) in der Weise aus dem gleichzeitig seinen beiden" abwechselnd durchgeschalteten Eingängen zugeführten Nutzsignal U»(fn.t) ein aus dem oberen und unteren Seitenbandsignal U -. (F^fn).t seiner Schaltfrequenz F zusammengesetztes Signalgemisch erzeugt, daß er die Nullphase des Nutzsignales- U (fn.t) im Takte seiner Schaltfrequenz F zwischen 0° und 180° schaltet und daß ein gleich ausgelegter und schaltender, "empfangsseitiger Analogschalter (16) dadurch in der gleichen ViTeise aus dem als codiertes Nutzsignal übertragenen, unteren Seitenbandsignal U - (F-fn).t wieder das ursprüngliche Nutzsignal U ,(fn.t) abtastet, daß seine Schaltfrequenz F mit Hilfe einer aus der sendeseitigen Schaltfrequenz F abgeleiteten sowie phasenstarr mit dieser gekoppelten und zusammen mit dem unteren Seitenbandsignal · ■ U(F-fn).t übertragenen Synchronisierfrequenz F_ konphas

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und synchron zur sendeseitigen Schaltfrequenz F gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfrequenz F so bemessen wird, daß die von ihr bei der Abtastung des Nutzsignales U. (£_η·ΐ) ^mi"t dessen Nutzfrequenzen f gebildeten Differenzfrequenzen (F-f) ganz im Frequenzbereich des Nutzsignales bzw. seiner

- Übertragungsleitung liegen.
3. Verfahren nach den· Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise durch digitale Frequenzteilung aus der sendeseitigen Schaltfrequenz F abgeleitete Synchronisierfrequenz F so bemessen wird, daß sie am unteren Ende des Differenzfrequenzbandes (F-^_n) des als codiertes Nutzsignal übertragenen, unteren Seitenbandsignales U. (F-f_n).t liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzbereich des zur Übertragung kommenden unteren Seitenbandes (F-f ) durch einen Hochpaß so nach unten begrenzt wird, daß die dem unteren Seitenband additiv überlagerte Synchronisierfrequenz F₀ unterhalb bzw. aus-

serhalb de.» unteren Seitenbandes liegt.
5· Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeich-

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net, daß die Synchronisierfrequenz F am Empfangsort, mittels eines steilen Bandpasses aus dem codierten Nutzsignal ausgesiebt und anschließend regeneriert sowie einer Phasenvergleichsschaltung zugeführt wird, die in bekannter Weise durch Phasenvergleich Synchronismus und Gleichphasigkeit zwischen sende- und empfangsseitiger Schaltfrequenz herstellt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sendeseitige Schaltfrequenz direkt als . Synchronisierfrequenz F„ verwendet und dem codierten

Nutzsignal U (F-f ),t vor seiner Übertragung additiv überlagert wird und daß sie am Smpfangsort aus dem übertragenen codierten Nutzsignal wieder ausgesiebt und nach erfolgter Regeneration ihrer Amplitude dem empfangsseitigen Analogschalter (16) als Schaltfrequenz zugeführt wird.
7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sendeseitige Schaltfrequenz F über einen digitalen 1 : η = Frequenzteiler von einem Quarzoszillator gespeist wird, dessen Oszillatorfrequenz die n-fache z. B. die 8-fache Größe der Schaltfrequenz F hat und

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daß analog die empfangsseitige Schaltfrequenz über einen 1 : η = Frequenzteiler vom Oszillator gespeist wird, der mit Hilfe der übertragenen Synchronisierfrequenz F_ synchron und konphas zum sendeseitigen Oszillator gespeist wird.

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