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Demodulations- und Fehlererkennungsschaltung für ein
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Biphase-Signal Die Erfindung betrifft eine Demodulations- und Fehlererkennungsschaltung
für ein Biphase-Signal, insbesondere ein PCM-Tonsignal, nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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?~t-ir die Ubertragung binärer Zeichenfolgen sind verschiedene Codes
bekannt. Die sogenannten NRZ-Codes benötigen nur eine geringe Wtndbreite. NRZ-Codes
sind jedoch nicht gleichpegelfrei. Beim Biphase-Code ist kein Gleichanteil vorhanden,
jedoch benötigt der Biphase-Code gegenüber dem NRZ-Code die doppelte Bandbreite.
Bei Biphase erfolgt eine Pegeländerung spätestens nach einer Bitperiode.
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Bei der Umwandlung des NRZ-l-Codes in einen Biphase-Level-Code wird
die Signalinformation 1 als ein 0-1-Sprung und die Information O als ein 1-0-Sprung
jeweils in der Mitte des Bitintervalls dargestellt. Bei gleichen aufeinanderfolgenden
Bits erfolgt ein zusätzlicher Sprung am Ende eines Bitintervalls. Beim Biphase-Nark-Code
erfolgt die Darstellung des Informationsbits 0 durch eine Pegeländerung am Ende
des Bitintervalls und die Darstellung der Information 1
ebenfalls
als Bitübergang am Ende des Informationsintervalls plus einem zusätzlichen sprung
in der Mitte eines Bitintervalls. Die Biphase-Space-Dnrstellunrr ist eine Inversion
der Biphc'ise-Nark-DarLteliung.
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Das aus einem NRZ-Signal gewonnene Biphase-Signal kann als NRZ-Signal
mit doppelter Bitrate aufgefaßt werden, das jedoch nur bestimmte Bitfolgen zuläßt.
Diese Bitfolgen sind bestimmt durch die Vorschrift, daß die Anzahl ungleicher aufeinanderfolgender
Bitwerte stets gerade sein muß, und daß nie mehr als zwei gleiche Bitwerte aufeinanderfolgen
dürfen. Das Biphase-Signal#besitzt eine hohe Redundanz, denn jedem Bit des NRZ-Signals
entspricht ein Bitpaar des Biphase-Signals.
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Bei der Ubertragung von digitalen Informationssignalen über einen
Kanal treten Bitverfälschungen durch Einzelbitfehler oder Büschelfehler auf. Es
ist bekannt, zur Vermeidung von Fehlern fehlerkorrigierende Codes, Interleavingverfahren
oder Interpolationsverfahren anzuwenden. Fehlerkorrigierende Codes benötigen jedoch
eine erhöhte Bitrate, d.h. Redundanz.
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In P 31 22 763 ist zwar beschrieben mit Hilfe von Fehlererkennungsmethoden
(z.B. CRC) und Variation fehlerverdächtiger Bits das richtige Bitmuster zu finden.
Die Wirksamkeit diese Verfahrens ist jedoch von der Erkennung der fehlerverdächtigen
Bits abhängig.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Demodulations- und Fehlererkennungsschaltung
für ein Biphase-Signal anzugeben, bei dem zur Fehlererkennung keine erhöhte Redundanz
des NRZ-Signals notwendig ist und möglichst alle fehlerverdächtigen Bits erkannt
werden können.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 angegebenen
Maßnahmen. Weitergehende Merkmale der Erfindung sind in Unteransprüchen beschrieben.
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Durch die Erfindung können praktisch alle Einzelfehler, die auf einem
L#ertra#ungskanal das Biphase-Signal stören, erkannt und korrigiert werden. Es ist
keine erhöhte Redundanz im NRZ-tJignal erforderlich. Sofern mit dem Auftreten von
erheblichen Bündelfehlern zu rechnen ist, sollte jedoch eine zusätzliche Korrekturmöglichkeit
durch bekannte Methoden, wie Inlerleaving und Paritybits, vorgesehen werden. Die
erfindungsgemäße Schaltung ist für alle Biphasearten anwendbar. Je nach Fehlerstruktur
ist jedoch die eine oder andere Biphasevariante erfolgreicher. Bei der digitalen
Tonsignalübertragung bei einer digitalen Tonplatte konnte in einem Ausführungsbeispiel
allein durch Auswahl des einen oder anderen Demodulationsergebnisses, d.h. ohne
zusätzliche Bitvariation, die Anzahl der Fehlermeldungen auf 1/2 bis 1/10 des ohne
die Erfindung vorhandenen Wertes reduziert werden.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein Impulsdiagramm für eine ungestörte Abertragung,
Fig. 2 ein Impulsdiagramm für eine gestörte Übertragung, Fig. 3 eine Demodulationsschaltung
für einen Biphase-M oder Code, Fig. 4 ein Impulsdiagramm für eine Schaltung nach
Fig. 3, Fig. 5 ein Impulsdiagramm für einen ungestörten Biphase-Level-Code, Fig.
6 ein Impulsdiagramm für einen gestörten Biphase-L-Code, Fig. 7 eine Demodulationsschaltung
für einen Biphase-L, Code, Fig. 8 ein Impulsdiagramm für eine Demodulationsschaltung
nach Fig. 7.
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Das in Fig. 1 dargestellte Impulsdiagramm zeigt in Zeile 1 ein NRZ-#iignal,
das entsprechend Zeile 2 in ein Biphase-Signal umgewandelt wurde. Im Beispiel wird
zunächst nur der Biphase-Space-Code behandelt. In Zeile 3 ist das Signal
von
Zeile 2 um ein Bitintervall des NRZ-Si.gneZs verzögert dargestellt. Man erkennt,
daß bei aufeinanderfolgenden Werten 1 der Biphase-Signalwert von Bitintervall zu
Bitintervall umgekehrt ist, bei aufeinanderfolgenden Nullen jedoch gleich ist. während
einer 0 durchläuft das Biphase-Space-Signal eine volle Schwingperiode, während einer
1 nur eine Halbperiode.
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Durch eine Exklusiv-ODER-Verknüpfung der Zeilen 2 und 3 von Fig. 1,
das heißt eine Modulo-2-Addition, ergibt sich eine Darstellung entsprechend Zeile
4. Durch diese Verknüpfung erhält man paarweise die richtigen Bitwerte des NRZ-Signals.
Durch Abtastung des Signals von Zeile 4 mit den Impulsfolgen der Zeilen 5 und 6
erhält man zwei aus verschiedenen Bitfolgen erzeugte und damit in Bezug auf Bitfehler
voneinander unabhängige NHZ-ignale mit der ursprünglichen Bitfolgefrequenz. Diese
beiden Signale stimmen bei störungsfreier Übertragung überein.
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Fig. 2 zeigt ein Impulsdiagramm für eine gestörte Übertragung. An
den Stellen 1 und 2 in Zeile 1 sind gestörte Bits dargestellt. Zeile 2 zeigt wiederum
das um ein Bitintervall des NRZ-Taktes verschobene Biphase-Signal von Zeile 1. Die
dargestellten Einzelbitfehler sind typische Fehler. An der Stelle 1 ist eine Halbwelle
verloren gegangen an der Stelle 2 wurde ein Pegelübergang um ein halbes Bitintervall
verschoben. Die Exklusiv-ODER-Verknüpfung der Zeilen 1 und 2 ergibt Zeile 3. An
den Stellen 3 und 4 ist kein gleiches Wertepaar vorhanden. Daraus, daß an den Stellen
3 und 4 die paarweise zugeordneten Werte nicht übereinstimmen, kann bereits eine
Fehlerlokalisierung erfolgen.
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Durch Abtastung des Signals von Zeile 3 mit einer Taktfrequenz, die
mit dem Takt des NRZ-Signals übereinstimmt, ergibt sich ein erstes NRZ-Signal entsprechend
Zeile 4 und durch Abtastung mit einer um ein halbes Bitintervall verschobenen Taktfrequenz
ein zweites NRZ-S.ignal entsprechend Zeile 5. Das NRZ-Signal entsprechend
Zeile
4 enthält an den Stellen 5 bis 8 vier Bitfehler, u rend das Ni?Z-Signal entsprechend
Zeile 5 keinen Bitfehler enthält. Es wäre auch möglich, daß jedes der NRZ-Signale
ein Bitfehlerpaar enthalten würde.
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Bei Biphase-S oder Biphase-M wird durch jeden Einzelbitfehler im Biphase-Signal
ein Bitfehlerpaar in einem NRZ-Signal hervorgerufen. Da im Beispiel Fig. 2 an beiden
Fehlerstellen das zweite Bit eines Biphase-Bitpaares gestört ist, muß der Fehler
in beiden Fällen in dem diesem Bit zugeordneten NRZ-Signal auftreten. Das andere
NRZ-Signal wird durch die hier dargestellten Signalstörungen nicht beeinflußt. In
den beiden NRZ-Signalen auftretende Unterschiede zeigen also Fehlerstellen an. Es
ist nicht möglich, aus dem Biphase-Signal auch herzuleiten, welches der NRZ-Signale
gestört ist. Dies zeigt das in Zeile 6 von Fig. 2 dargestellte Biphase-Signal.
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Aus diesem Signal, das vollständig der Biphasevorschrift entspricht,
könnte nämlich ebenfalls das in Zeile 1 dargestellte fehlerhafte Signal hervorgegangen
sein. Es können also nur Stellen lokalisiert werden, die der Biphasevorschrift widersprechen,
es kann aber zunächst nicht entschieden werden, welches NRZ-Signal ursprünglich
zur Bildung des Biphase-Signals verwendet wurde.
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Mit der erfindungsgemäßen Schaltung können Einzelfehler der in Fig.
2 dargestellten Art in jedem Fall festgestellt werden. Dort, wo die Werte der Bitpaare
des Signals entsprechend Zeile 3 voneinander abweichen oder einander entsprechende
Bits der Signale von Zeile 4 und Zeile 5 unterschiedlich sind, liegt ein Fehler
vor. Die Wahrscheinlichkeit für das vollständige Erkennen ausgedehnter Störstellen,
sogenannter Burstfehler oder Büschelfehler, hängt von der Struktur dieser Fehler
ab und damit von den Eigenschaften des Übertragungskanals. Die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung ermöglicht in jedem Fall die Erkennung aller Einzelbitfehler
bei Biphase-S oder Biphase-M. Durch Variation
der als gestört erkannten
Bits und Überprtifung mit einem CRC-Schaltikreis ist dann eine echte Norrektllr
auch von mehreren Einzelfehiern in einem block durchf#j#irbar. E i nc entsprechende
Anordnung zur Korrektur ist in 1' 31 22 763.5 beschrieben.
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Fig. 3 zeigt ein Schaltungsbeispiel für eine Demodulationsschaltung
für einen Biphase-M oder -S-Code mit einer Fehlerkorrekturschaltung. Das vom Kanal
kommende Biphase-Signal wird nach möglichst sorgfältiger Entzerrung in ein Schieberegister
9 mit acht Speicherstellen eingeschoben. Das Einlesen und Weiterschalten des Schieberegisters
9 erfolgt mit den ansteigenden Flanken des Taktes 2f . Die doppelte Taktfrequenz
2fT wird mit Hilfe einer bekannten PLL-Schaltung aus dem Biphase-Signal erzeugt.
Die Signalverschiebung an den Ausgängen des Schieberegisters 9 beträgt je Stufe
ein halbes Bitintervall des ursprünglichen NRZ-Signals.
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Die Ausgänge der Speicherstellen 11 und 13 führen auf ein Exklusiv-ODER-Gatter
14, die Ausgänge der Speicherstellen 10 und 12 führen auf ein Exklusiv-ODEI?-Gatter
15. Die an den Ausgängen der Exklusiv-ODER-Gatter 14 und 15 anliegenden Signale
stellen zwei um ein Bitintervall gegeneinander verschobene gleiche NRZ-Signale doppelter
Bitfrequenz dar, bei denen im störungsfreien Fall gleiche Bitwerte stets paarweise
auftreten. Da das erste Bit eines Paares im zweiten NRZ-Signal mit dem zweiten Bit
eines Paares im ersten Signal zeitlich zusammenfällt, können mit Hilfe zweier D-Flip-Flops
16 und 17, die die gemeinsame Taktfrequenz fT erhalten, die beiden NRZ-Signale NRZ1
und NRZ2 bitsynchron gewonnen werden. Das Signal NRZ1 ist aus dem zweiten Bit jedes
Bitpaares gewonnen, das Signal NRZ2 aus dem ersten Bit. Die beiden Ausgänge der
D-Flip-Flops 16 und 17 führen auf eine Exklusiv-ODER-Schaltung 18, die ein Fehlersignal
abgibt, sobald die Signale NRZ1 und NRZ2 nicht übereinstimmen.
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L mit die Signale an den Ausgängen der Exkiusiv-ODER-Gatter 14 und
15 jeweils im richtigen Zeitpunkt getaktet werden, ist es erforderlich, die Taktphase
zu synchronisieren. Der Takt fT wird durch Frequenzteilung mit Hilfe eines Flip-Flops
19 aus der aus dem Biphase-Signal gewonnenen Taktfrequenz 2f? gewonnen. Das Flip-Flop
19 muß in die richtige Schaltphase gebracht werden und diese Schaltphase auch beibehalten,
damit sichergestellt ist, daß die beiden NRZ-Signale stets gleichzeitig die Bitwerte
des selben Wertepaares darstellen. Diese Synchronisierung kann durch eine Vergleichsschaltung
bewirkt werden.
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Im darget,tel.lten Beispiel wird die Taktphase dann synchronisiert,
wenn im ursprünglichen NRZ-Signal vier aufeinanderfolgende Werte Eins auftreten,
wobei die erste Eins durch die Bitwerte Null, Null im Biphase-Signal dargestellt
sein muß. Es können auch andere Bitmuster für die Erzeugung des Synchronisationsimpulses
verwendet werden, jedoch sind dann invertierende und nichtinvertierende Eingänge
des Gatters 20 in entsprechender Weise mit den Ausgängen der einzelnen Stufen des
Schieberegisters 9 zu verbinden. Zweckmäßig wird zur Synchronisierung ein Muster
gewählt, das immer wieder im Signal vorkommt, z.B. ein Signal zur Blocksynchronisierung.
Nur wenn alle Eingänge des Gatters 20 eine 1 enthalten, kann am Ausgang ein Impuls
zur Synchronisierung abgegeben werden.
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Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel erfolgt auf jeden Fall bei mindestens
fünf aufeinanderfolgenden Werten Eins im ursprünglichen NRZ-Signal eine Richtigstellung
der falschen Taktphase. Sie kann aber auch schon bei vier aufeinanderfolgenden 1
erfolgen, wenn der ersten 1 im Biphase-Signal der Wert 0 zugeordnet ist. Solange
eine Synchronizität zwischen Biphase-Signal und Takt 2fT erhalten bleibt, kann sich
die richtig eingestellte Phase von fT nicht verändern.
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Die bei bestimmten Bitmustern auftretenden Synchronisationsimpulse
beeinflus#n
die ansteigenden Flanken der fT Impulse, die die Signalübernahme in die D-Flip-Flops
16 bzw. 17 bewirken, nicht. Die abfallende Flanke wird jedoch in ihrer Lage verändert.
Daher wird mit einem zusätzlichen flip-Flop 21 der mit fT synchrone Takt T erzeugt,
der für die weitere Signalverarbeitung geeignet ist.
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Fig. 4 zeigt ein Impulsdiagramm für eine Schaltung nach Fig. 3. In
der ersten Zeile ist der Takt 2fT dargestellt.
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Die Zeilen a bis h zeigen jeweils die an dem jeweiligen Ausgang der
entsprechenden Stufe des Schieberegisters 9 anstehenden Signale, die von Stufe zu
Stufe um eine halbe Bitperiode verschoben sind. In der zehnten Zeile ist das Ausgangssignal
des Exklusiv-ODER-Gatters 15 und in der elften Zeile das Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Gatters
14 dargestellt. Das dargestellte B hase-SilJnal er#.eu#t an den Stellen 22 und 23
Synchronisationsimpulse 24 und 25. An diesen Stellen wird bei richtiger Taktphase
nur die abfallende Flanke des Taktes fT beeinflußt, nicht jedoch die ansteigende
Flanke, die zum Einlesen in die Flip-Flops 16 und 17 dient. Am Ausgang des Flip-Flops
21 liegt eine Taktfrequenz T an, die unbeeinflußt von Synchronisationsverschiebungen
ist. Im rechten Teil des Impulsdiagramms ist eine Impulsfolge dargestellt, die einen
Bitfehler enthält.
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An den Ausgängen der Exklusiv-ODER-Gatter 14 und 15 treten dann an
der Stelle des Bitfehlers keine paarweise gleichen Signale im Einlesemoment der
D-Flip-Flops 16, 17 auf, so daß bei Exklusiv-ODER-Verknüpfung der Signale NRZ1 und
NRZ2 an den Ausgängen der D-Flip-Flops im likRusiv -Gatter 18 ein Fehlersignal auftritt.
Dieses Fehlersignal ist in der letzten Zeile der Fig. 4 dargestellt. Mit dessen
Hilfe ist es möglich, auch bei mehreren Bitfehlern in einem Block durch Variation
der fehlerhaften Bits eine Richtigstellung des NRZ-Signals zu bewirken.
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Die vorliegende Schaltungsanordnung ist nicht auf Biphase-
SErace
teschrnkt, sondern kann für Biphase-Nark in gleicher Weise angewendet werden, indem
bei den Flip-Flops 16 und 17 die entsprechenden komplementären Ausgänge verwendet
werden.
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Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für ein Biphase-Level-Signal
erfolgt paarweise die Ermittlung der fehleranzeigenden Signale mit Hilfe der Taktfrequenz
T.
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Fig. 5 zeigt in der ersten Zeile das ursprüngliche NEZ-Signal, das
entsprechend der zweiten Zeile in ein Biphase-Level-Signal codiert wurde. Durch
die aus dem Biphase-Signal ermittelte Tdktimpulsfolge der Zeile 3 wird mit einem
J~=xklusiv-ODER-Gatter eine Signalfolge entsprechend der vierten Zeile ermittelt.
Auch hierbei können durch Abtaitung jeweils eines Wertes der in Fig. 5, Zeile 4
dargestellten Wertepaare zwei gleiche NRZ-Signale ermittelt werden.
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Fig. 6 zeigt das Auftreten zweier Fehlersignale 26 und 27, die nach
einer Exklusiv-ODER-Verknüpfung an den entsprechenden Stellen zu keinem gleichen
Wertepaar führen.
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Nach Abtastung mit dem in Zeile 5 der Fig. 5 dargestellten Takt ergibt
sich das in der vierten Zeile der Fig. 6 dargestellte erste NRZ-Signal mit zwei
fehlerhaften Bits 28 und 29. Das zweite NRZ-Signal, dargestellt in der fünften Zeile
von Fig. 6, ist richtig.
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Fig. 7 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Demodulation und Fehlererkennung
für ein Biphase-ievel-Slgnal. Den ersten Eingängen der Exklusiv-ODER-Schaltung 30
und 31 werden zwei um ein halbes Bitintervall verschobene Biphase-Signale zugeführt.
Den anderen Eingängen der Exklusiv-ODER-Schaltungen 30 und 31 werden gegenphasige
Taktsignale T und T zugeführt.
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Diese Taktsignale werden über ein Flip-Flop 32 aus der aus dem Biphase-Signal
gewonnenen doppelten Taktfrequenz gewonnen. Die Synchronisation der Taktphase erfolgt
in gleicher Weise wie in Fig. 3. Sie erfolgt beim gleichen Bitmuster des Biphase-Signals.
Diesem Bitmuster entspricht
bei Biphase-L jedoch eine 1010 .. -Folge
des NRZ-Signals.
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An den Ausgängen der Flgip-Flops 33 und 34 liegt jeweils ein NRZ-Signal
an. Bei Nichtüberei nstirrnrune der beiden NRZ-Signale ergibt sich über eine Exklusiv-ODr'J#-#chaluung
35 ein Fehlersignal.
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Fig. 8 zeigt ein Impulsdiagramm zur Kchaltur1F.r nach Fig. 7.
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Wenn kein Fehler auftritt, stimmen die beiden NRZ-Signale überein.
Ein Fehlersignal ergibt sich nur dann, wenn eine Nichtübereinstimmung zwischen den
beiden NRZ-Signalen besteht. Im Gegensatz zu Biphase-S oder Biphase-M erhält man
hier kein Fehlerpaar, sondern nur einen Bitfehler im NRZ-Signal je Einzelbitfehler
im Biphase-Signal. Bei tibertragungskanälen, bei denen Bündelfehler derartig in
Erscheinung treten, daß über längere Zeiten alle Pegelübergänge ausgelöscht sind,
ist die Anwendung von Biphase-L vorteilhaft. Hier werden im Gegensatz zu Biphase-S
oder Biphase-M alle gestörten Bits erfaßt. Bei weiter auseinanderliegenden Einzelfehlern
sind jedoch alle Biphase-Codes in Bezug auf Fehlererkennung und Korrekturmöglichkeit
gleichwertig. Das Paarweise-Auftreten gestörter Bits in den aus Biphase-S oder Biphase-M
gewonnenen NRZ-Signalen ist kein Nachteil, wenn bekannt ist, daß beide Fehler eines
Paares sich im selben NRZ-Signal befinden. Für eine Signalkorrektur gemäß P 31 22
763.5 ist eine zusätzliche Fehlererkennungsmöglichkeit erforderlich, z.B. mit Hilfe
der bekannten CRC-Methoden.