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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit dem Modulieren digitaler
Kommunikation und im Besonderen mit einem Modulationssystem und
einem Schema zur Verwendung von Infrarot-Energie, kompatibel mit
dem asynchronen IRDA-Standardformat sowie
mit einem synchronen Format für
Infrarot (IR)-Kommunikation.
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Zu lösendes Problem
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Das
Infra Red Data Access Standard (IRDA) Committee hat als sein Modulationsschema
die Verwendung eines Blinkimpulses (Flash Pulse) entweder von einer
3/16-Bitzelle oder von einer festen Länge von 1,63 Mikrosekunden
vorgesehen, wenn die zu übertragenden
Daten in einem asynchronen Datenformat (mit einem Startbit, einem
Stoppbit und einem Keine Parität-Bit)
Null beträgt.
Der Demodulator verlängert
den empfangenen Impuls auf eine volle Bitzellenbreite und kehrt
ihn um, um die richtige Ebene zu erstellen.
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Das
IRDA-Modulationsschema konvertiert weiterhin serielle Daten von
Blinkimpulsen in das Non-Return-to-Zero (NRZ)-Format. Während dies für einen
asynchronen Übertragungsmodus
akzeptabel ist, bei dem der NRZ-Datenstrom den Status zu Beginn
jedes Zeichens ändern
muss, ist dies für
einen synchronen Modus nicht akzeptabel, bei dem der NRZ-Datenstrom
den Status, d.h. ihre DC-Ebene für einen
längeren
Zeitraum nicht ändern
soll. Wenn konsekutive Einsen oder Nullen empfangen werden, kann
der digitale Phase Lock Loop, der im Demodulator für die synchrone
Kommunikation verwendet wird, die Sperre für die Daten verlieren, wenn
diese im NRZ-Format geliefert werden. Demzufolge fehlt der standardmäßigen Kodierungstechnik
eine gewisse Anpassungsfähigkeit,
und es wird eine alternative Methode erforderlich, die rückwärts kompatibel
ist mit der IRDA-Modulation, wobei eine synchrone Kommunikation
mit höherer
Geschwindigkeit unterstützt wird.
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DE-A-24
55 626 legt ein Schema zum Übertragen
elektrischer Signale zwischen einem Sender und einem Empfänger mit
einem großen
Differentialunterschied offen, wobei eine Lichtquelle mit dem zu übertragenden
elektrischen Signal moduliert, das modulierte Licht übertragen
und das elektrische Signal am Empfangspunkt wiederhergestellt wird,
unter Verwendung einer Pulsdauer-Modulation, bei der das zu übertragende
elektrische Signal in einem Pulscode mit variabler Pulsbreite kodiert
wird. Das Schema ist durch ein Schaltermittel gekennzeichnet, das vom
Sender bereitgestellt wird. Die Schaltermittel generieren kurze
Impulse, sobald ein Übergang
des tatsächlich
modulierten Signals erkannt wird, wobei jeder Impuls auf eine bestimmte
Weise gekennzeichnet ist, abhängig
von der Tatsache, ob es sich um einen positiven oder einen negativen Übergang
handelt, so dass die ursprüngliche
Impulscodesequenz wiederhergestellt werden kann.
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EP-A-0
410 757 legt ein optisches Übertragungssystem
zum Übertragen
eines ersten elektrischen Signals mit einer steigenden und einer
fallenden Kante offen, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Mittel
zum Generieren eines ersten Lichtimpulses umfasst, in Reaktion zur
steigenden Kante des genannten ersten elektrischen Signals sowie
eines zweiten Lichtimpulses in Reaktion auf die fallende Kante des
genannten ersten elektrischen Signals, weiterhin ein optisches Mittel
zum Übertragen
der genannten ersten und zweiten Lichtimpulse und ein Mittel zum
Empfangen der genannten ersten und zweiten Lichtimpulse und zum
Generieren in Reaktion darauf eines zweiten elektrischen Signals
entsprechend dem ersten elektrischen Signal.
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Ziele
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Modulationsschemas,
dass sowohl asynchrone als auch synchrone Datenkommunikation unterstützen kann.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Flash IR-Modulationsschema
bereitzustellen, das sowohl den IRDA-Standard als auch die synchrone Datenkommunikation
unterstützen
kann.
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Es
ist darüber
hinaus ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Flash IR-Modulationsschema
bereitzustellen, das sowohl den IRDA-Standard als auch die synchrone
Datenkommunikation unterstützt und
weiterhin kostengünstig
und einfach implementiert werden kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung umfasst eine Modulationsmethode nach Anspruch
6 und ein System nach den Ansprüchen
1 und 4, das sowohl asynchrone als auch synchrone Datenkommunikation
unterstützen
kann und das sowohl mit dem asynchronen IRDA-Modus für Infrarot-Kommunikation als
auch mit dem synchronen Modus der Infrarot-Kommunikation kompatibel
ist. Wie oben erwähnt,
ist das NRZ-Format für
Daten in der asynchronen Kommunikation für die synchrone Kommunikation
nicht geeignet, und dies aufgrund der Tatsache, dass es in einer
DC-Ebene für
einen entscheidenden Zeitraum verbleiben kann. Wenn keine Übergänge auftreten,
kann der in der synchronen Kommunikation verwendete Phase Lock Loop
seine Sperre an den Datenbitzellen-Begrenzungen verlieren. Um eine Lösung für dieses Problem
zu finden, übernimmt
die vorliegende Erfindung eine Non-Returnto-Zero-Inverted (NRZI)
mit Flash-Kodierung in Verbindung mit einer Null-Bit-Einfügung für das Kodierungsschema.
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In
der NRZI-Übertragung
wird ein Übergang auf
dem ausgehenden Datenstrom jedesmal dann generiert, wenn eine Null
im Datenstrom erkannt wird, wie in 1 dargestellt. Ähnlich wird
beim NRZI-Empfang ein Null-Bit für
jede Bit-Periode angezeigt, in der ein Übergang im eingehenden Datenstrom
erkannt wird. Ein NRZI-Empfänger
ist daher in der Lage, die Bitzellenbegrenzung des eingehenden Datenstroms
immer dann zu erkennen, sobald eine Null erkannt wird, da auf dem
Datenstrom zu Beginn der Bitzelle ein Übergang stattfindet. Ein NRZI-Empfänger ist
daher in der Lage, die Bitzellenbegrenzung der eingehenden Daten
jedesmal zu erkennen, wenn eine Null empfangen wird, da ein Übergang
auf dem Datenntrom zu Beginn der Bitzelle auftritt. Ein NRZI-Empfänger bleibt
mit den eingehenden Daten verbunden, solange eine ausreichende Anzahl
an Nullen innerhalb eines begrenzten Zeitraums empfangen wird.
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In
dem Null-Bit-Einfügen-Teil
des Schemas wird eine Null eingefügt, wann immer fünf aufeinanderfolgende
Einsen im Datenstrom erkannt werden. Diese Strategie verwendet das
Bit-Einfügen mit
zwei Zielen. Die erste Aufgabe des Null-Bit-Einfügens
ist es, dem Controller eine Unterscheidung zwischen Daten und Markierungen
zu ermöglichen,
die vom Null-Bit-Einfügen ausgenommen
sind. Die zweite Aufgabe ist die Bereitstellung von genügend Übergängen in
den Daten, so dass der digitale Phase Lock Loop unabhängig vom
Dateninhalt verbunden bleiben kann. Durch Sicherstellen, dass mindestens einmal
alle sechs Bits eine Null empfangen wird, und unter Verwendung NRZI-kodierter
Daten zum Versorgen des Phase Lock Loops, ist der Empfänger in
der Lage, zusammen mit den empfangenen Daten in der Phase zu verbleiben
und das Zurückgreifen
auf die DC-Komponente wird effektiv verhindert.
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Durch
Implementieren des NRZI-Modulationsschemas der vorliegenden Erfindung
mit Blinkimpulsen (Flash pulses) werden digitale Daten zunächst in
NRZI-Format kodiert, während
sie durch ein IR-MODEM geleitet werden. Ein Impuls (mit 2/16 bis 8/16
einer Bitzellenbreite, je nach Bit- oder Datenübertragungsgeschwindigkeit)
wird generiert, wann immer in den übertragenen, NRZI-formatierten
Daten ein Übergang
erkannt wird. Wie in 1 dargestellt, ist
das Ergebnis dieser Modulation das gleiche wie beim Generieren eines
Blinkimpulses, sobald die binären
digitalen Daten Null sind. Auf der Demodulationsseite wird die Ebene
des Empfangsdatenstroms umgeschaltet, sobald ein Blinkimpuls empfangen wird,
was zu einer Ausgabe im NRZI-Format führt.
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Durch
Verwendung dieses Modulationsschemas mit einem seriellen Controller,
der NRZI-Kodierung und Bit-Auffüllen
unterstützt,
kann ein System erstellt werden, das den Phase Lock Loop im Controller
verwendet, um Daten synchron zu senden und zu empfangen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt einen Datenstrom
mit digitalen Eingabedaten, die konvertiert werden sollen, beispielsweise
in ein Infrarot-Kommunikationssignal,
sowie die verschiedenen Formen, die das Signal beim Kodieren annehmen
kann, wobei entsprechend die NRZ-Kodierung, die NRZI-Kodierung und
die Flash NRZI-Kodierung gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt werden.
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2 zeigt ein schematisches
Diagramm eines Kreislaufs zum Implementieren eines Flash NRZI-Modulators
der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt ein schematisches
Diagramm eines Kreislaufs zum Implementieren eines Flash NRZI-Demodulators
der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann
die Flash NRZ-Modulationstechnik
der vorliegenden Erfindung als Teil eines benutzerdefinierten ASIC
implementiert werden, um mehrere IR- Modulationsformate und Protokolle zu
unterstützen.
Es kann einen modifizierten Z85C30 Serial Communication Controller
Functional System Block (FSB) umfassen, erhältlich bei VLSI Technology,
Inc., Burlington, MA, der das hier beschriebene Null-Bit-Auffüllen sowie das
NRZI-Format zur Verfügung
stellt. Während
dieser Controller ohne jede Änderung
verwendet werden kann, wird eine modifizierte Version bei der Ausführung der
Erfindung bevorzugt. Im Besonderen wird der in der Anmeldung Ser.Nr.
YO 994 177 beschriebene Controller bevorzugt.
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Ein
Kreislauf, der die Flash NAZI-Modulation der Erfindung bereitstellt,
wird in 2 gezeigt und besteht
aus einem übertragenden
seriellen Controller 9, der ein Übertragungssignal auf Datenstrom 11 ausgibt,
ein Verzögerungs-Flip-Flop 10,
das verwendet wird, um den Status des Übertragungssignals auf Datenstrom 11 zu
prüfen,
sowie ein Exclusive-OR Gate 12, das einen Impuls generiert,
wenn der Datenstrom seinen Status zwischen zwei Taktgeberzyklen ändert. Die
Form einer typischen Übertragungsdaten-Eingabe
in den seriellen Controller 9 wird oben in 1 gezeigt. Ebenso wird die Form der modulierten
Signalausgabe gezeigt, die sich aus dem Modulieren dieser Übertragungsdaten
mit NRZ-Kodierung und mit NAZI-Kodierung ergeben. Die binären digitalen
Eingabedaten oben in der 1 stellen
die zusätzliche
Bit-Auffüllen-Eigenschaft
der Erfindung dar, indem der Controller 9 so angepasst
wird, dass ein Null-Bit eingefügt
wird, sobald fünf
aufeinanderfolgende Einsen im kodierten Datenstrom erkannt werden.
Dieses Einfügen
von Null-Bits ermöglicht
es dem Kreislauf, die Daten von Markierungen zu unterscheiden, die
vom Null-Bit-Einfügen
ausgenommen sind, und genügend Übergänge in den
Daten bereitzustellen, so dass der digitale Phase Lock Loop im Demodulator
unabhängig
vom Dateninhalt verbunden bleiben kann.
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Das
Ausgabesignal auf Datenstrom 11 wird vom Controller 9 in
das NRZI-Format moduliert. Ein Impuls wird von XOR 12 generiert,
sobald ein Übergang
in den eingehenden Daten auf Datenstrom 11 erkannt wird.
Dieser Impuls wird an einen Vier-Bit-Zähler 13 geleitet,
der einen Ausgabe-Impuls erstellt, welcher wiederum einen Bruchteil
einer Bitzellenbreite darstellt, beispielsweise von 2/16 bis 8/16,
abhängig
von der Bitrate der Eingabedaten. Vorzugsweise wird der Impuls auf ¼ der Bitzellenperiode
erweitert und der erweiterte Impuls, ausgegeben vom AND Gate 14 und
synchronisiert von Verriegelung 15, wird verwendet, um
einen IR Flash von der IR-Quelle 16 zu erstellen, bei jedem Übergang
in das NRZI-formatierte Signal. Die Form des ausgegebenen Flash-Verlaufs
ist so, wie unten in 1 gezeigt.
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Es
ist zu erwähnen,
dass Flip-Flop 10, Zähler 13 und
Verriegelung 15 über
Taktgeber-Eingaben verfügen.
Doch trotz der Verwendung einer Taktgeber-Gestaltung kann der Taktgeber
vollkommen asynchron mit dem übertragenden
seriellen Controller 9 arbeiten. Daher kann in diesem Kreislauf
die Taktgeber-Rate unabhängig
von der übertragenden Bit-Rate
angepasst werden, so dass die Ausgabe-Impuls-Dauer auf einen Bruchteil
gesetzt werden kann, beispielsweise ½, ¼ oder 1/8 der Eingabe-Bit-Rate.
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Diese
Eigenschaft ist in Anwendungen wichtig, die einen verringerten Stromverbrauch
erfordern. Auch weil die Flash NRZI-Impulsbreite nicht als Funktion
der Bitzellenperiode erforderlich ist, kann ein vollkommen asynchroner
Kreislauf, wie beispielsweise ein Edge Triggered Monostable Pulse
Generator, bei der Ausgabe als Verriegelung 15 verwendet werden.
Die digitale elektrische Impulsfolge-Ausgabe durch den Generator 15 ist
Flash IR-kodiert und wird an den IR-Transmitter 16 geleitet, der
jeden elektrischen Impuls in der Folge an ein entsprechendes IR Flash
konvertiert.
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Am
anderen Ende der IR-Datenkommunikationsverknüpfung befindet sich ein Flash
IR-Demodulator, gezeigt in 3,
mit einer Kreislauflogik, die als Umschalt-Flip-Flop mit einer Ausgabe
fungiert, die den Status ändert,
sobald ein IR Flash durch den Empfänger 23 erkannt wird.
Dieser umschaltende elektrische Impuls hat die Form des NRAZI-Signals vom
Controller 9 im Modulator und wird zu einem modifizierten
seriellen Kommunikations-Controller FSB 24 geleitet. Im
Besonderen wird in 3 die
Verriegelung 18 auf die aufsteigende Kante eines eingehenden
Impulses vom IR Empfänger
gesetzt. Die Verriegelung 19 wird dann gesetzt, wenn die
Ausgabe von Verriegelung 18 HOCH wird. Die Ausgabe von Verriegelung 19 schaltet
die Ausgabe von Flip Flop 20 um und leitet an die Zurücksetzungsverriegelung 18 zurück, so dass
die aufsteigende Kante des nächsten
IR-Impulses erkannt werden kann. Bei der Ausgabe von Flip Flop 20 wird
es sich um das wiederhergestellte NRZI Signalhandeln, das an den Controller 24 geleitet
wurde.
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Es
werden zwei Komponenten dem logischen Kreislauf hinzugefügt, um diesen
Flash NRZI Demodulator zu erweitern. Es sind eine Verriegelung 17 und
ein Vier-Bit-Zähler 21 eingefügt, wobei
Letzterer durch die Ausgabe von Verriegelung 19 zurückgesetzt
wird, sobald ein eingehender Blinkimpuls (Flash Pulse) erkannt wird.
In einem Modus, wenn der Datenstrom TXC_DIR HOCH ist, wird Verriegelung 17 durch
einen eingehenden Impuls gelöscht
und nur zurückgesetzt,
wenn der Zähler 21 die
Zahl 16 erreicht. Da die Ausgabe von Verriegelung 17 für die Ausgabe
von Verriegelung 18 HOCH sein muss, wird die Ausgabe von
Zähler 21 verwendet,
um das empfangene IR-Signal für
einen Bruchteil, vorzugsweise ½ der
Bitzellenperiode, zu blockieren. Jeder eingehende IR-Impuls während dieser
Periode wird blockiert und zurückgeleitet.
Im zweiten Modus, wenn der Datenstrom TX_DIR TIEF ist, wird die
Ausgabe von Verriegelung 17 zwingend HOCH. Der Zähler 21 blockiert
dann nicht den eingehenden Impuls, sondern fährt so lange fort, bis eine
IR-Aktivität
erkannt wird. Jeder eingehende IR-Impuls jedoch setzt den Zähler 21 zurück, wenn
die Ausgabe von Verriegelung 19 HOCH sendet. Das wichtigste
Bit vom Zähler 21 wird
dann auf dem Datenstrom 22 in die empfangende Taktgeber-Eingabe
des seriellen Controllers 24 geleitet und bietet ein Taktgebersignal,
das sich in der gleichen Phase wie die empfangenen Daten befindet.
Da ein Vier-Bit-Zähler
verwendet wird, fungiert der Zähler 21 als
ein 16x Oversampling Phase Lock Loop und ermöglicht die Ausführung der
Flash NRZI-Demodulation und beschleunigt auf ein 1/16 der Taktgeber-Frequenz.
In der ASIC Implementierung mit einer Taktgeber-Frequenz von 36,86MHz unter
Verwendung des Kreislaufs aus 3 beträgt daher
die maximale Flash NRZI-Übertragungsgeschwindigkeit
36,86MHZ/16 oder 2,34Mbps.
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Es
ergeben sich mehrere Vorteile aus der Verwendung der Flash NRZI-Modulation
im Sinne der vorliegenden Erfindung. Ein Vorteil ist es beispielsweise,
dass diese Flash NRZI- Modulation
einen gewissen Grad an Geräuschschutz
bietet. Wenn ein Geräuschimpuls
empfangen wird, kann sich die Empfangsdatenstromebene um mehr als
einmal pro Bit verändern.
Da jedoch der digitale Phase Lock Loop im Controller 24 auf
die eingehende Datenfrequenz festgelegt ist, kann die zusätzliche
Inversion herausgefiltert werden, wenn der digitale Phase Lock Loop
entwickelt wurde, um auf einen Ebenen-Übergang nur an der Begrenzung
einer Bitzelle zu prüfen. Da
es stets ein Problem darstellen wird, wenn ein Geräuschimpuls
auf die Zellen-Begrenzung fällt,
verringert diese Strategie den Empfang verfälschter Daten.
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Ein
zweiter Vorteil dieser Flash NRZI-Modulation ist es, dass die Implementierung
unter Verwendung vorhandener serieller Kommunikations-Controller
sehr einfach ist. Anders als beim IRDA-Modulations-Schema, das eine
mit der Übertragungsgeschwindigkeit
synchronisierte Taktgeberquelle erforderlich macht, kann die Flash
NRZI-Modulation vollständig
asynchron mit einigen wenigen Komponenten implementiert werden.
Viele Systeme, die bereits einen standardmäßigen seriellen Controller
(der SDLC-Datenrahmen im NRZI Format erstellt) umfassen, könnten eine
Flash NRZI-Modulation einbeziehen, indem einfach ein Blinklichtimpulse
genierender Kreislauf und ein Umschalt-Flip-Flop hinzugefügt werden.
Es ist keine synchronisierte Taktgeberquelle erforderlich, sondern
nur der Zugriff auf die Übertragungs-
und Empfangsdatenströme.
Weiterhin ist die Modulation der NRZIformatierten Daten der Modulation
von NRZ-formatierten Daten vorzuziehen, da die allgemein erhältlichen
Controller die eingehenden Daten von NRZI-Datenkanten mit einer
ausreichenden Zahl an Übergängen verfolgen
können,
was bei NRZ-Daten im synchronen Format nicht möglich ist.
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Ein
dritter Vorteil dieser Flash NRZI-Modulation ist es, dass die diese
Erfindung übernehmenden Systeme
ohne zusätzliche
Hardware rückwärts kompatibel
sind mit dem IRDA-Modulationsschema.
Das Flash NRZI-Modulationsschema produziert im Wesentlichen immer
dann ein Blinklicht, wenn eine Null im Datenstrom erkannt wird.
Dies ist konsistent mit dem IRDA-Standard,
der ebenfalls bei jedem Null-Bit ein Blinklicht (Flash Pulse) produziert.
Das Flash NRZI-System der Erfindung ist daher in der Lage, mit den
Geräten
des IRDA-Standards zu arbeiten, solange der Kommunikations-Controller
die asynchrone Datenübertragung
unterstützt.
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Das
hier beschriebene NRZI mit Flash IR MODEM ist besonders geeignet
für die
Verwendung in jedem Kommunikations-Controller, der NRZI-Modulation verwendet.
Die vorliegende Flash NRZI-Modulation bietet eine Hochgeschwindigkeits-Erweiterung zum IRDA-Protokoll.