EP1391093A1 - Erkennung der modulationsart mittels eines der trainingssequenz aufgeprägten phasenrotationsfaktors - Google Patents
Erkennung der modulationsart mittels eines der trainingssequenz aufgeprägten phasenrotationsfaktorsInfo
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- EP1391093A1 EP1391093A1 EP02771624A EP02771624A EP1391093A1 EP 1391093 A1 EP1391093 A1 EP 1391093A1 EP 02771624 A EP02771624 A EP 02771624A EP 02771624 A EP02771624 A EP 02771624A EP 1391093 A1 EP1391093 A1 EP 1391093A1
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Definitions
- the present invention relates generally to digital communication systems, particularly to mobile radio systems.
- the invention relates in particular to a transmission and reception method and a receiver in a digital telecommunications system according to the preamble of the independent claims.
- the EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) standard and the associated EGPRS (Enhanced GPRS) package service were defined as the transition standard between the GSM / GPRS and UMTS mobile communications standards. Both the GMSK and the 8-PSK modulation are used in the EDGE standard. GMSK modulation uses a signal space with signal points +1 and -1, while 8-PSK modulation uses a signal space with eight signal points. If the type of modulation to be used in the transmission of information between a transmitter and a receiver is not fixed, the receiver must be informed of the type of modulation used.
- WO 00/10301 which is hereby incorporated into the disclosure content of the present application, describes a method for transmitting and recognizing the type of modulation in digital communication systems which makes use of the training sequence present in a data burst.
- Each data burst comprises a predetermined training sequence consisting of a sequence of data symbols known to the receiver, which is used in the receiver for purposes of channel estimation.
- it is proposed to label every conceivable type of modulation with a certain phase rotation factor and to To apply training phase with the phase rotation factor, ie to rotate the data symbols contained in it with the phase rotation factor.
- the same phase rotation factor that is also used for the modulation of the user data is preferably used here.
- the GMSK and the 8-PSK modulation are distinguished by a different symbol rotation. While the GMSK modulation rotates each transmission symbol by 90 degrees, the 8-PSK modulation rotates 67.5 degrees per transmission symbol.
- the data symbols of the transmitted training sequence which are phase-rotated in this way, can be used in the receiver in such a way that, at the beginning of each data burst, the received training sequence is turned back in a number of data paths by a corresponding number of phase rotation factors.
- the received training sequence is turned back by 90 and 67.5 degrees, respectively.
- the received and reversed training sequence is then compared with a training sequence that has been subjected to a channel filter function obtained from a channel estimate. The comparison is made by subtracting these training sequences from each other, adding up the squared differences and detecting the minimum.
- This method has the disadvantage that a channel estimation must be carried out in each of the data paths provided for the derotation with the different phase rotation factors and only after the channel estimation has been carried out and the original training sequence has been loaded with the channel parameters by the aforementioned channel filter function, the comparison with the received and respectively rotated training sequence can be done.
- This method is very complex and requires a large number of circuit units in the receiver.
- the invention is based on the essential knowledge that it is not absolutely necessary to carry out a channel estimation in each data path of the receiver in which the received training sequence is reversed or derotated.
- the invention deliberately dispenses with channel estimation at this early stage of the detection of the type of modulation. Instead, each received and derotated training sequence is compared directly with the original, unfiltered training sequence. The comparison is made by a correlation, i.e. a multiplication of the two training sequences with each other.
- the type of modulation is determined according to which phase rotation factor in the respective data path achieves a maximum during the back rotation and the subsequent correlation.
- the invention is not limited to using the training sequence usually present in a data burst in the manner described.
- any other sequence of information data that is transmitted during the communication anyway can be used in the manner according to the invention in order to transmit information about the type of modulation.
- the present invention does not require channel estimates for the detection of the type of modulation, since a correlation between the received and derotated training sequence is carried out with the original, unfiltered training sequence.
- the original training sequence is therefore not subjected to a channel filter function before the correlation step is carried out.
- the invention Thus, only a number of data paths are provided in the receiver, in which derotations of the received training sequence are carried out by predetermined phase rotation factors, with a correlation being carried out in each data path following the derotation, in which the received and deroted training sequence with the original, unfiltered Training sequence is correlated.
- a channel estimation is only carried out after the detection of the type of modulation.
- Another difference to the generic document mentioned above is the type of mathematical comparison of the training sequences. While the training sequences to be compared are subtracted from one another in the cited prior art, a correlation function is formed according to the invention. If the temporal position of the training sequence within the received data burst is only known to a certain accuracy, provision can also be made for the derotation and correlation to be carried out several times in succession in each data path, the training sequences to be multiplied in the correlation step being incrementally shifted with respect to one another and the maximum correlation result is determined from these multiple correlation steps.
- the invention is explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment.
- the exemplary embodiment relates to the use of the two modulation types GMSK (Gaussian minimum shift keying) and 8-PSK (8-ary phase shift keying).
- GMSK Gausian minimum shift keying
- 8-PSK 8-ary phase shift keying
- the GMSK modulation can be approximated by an amplitude modulation and therefore interpreted as follows:
- the GMSK symbols a are rotated with ⁇ / 2 radians per symbol:
- ⁇ is the modulated baseband signal, which is mixed with the desired carrier frequency and then transmitted to the antenna.
- the 8-PSK modulation is defined in a similar way. However, it differs from GMSK modulation in the number of bits mapped to a symbol and in the rotation:
- An 8-PSK data symbol therefore contains three times the information content as a GMSK data symbol. Therefore the 8-PSK-Mo- dulation is used for high data transmission, while GMSK modulation is used for low data transmission.
- Both types of modulation can be used with the EDGE standard and the type of modulation can be changed from burst to burst.
- the EDGE receiver initially does not know the type of modulation in which the data transmitted to it by the transmitter are modulated. For each burst, the EDGE receiver only recognizes a block of complex baseband input data x k and has to make a decision about the type of modulation used. This approach is therefore also called blind modulation detection.
- information about the type of modulation used is impressed on the transmitted signal and the predetermined training sequence known to the receiver, which is contained in each GSM / EDGE burst, is used for this purpose.
- the data symbols of the training sequence are rotated on the transmitter side with a phase rotation factor which is also used for the modulation of the useful signals, although in principle another phase rotation factor can also be used for this.
- This exemplary embodiment of the blind modulation detection method according to the invention is shown schematically in the single drawing figure.
- the figure shows the flow diagram for blind modulation detection in a receiver.
- Two samples are generated from a received training sequence xk and fed into two data paths according to the two types of modulation.
- N denotes the length of the training sequence.
- the received training sequence Xk is first derotated by - ⁇ / 2 per symbol for GMSK and by -3 ⁇ / 8 per symbol for 8-PSK.
- the received and each derotated training sequence y k with the original training sequence correlates t k. Since the correlation can have a complex value due to the unknown phase of the signal, the quadratic magnitude of the correlation is calculated after the summation over the products at the individual time moments k.
- the correlation result between GMSK and 8-PSK is compared. If the received and deroted training sequence y k GMSK is more similar to the original training sequence t k than the received and deroted training sequence y k 8PSK , ie C GMSK > C 8PSK ⁇ w j_ rc j detects that the corresponding data burst with the Modulation type GMSK is modulated. Otherwise it is detected that the modulation type is 8-PSK.
- the demodulator can then begin channel estimation.
- the correlation in each data path is carried out several times in succession by shifting the training sequences to be correlated with one another in time.
- a first correlation can therefore first be carried out in each data path on the basis of certain assumptions about the temporal position of the training sequence.
- the data symbols of the sequences t k and y k to be correlated can then be fed to the correlator again and slightly offset from one another. The maximum is then selected from several correlations carried out in this way.
- the method according to the invention for automatic detection of the type of modulation used is characterized by a high degree of accuracy with little effort compared to the prior art.
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Abstract
Für eine blinde Modulationsdetektion werden senderseitig die Datensymbole der Trainingssequenz um einen für die verwendete Modulationsart spezifischen Phasenrotationsfaktor rotiert und empfängerseitig werden die Datensymbole um verschiedene Phasenrotationsfaktoren rück- oder derotiert und zwischen den dadurch erhaltenen Sequenzen und der ursprünglichen Trainingssequenz wird eine Korrelationsfunktion gebildet. Die verwendete Modulationsart ergibt sich daraus, bei welchem Phasenrotationsfaktor sich ein Maximum der Korrelationsfunktion ergibt.
Description
Beschreibung
ERKENNUNG DER ODULATIONSART MITTELS EINES DER TRAININGSSEQUENZ AUFGEPRÄGTEN PHASENROTATIONSFAKTORS
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf digitale Kommunikationssysteme, insbesondere auf Mobilfunksysteme. Dabei bezieht sich die Erfindung im besonderen auf ein Sende- und Empfangsverfahren und einen Empfänger in einem digitalen Telekommunikationssystem nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche .
Als ÜbergangsStandard zwischen den Mobilfunkstandards GSM/GPRS und UMTS wurde der Standard EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) sowie der zugehörige Paketdienst EGPRS (Enhanced GPRS) definiert. In dem EDGE-Standard wird sowohl die GMSK- als auch die 8-PSK-Modulation verwendet. Die GMSK- Modulation verwendet einen Signalraum mit den Signalpunkten +1 und -1, während bei der 8-PSK-Modulation ein Signalraum mit acht Signalpunkten verwendet wird. Wenn die bei der Informationsübertragung zwischen einem Sender und einem Empfänger zu verwendende Modulationsart nicht fest vorgegeben ist, so muss der Empfänger über die verwendete Modulationsart in- formiert werden.
In der WO 00/10301, welche hiermit in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird, wird ein Verfahren zur Übermittlung und Erkennung der Modulationsart in di- gitalen Kommunikationssystemen beschrieben, welches von der in einem Datenburst vorhandenen Trainingssequenz Gebrauch macht. Jeder Datenburst umfasst eine fest vorgegebene Trainingssequenz bestehend aus einer dem Empfänger bekannten Abfolge von Datensymbolen, die im Empfänger für Zwecke der Ka- nalschätzung eingesetzt wird. In der erwähnten Druckschrift wird vorgeschlagen, jede denkbare Modulationsart mit einem bestimmten Phasenrotationsfaktor zu kennzeichnen und die
Trainingssequenz mit dem Phasenrotationsfaktor zu beaufschlagen, d.h. die in ihr enthaltenen Datensymbole mit dem Phasenrotationsfaktor zu rotieren. Vorzugsweise wird dabei derselbe Phasenrotationsfaktor verwendet, der auch für die Modulation der Nutzdaten zum Einsatz kommt. Bekanntermaßen zeichnen sich die GMSK- und die 8-PSK-Modulation durch eine unterschiedliche Symbolrotation aus. Während die GMSK-Modulation jedes Sendesymbol um 90 Grad weiterdreht, führt die 8-PSK-Modula- tion eine Drehung von 67,5 Grad pro Sendesymbol aus. Die sol- chermaßen phasenrotierten Datensymbole der übertragenen Trainingssequenz können im Empfänger derart ausgenutzt werden, dass zum Beginn jeden Datenbursts die empfangene Trainingssequenz in einer Anzahl von Datenpfaden um eine entsprechende Anzahl von Phasenrotationsfaktoren zurückgedreht wird. In dem genannten Beispiel der zwei Modulationsarten GMSK- und 8-PSK- Modulation wird also die empfangene TrainingsSequenz um jeweils 90 und 67,5 Grad zurückgedreht. Danach wird die empfangene und zurückgedrehte Trainingssequenz mit einer Trainings- sequenz verglichen, die mit einer aus einer KanalSchätzung gewonnenen Kanalfilterfunktion beaufschlagt wurde. Der Vergleich erfolgt durch Subtraktion dieser Trainingssequenzen voneinander, Aufsummieren der quadrierten Differenzen und De- tektion des Minimums .
Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass in jedem der für die Derotation mit den verschiedenen Phasenrotationsfaktoren vorgesehenen Datenpfade eine KanalSchätzung durchgeführt werden muss und erst nach erfolgter KanalSchätzung und Beaufschlagung der ursprünglichen Trainingssequenz mit den Kanalparame- tern durch die genannte Kanalfilterfunktion der Vergleich mit der empfangenen und jeweils zurückrotierten Trainingssequenz erfolgen kann. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig und erfordert eine Vielzahl von Schaltungseinheiten in dem Empfänger.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Aufwand für die Detektion der Modulationsart in Empfängern digitaler Kommunikationssysteme zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angege- ben.
Die Erfindung geht zunächst von der wesentlichen Erkenntnis aus, dass es nicht zwingend notwendig ist, in jedem Datenpfad des Empfängers, in dem eine Rück- oder Derotation der empfan- genen Trainingssequenz durchgeführt wird, eine KanalSchätzung durchzuführen. Die Erfindung verzichtet bewusst auf die Kanalschätzung in diesem frühen Stadium der Detektion der Modulationsart. Stattdessen wird jede empfangene und derotierte Trainingssequenz direkt mit der ursprünglichen, ungefilterten Trainingssequenz verglichen. Der Vergleich erfolgt durch eine Korrelation, d.h. eine Multiplikation der beiden Trainingssequenzen miteinander. Die Modulationsart bestimmt sich danach, welcher Phasenrotationsfaktor in dem jeweiligen Datenpfad bei der Rückrotation und der anschließenden Korrelation ein Maxi- um erzielt.
Dabei ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, die üblicherweise in einem Datenburst vorhandene Trainingssequenz in der beschriebenen Weise zu verwenden. Es kann auch im Prinzip jede andere Sequenz von Informationsdaten, die bei der Kommunikation ohnehin übermittelt wird, in der erfindungsgemäßen Weise ausgenutzt werden, um eine Information über die Modulationsart zu übermitteln.
Im Gegensatz zu der eingangs erwähnten Druckschrift WO
00/10301 benötigt die vorliegende Erfindung keine Kanalschätzungen für die Detektion der Modulationsart, da eine Korrelation zwischen der empfangenen und derotierten Trainingssequenz mit der ursprünglichen, ungefilterten Trainingssequenz durchgeführt wird. Die ursprüngliche Trainingssequenz wird somit vor der Durchführung des Korrelationsschritts nicht einer Kanalfilterfunktion unterworfen. Erfindungsgemäß müssen
somit nur eine Anzahl Datenpfade in dem Empfänger bereitgestellt werden, in denen jeweils Derotationen der empfangenen Trainingssequenz um vorgegebene Phasenrotationsfaktoren durchgeführt werden, wobei in jedem Datenpfad im Anschluss an die Derotation eine Korrelation durchgeführt wird, bei welcher die empfangene und derotierte Trainingssequenz mit der ursprünglichen, ungefilterten Trainingssequenz korreliert wird. Eine KanalSchätzung wird erst im Anschluss an die Detektion der Modulationsart durchgeführt .
Ein weiterer Unterschied zu der bereits genannten gattungsbildenden Druckschrift besteht in der Art des mathematischen Vergleichs der Trainingssequenzen. Während bei dem genannten Stand der Technik die zu vergleichenden Trainingssequenzen voneinander subtrahiert werden, wird erfindungsgemäß eine Korrelationsfunktion gebildet. Falls die zeitliche Position der Trainingssequenz innerhalb des empfangenen Datenbursts nur bis zu einer bestimmten Genauigkeit bekannt ist, kann auch vorgesehen sein, dass in jedem Datenpfad die Derotation und Korrelation mehrfach nacheinander durchgeführt wird, wobei die in dem Korrelationsschritt miteinander zu multiplizierenden Trainingssequenzen zeitlich inkrementell gegeneinander verschoben werden und aus diesen mehrfachen Korrelati- onsschritten das maximale Korrelationsergebnis ermittelt wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei- spiels näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Verwendung der beiden Modulationsarten GMSK (Gaussian minimum shift keying) und 8-PSK (8-ary phase shift keying) .
Die GMSK-Modulation kann durch eine Amplitudenmodulation approximiert und demzufolge wie folgt interpretiert werden:
1. Ein zugeführtes Bit bk (= 0,1) wird auf ein Symbol ak (= +1,-1) abgebildet, wobei k ein diskretes Zeitmoment bedeutet .
2. Die GMSK-Sy bole a werden mit π/2 Radianten pro Symbol rotiert :
sk = ej π 2ak = j kak (1)
3. Die rotierten GMSK-Symbole Sk werden mit einem Impulsfilter gefiltert:
Xk = ∑ iSk-i (2) i=0
χ ist das modulierte Basisbandsignal, welches mit der gewünschten Trägerfrequenz gemischt und dann zu der Antenne ü- bertragen wird.
Die 8-PSK-Modulation wird auf ähnliche Weise definiert. Sie unterscheidet sich jedoch von der GMSK-Modulation in der Anzahl der auf ein Symbol abgebildeten Bits und in der Rotation:
1. Eine Gruppe von drei zugeführten Bits {b3k, b3k+ι, b3k+2} wird auf ein 8-PSK-Symbol ak = ejnπ/4 (0 < n < 7) abgebildet.
2. Die 8-PSK Symbole ak werden mit 3π/8 Radianten pro Symbol rotiert:
sk = e>k3π 8ak (3 )
3. Die rotierten 8-PSK-Symbole Sk werden mit einem Impulsfil- ter gefiltert:
Xk = Σ h±Sk--i (4)
Ein 8-PSK-Datensymbol enthält somit den dreifachen Informati- onsgehalt wie ein GMSK-Datensymbol. Daher wird die 8-PSK-Mo-
dulation für hohe Datenübertragung verwendet, während die GMSK-Modulation für niedrige Datenübertragung verwendet wird.
Bei dem EDGE-Standard können beide Modulationsarten verwendet werden und die Modulationsart kann von Burst zu Burst geändert werden. Der EDGE-Empfänger kennt zunächst die Modulationsart nicht, in der die ihm von dem Sender übermittelten Daten moduliert sind. Für jeden Burst erkennt der EDGE-Empfän- ger lediglich einen Block von komplexwertigen Basisband-Ein- gangsdaten xk und muss selbst eine Entscheidung über die verwendete Modulationsart treffen. Diese Herangehensweise wird daher auch als blinde Modulationsdetektion bezeichnet.
Erfindungsgemäß wird dem ausgesendeten Signal eine Informa- tion über die verwendete Modulationsart aufgeprägt und hierfür die dem Empfänger bekannte vorgegebene Trainingssequenz verwendet, die in jedem GSM/EDGE-Burst enthalten ist. Die Datensymbole der Trainingssequenz werden senderseitig mit einem Phasenrotationsfaktor rotiert, der auch für die Modulation der Nutzsignale eingesetzt wird, wobei prinzipiell hierfür auch ein anderer Phasenrotationsfaktor eingesetzt werden kann.
In der einzigen Zeichnungsfigur ist dieses Ausführungsbei- spiel für das erfindungsgemäße Verfahren der blinden Modulationsdetektion schematisch dargestellt.
Die Figur zeigt das Ablaufschema für die blinde Modulationsdetektion in einem Empfänger. Aus einer empfangenen Trai- ningssequenz xk werden zwei Proben (Samples) erzeugt und in zwei Datenpfade entsprechend der beiden Modulationsarten eingespeist. In der Figur bezeichnet %k (k = 1, 2, ... , N) die empfangene Trainingssequenz. N bezeichnet die Länge der Trainingssequenz. tk (k = 1, 2, ... , N) bezeichnet die ursprüng- liehe Trainingssequenz, welche in dem Empfänger gespeichert ist.
In den Datenpfaden wird zunächst die empfangene Trainingssequenz Xk um -π/2 pro Symbol bei GMSK und um -3π/8 pro Symbol bei 8-PSK derotiert.
Nach der Derotation wird die empfangene und jeweils derotierte Trainingssequenz yk mit der ursprünglichen Trainingssequenz tk korreliert. Da die Korrelation aufgrund der unbekannten Phase des Signals komplexwertig sein kann, wird nach der Summation über die Produkte bei den einzelnen Zeitmomen- ten k die quadratische Magnitude der Korrelation berechnet.
Schließlich wird das Korrelationsergebnis zwischen GMSK und 8-PSK verglichen. Falls die empfangene und derotierte Trainingssequenz yk GMSK eine stärkere Ähnlichkeit mit der ur- sprünglichen Trainingssequenz tk als die empfangene und derotierte Trainingssequenz yk 8PSK aufweist, d.h. C GMSK > C 8PSK ^ wj_rcj detektiert, dass der entsprechende Datenburst mit der Modulationsart GMSK moduliert ist. Andernfalls wird detektiert, dass die Modulationsart 8-PSK ist.
Nach dieser blinden Modulationsdetektion kann der Demodulator dann mit der KanalSchätzung beginnen.
Aufgrund der Tatsache, dass Unsicherheiten über die zeitliche Lage der empfangenen Trainingssequenz innerhalb des Daten- bursts bestehen können, kann vorgesehen sein, dass die Korrelation in jedem Datenpfad mehrfach nacheinander ausgeführt wird, indem die miteinander zu korrelierenden Trainingssequenzen zeitlich gegeneinander verschoben werden. Es kann al- so zunächst auf der Basis bestimmter Annahmen über die zeitliche Lage der Trainingssequenz eine erste Korrelation in jedem Datenpfad durchgeführt werden. Anschließend können die Datensymbole der zu korrelierenden Sequenzen tk und yk erneut dem Korrelator zugeführt werden und geringfügig gegeneinander versetzt werden. Von mehreren solcherart ausgeführten Korrelationen wird dann das Maximum ausgewählt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur automatischen Erkennung der verwendeten Modulationsart zeichnet sich durch eine hohe Treffsicherheit mit einem im Vergleich zum Stand der Technik geringen Aufwand aus .
Claims
1. Sende- und Empfangsverfahren in einem digitalen Telekommunikationssystem, bei welchem - senderseitig jedes Datensymbol einer vorgegebenen, dem Empfänger bekannten Ausgangssequenz (tk) , insbesondere der Trainingssequenz eines Datenbursts, um einen für die verwendete Modulationsart spezifischen Phasenrotationsfaktor rotiert wird, und - empfängerseitig die Datensymbole um verschiedene Phasenrotationsfaktoren rück- oder derotiert werden und die dadurch erhaltenen Sequenzen (yk) mit der Ausgangssequenz (tk) verglichen werden, dadurch gekennzeichnet , dass - empfängerseitig der Vergleich in der Weise durchgeführt wird, daß zwischen den erhaltenen Sequenzen (yk) und der Ausgangssequenz (tk) eine Korrelationsfunktion gebildet wird.
2. Sende- und Empfangsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Korrelationsfunktion zwischen den erhaltenen Sequenzen und der ursprünglichen, ungefilterten Ausgangssequenz gebildet wird.
3. Sende- und Empfangsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die verwendete Modulationsart auf der Basis des Maximums der Korrelationsfunktion detektiert wird.
4. Sende- und Empfangsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Korrelationsfunktion mehrmals hintereinander gebildet wird und dabei die erhaltenen Sequenzen und die Ausgangs- sequenz zeitlich gegeneinander verschoben werden.
5. Empfänger eines digitalen Telekommunikationssystems, welcher aufweist:
Mittel zum Empfangen eines von einem Sender übersandten Datensignals, welches eine dem Empfänger bekannte Ausgangsse- quenz enthält, in welcher jedes Datensymbol um einen Phasenrotationsfaktor rotiert ist,
Mittel zum Derotieren der Datensymbole der empfangenen Ausgangssequenz um verschiedene Phasenrotationsfaktoren, gekennzeichnet durch - Mittel zum Bilden von Korrelationsfunktionen zwischen den erhaltenen und rückrotierten Sequenzen und der Ausgangs- sequenz, insbesondere der ursprünglichen ungefilterten Ausgangssequenz .
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