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Optisches Analogsignal-Übertraqungssystem
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Eingehende Beschreibung der Erfindung (technisches Gebiet der Erfindung):
Diese Erfindung betrifft ein Übertragungssystem für optische Analogsignale.
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Stand der Technik und Aufgabenstellung Es gibt Fälle, in denen es
beabsichtigt ist, eine optische Analog-Ubertragung vorzunehmen. Beispielsweise,
we,nn der zeitliche Verlauf des Ausgangssignals eines Strahlungsdetektors unter
Umwandlung dieses Signals von seiner elektrischen in eine optische Form gesendet
und empfangen und der Verlauf auf der Empfangsseite analysiert werden soll.
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In diesem Falle ist es notwendig, daß der detektierte zeitliche Verlauf
als ein Analogsignal mit der höchstmöglichen Genauigkeit übertragen wird.
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Es kann jedoch bei einer optischen Übertragung das analoge Signal
nicht immer formgetreu übertragen werden. Dies ist bedingt durch die Kennlinien
des Ubertragungssystemsi wie beispielsweise die unvollkommene Linearität der elektro-Lichtemissionsdiode
oder dergleichen, die in einer Lichtsendeeinrichtung verwendet wird. Zu weiteren
Signalverfälschungen tragen der Übertragungsverlust in dem Lichtleiter, der als
Ubertragungskanal verwendet wird sowie die nicht ideale Linearität der opto-elektrischen
Umwandlungskennlinie und die Temperaturcharakteristik der Fotodiode bei, die als
Lichtempfangseinrichtung dient.
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Im Hinblick auf das Vorstehende ist ein System bekannt geworden, in
dem ein elektrischer Strom von bekannter Stromstärke als Eichsignal der Lichtsendeeinrichtung
auf der Sendeseite zugeführt wird. Von diesem Strom hervorgerufene optische Signale
werden empfangen und in elektrische Signale auf der Empfängerseite umgewandelt.
Der verlauf des analogen Signals, das in dem optischen Analogsignal-Ubertragungskanal
übertragen wird, wird dann korrigiert, indem der Pegel des elektrischen Signals
als Referenz dient.
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Eine solche bekannte Einrichtung ist in der offengeleaten japanischen
Anmeldung Nr. 10 90 44/1980 enthalten.
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Dieses bekannte System hat jedoch einen nachteil; denn es macht ein
zusätzliches Signal-Übertragungssystem zum Übertragen des Eichsignales notwendig,
das neben dem ÜtlerPra gungssystem für die optischen analogen Nutzsignalevermehrte
Kosten verursacht.
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Aufgabe der Erfindung Der Erfindung ist die Aufgabe gestellt, die
vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und damit
ein optisches Analog-Übertragungssystem bereitzustellen, das fähig ist, die Eichsignale
durch Ausnutzung des üblichen, für das Nutzsignal zuständigen optischen Analogsignal-Ubertragungssystem
zu übertragen, und das deshalb kein zusätzliches Signal-Ubertragungssystem für die
Eichsignale benötigt, wodurch Kosten eingespart werden.
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Zusammenfassung der Erfindung Der Kern der Erfindung beruht darauf,
daß ein Sendeteil, der eine Lichtsendeeinrichtung enthält, mit dem elektrische Analogsignale
in optische Signale umgewandelt werden, auch einen Eichsignal-Generator umfaßt,
der zwischenzeitlich Eichsignale erzeugt, sowie einen Eingangssignal-
Schaltkreis
für die Lichtsendeeinrichtung, der dieser Einrichtung das Eichsignal anstelle des
elektrischen Analogsignals zu Zeiten aufschaltet, zu denen die Eichsignale vorliegen.
Dadurch wird ein besonderes Signal-Übertragungssystem für die Übertragung der Eichsignale
nicht mehr notwendig.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 ist ein Blockschaltbild,
das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
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Figur 2 ist ein Zeitdiagramm von Signalen in jedem der Teile der Schaltungsanordnung
nach Figur 1.
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In Figur 3 werden verschiedene Beispiele von Eichsignalen als Wellenformen
dargestellt.
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Figur 4 ist ein Blockschaltbild, das Einzelheiten des Hauptteils eines
Verarbeitungskreises 5 im Empfangsteil zeigt.
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Figur 5 ist ein Zeitdiagramm der Signale in den einzelnen Abschnitten
der Schaltung nach Figur 4.
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Ausführungsbeispiel der Erfindung Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.
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Figur 1 ist ein Blockschaltbild, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
zeigt.
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In der Figur ist ein Sendeteil S und ein Empfangsteil R zu erkennen.
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Im Sendeteil S wird ein Meßsignal a von einem Detektor 1 für Spannung,
Strom oder dergleichen über einen Eingangssignal-Schaltkreis 2 einer Lichtsendeeinrichtung
3 zugeführt. Diese wandelt das Signal in ein optisches Signal um, das dann über
einen Lichtleiter 7 an den Empfangsteil R übertragen wird.
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Andererseits wird ein Eichsignal c, von einem Eichsignal-Generator
6 ausgehend, über den Schaltkreis 2 der Lichtsendeeinrichtung 3 zugeführt und dann
in gleicher Weise wie das Meßsignal a an den Empfangsteil R übertragen. Ein zeitgebendes
Signal b, das ebenfalls vom Eichsignal-Generator 6 ausgeht, wird auch dem Schaltkreis
2 zugeführt, und zwar gleichzeitig mit der Bereitstellung des Eichsignales c für
den Schaltkreis 2. Dabei sorgt das zeitgebende Signal b dafür, den Schaltkreis 2
von dem Meßsignal a auf das Eichsignal c umzuschalten.
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Das optische Analogsignal, das auf diese Weise über den Lichtleiter
7 an den Empfangsteil R übertragen wird, wird dort durch eine Lichtempfangseinrichtung
4 in elektrische Signale umgewandelt und danach einem Verarbeitungskreis 5 zugeführt.
Zwecks Trennung unterscheidet der Verarbeitungskreis 5 das Eichsignal vom Meßsignal
innerhalb des elaktrischen Signales, das von der Lichtempfangseinrichtung 4 ausgeht.
Der Verarbeitungskreis 5 korrigiert weiterhin den Pegel des Meßsignales, indem er
es mit dem Pegel des Eichsignales vergleicht und stellt auf diese Weise auf der
Empfangsseite den zeitlichen Verlauf des Meßsignales auf der Sendeseite genau wieder
her.
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Das Eichsignal muß vom Meßsignal deutlich unterscheidbar sein, um
es leicht im Empfangsteil von diesem trennen zu könnnen. Dazu wird vor der Übertragung
dem Eichsignal eine Eigenschaft mitgegeben, die es deutlich vom Meßsignal unterscheidet
(Beispielsweise einen erhöhten Amplitudenwert oder eine längere Impulsdauer, wenn
das Eichsignal Impulsform aufweist.).
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Figur 2 stellt ein Zeitdiagramm der Signale in jedem der Teile des
Blockschaltbildes der Figur 1 dar. In der Figur stellt a das Meßsignal dar. b bedeutet
das zeitgebende Signal, c das Eichsignal und d das Ubertragungssi
gnal.
Wie das Ubertragungssignal d zeigt, ist ausschließlich das Meßsignal a Bestandteil
des Ubertragungssignals d in Zeitabschnitten, in denen das zeitgebende Signal b
nicht vorhanden ist, d. h., während des Zeitabschnittes A.
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Das Übertragungssignal d besteht hingegen nur aus dem Eichsignal c,
wenn das zeitgebende Signal b vorhanden ist, d. h. während des Zeitabschnittes B.
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Das Eichsignal c, setzt sich aus vier einzelnen Eichsignalen verschieden
Pegel zusammen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Eichsignal eines
Pegels Ll von Eichsignalen der Pegel L2, L3 und L4 unterschieden. Durch den Gebrauch
einer Vielzahl von Eichsignalen mit unterschiedlichen Pegeln können Eichpunkte für
jeden Pegel bestimmt und damit eine genaue Eichung ermöglicht werden, sogar in Übertragungssystemen,
bei denen eine n'ichtlineare Abhängigkeit zwischen den Werten für das Übertragungssignal
und den Werten für das Empfangssignal existiert. Somit unterscheidet sich der Gebrauch
mehrerer Pegel vorteilhaft von der Benutzung nur eines Eichsignals mit einem einzigen
Pegel. Die benötigte Schaltung wird jedoch komplizierter; dieser Aufwand muß in
Betracht gezogen werden.
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Wenn weiterhin in dem System der Pegel Ll für das Eichsignal c so
gewählt ist, daß er den höchstmöglichen Wert des Meßsignals a übertrifft, wird es
leicht, den Pegel Ll und damit das Eichsignal vom Meßsignal auf der Empfangsseite
zu unterscheiden. Es ist dann auch möglich, die Pegel L2, L3 und L4 auf der Empfangsseite
zu detektieren, weil sie sich zeitlich unmittelbar an den Pegel Ll anschließen.
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In diesem Sinne wird das Eichsignal mit dem Pegel Ll, der die Basis
für seine Detektion abgibt, im nachfolgenden manchmal auch als Synchronisationssignal
bezeichnet.
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Obgleich anhand des vorliegenden Ausführungsbeispiels gezeigt wurde,
daß vier Typen von Eichsignalen in einem
Bündel zeitlich aneinander
anschließend übertragen werden, ist dieses enge zeitliche Aufeinanderfolgen nicht
immer notwendig. Wenn nur der zeitliche Abstand zwischen jedem der einzelnen Eichsignale
bekannt ist, kann jedes Eichsignal innerhalb des Bündels leicht erkannt werden,
sobald das Synchronisationssignal wie oben erläutert detektiert wurde.
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Obwohl beim vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben wirdt daß
das Synchronisationssignal als erstes eines Bündels-von Eichsignalen übertragen
wird, weil dann die anderen Eichsignale dem Synchronisationssignal folgen und dies
das Feststellen der Empfangszeiten im Empfangsteil erleichtert, soll die Übertragung
der Eichsignale nicht auf diesen Fall beschränkt sein.
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Die Figuren 3 A bis 3 D stellen verschiedene Beispiele für mögliche
Eichsignale dar. Das Eichsignal kann von dem Eichsignal-Generator 6 zu beliebigen
Zeitpunkten oder in regelmäßigen konstanten Perioden gesendet werden. Ein die Erzeugung
des Eichsignals enthaltendes Intervall kann zu einem wählbaren Zeitpunkt beginnen.
Die Frequenz der Frzeugung kann vorzugsweise abhängig gemacht werden vom Umfang
der Änderung des Pegels des übertragenen Nutzsignals im Übertragungssystem, abhängig
beispielsweise vom Änderungsbereich der Umgebungstemperatur des Übertragungssystems.
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Wenn beispielsweise die Temperatur sich in einem Zeitintervall schnell
ändert, kann die Frequenz, mit der das Eichsignal erzeugt wird, erhöht werden, was
zu einer Verbesserung insofern führt, als dadurch ein Anwachsen des Signal-Übertragungsfehler
durch eine Temperaturänderung vermieden werden kann.
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Figur 4 stellt ein Blockschaltbild dar, das Einzelheiten des Hauptteils
der Verarbeitungseinheit 5 in dem Empfangsteil R der Figur 1 zeigt. In der Figur
sind im einzelnen eine Lichtsendeeinrichtung 3, eine Lichtempfangseinrich-
tung
4, eine Verarbeitungseinheit 5, ein Vergleichskreis 10, eine Bezugsspannungsquelle
11, ein veränderlicher Widerstand 12, zeitgebende Schaltkreise 13 bis 16, ein ODER-Gatter
17, vier UND-Gatter 18, ein Analog-Digital-Konverter 19, vier digitale Speicher
20 bis 23 und ein Differentiationsschaltkreis 24 dargestellt.
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Figur 5 stellt ein Zeitdiagramm für einzelne Signale in jedem Abschnitt
der Schaltungsanordnung nach Figur 4 dar.
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Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung wird nun anhand der Figuren
4 und 5 erläutert. Wie oben schon beschrieben, ist der Pegel für das Synchronisationssignal
größer als der maximale, vom Meßsignal des Ausführungsbeispiels erreichbare Pegel.
Deshalb kann, wenn das übertragene Signal auf der Empfangsseite empfangen wird,
das Synchronisationssignal leicht vom Meßsignal durch Ampiitudndiskrimination des
übertragenen Gesamtsignals getrennt werden.
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Wenn nun ein Signal, wie es in der Figur 2 d gezeigt ist, von der
Lichtsendeeinrichtung 3 gesendet wird, gibt die Lichtempfangseinrichtung 4 ein Empfangssignal
nach Figur 5 d ab. Wenn das empfangene Signal in den Vergleichskreis 10 gelangt,
vergleicht dieser Kreis den Pegel des empfangenen Signals mit einer bestimmten Referenzspannung
VS, die von der Referenzspannungsquelle 11 und dem veränderlichen Widerstand 12
bestimmt wird. Wenn ein Signal mit einem größeren Pegel als dem der Referenzspannung
VS ankommt, gibt der Vergleichskreis 10 ein Signal ab, das diesen Status anzeigt.
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So kann, wie bei der Bezugsspannung VS in Figur 5 d erkennbar, durch
Einstellung der Bezugsspannung VS größer als der für das Meßsignal zu erwartende
Maximalpegel und kleiner als der Pegel für das Synchronisationssignal ein Signalausgang
vom Vergleichskreis 10 erhalten werden, der das Eintreffen eines Synchronisationssignales
anzeigt. Das
Synchronisationssignal kann auf diese Weise von dem
Meßsignal getrennt werden.
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Angenommen, daß jedes Zeitfenster für die vier Eichsignale, von denen
das erste bekanntlich das Synchronisationssignal darstellt, tl Sekunden während
der Aussendung auf der Senderseite dauert, so muß das Zeitfenster für jedes der
vier Eichsignale im empfangenen Signal auch tl Sekunden dauern, wie in Figur 5 d
gezeigt ist. Deshalb kann, wenn nur wenn das Synchronisationssignal von Meßsignal
abgetrennt werden kann, auch die Lage des zweiten Eichsignals bezüglich der Zeit
bestimmt werden, in dem das Synchronisationssignal als Bezugszeit genommen und die
Zeit danach, die ebenfalls tl Sekunden dauert, gemessen wird. In gleicher Weise
können die Lagen des dräj ten und vierten Eichsignals bezüglich der Zeitachse bestimmt
werden.
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Jeder der zeitgebenden Schaltkreise 13 bis 16 in Figur 4 dient dazu,
die oben angeführte Zeit tl Sekunden zu messen. D. h., wenn das Ausgangssignal A
vom Vergleicherkreis 10 das Synchronisationssignal darstellt, gibt der zeitgebende
Kreis 13 sein Ausgangssignal für tl Sekunden, gemessen von der Vorderflanke des
Synchronisationssignals, ab. Deshalb kann das Ausgangssignal B vom zeitgebenden
Kreis 13 als dasjenige Zeitsignal betrachtet werden, das die Dauer des Synchronisationssignales
angibt.
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In gleicher Weise gibt der zeitbestimmende Kreis 14 ein Zeitsignal,
das die Dauer des zweiten Eichsignals festlegt. Ebenso bestimmt der zeitgebende
Kreis 15 die Dauer D für das dritte Eichsignal, und der zeitgebende Kreis 16 gibt
das Zeitsignal E für das vierte Eichsignal ab.
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Um das Meßsignal unter Benutzung der auf oben beschriebene Weise getrennten
und herausgezogenen Eichsignale zu eichen, ist es notwendig, die Pegel der Eichsignale
zu
messen und auf der Empfängerseite zu digitalisieren sowie in
Speichern zu speichern. Eingehendere Erklärungen in dieser Hinsicht werden später
gegeben.
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Die Zeitsignale B - E, die von den Zeitkreisen 13 bis 16 erhalten
werden, werden einem Differentiationskreis 14 zugeführt, der Differentationssignale
zu den Vorderflanken der Zeitsignale abgibt. Weiter wird die logische Summe (OR)
für die verschiedenen Differentiationssignale mit Hilfe des ODER-Gatters 17 gebildet,
um Analog-Digital-Umwandlungs-Steuersignale F zu erhalten. Wenn korrespondierende
Eichsignale den Analog-Digital-Konverter 19 erreicht haben, weisen die Analog-Digital-Konversions-Steuersignale
F den Analog-Digital-Konverter 19 an, deren Pegel zu messen.
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Wenn er das Steuersignal F erhält, beginnt der Analog= Digital-Konverter
19 mit der Umwandlung der empfangenen Signale d in Digitalwerte. Wenn diese Tätigkeit
abgeschlossen ist, gibt der Konverter 19 zusammen mit den umgewandelten Digitaldaten
L Konversionsabschluß-Meldesignale G ab. Es ist dabei vorgesehen, daß jeder der
Zeitabschnitte t2, t3, t4, t5 von dem Empfang des Analog-Digital-Umwandlungs-Steuersignals
F zur Ausgabe des Konversionsabschluß-Meldesignals G im Analog-Digital-Konverter
19 kürzer ist als das Zeit fenster tl für das Eichsignal.
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Weil die umgewandelten Digitaldaten L notwendig sind für die Eichung
des Meßsignals, ist es erforderlich, sie in individuellen Digitalspeichern zu speichern,
die korrespondierenden Eichsignalen zugeordnet sind. Die UND-Gatter 18 liefern ein
logisches Produkt (AND) aus jedem der Ausgangssignale B bis E der zeitgebenden Kreisen
13 bis 16 und dem Konversionsabschluß-Meldesignal G, um jene Signale zu erhalten,
die die Speicherung der Digitaldaten L in einzelnen Digitalspeichern 20 bis 23,
die den vier Eichsignalen entsprechen, veranlassen, d. h., es
werden
Ubernahmesignale H bis K für die Digitalspeicher erhalten.
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Ebenso wie Digitaldaten L für jedes der Eichsignale auf diese Weise
in den Digitalspeichern 20 bis 23 gespeichert werden können, können sie auch ausgelesen
und einer K.orrekturanalyse unterzogen werden, um eine Rekursionsgleichung abzuleiten.
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Sobald die Meßsignale im Empfangsteil detektiert sind, werden sie
in die Rekursionsgleichung eingesetzt, um genauere Pegel für das Meßsignal mit Hilfe
einer Korrekturrechnung zu erhalten. Diese Prozedur kann leicht mit Hilfe eines
Digitalrechners, beispielsweise eines Mikrocomputers, verwirklicht werden.
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Obgleich im dargestellten Ausführungsbeispiel die Referenzspannung
VS, die als Referenz beim Vergleichskreis 10 verwendet ist, nur halbstarr ist, kann
in Fällen, in denen die Pegeländerungen des Signales im Empfangsteil sehr umfangreich
sind, und die Grenzen für den Pegel des Synchronisationssignals und für den Höchstwert
des Meßsignals bezüglich der Referenzspannung VS nicht mehr genügen, eine sichere
Messung ermöglicht werden durch Nachjustierung der Referenzspannung VS oder des
Verstärkungsfaktors der Lichtempfangseinrichtung, basierend auf dem wirklichen Pegel
des Eichsignals und des Meßsignals.
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Vorteile der Erfindung Von der vorliegenden Erfindung können folgende
vorteilhafte Wirkungen erwartet werden: 1. Wenn bei der Ubertragung der Pegel für
das Eichsignal größer ist als der Höchstwert für das Meßsignal, kann das Eichsignal
(Synchronisationssignal) leicht unterschieden und abgespalten werden durch die Verwendung
eines
Spitzendetektors oder eines Amplituden-Diskriminators im Empfangsteil. Dies vereinfacht
die Auslegung der gesamten Schaltungsanordnung.
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2. Wenn die Zeitbeziehungen zwischen dem Synchronisationssignal und
den anderen Eichsignalen bekannt- ist, kann schon durch eine Trennung und Abspaltung
des Synchronisationssignals auch die Unterscheidung der anderen Eichsignale erzielt
werden. Dadurch kann der wahre Analogwert im Sendeteil durch seine Korrektur mit
Hilfe der Eichsignale genau festgestellt werden.
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3. Durch die Methode, mit der ein Analogsignal und ein Eichsignal
über eine identische Ubertragungsstrecke übertragen wird, kann das ganze Ubertragungssysten
weniger aufwendig gestaltet werden.
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2 Patentansprüche 5 Figuren