DE2540473C3 - Modulations- und Filtervorrichtung - Google Patents
Modulations- und FiltervorrichtungInfo
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- DE2540473C3 DE2540473C3 DE2540473A DE2540473A DE2540473C3 DE 2540473 C3 DE2540473 C3 DE 2540473C3 DE 2540473 A DE2540473 A DE 2540473A DE 2540473 A DE2540473 A DE 2540473A DE 2540473 C3 DE2540473 C3 DE 2540473C3
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- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L27/00—Modulated-carrier systems
- H04L27/02—Amplitude-modulated carrier systems, e.g. using on-off keying; Single sideband or vestigial sideband modulation
- H04L27/04—Modulator circuits; Transmitter circuits
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Modulations- und Filtervorrichtung für digitale Signale, die Mittel zur
Filterung der digitalen Signale und Mittel zum Aufmodulieren der gefilterten digitalen Signale auf eine
Modulationsträgerwelle enthält.
Datensignale, die aus einer Reihenfolge von Signalelementen
gleicher Dauer bestehen, deren Amplitude eine binäre »0« oder eine binäre »1« darstellt, eignen
sich nicht ohne weiteres zur Übertragung über z. B. einen Fernsprechkanal. Es ist in der Praxis denn auch
üblich geworden, sogenannte »Modems« zu verwenden, in denen die Datensignale beim Aussenden einer
Trägerwelle aufmoduliert und bei Empfang des modulierten Signals demoduliert werden.
Jede der bekannten Modulationstechniken, wie FSK. PSK. AM-DSB. AM-SSB. AM-VSB. kann zur Erzielung
eines derartigen Frequenzspektrums verwendet werden, daß dieses über einen Fernsprechkanal übertragen
werden kann.
Die Erfindung gründet sich auf Untersuchungen auf dem Gebiet eines 2400 Baud-AM-VSB-Modems. aber
beschränkt sich nicht auf eine solche Vorrichtung, weil dieselben Prinzipien für andere Datengeschwindigkeiten
und für andere lineare Modulationsverfahren, wie AM-DSB. AM-SSB. FSK (Modulationsindex ^) und
PSK. verwendet werden können. Obgleich nachstehend \on einem 2400 Bit/sec-AM-VSB-Modem und von der
Erweiterung desselben zu einem 4800 Bit/sec-AM-VSB-Modem die Rede sein wird, soll dies nicht als eine
Beschränkung der Anwendungsmöglichkeiten der Prinzipien nach der Erfindung interpretiert werden.
Nach einem in üblichen AM-VSB-Modems vielfach angewandten Verfahren werden die Datcnsignalc
zunächst in einem Tiefpaß gefiltert. Die gefilterten Signale werden in der Amplitude einer Trägerwelle
aufmoduliert, und \on den Scitenbändern des modulierten
Signals wird ein Seitenband zuzüglich eines Teils des anderen .Seitenbandes von einem Restseitenbandl'ilter
ausgewählt, dessen Aiisgangssiginil nusgesaiHli
wird.
Der Tiefpaß führt eine Begrenzung des Frequenzspektrums der Datensignale auf der Seite der hohen
Signalfrequenzen herbei. Bei der in bezug auf die höchsten Datensignalfrequenzen niedrigen Trägerfrequenz
von Datenmodems für Fernsprechkanäle verhindert der Tiefpaß auch die »fold over«-Erscheinung. die
auftritt, wenn hohe Signalfrequenzen nach Aufmodulierung auf die Trägerwelle in dem Bereich zu liegen
kommen, den die niedrigeren Signalfrequenzen nach Modulation einnehmen.
Der Tiefpaß wird gewöhnlich als das Vormodulationsfilier
und das Restseitenbandfilter als das Nachmodulationsfilter bezeichnet. Zwischen diesen
beiden Filtern erfolgt die Modulation.
Das Ausgangssignal des Vormodulaiionsfilters ist ein
analoges Signal, sogar wenn das Eingangssignal ein binäres Signal ist. so daß ein analoger Modulator
verwendet werden muß.
Es wurde vorgeschlagen (vgl. DE-OS 17 62 122). den
analogen Modulator durch eine einfache Logikschaltung
zu ersetzen und die Schritte von Vormodulationsfilterung und Modulation zu vertauschen, um die binäre
Form des Eingangssignals auszunutzen. Es hat sich gezeigt, daß Vertauschung dieser Schritte nur dann
möglich ist. wenn die Trägerfrequenz gleich einem ganzen Vielfachen üer halben Taktfrequenz des
digitalen Eingangssignals ist. Nur in diesem Falle kann die auftretende »fold-over«-Verzerrung von einem
linearen Netzwerk ausgeglichen werden.
In der Praxis hat dies eine beschränkte Bedeutung, wie aus einem vorläufigen Vorschlag der CCITT für
einen 4800 Bit/sec-AM-VSB-Modem hervorgeht, gemäß dem dieser Modem eine Trägerfrequenz von
2100Hz aufweisen muß. die nicht in dem genannten Verhältnis zu der Taktfrequenz (in diesem Falle 2400 Hz
bei Vierpegelkodierung) steht.
Die Vertauschung der Schritte von Vormodulationsfilierung und Modulation (vgl. DE-OS .:<· 35 296). die nur
in einer beschränkten Anzahl von Fällen zulässig ist. hat zur Folge, daß nur noch ein einziges Filter, und zwar das
Nachmodulationsfilter, erforderlich ist. Dieses Filter kann derart entworfen sein, daß darin die
»fold-over«-Verzerrung ausgeglichen wird.
Indem das Nachmodulationsfilter als binäres Transversalfilter
ausgebildet wird, kann auf die vorgeschlagene Weise ein Datenmodem mit integrierten Schaltungen
erhalten werden.
>o Nach einem anderen Entwicklungsgang und mit der
Absicht, die Anforderungen für das Nachmodulationsfilter zu verringern, wurde vorgeschlagen, das Vormo'lulationsfilter
als Bandfilter auszubilden. Dieser Vorschlag basiert auf der Tatsache, daß durch
Anwendung kurzer Impulse für die Darstellung der binären Information die Signalenergicn bei den höheren
Frequenzen, die ebenfalls die binäre Information vollständig darstellen, verstärkt werden. Durch das
Auswählen dieser Signaikomponenten mit höheren Frequenzen wird ein derartiges Signal erhalten, daß
nach Modulation die dann erhaltenen Seitenbänder auf einfache Weise getrennt werden können.
Die Erfindung bezweckt, einen Digitaldatensender /u
schaffen, bei dem die Leitungsträgerfrequenz nicht gleich einem ganzen Vielfachen der halben Taktfrequenz
zu sein braucht, und der mit einer Mindestanzahl technischer Mittel zu verwirklichen ist und der
insbesondere die Anforderungen für das Nachmodula-
iiiiiislilier derart ν erringen, daß man mit einem
einfachen RC-Netzwerk auskommen kann.
Die Modulations- und Filtervorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß Signalabtasivv
erte des digitalen Eingangssignals, die mit einer ersten
Abtastfrequenz auftreten. Mitteln zur Erhöhung der ersten Abtastfrequenz auf eine zweite Abtastfrequenz
zugeführt werden, die zweimal höher als die Modulatorträgerfrequenz
ist. während die Signalabtasiwerte mit der zweiten Abtjstfrequenz in einem Modulator mit
Signalabtastwerten der Modulatorirägerwclle moduliert
werden, die mit derselben zweiten Abtastfrequenz auftreten, wobei die Mittel zur Erhöhung der Abtastfrequenz
ein als Bandfilter ausgebildetes Digitalfilter enthalten.
In diesem Digitalsender wird die Modulatorträgerwelle
mit einer Frequenz abgetastet, die zweimal höher als die Modulatorträgerfrequenz ist. so daß die
Abtastwerie der Trägerwelle in Zahlenform durch die Zahlen +1.-1.-1 ...dargestellt werden können. Der
Modulationsvorgang beschränkt sich dann auf eine alternierende Inversion der Signalubiastwene. die von
dem Digitalbandfilter von dem digitalen Eingangssignal abgeleitet sind.
Diese digitale Modulation ist in bezug auf ihre Einfachheit mit der Modulation vergleichbar, die in dem
bei dem Stand der Technik genannten System verwendet wird, in dem die Schritte von Modulieren und
Filtern vertauscht wurden. In dem Digitalsender nach der Erfindung wird jedoch an die Trägerfrequenz in
bezug auf die Taktfrequenz oder Abtastfrequenz des digitalen Eingangssignals keine besondere Anforderung
gestellt.
Das Verhältnis zwischen der zweiten und der ersten Abtasifrequenz kann eine ganze Zahl sein, in welchem
Falle das Digitalfilter als interpolierendes Filter ausgebildet werden kann. Wenn das Verhältnis nicht
eine ganze Zahl ist. in welchem Falle das Verhältnis durch M/L ausgedrückt werden kann, wobei M und L
durcheinander nicht teilbare ganze Zahlen sind, kann das Digitalfilter durch die Kaskadenschaltung eines
interpolierenden Filters mit einem Interpolationsfaktor Λ/ und eines extrapolierenden Filters mi: einem
E\trapolationsfaktor L gebildet werden. Auch ist es möglich, ein interpolierendes Digitalfilter mit einem
Interpolationsfaktor M/L zu verwenden, wie in der
deutschen Patentanmeldung P 25 39 532.S der Anmelderin beschrieben ist.
Referenzen
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extrapolation and distortions due to various truncations, deduction of Computation speed in digital
filters«, von M. Bellangcr. J. L Daquet. G.
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of the I. F-:. E. E.. Band 61. Nr. 6. Juni 1973. S. 642 bis
702. IJSA.-Paicntschrift 36 Il 143.
I.isle von Abkürzungen
ISK - »frequency shift keying«
PSK - »phase shift keying«
Wl - Amplitudenmodulation
I)SIJ - »double sideband'
VSH - »νcsiigal sideband«
SSB - »single sideband«
SSB - »single sideband«
Besenreibung der Ausführungsbeispiele
> Der Digitaldatensender nach Fig. 1 enthält eine
Quelle binärer Datensignale I, Die Geschwindigkeit der Datenquelle 1 wird lediglich beispielsweise auf 2400
Bit/sec gesetzt. Diese Datenquelle liefert 2400 binäre Signalelemenie pro Sekunde und jedes Signalelement
in hat eine Dauer 7"i = 1/2400 see.
Die Datenquelle 1 wird von einem Taktgeber 2 gesteuert, die der Datenquelle 1 ein Taktsignal mit einer
Taktfrequenz/; = 2400 Hz zuführt.
Mit 3 ist ein Digitalfilter bezeichnet. Dieses Filter
r> kann auf bekannte Weise ausgebildet sein. Die Ausgangsabtastfrequenz des Digitalfilters ist gleich A.
Diese Frequenz wird nachstehend näher definiert. Ein Digitalfilter hat bekanntlich eine Übertragungsfunktion
mit einem periodischen Verlauf, deren Periode gleich
2m der Abtasifrequenz. in diesem Falle gleich A. ist. Der Teil
der Frequen/kennlinie zwischen — - A und + » A wird
von /i'A— j /"- bis/ϊΑ-Γ = A. wiederholt, wobei π eine
:> beliebige ganze Zahl ist. Durch passende Wahl tier
Filterkoefizienten kann erreicht werden, daß der Teil
der Übertragungsfunktion zwischen -- /j und +r /j
eine bestimmte gewünschte Form erhält, die /. B. der
in eines VSB-Filters entspricht.
Eine Abtastvorrichtung 4 läßt Abiastwerte des Datensignals mit der Abtastfrequenz f, = 2400 Hz in
das Digitalfilter 3 zu. |edes Signalelement wird einmal abgetastet, um festzustellen, ob das Signalelcnicnt eine
Γι binäre »0« oder eine binäre »1« darstellt, und der
entsprechende Wert wird in dem Digitalfilter 3 angebracht.
Mit 5 ist ein Modulator und mit 6 eine Trägcrwellenquelle bezeichnet. Diese Trägerwcllenquclle liefert mit
der Abtastfrequenz A Signalabtastwerte einer Trägerwelle mit der Trägerfrequenz =A. Diese Trägerwellen-
ab'.astwertc können in Zahlenform durch die Zahlen -t-1. — 1, +1, — 1 ... dargestellt werden. Der Modulator
4-, 5 multipliziert jeden Signalabtastwert de·, Digiialfilters
3 mit einem Trägerwellenabtastwert und führt d;is
Ergebnis dem Digital-Analog-Wandler 7 zu.
Signalabtastwerte werden im Digitalfilter 3 und im Digitalmodulator 5 in Form von Kodewörtern, die
-,ο Zahlen darstellen, behandelt. Diese Kodewörtcr werden
vom Digital-Analog-Wandler 7 in einen entsprechenden Ampliludenwert eines Stroms oder einer Spannung
umgewandelt und normalerweise während der Abtaslpcriodc
Jüf diesem Wert festgehalten. Das auf diese
-,-, Weise erhaltene quantisierte Signal wird einem Tiefpaß
8 zugeführt, der das ' Jnterseitenband des quaiiisiertcn
Signals durchläßt und die anderen .Seitenbänder unterdrückt. Der Ausgang des Filters ist an eine
Übertragungsleitung 9 angeschlossen.
(,o F i g. 2a zeigt scht.nalisch einen Teil des F'requen/-spcklriims
e'nes aus diskreten Zeilimpulsen mil gegenseitigen Abständen 7Ί = Ι//Ί aufgebauten digitalen
Signals, wie es am Ausgang der Abtastvorrichtung
4 auftritt.
f,-, I i g 2b zeigt einen Teil der I Ibcrtragtingsfiinkiion Im
positive Frequenzen ties Digitalfillers 3 mn einer AusgangsaKiaslfrequenz A=Ij 800 I Iz. Der Teil für die
negativen Frequenzen ist das Spiegelbild um «lic
Frequenz Null tics Teils für die positiven Frequenzen.
Die »Iolding«-Frequenz =Λ beträgt biOO H/. Die
Übertragungsfunktion/wischen - : /'.- iiiul + =/'· lun die
Form eines VSB-I illers fiir eine
>> ί riitrci licciticn/··
21] =4800 II/. In I' i g. 2b isl mit einer gestrichelten Linie
20 der Teil des Spektrums nach L i g. 2a dargestellt, der M)Hi VSB-RIlCi- umfallt wird.
['ig. 2c zeigt das Frequen/spektrum eines digitalen
Signals, das aus diskreten Zeitimpttlscn mit gegenseitigen
Abständen J) - I /_■ besteht, die abwechselnd den
Wert +- I und ■- I auf« eisen. Dieses Spektrum besieht
aus Spektrallinien in Abstünden / = M 800 II/. Dies
entspricht dem Spektrum der 1 rager« ellenabtastwcrte am Ausgang der Träger« ellcnquelle b.
F i g. 2d zeigt im Frequen/bei eich das Lrgebnis der
Multiplikation tier Aiisgangssignalnbtastwerte des Digi
tallilters j mit den 1 rager« eiienaniasiwcncii dei
1 rager« elleniiuelle β in dem Modulator 5. Die
gestrichelte Linie 21 entspricht der Linie 20 der I i g. 2b
und \eranschaulich! die neue Lage ties betreffenden
Teils ties Irequen/speklrums des Datensignals.
Der Digital-Analog-Wandler 7 « nudelt normalerweise
jeden Aiisgangssignalabtastwert des Modulators y in
cm Signaleleiiieni mit einer Dauer /_■ und einer
konstanten Amplitude wahrend dieser Zeitdauer um.
Dies führt in den l'requen/hereich einen -— -Form-
fakior ein. dessen erster Nullpunkt bei 13 800 II/ liegt.
Durch diesen Formfaktor «erden die Komponenten höherer Frequen/ des Spektrums nach Fig. 2d bereits
in bezug auf die komponenten niedrigerer Frequenz im
Hand von M)O bis 2700 Hz geschwächt. Line weitere Unterdrückung kann mit Hilfe des WC-Filters 8 erziel;
werden, dessen Übertragungsfunktion mit der gestrichelten
Linie 22 der F i g. 2tl angedeutet ist.
Wie aus F i g. 2d hervorgehen wird, weist das
Ausgangssignal des Filters 8 die Form eines YSB-Si gnals mit einer l.eiumgsträgerirequen/ von 2100Hz
und zur lllustrierung einem Seitenband von 2100 W/ bis
MW W/ und einem Restseitenband von 2100 bis 2700 W/
4800 Bit see-Datensender
Fin 4800 Bii sec-Datensender mit dem gleichen Freqiien/spektrum wie der 240(1 Bit sec-Datensender
nach Fig. 1 kann durch Anwendung von Dibitkodieriing
am Fingang des Datensenders erhalten «erden. Fntsprechend dieser Kodierung werden die Signalelemenie
der Datenquelle in (iruppen von zwei Signalelemeinen
unterteilt .ind werden diese in der Dibitkodiervorrichtung
entsprechend der folgenden Regel kodiert:
Kingangsdibit
Ausgangsdihil
Zahlenwert
00
01
10
11
Das Digitalfilter 3 behandelt die Dibits entsprechend ihrem Zahlenwert, der in der dritten Spalte angegeben
Die Kodierung der Ausgangsdibits (n,:ii,) ist derart,
daß ihr Zahlenw en durch:
V + (-I)
ansecchen ist.
Die Miiliiplizieriing eines Dibits mil einem Filterkoellizienten
C\ kann nun in zwei Schritten durchgeführt weitlen: zunächst erfolgt nämlich eine Multiph/ierung
M)Ii C, mit 2 und Zuordnung eines Zeichens
entsprechend (-1)'". dann eine Multipli/ierung mn I
und Zuordnung eines Zeichens entsprechend ( - I) Die Muliipli/ierung einer binären Zahl mit 2 entspricht
einer Kommaverschiebung um eine Stelle, so t|aß bei
Anwendung ties vorgenannten Kodes stan eines Multipli/ierers eine einfache Koinmaxersehiebuiigsvor·
iK'hiMnj ■ c"vi endet "erden kann.
Ikvichuni: zv\ isclien 1 .eiluniisirauerl1Yii'iC'V
und I iaiengeschw indigkeit
Aus F i g. 2 ist ersichtlich, dall die l.eitungsiragerlre·
i|uen/ von 2100 11/ gleich dem Unterschied zwischen
uci ! lequcnz der Γι itgüi "\\ οίίοίΗμίοΐίο (» \ Oü ν-'-ίίί;1' II/
und der Frequenz \on 4800 \{/ ist. die der Mine einer
der Nvquist-Flanken des \ SU-Filters nach F i lv 2b
entspricht.
Wenn nun die l.eitungslrägerfrequenz mn /. die
Frequenz der Träger« ellenqiielle f) mit -=1) und die dcv
Mute der Nvquist-Flanke des Filters nach F ι >_.·. 2b
entsprechende I requenz mit = M· bezeichnet wird. s;ilt
die Be/ieliiing
Bei gegebener I, und I] ist die Beziehung zwischen K
und /; durch die Beziehung (1) vollständig bestimmt.
Wenn in die Beziehung (I) /; =2100 11/ und
/'■ = 2400 H/ eingesetzt werden, wird für K = 4
gefunden, dall /: =" 13 800 M/ ist.
Der Faktor, um den das Digitalfilter 5 die
Abtastlrequen/ erhöht, w ird dann
/,./·, =23 4. Cl
Der Faktor K darf eine ungerade Zahl sein. In diesen
!"alle muli das Spektrum nach F i g. 2a um ein Interval
y nach rechts verschoben werden. Dies kann dadurcl
erzielt «erden, daß die Ausgangsabtasivverte de
Abtastvorrichtung 4 abwechselnd mit -t-I und multipliziert
werden.
Digitalfilter Das Digitalfilter 3 nach F i g. I mit einer Erhöhung de
Vf
.Abtastfrequenz um einen Faktor V. der im vorliegen
Lr "~
den Beispiel-j-beträgt, kann durch die Kaskadenschal
tung eines interpolierenden die Abtastfrequenz ur
einen Faktor Λ/ erhöhenden Filters und eines extra
polierenden die Abtastfrequenz um einen Faktor , herabsetzenden Filters gebildet werden. Die Über
iragungsfunktion. die erzielt werden muß. kann dan über die beiden Filter verteilt werden.
Eine andere Möglichkeit wäre, das extrapolierend Filter durch einen Sehalter zu ersetzen, der mit eine
frequenz beiiiligl wird, die um einen laktor /.niedriger
ills die Ausgangsabtastfrequenz des interpolierenden
Filter isl. welcher Schulter nur einen von jeder Gruppe
von /. Aiisgan£ssignalabtaslwerien dem Modtikilor 5
zuführt.
Interpolierende und extrapolierende Digitalfilier sind
iin sich bekannt, und es sei hier genügend, iiiif die
geahnten Referenzen /u verweisen.
Mine geeignete Ausführungsform eines inlerpolierenden
Digitalfilters isl in der deutschen Palciilanmel-ιΐιιιιμ
P 2ri 39 532.8 der Anmelderin beschiieben. mif die
hier ebenfalls verw lesen w ird.
Obgleich die Anmelderin darauf \eivichlel hai. an
sub bekiinnle Digiliillilter /u beschreiben, sei über
lienierki. dall, weil in Digiuilfiltern Ausgangssignal
ablast« erte aus l-üngangssignalabtiistwcrtcn uuf liiisis
um /iihlen erreichnei werden, es dem I ,nhniiinn kl;ir
scm wird. d;il( das Miiltiph/ieren der Ausgiingsiihliisl
V. e!'!e des !iigi'.lilfÜ'.'.TS ? ÜV! '.Ie11 "Ir:Un-lvn-lliMl;ihl:lSI
ue'ten der Triigcrwellen(|iielle h in dem Digitiilfilter ?
diirchgeii'ihrl u erden kiinn.
l'ilotsigiiiil
In der Praxis wird mil den modulierten Datensignalen
ein Pilotsignal ίΐιιΓ der l.eilungstiägerlreciLien/(2100 II/.
Cig. 2d) milgcsiindt. (iin derartiges Pilotsignal kann auf
verschiedene Weise erzeugt werden. Min geeignetes Verfahren /um Ij/eugen des Piloisignnls ist folgendes:
Die /nhlenwerle der Signalablaslwerle. die von der
Abtastvorrichtung 4 dem Digitalfilter 3 zugeführt werden, werden um einen festen Beirag erhöht.
Infolgedessen entstehen im Frequen/.spcktrum nach I i g. 2a Speklnillinien bei den rrequen/.en /Ί. 2/i ... Die
Spekirallinie bei 2/Ί (=4800 11/) verschiebt sieb durch
Modulation mil der Spekirallinie bei MOOIIz der I rägerwellenquelle h (I ig. 2c) /u der l.eitungstriigerfrequenz
von 2100 II/ (l-'ig. 2d) und bildet dort das
gewünschte Pilotsignal. In dem lalle des 4800
Bit/sec-Datensenders liefert eine Umwandlung der /ahlenwerte +.J. +1. -1. j in +4. +2.0. -2 ein
Pilotsignal, di's bdB unter dem maximalen Signalpegel
liegt.
Hierzu 1 IJIatt Zekhnuiiiicn
Claims (2)
- Patentansprüche;1, Modulations- und Filtervorrichtung für digitale Signale, die Mittel zur Filterung der digitalen Signale und Mittel zum Aufmodulieren der gefilterten digitalen Signale auf eine Modulationsirugerwelle enthält, dadurch gekennzeichnet, daß Signalabtastwerte des digitalen Eingangssignals, die mit einer ersten Abtastfrequenz auftreten. Mitteln zur Erhöhung der ersten Abtastfrequenz auf eine zweite Abtastfrequenz zugeführt werden, die zweimal höher als die Modulatorträgerfrequenz ist. während die Signalabtastwerte mit der zweiten Abtastfrequenz in einem Modulator (5) mit Signalabtastwerten der Modulatorträgerwelle moduliert werden, die mit derselben zweiten Abtastfrequenz auftreten, wobei die Mittel zur Erhöhung der Abtasifrequenz ein als Bandfilter ausgebildetes Digitalfilter (3) enthalten.
- 2. Modulations- und Filtervorrichtung nach Anspruch i. dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Pilotsignals die Zahlenwerte des digitalen Eingangssignals um einen festen Betrag erhöht werden.
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ID=19822081
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