DE2833897A1

DE2833897A1 - Modulator/demodulator fuer die hochgeschwindigkeitsuebertragung von binaerdaten ueber ein frequenzmodulations-nachrichtenuebermittlungssystem

Info

Publication number: DE2833897A1
Application number: DE19782833897
Authority: DE
Inventors: Daniel Gelbart; Thomas W Purdy
Original assignee: Canadian Patents and Development Ltd
Current assignee: Canadian Patents and Development Ltd
Priority date: 1977-08-22
Filing date: 1978-08-02
Publication date: 1979-03-08
Also published as: AU3884778A; JPS5435608A; AU518023B2; CA1097743A; GB2003367A

Description

Die Erfindung "betrifft im allgemeinen die Übertragung von digitalen Daten über eine Frequenzmodulations-Funkverbindung und insbesondere einen neuen Modulator/Demodulator für die Datenübertragung über eine Frequenzmodulations-Funkverbindung.

Die Anwender von Datenübertragung über feste oder bewegliche Frequenzmodulations-Funkanlagen,wie z.B. mit der Durchführung von Gesetzen beauftragte oder für die öffentliche Sicherheit zuständige Organe und die Transportindustrie werden häuf ig mit der Notwendigkeit konfrontiert, eine Hochgeschwindigkeits-Übertragung digitaler Daten über Frequenzmodulations-Funkverbindungen vorzunehmen. Die Frequenzmodulations-Funkverbindung kann beispielsweise eire Sprechfunkverbindung sein, die für eine digitale Datenübertragung modifiziert werden muß. Die meisten dieser Frequenzmodulations-Verbindungen sind nicht mit einer G-leichspannungs-Kopplung versehen, da diese für eine Sprachübertragung und langsamere Verfahren der Datenübermittlung nicht erforderlich ist.

Bestimmte Datenübertragungsvorrichtungen, die keine Gleichspannungs-Kopplung in der Funkverbindung erfordern, verwenden Modulationsverfahren wie z.B. die Frequenzumtastung (FSK) und die Phasenumtastung (PSK). Im allgemeinen ist die Datenübertragungsgeschwindigkeit für einen gegebenen Übertragungskanal doppelt so groß, wenn herkömmlich kodierte oder serielle Richtungsschrift- bzw. Wechselschrift-Daten (Kon-Return to Zero, KRZ-Daten) anstelle von zweipegeligen FSK- oder PSK-Daten verwendet werden. Die Probleme bei der Verwendung von KRZ bestehen darin, daß eine Gleichspannungs-Kopplung und eine Taktwiedergewinnung erforderlich sind, da das KRZ-Verfahren nur wenige oder keine Übergänge im Datenstrom aufweist. Als Folge hiervon hat das KRZ-Verfahren bei Frequenzmodulations-Funk-Datenübertragungssystemen trotz seiner höheren Geschwindigkeit nur geringe Verwendung gefunden.

Der US-PS 3 197 705 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Dreipegel-Signals aus binären Daten für die Datenübertragung entnehmbar«

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Die hierfür erforderliche Schaltung ist jedoch sehr komplex und sorgt nicht für synchronisierte Ausgangsdaten vom Empfänger.

Daher ist es ein Ziel der Erfindung, einen Modulator/Demodulator für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung über eine Frequenzmodulations-Verbindung zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Modulator/Demodulator (modem) für die Übertragung von seriellen HRZ-Daten über eine Frequenzmodulations-Verbindung (FM link) zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen kostengünstigen Modulator/Demodulator für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung über eine Frequenzmodulations-Verbindung zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine aus sich heraus stabile und wartungsfreie Datenübertragungs-Vorrichtung zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Modulator/ Demodulator zu schaffen, der die Ausgangsdaten synchronisiert mit einem selbsterzeugten Taktsignal liefert.

Diese und weitere Ziele werden mit einem erfindungsgemäßen Modulator/Demodulator für ein Fernmelde- bzw. Nachrichtenübertragungssystem erreicht,das einen Frequenzmodul at ions-Sender und -Empfänger aufweist. Der Senderabschnitt des Modulators/ Demodulators umfaßt einen Integrator zur Integration der binären Eingangsdaten, die eine Binärrate bzw. Binärgeschwindigkeit f besitzen,und der Integrator ist dahingehend begrenzt, daß er nur das erste Binärbit in jeder Folge von Bits integriert, die dieselbe Polarität besitzen. Der Ausgang des Integrators ist an den Frequenzmodulations-Sender angekoppelt. Der Empfängerabschnitt des Modulators/Demodulators umfaßt ein Gleichsspannungsfilter, das an den Empfänger angekoppelt ist, um die Gleich-

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spannung im Empfängersignal abzublocken, einen Komparator mit Hysterese, der an das Filter gekoppelt ist, um das Empfängersignal in ein binäres Datensignal umzusetzen, eine Taktschaltung, die an den Komparator-Ausgang gekoppelt ist, um ein binäres Taktsignal mit der Frequenz f zu erzeugen, und ein Logikelement, das einen an den Komparator angekoppelten Eingang besitzt und das durch das binäre Taktsignal gesteuert wird, um ein binäres Ausgangs-Datensignal zu erzeugen, das mit dem Taktsignal synchronisiert ist.

Der Integrator kann aus einem Operationsverstärker mit einem Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß, einem Widerstand R, der seriell mit dem Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist, einem Kondensator, der zwischen den Eingangsanschluß und den Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers geschaltet ist, und zwei Zenerdioden mit einer Grenzspannung - V^. bestehen, die in Serie parallel zum Kondensator geschaltet sind. Die Bauelementwerte können durch die Gleichung 1/f = RCV^/V-rr bestimmt werden, wobei Vg die positive oder negative Amplitude der Datenbits ist.

Die Taktschaltung kann aus einem an den Komparator gekoppelten bzw. angeschlossenen Verzögerungselement bestehen, das eine Verzögerungsperiode kleiner 1/f und vorzugsweise gleich i/2f besitzt, sowi.p einem EXKLUSIV-ODER-Gatter, das einen mit dem Verzögerungselement verbundenen ersten und einen mit dem Komparator verbundenen zweiten Eingang besitzt, sowie weiterhin aus einem mit dem EXKLUSIV-ODER-Gatter verbundenen Bandfilter und einer Wellenform-IOrmungs-Vorrichtung, die mit dem Bandfilter verbunden ist, um das binäre Taktsignal zu liefern.

Schließlich kann der Empfängerabschnitt des Modulators/Demodulators weiterhin ein Tiefpaßfilter umfassen, das zwischen das Gleichspannungsfilter und den Komparator geschaltet ist und eine Zeitkonstante besitzt, die kleiner oder gleich 1/f ist.

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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 in schematischer Weise ein Frequenzmodulations-Fernmelde- bzw. Nachrichten-Übertragungssystem mit einem erfindungsgemäßen Modulator/Demodulator und

Fig. 2 die typischsn Wellenformen des Signals an den verschiedenen Punkten A-K der in S¹Xg. 1 dargestellten Schaltung.

Fig. 1 zeigt ein Freqiienzmodulations-tJbertragungssystem, das aus einem Senderabschnitt 1 und einem Empfängerabschnitt 2 besteht. Der Senderabschnitt 1 umfaßt einen herkömmlichen Frequenzmodulations-Sender 3 mit einem Modulator, einem.Vorverzerrungs-Netzwerk (pre-emphasis network) und den Senderabschnitt 4- des erf indungs gemäß en Modulators/Demodulators. Der Empfängerabschnitt 2 umfaßt einen herkömmlichen Frequenzmodulations-Empfänger 5 und den Empfängerabschnitt 6 des erfindungsgemäßen Hodulators/Demodulators.

Der Senderabschnitt 4· des Modulators/Demodulators, an den herkömmliche serielle NRZ-Daten am Anschluß 7 angelegt werden, besteht aus einem Integrator 8, mit einem Operationsverstärker 9, einem Widerstand 10 und einem Kondensator 11. Der Ausgang des Integrators 8 wird durch die Zenerdioden 12 und 13 daran gehindert, die maximale Ausgangsspannung zu erreichen. Der veränderliche Widerstand 14 am Ausgang des Integrators 8 bestimmt den Anteil des Integrator-Ausgangssignals, der dem Irequenzmodulations-Sender 3 zugeführt wird. Herkömmliche Frequenzmodulations-Sender umfassen ein "Vorverzerrungs-Netzwerk, das die hohen Frequenzen des Eingangssignals anhebt oder verstärt und auf das ein Modulator folgt. Eine Art von Frequenzmodulations-Sender umfaßt einen Modulator, der allgemein als Phasenmodulator bekannt ist und bei dem die Funktion des Vorverzerrungs-Netzwerks

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von einem nicht abtrennbaren Teil des FM-Modulators ausgeübt wird. Der Wert des Widerstands 9 und des Kondensators wird so gewählt, daß der Ausgang des Integrators 7 die Spannung der Zenerdioden 12, 13 innerhalb der Zeitdauer eines übertragenen Bits erreichen kann. Ist beispielsweise die Datenrate f, dann ist die zeitliche Länge eines Bits gleich 1/f; der Widerstand 9 hat einen Wert E, der Kondensator 10 einen Wert C, der Begrenzuiigspunkt der Zenerdioden 12 und 15 ist - Vn; und die Eingangsdaten haben einen Wert von + V-rpwenn sie positiv sind und einen Wert von - T/g, wenn sie negativ sind; dann werden diese Werte so gewählt, daß 1/f = R ° C · V^/V-^ ist. Die Datenrate f, die übertragen werden kann, hängt von der Kanal-Bandbreite f-, ab und kann doppelt so groß wie die Bandbreite f-, sein.

Die übertragenen Daten werden vom FM-Empfanger 5 empfangen, der üblicherweise einen Demodulator bzw. eine Frequenz-Di skriminatorschaltung umfaß*t, auf die ein Entzerrungskreis für die Sprachübertragung folgt„ Für die Datenübermittlung gemäß der Erfindung ist der Eingang zum Empfängerabschnitt 6 des Modulators/Demodulators direkt mit der Frequenz-Diskriminatorschaltung im Empfänger 5 verbunden. Der Empfängerabschnitt 6 des Modulators/Demodulators umfaßt zunächst zwei Filter, von denen das erste einen Kondensator 15 und einen Widerstand 16 umfaßt, die jegliche Gleichspannungs-Komponente abblocken, die dem Signal aufgrund von Unvollkommenheiten im Betrieb der Frequenzmodulations-Funkverbindung aufgeprägt worden sein könnte, und von denen das zweite die Widerstände 17, 18 und den Kondensator 19 umfaßt, die ein Tiefpaßfilter bilden, um scharfe Rauschimpulse zu beseitigen, die dem Signal aufgrund anderer Unvollkommenheiten im Betrieb der FM-Funkverbindung überlagert worden sein können. Die Zeitkonstante des Kondensators 1A- und des Widerstandes 15 wird so gewählt, daß sie wesentlich größer als die zeitliche Länge von einem Bit ist. Die Zeitkonstante der Widerstände 17, 18 und

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des Kondensators 19 wird so gewählt, daß sie gleich oder kleiner der Periode eines Bits ist. Geringe Änderungen in den Werten dieser Bauelemente haben keinen negativen Einfluß auf den Betrieb der erfindungsgemäßen Schaltung. Ein Komparator 21 ist an den Widerstand 18 angeschlossen und besitzt eine Hysterese, deren Größe durch das Verhältnis des Widerstandes 18 zum Widerstand 20 bestimmt ist. Dieses Verhältnis sollte so eingestellt werden, daß es ungefähr gleich der Hälfte des Gesamt-Spannungshubs des Signals am Kondensator 19 ist. Der Komparator 21 gewinnt die rohen Digitaldaten aus dem Signal wieder.

Der Empfängerteil 6 des Modulators/Demodulators umfaßt weiterhin eine Taktschaltung 22, die aus den Übergangspunkten der empfangenen Daten ein Taktsignal ableitet. Die Taktschaltung 22 umfaßt ein logisches EXKLUSIV-ODER-Gatter 23, das einen ersten Eingang besitzt, der mit dem Komparator 21 verbunden ist, und einen zweiten Eingang, der mit dem Komparator 21 über ein Verzögerungselement 24 verbunden ist. Die durch das Verzögerungselement 24 bewirkte Signalverzögerung Δ sollte ungefähr gleich der Hälfte einer Bit-Periode sein. Eine übliche Vorrichtung zur Erzielung einer solchen Verzögerung besteht aus einem digitalen Schieberegister, das durch einen schnellen, von außen angelegten Takt getaktet wird. Der Ausgang des EXKLUSIV-ODER-Gatters 23 wird durch ein enges Bandfilter 25 gefiltert. Die Mittenfrequenz des Filters 25 ist gleich der Datenrate f und die Parallelgüte (figure of merit) Q des Filters sollte zwischen 20 und 1000 liegen. Ein kleineres Q wird gewählt, wenn eine schnellere Erfassung bzw. Aufnahme des Taktes gewünscht wird. Ein größerer Wert von Q wird gewählt, wenn ein geringeres Zittern bzw. geringere Synchronisationsstörungen im Ausgangstakt gewünscht werden. Ein übliches Mittel zur Erzielung eines solchen Filters ist die Verwendung eines Kristallfilters, eines LC-Filters, einer phasenstarren Schleife (phase lock loop) oder eines kommutierenden Digitalfilters. Die gefilterte Wellenform wird durch den Komparator 26 geformt, um ein Taktsignal am Anschluß 27 zu liefern.

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Um das Taktsignal und die empfangenen Daten zu synchronisieren, ist der Eingang eines D-Flip-Flops 28 an den Komparator 21 angeschlossen, während der Takteingang des Flip-Flops mit dem Taktschaltungs-Anschluß 27 verbunden ist. Das Flip-Flop 28 liefert somit die synchronisierten Daten und das logische Komplement dieser Daten an den Ausgansanschluß 29bzw. 30» Zur Beschreibung des Betriebs wird nun gemeinsam auf die Figuren

1 und die beispielsweise wiedergegebenen Wellenformen in Figur

2 Bezug genommen. Die zu übertragenden seriellen KRZ-Daten werden durch die Wellenform A wiedergegeben. Wenn die Wellenform A durch den Integrator 7 integriert wird, so ergibt sich die in Figur 2 unter B wiedergegebene .Wellenform. Diese Wellenform hat entweder eine positive oder eine negative Neigung, solang die Integrationsperiode ein Bit ist. Wenn die Eingangsdaten zwei oder mehr Bit mit derselben Polarität umfassen, dann begrenzt der Integrator das Ausgangssignal nach einem Bit und es ergibt sich ein Signal mit einer Steigung gleich ETuIl, wie dies durch die Wellenform B in Figur 2 wiedergegeben ist.

Das Vorverzerrungsnetzwerk im FM-Sender 3 hat die Wirkung, daß es die integrierte Wellenform differenziert, so daß das übertragene bzw. gesendete FM-Signal ähnlich der Wellenform G aus Figur 2 ist. Die Frequenzabweichung bzw. der Frequenzhub dieses Signals kann durch die Wellenform D wiedergegeben werden. Die drei verschiedenen Neigungen bzw. Steigungen des Eingangssignals B verwandeln sich in drei mögliche Frequenzhübe: positiver Frequenzhub, kein Frequenzhub und negativer Frequenzhub. Wenn ein FM-Sender 3 kein Vorverzerrernetzwerk besitzt, können diese Wellenformen dadurch erzeugt werden, daß man ein RC-Differenzier-Netzwerk zwischen den Modulator/Demodulator-Abschnitt 4 und den Sender 3 einfügt.

Das Ausgangssignal des FM-Empfängers 5 am Diskriminator ist gleich der momentanen Frequenzabweichung bzw. gleich dem momentanen Frequenzhub und somit ergibt sich, wie in Figur 2 unter D darge-

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stellt, eine dreipegelige Wellenform. Diese Wellenform kann eine Gleichspannungs-Offsetspannung aufweisen, die durch den Kondensator 15 und den Widerstand 16 beseitigt wird. Der Komparator 21, der eine Hysterese aufweist, konvertiert die drei Pegel dieser Wellenform I¹ in eine zweipegelige Binärdaten-Wellenform G. Wenn das Eingangssignal auf Null zurückkehrt, ändert der Komparator 21 seinen Zustand nicht, da der Hysteresewiderstand 20 den Komparator in seinem letzten Zustand hält. Wird das Eingangssignal des Komparators 21 negativ, so ändert der Komparator 21 seinen Zustand. Die genauen Schaltpunkte hängen von Ausmaß der Hysterese ab. Eine mögliche Einstellung für den Komparator 21 kann so gewählt werden, daß er zu einem positiven Ausgangssignal umschaltet, wenn das Signal die Hälfte seiner maximalen positiven Amplitude erreicht, und daß der Komparator 21 auf ein negatives Ausgangssignal umschaltet, wenn das Signal die Hälfte der maximalen negativen Amplitude erreicht.

Jeder Wechsel im Ausgangssignal des Komparators 21 erzeugt einen Impuls am Ausgang des EXKLUSIV-ODER-Gatters 23. Die Breite dieser Impulse ist gleich der Verzögerung des Verzögerungselementes 24. Diese Impulse enthalten unter anderem ITreguenzkomponenten mit der Frequenz der Datenrate bzw. Datengeschwindigkeit. Diese Frequenzkomponente wird durch das Bandfilter 25 isoliert und durch den Komparator 26 zu einem Rechtecks-Daten-Taktsignal geformt. Der Datentakt wird verwendet, um die Daten mit Hilfe eines getakteten D-Flip-Elops 28 zu synchronisieren, so daß kleine Änderungen in der Breite bzw. zeitlichen Länge der Bit durch die Wirkung der Datensynchronisation beseitigt werden. Die Daten und das Taktsignal sind die gewünschten Ausgangssignale. Die Datenwellenform K ist eine verzögerte Kopie der Eingangs-Datenwellenform A. Die Verzögerungen beruhen auf den Laufzeitverzögerungen der Schaltkreisbauelemente und der ITl-Punkverbindung.

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Da der Integrator 7 "bei einem positiven Eingangssignal eine negative Steigung erzeugt, sind die gesendeten "bzw. übertragenen Daten das logische Komplement zur Wellenform A und müssen durch das D-Flip-Flop 28 invertiert werden, damit die Ausgangsdaten mit den Eingangsdaten identisch sind. Diese Umkehrung wird dadurch erreicht, daß man den inversen Ausgang "Q des logischen Elementes 28 verwendet.

Die Erfindung schafft also einen Modulator/DemoduJ ator für die Hochgeschwindigkeitsübertragung binärer Daten über ein FM-Nachrichtenübermittlungssystem, bei dem der Senderabschnitt des Modulators/Demodulators das erste Bit einer jeden Folge von Bits mit gleicher Polarität der Eingangs-Binärdaten integriert, um ein dreipegeliges Signal zu bilden. Der Empfängerabschnitt des Modulators/Demodulators filtert die Gleichspannung und die Hochfrequenzkomponenten in den empfangenen Signalen aus, konvertiert das empfangene Signal in ein zweipegeliges Binärsignal, erzeugt ein Taktsignal und synchronisiert das zweipegelige Binärsignal mit dem Taktsignal, um die ursprünglichen Binärdaten wieder herzustellen.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Modulator/Demodulator für den FM-Sender und FM-Empfänger " eines Nachrichtenübermittlungssystems, dadurch g e kennzeichnet , daß der Senderabschnitt des Modulators/Demodulators eine Integratorvorrichtung zum Integrieren der eine Binärrate f aufweisenden Eingangs-Binärdaten aufweist, wobei diese Integratorvorrichtung eine Begrenzervorrichtung umfaßt, so daß sie nur das erste Binärbit in jeder Folge von Bits integriert, die dieselbe Polarität besitzen, und wobei die Integratorvorrichtung weiterhin einen mit dem Sender verbundenen Ausgangsanschluß besitzt, und daß der Empfängerabschnitt des Modulators/Demodulators folgende Bestandteile umfaßt: eine Gleichspannungs-Filtervorrichtung, die mit dem Empfänger zum Abblocken der Gleichspannung in dem empfangenen Empfängersignal verbunden ist, eine Komparatorvorrichtung mit Hysterese.

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MANITZ FIN?¹

ORIGINAL IN8PECTTS3

die mit der Filtervorrichtung verbunden ist, um das Empfängersignal in ein binäres Datensignal zu konvertieren bzw. umzusetzen, eine Taktvorrichtung, die mit dem Ausgang dar Komparatorvorrichtung verbunden ist, um ein binäres Taktsignal mit der Frequenz f zu erzeugen, und eine Logikschaltung, die einen mit der Komparatorvorrichtung verbundenen Eingang besitzt und durch das binäre Taktsignal gesteuert wird, um ein Binärdaten-Aus gangs signal zu erzeugen, das mit dem Taktsignal synchronisiert ist.
2. Modulator/Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Integratorvorrichtung einen Operationsverstärker mit einem Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß, einen Widerstand R, der seriell mit dem Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist, einen Kondensator C, der zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers angeschlossen ist, und zwei Zenerdioden mit einer Grenzspannung - V^₇ umfaßt, die in Reihe parallel zum Kondensator geschaltet sind.
3. Modulator/Demodulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Bit-Daten-Geschwindigkeitsperiode durch die Gleichung 1/f = RCV^/Vg gegeben ist, wobei Vjt die positive oder negative Amplitude der Datenbits ist.
4-, Modulator/Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Taktvorrichtung folgende Bestandteile umfaßt: ein Verzögerungselement, das mit der Komparatorvorrichtung verbunden ist und eine Verzögerungszeit kleiner Vf besitzt,eine EXKLUSIV-ODER-ixatter-Vorrichtung, die einen mit dem Verzögerungselement verbundenen ersten und

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einen mit der Komparatorvorrichtung verbundenen zweiten .. Eingangsanschluß "besitzt, eine Bandfiltervorrichtung, die mit der ESKLUSIY-ODER-Gatter-Vorriclitung verbunden ist, und eine Wellenform-Formungs-Vorrichtung, die mit der Filtervorrichtung verbunden ist, um das binäre Taktsignal zu liefern.
5. Modulator/Demodulator nach Anspruch A-, dadurch gekennzeichnet , daß die Verzögerungszeit des Verzögerungselementes ungefähr i/(2f) ist.
6. Modulator/Demodulator nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß die Logikschaltung aus einem bistabilen Multivibrator bzw, Flip-Flop besteht.
7. Modulator/Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der l'inp fang er ab schnitt des Modulators/Demodulators weiterhin ein Tiefpaßfilter umfaßt, das zwischen die Gleichspannungs-Filtervorrichtung und die Komparatorvorrichtung geschaltet ist und eine Zeitkonstante kleiner oder gleich 1/f besitzt.

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