KR0183143B1 - 다중-변조 통신 시스템 - Google Patents

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KR0183143B1
KR0183143B1 KR1019950703419A KR19950703419A KR0183143B1 KR 0183143 B1 KR0183143 B1 KR 0183143B1 KR 1019950703419 A KR1019950703419 A KR 1019950703419A KR 19950703419 A KR19950703419 A KR 19950703419A KR 0183143 B1 KR0183143 B1 KR 0183143B1
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알란 엘. 윌슨
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안쏘니 제이. 살리, 쥬니어
모토롤라, 인크
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Abstract

다중-변조 통신 시스템은 제1변조 기술(201, 203, 205, 207)에 의해 변조된 통신 신호 및 제2변조 기술(211, 213, 215, 217)에 의해 변조된 통신 신호를 변조 및 전송하는 송신기(201, 203, 205, 207, 209, 211, 213, 215, 217, 219)를 포함한다. 제1변조 기술 및 제2변조 기술은 상이하다. 제1변조 기술에 의해 변조된 통신 신호 및 제2변조 기술에 의해 변조된 통신 신호를 수신할 수 있고 이들 통신 신호를 복조할 수 있는 수신기(221, 223, 225,227, 229, 231)를 또한 포함한다.

Description

다중-변도 통신 시스템
무선통신시스템은 송신기와 수신기 사이의 정보의 전송을 가능하게 한다. 무선 주파수(RF) 채널은 송신기와 수신기 사이의 정보의 전송을 가능하게 한다.
정보를 특정 주파수의 RF 전자파와 결합함으로써, 즉 반송 주파수 상에 정보 신호를 변조함으로써, 합성 변조 정보 신호는 자유 공간(free space)을 통해 수신기로 전송된다. 정보 신호를 전자파와 결합하는 다양한 변조 기술[즉, 진폭(AM), 주파수(FM), 위상 및 복합변조]이 알려져 있다. 휴대용 무전기, 이동 무전기 및 기지국 등과 같은 통신 유닛은 송신기 및 또는 수신기를 포함한다.
선형 AM 송신기는 동일 피크 전송 전력에서 FM 송신기에 비해 유효 범위(coverage area)가 작은 데, 즉 신호가 멀리까지 송신되지는 않는 데, 이는 AM 전송의 평균 엔벨로프(envelope) 크리근 최대 출력 레벨보다 낮은 값에서 변화하는 반면에 FM 전송의 평균 엔벨로프 크기는 최대 출력 레벨에서 일정하기 때문이다. 그러나 FM 송신기는 AM송신기와 동일한 전력 레벨을 전송하기 위해 더 많은 에너지를 이용하는데, 그래서 FM송신기에서 휴대용 송신기의 배터리는 더욱 빨리 소모된다.
따라서, FM 송시기의 유효 범위면에서의 이점을 가지면서 AM 송신기의 저전력 특성을 가지는 송신기가 필요하다.
본 발명은 진폭 변조(AM) 및 주파수 변조(FM)의 송신 및 수신을 포함하나, 이에 국한되지 않는 무선 주파수 신호에 관련된 것이다.
제1도는 본 발명에 의한 FM송신기, AM송신기 및 공통 수신기를 도시하는 도면이다.
제2도는 본 발명에 의한 상세한 FM 송신기, 상세한 AM송신기 및 상세한 공통수신기를 도시하는 도면이다.
단일 송신기로 통신 신호를 전송하고, 단일 수신기로 동일 신호를 수신하는 장치 및 그 방법을 아래에서 설명한다. FM으로 신호를 전송할 때, 통신 유효 범위는 늘어 난다. 신호를 선형 AM으로 전송할 때, 배터리 성능이 더욱 효율적이다. 단일 송신기는 AM 및 FM 신호를 둘 다 전송한다. 위상 변화가 가능한 단일 수신기는 AM 또는 FM 신호를 복조(demodulate)한다. 단지 하나의 수신기만 필요하며, 전송된 신호 상에 수행된 변조가 어떤 형인지는 그 수신기가 알 필요는 없다.
양호한 실시예에서, FM 변조기는 12.5kHz의 채널을 가지며 선형 AM 변조기는 6.25kHz 채널을 가진다. 각 경우에서 수신기는 같을 수 있다. 본 발명에서 이용된 변조의 형태는 QPSK-C이다. 상기 변조 기술은 미합중국 특허 번호 제07/629,931호로 알란 엘. 윌슨(Alan L. Wilson) 등을 대리해서 1990년 12월 19일에 출원한 다중-변조 구조의 컴패티블 라디오(Multi-Modulation Scheme Compatible Radio)에 상세히 설명되는 데, 그 정보는 본 명세서에 참고용으로 공개된다. QPSK는 4상 편이 변조(quaternary phase shift keying)를 나타내는 용어이다. QPSK-C은 QPSK의 선형 미분형이며, AM 및 FM의 컴패티블이다 (여기에서 c는 컴패티블을 나타낸다). AM을 이용할 때보다, FM을 이용할 때 고 평균 전력으로 전송하여 신호에 대한 유효 범위를 증가시키는 것이 가능하다. 그러나, AM 송신기는 전력을 덜 소비하므로 FM 송신기보다 휴대용 무전기의 배터리 전하 및 전력을 보다 더 효율적으로 이용한다. QPSK-C변조를 이용할 때, 4-레벨 FSK(주파수 편이 변조)이 FM 전송에서 이용되고, D-QPSK(미분 QPSK)이 AM에 이용된다. AM에서 FM으로의 절환으로 평균 전력이 높아지고, 신호에 대한 유효 범위가 증가 하지만 배터리의 전하량면에서는 비효율적이다. 그러므로, 큰 유효 범위가 소망되었을 때 동일한 무전기 또는 통신 유닛에 대해 범위가 증대되어 큰 유효 범위가 얻어진다. 반대로, 연장된 범위가 불필요할 때 FM으로부터 AM으로의 절환은 배터리 전하를 보존한다. 본 발명에서, 통신 유닛은 변조의 유형을 변화시켜서, 그러한 변화에 더욱 신속히 응답한다. 이는 무엇보다도 x/(sin x) 필터, 상기 실시예에서 x=πfT, 및 지수 함수의 위상각 적분기에 의해 수행된다.
제1도의 한 부분은 종래의 4-레벨 FM 수신기를 도시한다. 전송될 정보는 디지탈 신호 프로세서(DSP;101)로 들어간다. DSP(101)는 정보를 프로세스하고, 정보를 주파수 변조기(103)로 보내며, 주파수 변조기는 정보를 클래스 C 등급의 전력 증폭기(PA;105)로 나타낸다. 제1도에서 도시된 것처럼, 클래스 C 4-레벨 FM 송신기는 일정한 엔벨로프로 전송한다.
종래의 선형 AM 수신기가 제1도에서 또한 도시된다. 전송될 정보가 DSP(107)에서 프로세스되고 종래의 선형기(109)로 출력되는 데, 그 출력은 클래스 AB 전력 증폭기(111)에 대한 입력이다. 선도에서 보인 것처럼, AM 신호는 일정하지 않은(non-constant) 엔벨로프를 가진다. AM 신호의 평균 신호 전력은 동일 피크 엔벨로프 크기를 가진 FM 신호의 평균 신호 전력보다 작다.
또한, 제1도에서는 4-레벨 FM 송신기 및 선형 AM 송신기로부터 정보를 수신하는 공통 수신기가 도시된다. 공통 수신기는 프론트 앤드 수신기(front-end-receiver;113), 디지탈 수신기, 및 정보를 데이타 또는 음성으로 프로세스하는 디지탈 신호 프로세서(117)를 포함한다. 선형 AM 송신기는 고주파 편이에 대해 감소된 시-변 진폭을 가진다. DSP(101,107, 및 117)은 도시된 것 이상의 기능을 수행한다는 것을 주목해야 한다. 명세서 및 도면을 통해 도시된 DSP는 모토롤라, 인크.의 DSP 56001이 유용하다.
제2도에서, 제1도의 수신기 및 수신기의 상세한 응용이 도시된다 4-레벨 FSK 데이타를 나타내는 AM 송신기가 블럭(201, 203, 205, 및 207)으로 도시된다. 4-레벨 데이타는 레이즈드-코사인(raised-cosine) 필터(201)에 대한 입력으로서, 이 필터는 해당 기술 분야에서 알려진 것처럼 스플래터 필터 전이율 알파(splatter filter transition ratio alpha)가 0.2인 나이키스트 레이즈드-코사인 유한 임펄스 응답 유형(Nyquist raised-cosine finite impulse type)의 스플래터 필터인 레이즈드-코사인 필터(201)에 대한 입력이다. FM 송신기는 블럭(203, 205)으로 구성된 미분 인코더(differential encoder)를 포함한다. πfT/sin(πfT) 필터(203) 및 적분기(205)는 미분 인코더를 구성한다. 양호한 실시예에서, 적분기(205)는 단순 적분기로서 해당 기술 분야에서 알려진 것처럼 오버플로를 피하기 위해 모듈로 2π의 위상 특성값을 이용한다. 적분기(205)의 출력값이 4-레벨 입력 신호의 위상 Φ이다. 레이즈드-코사인 필터(201) 및 πfT/sin(πfT) 필터(203)의 수행에 관한 것이 다음에 설명된다. 위상 변조기(207)는 위상 Φ를 채택하여 변조하고, ejΦ로 표기된 복소값의 결과치를 생성한다. 위상 변조기의 출력(ejΦ)는 스위치(209)로 입력된다.
나이키스트 레이즈드-코사인 필터(201) 및 πfT/sin(πfT) 필터(203)의 직렬형(cascaded) 필터의 수행이 아래와 같이 수행된다. H(ω)를 이상적인 나이키스트 레이즈드 코사인 필터에 응답하는 주파수에 일치시킨다. 노말라이즈드 코너 주파수(normalized corner frequency)는 1라디안/초이고, 노말라이즈된 심볼 시간은 π초이며,
필터의 임펄스 응답 h(t)은 푸리에 역 변환을 발견되며, H(ω)는 짝 함수인 것을 주목하자:
공식 cos(x)cos(y)=0.5cos(x+y)+0.5cos(x-y)를 이용하고 적분을 행하면:
공식 sin(π+x) = -sin(x)으로 등식을 재구성하여, 공식 sin(x+y) + sin(x-y) = 2sin(x)sos(y)을 이용하면:
필터 함수 h(t)는 나이키스트 레이즈드-코사인 유한 임펄스 응답 필터(201)를 구현하기 위한 이산 시간 간격에서 샘플링될 수 있다.
정형(shaping) 필터 f(t)는 다음에서 구해지는 데, F(ω)는 정형 필터의 주파수 응답이고, T는 심볼 시간으로서 9600비트/초에서는 208.333μ초이고, 상기의 H에서 이용된 노말라이즈된 시스템에서는 π초이다.
F(ω)에 대한 주파수 범위는 -1.2π ωT 1.2π이며, 이는 롤-오프 팩터(roll-off factor) 알파(α)가 0.2일 때에 나이키스트 필터 H(ω)가 감당(cover)하는 주파수 범위이다. 적절한 임펄스 응답을 구하기 위해, 함수(F)는 푸리에 급수의 코사인 부분으로 근사화될 것이고, 결과는 시간 함수로 변환할 것이다.
F를 근사화하기 위한 시간 간격은 먼저 ±1.33333π로 선택되는 데, ±1.2π 넘어야 하고, ωT=2π일 때 F는 단일 값이므로 ±2π보다 작아야 한다. 푸리에 급수는 아래와 같이 확장되는 데, 여기서 x는 노말라이즈된 주파수이다:
상기의 적분은 쉽게 수치적으로 계산될 수 있다. 아래 테이블에서 처음 12개의 수치를 보인다.
급수에 다음과 같이 푸리에 역 변환을 행하면:
여기서 δ(t)는 디락 델타 함수(Dirac delta function)를 나타낸다. 심볼 당 8 샘블을 샘플링하면 논-제로 샘플이 되고, 0.75×8=6의 샘플 간격을 나타낸다. 가운데 또는 0번째 샘플은 진폭이 f0이고, 남은 샘플은 k=±1,±2,±3,...에 대해 fk/2의 진폭을 갖는다. 상기의 계산된 h(t)를 f(t)와 직렬시키면, 본 발명에 의한 양호한 실시예에서 이용되는 것과 같은, FM π/4 DQPSK-C송신기에서 필요한 필터를 생성한다. 상기 수행이 대역-제한 형태로 도시되었지만, 대역-제한은 선택적이며, 본 발명에서 필요한 것은 아니다.
D-QPSK 데이타를 발생하는 AM 송신기는 블럭(211, 213, 215, 및 217)으로 구성된다. ±π/4 및 ±3π/4 레벨을 가진 데이타는 합산기(summer;211) 및 딜레이(delay;213)로 구성된 미분 인코더로 들어간다. 이 미분 인코더의 출력은 위상 변조기(215)로 들어가는 데, 위상 변조기(215)의 출력은 심볼 당 한 샘플에서 I 및 Q의 복소수 성분을 가진다. I는 동상(in-phase) 성분을, Q는 직각 성분을 나타낸다. 변조기(215)의 출력은 알파=0.2에서이 레이즈드 코사인 필터(217)에 대한 입력이고, 이 레이즈드 코사인 필터(217)은 레이즈드 코사인 필터(201)와 유사하다. 레이즈드 코사인 필터(217)의 출력은 스위치(209)로 입력된다. FM 또는 AM 중 어떤 전송 형태를 선택해도, 송신기의 일부의 출력은 변조기(219)로 입력되며, 반송파 주파수(ω)로 신호를 변조한다.
블럭(211, 213, 및 215)은 각각 1 샘플/심볼 또는 4800 심볼/초의 속도로 작동한다. 블럭(201 및 217)은 출력에서 1 샘플/심볼에서 N 샘플/심볼까지 인터포레이트(interpolate)되며, N은 일반적으로 10 또는 그 이상이고 적어도 1 이상이다. 블럭(203, 205, 207)각각은 N 샘플/심볼의 크기로 동작한다.
양호한 실시예에서, 효율성을 위해 그리고 불필요한 부분을 없애기 위해, 단지 한 클래스(AB PA)만이 송신기에서 이용되며, 그래서 제1도의 선형 AM 송신기의 구조는 블럭(201 내지 219)을 포함하는 제2도의 전체 송신기를 구현하는 데 이용된다. 본 발명에 의한 양호한 실시예는 DSP를 이용하므로, 송신기 블럭(201, 203, 205, 207, 209, 211, 213, 215, 217, 및 219)이 선형 AM 송긴기의 DSP(107)에서 쉽게 수행된다. 블럭(201 내지 209)이 DSP(107)내에 포함되므로, DSP(101), 주파수 변조기(103), 및 PA(105)를 반복할 필요가 없다. 변조기(219)가 또한 DSP(107)내에서 수행되며, 변조기(219)의 출력은 전송 이전의 선형기(109)로 입력된다.
공통 수신기에 대한 상세한 설명은 제2도에서 도시된다. 양호한 실시예에서, 수신기 블럭(221, 223, 225, 227, 229, 및 231)은 DSP(117)내에서 수행된다. 수신기와 송신기가 동일한 통신 유닛 또는 무전기에 있다면, 하나 또는 다수의 DSP들은 DSP(107) 및 DSP(117)의 기능을 지원하기 위해 이용된다. 루즈(loose) IF(중간 주파수) 필터(221)는 역 탄젠트 함수(223)로 입력되며, 블럭(223, 225, 227)을 포함하는 주파수 복조기(demodulator)에 속한다. 블럭(225, 227)은 또한 적분 및 덤프(dump) 필터(229)도 포함하는 미분 인코더에 속하는 데, 그 기능은 다음에 상세히 설명된다. 블럭(223)의 출력은 합산기(227)로 입력되며, 포시티브 형태의 딜레이된 성분을 블럭(227)에서 블럭(225)로부터의 출력에 의해 감해진다. 적분 및 덤프 필터(229)는 확률 그래디언트 비트 복원 블럭(stochastic gradient bit recovery block;231)로 입력되며, 그 출력은 초기에 전송된 4-레벨 데이타가 된다. 확률 그래이던트 비트 복원은 해당 기술 분야에서는 잘 알려져 있다. 수신기는 위상에 대해서만 감응하므로, 엔벨로프는 문제가 안되며, FM 및 AM 두 전송은 수신되어 공통 수신기에 의해 적절히 디코드된다. 그러므로, 동일 범위에서는 FM PA 보다는 더욱 강력한 AM PA가 요구되므로, 두 변조의 시간적 절환은, 비록 더 많은 전력을 소모하지만, (더 많은) 유효 범위를 확보한다.
적분 및 덤프 필터(229)에 대한 임펄스 응답은 해당 기술 분야에서 잘 알려진 것처럼, 사인 적분 함수 Si(x)의 형태로 표현되는 클로즈드-형태의 해결로서 아래에 도출된다. 대역-제한 적분 및 덤프 필터는 사이드 로브(side lobes)의 부분이 주파수 응답의 외부로 필터링될 때 구해진다. 심볼 복원에서의 양호한 충실도에 필요한 주파수 응답 부분의 범위는 -(1+α)/(2T) Hz에서 (1+α)/(2T) Hz이다. 1/T Hz에서의 스펙트랄 널(spectral null) 때문에, 응답은 1/T Hz 컷 오프(cutt off)로 제한된다. H(x)가 대역-제한 적분 및 덤프 필터의 주파수 응답일 때:
여기에서, h(t)는 필터 H(x)의 임펄스 응답일 때, ω=2π이고 H(ω)는 짝 함수이다:
상기의 수행이 대역-제한의 형태로 도시되었지만, 대역-제한은 선택적이고 본 발명에서 요구되지 않는다.
그러므로 본 발명에서는, 무전기의 자체 결정이나 외부의 요구에 의해서 무전기는 특정 신호에 대한 초월한 범위를 얻기 위해 AM에서 FM으로 자동적으로 절환된다. 또한, 무전기 또는 통신 유닛은 기지국으로부터 또는 다른 무전기를 포함하는 다른 제어 유닛 등으로부터 신호를 수신하여, 특정 변조 방식으로 전송하기 위해 명령한다. 유사하게, 무전기는 개선된 배터리의 효율을 얻기 위해 FM에서 AM으로 자동적으로 절환된다. 이 절환은 스위치(209)에서 발생하고, 양호한 실시예에서 DSP에 의해 제어된다.
비록 양호한 실시예가 QPSK-C를 이용하지만, 공통 수신기는 위상[QPSK, D-QPSK, 및 CORPSK(상관형 PSK)처럼 원(circle) 상에 떨어진 모든 별자리형의 점의 위치]에 의해 데이타를 판별하는 어떠한 변조도 이용이 가능하다.
비록 DSP가 본 발명의 많은 기능을 수행하도록 이용되지만, 이산 성분 또는 다른 프로그램어블 로직의 이용으로도 같은 효과를 얻을 수 있다.

Claims (10)

  1. 통신 시스템에 있어서, 저전력 소비가 소망되는 경우에는 제1변조 기술에 의해 변조된 통신 신호를 전송하고, 더 큰 신호 유효 범위(signal coverage)가 소망되는 경우에는 상기 제1변조 기술과는 다른 제2변조 기술에 의해 변조된 통신 신호를 전송하도록 배치 구성된 송신기; 및 상기 제1변조 기술에 의해 변조된 통신 신호 및 상기 제2변조 기술에 의해 변조된 통신 신호를 수신하여 단일 복조 경로를 갖는 단일 복조기를 이용하여 상기 통신 신호들을 복조하는 수신기 - 상기 제1변조 기술에 의해 변조된 통신신호와 상기 제2변조 기술에 의해 변조된 통신 신호 모두는 상기 단일 복조 경로를 이용하여 복조됨 - 를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1변조 기술이 위상 편이 변조(phase shift keying)의 형태이고 상기 제2변조 기술이 주파수 편이 변조(frequency shift keying)의 형태인 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  3. 무선 주파수 통신 유닛에 있어서, 적어도 2개의 통신 모드로 통신 신호를 수신하도록 배치 구성된 수신기 및 상기 적어도 2개의 통신 모드로 통신 신호를 전송하도록 배치 구성된 송신기를 포함하며, 상기 2개의 통신 모드는 더 효율적인 전력 소비가 소망되는 경우 비상수(nonconstant) 엔벨로프 진폭 변조 신호 전송을 포함하는 제1통신 모드; 및 더 높은 평균 전력의 전송이 소망되는 경우 상수 엔벨로프 주파수 변조 신호 전송을 포함하는 제2통신 모드 - 상기 비상수 엔벨로프 진폭 변조 신호는 위상 편이 변조 형태를 이용하여 변조되고, 상기 상수 엔벨로프 주파수 변조 신호는 주파수 편이 변조 형태를 이용하여 변조됨 - 를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 통신 유닛.
  4. 제3항에 있어서, 상기 통신 신호의 송신기에 의해 저전력 소비가 소망되는 경우에 상기 제1통신 모드가 이용되는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 통신 유닛.
  5. 제3항에 있어서, 상기 통신 신호의 송신기에 의해 더 큰 신호 유효범위가 소망되는 경우에 상기 제2통신 모드가 이용되는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 통신 유닛.
  6. 통신 유닛에 있어서, 제1변조 기술에 의해 통신 신호를 변조하여 제1변조 신호를 생성하도록 배치 구성된 제1변조기; 제2변조 기술에 의해 통신 신호를 변조하여 제2변조 신호를 생성하도록 배치 구성된 제2변조기 - 상기 제1변조 신호는 위상 편이 변조 형태를 이용하여 변조되고, 상기 제2변조 신호는 주파수 편이 변조 형태를 이용하여 변조됨 -; 더 효율적인 전력 소비가 소망되는 경우 상기 제1변조 신호를 선택하고 더 높은 평균 전력의 전송이 소망되는 경우에는 상기 제2변조 신호를 선택하여 선택신호를 생성하도록 배치 구성된 선택기; 및 상기 선택 신호를 전송하기 위한 송신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 유닛.
  7. 통신 유닛에 있어서, 진폭 변조 기술에 의해 변조된 통신 신호 및 주파수 변조 기술에 의해 변조된 통신 신호를 전송하는 송신기; 및 상기 진폭 변조 기술에 의해 변조된 통신 신호 및 상기 주파수 변조 기술에 의해 변조된 통신 신호 모두를 수신하고 복조하도록 배치 구성된 단일 복조기를 포함하는 수신기 - 상기 단일 복조기는 단일 복조 경로를 가지며, 진폭 변조 기술에 의해 변조된 통신 신호 및 주파수 변조 기술에 의해 변조된 통신 신호 모두는 단일 복조 경로를 이용하여 복조됨 - 를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 유닛.
  8. 제7항에 있어서, 상기 송신기가 저전력 소비가 소망되는 경우에 상기 진폭 변조 기술에 의해 변조된 상기 통신 신호가 전송되는 것을 특징으로 하는 통신 유닛.
  9. 제7항에 있어서, 상기 송신기가 더 큰 신호 유효 범위가 소망되는 경우에 상기 주파수 변조 기술에 의해 변조된 상기 통신 신호가 전송되는 것을 특징으로 하는 통신 유닛.
  10. 통신 유닛에 있어서, 저전력 소비가 소망되는 경우 진폭 변조 기술에 의해 변조된 통신 신호를 전송하고, 더 큰 신호 유효 범위가 소망되는 경우 주파수 변조 기술에 의해 변조된 통신 신호를 전송하는 송신기; 및 상기 진폭 변조 기술에 의해 변조된 통신 신호 및 상기 주파수 변조 기술에 의해 변조된 통신 신호 모두를 수신하고 복조하도록 배치 구성된 단일 복조 경로를 갖는 단일 복조기를 포함하는 수신기 - 상기 진폭 변조 기술에 의해 변조된 상기 통신 신호와 상기 주파수 변조 기술에 의해 변조된 상기 통신 신호 모두는 상기 단일 복조 경로를 이용하여 복조됨 - 를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 유닛.
KR1019950703419A 1993-02-17 1994-01-14 다중-변조 통신 시스템 KR0183143B1 (ko)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US1858993A 1993-02-17 1993-02-17
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US8/018589 1993-02-17
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