DE4003410C2 - - Google Patents
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- DE4003410C2 DE4003410C2 DE4003410A DE4003410A DE4003410C2 DE 4003410 C2 DE4003410 C2 DE 4003410C2 DE 4003410 A DE4003410 A DE 4003410A DE 4003410 A DE4003410 A DE 4003410A DE 4003410 C2 DE4003410 C2 DE 4003410C2
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- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
- G06K7/00—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns
- G06K7/0008—General problems related to the reading of electronic memory record carriers, independent of its reading method, e.g. power transfer
Description
Im jetzigen Zeitalter, in dem alle Produktionsprozesse
automatisiert werden, sind elektronische Identifikationstechniken
sehr gefragt, bei denen
entweder nur eine Nummer gesendet wird (Read Only),
oder bei denen sogar variable Daten
enthalten sein können, die über Abstand
programmierbar sind (Read/Write). Diese portablen
Datenträger oder "Detektierplättchen" werden z. B. bei
wertvollen Pferden unter die Haut gepflanzt, um diese
immer sicher zu erkennen, Kühe und Schweine erhalten
ein Implantat, um die automatische Fütterungsanlage
zu steuern bzw. alle Daten der Tiere von Geburt an zu
speichern.
In der Produktionsautomation werden damit Lackierstraßen
bestückt, und die Fahrzeuge erhalten je nach
Programmierung die entsprechende Farbe. Ein Roboter
erhält über Flurfördersysteme eine bestimmte Sorte
von Schrauben, die im Lager in einen Universal-Container
gepackt und durch entsprechende Programmierung
des Detektierplättchens an ihn versandt wurden.
Der Verbreitungsgrad solcher Techniken wird stark vom
Preis des Datenträgers beeinflußt, denn dieser wird
in großer Stückzahl benötigt.
Ein günstiger Preis, eine hohe Lebenserwartung und
eine entsprechend kleine Bauform wird hauptsächlich
mit batterielosen Detektierplättchen erreicht. Viele
Anwendungen lassen sich mit einem "Read-Only"-System
durchführen, aber die Möglichkeit, den Dateninhalt
des Detektierplättchens zu verändern, eröffnet jetzt
- und für die Zukunft - viel größere Perspektiven.
Grundsätzlich ist folgendes allen batterielosen Techniken
gemein:
Ein HF-Sender strahlt über eine Antenne ein elektromagnetisches
Feld ab. Beim Eintritt in dieses Feld
wird das Detektierplättchen mit Energie versorgt und
beginnt, die gespeicherten Daten zu senden.
Ein Systemtakt für die Elektronik des Detektierplättchens
wird häufig durch Teilung aus der Frequenz
des HF-Feldes gewonnen, dadurch wird der Datenspeicher
ausgelesen, und der serielle Datenstrom bewirkt
durch eine spezielle Beschaltung eine
feldsynchrone Bedämpfung des HF-Feldes. Diese
Bedämpfung wird am Empfänger des
HF-Senders ausgekoppelt, verstärkt und digital
weiterverarbeitet. Im Gegenzug ist es bei
Read/Write-Systemen möglich, den HF-Sender zu
modulieren und so Daten zum Detektierplättchen über
Abstand zu übertragen.
Gerade die Möglichkeit, den Speicherinhalt im Detektierplättchen
nach der Verpackung in einem Gehäuse
berührungslos verändern zu können, eröffnet dieser
Technik viel mehr Einsatzgebiete als nur das reine
Identifizieren. Angeführt seien hier nur einige
Gebiete wie bargeldloser Zahlungsverkehr, Werkzeugmanagement,
Fördersysteme, Fahrzeugdaten und natürlich
auch persönlichen Daten, für die so ein umprogrammierbares
Detektierplättchen eingesetzt werden
kann.
- - Damit kontaktlos programmiert werden kann, enthalten die Detektierplättchen mehrere Spulen, eine davon zur Energieübertragung, die restlichen zur Datenübermittlung bzw. Synchronisation.
- - Die räumlichen Abstände beim Programmieren bewegen sich bei wenigen Millimetern; dazu wird das Detektierplättchen meistens direkt auf das Programmiergerät gelegt. Die eingesetzte Modulationsart ist meistens FSK, da diese sich einfach mit einer PLL-Schaltung dekodieren läßt.
- - Um Schaltungsaufwand zu minimieren, wird der Programmiervorgang durch die Feldfrequenz synchronisiert.
Bei der kontaktlosen Programmierung werden 2-3
Spulen für Empfangen, Synchronisation, Senden
und Energieübertragung benötigt. Die Herstellung
von preiswerten und vor allem
kleinen Detektierplättchen wird dadurch
unmöglich. Gerade die Baugröße ist aber sehr
entscheidend bei Detektierplättchen für
Werkzeugerkennung oder bei Tierimplantaten.
Der Einsatz von mehr als einer Spule macht es
außerdem oft erforderlich, die Spulen
in ihrer räumlichen Anordnung richtig zur
Schreib/Leseeinheit zu positionieren; durch
diese Einschränkung sind diese Art von Systemen
für viele Anwendungen nicht geeignet.
Beim Datendecodieren auf der Seite des Detektierplättchens
werden analoge stromfressende Decodiermethoden
eingesetzt wie FSK, PLL-Demodulation;
dadurch wird eine echte
Feldprogrammierung, also eine Programmierung
über größeren Abstand, unmöglich. Der benötigte
Strom kann nur über kleinste Distanzen im
mm-Bereich übertragen werden. Diese
Einschränkung ist vor allem im CIM-Bereich sehr
nachteilig, da dort die genaue Positionierung
oft nicht möglich ist. Die dort eingesetzten
batteriebehafteten Systeme sind zwar sehr viel
teurer, aber der Schreib/Leseabstand bewegt sich
im 5-10 cm-Bereich.
Die gleichen Forderungen müssen dort auch von
dem hier beschriebenen batterielosen System
erfüllt werden.
Die Nutzung der Feldfrequenz, um daraus den Takt
für die Datenrate zu erzeugen, ist zwar naheliegend
und man spart einen Oszillator, aber man
verbaut sich die Möglichkeit, das Detektierplättchen
über AM-Modulation zu programmieren,
da das Feld dabei abgeschaltet wird und kein
Systemtakt mehr vorhanden ist.
Die Erfindung betrifft ein tragbares, feldprogrammierbares
Detektierplättchen für eine Identifizierungsvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine Identifizierungsvorrichtung mit einem
Detektierplättchen, dessen Resonanzkreis im
abgestimmten Zustand dem HF-Feld des Senders Energie
entzieht und dadurch auf den HF-Sender meßbar
rückwirkt, ist aus der US-PS 32 99 424 bekannt.
Aus der DE 27 48 584 C2 ist eine Identifizierungsvorrichtung
bekannt, die die Merkmale von US-PS 32 99 424
benutzt und diese mit den Vorzügen der Gewinnung der
Speisespannung aus dem Resonanzkreis verbindet. Die
Energiegewinnung aus einer Induktionsschleife ist
ebenfalls schon bekannt aus DE-AS 12 19 990.
Im Hinblick auf die DE 27 48 584 C2 bleibt ferner anzumerken,
daß dort kein feldprogrammierbares Detektierplättchen
beschrieben ist.
Aus der US-PS 37 13 148 ist ein Transponder bekannt, welcher
grundsätzlich eine Feldprogrammierung ermöglicht. Dabei
ist die Verwendung von zwei unterschiedlichen Frequenzen
vorgesehen, und im Zusammenhang damit sind insgesamt drei
Resonanzkreise erforderlich. Von Bedeutung ist, daß zwei
Resonanzkreise für die gleiche erste Frequenz verwendet
werden, während der dritte Resonanzkreis auf die andere
zweite Frequenz abgestimmt ist.
Beim Betrieb des bekannten Transponders werden von einem
Transceiver Schwingungen der ersten Frequenz abgestrahlt,
die über eine Empfangsantenne empfangen und durch die beiden
ersten Resonanzkreise in doppelter Hinsicht ausgewertet
werden. Mittels des einen Resonanzkreises wird aus
den Schwingungen der ersten Frequenz die für den Betrieb
des Transponders benötigte Energie in Form einer Gleichspannung
gewonnen. Über den anderen Resonanzkreis und einem
diesem nachgeschalteten Empfänger werden demgegenüber
die mit den Schwingungen der ersten Frequenz übertragenen
Informationen gewonnen und einer Auswertung zugeführt.
Für eine Übertragung in umgekehrter Richtung, also vom
Transponder zum Transceiver, ist ein Transmitter vorgesehen,
der den dritten Schwingkreis beinhaltet, der auf
die andere Frequenz abgestimmt ist. Die somit erforderliche
Verwendung von insgesamt drei Schwingkreisen und
zwei unterschiedlichen Frequenzen führt zu einem aufwendigen
Aufbau des bekannten Transponders, was sich auch
nachteilig auf die äußeren Abmessungen des Transponders
auswirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein tragbares,
feldprogrammierbares Detektierplättchen zu schaffen, welches
mit weniger Resonanzkreisen auskommt, welches ferner
in der Lage ist, mit nur einer Frequenz zu arbeiten, und
welches es schließlich ermöglicht, auch über größere Abstände
eine Feldprogrammierung vorzunehmen. Die Lösung dieser
Aufgabe erfolgt bei dem im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 angegebenen Detektierplättchen durch die Merkmale
des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der gleiche Resonanzkreis wird erfindungsgemäß durch
die Modulationseinkopplung von der
Schreib/Lesevorrichtung so beeinflußt, daß der
Decoder für PPM codierte Schaltsignale im
Detektierplättchen gesteuert wird und somit Daten in
den Speicher des Detektierplättchens über
Feldmodulation geschrieben werden.
Damit das Detektierplättchen klein und preiswert ausgeführt
werden kann, kommt erfindungsgemäß nur eine
Spule für die Feldprogrammierung zum Datensenden und
zur Energieversorugung zum Einsatz.
Bei der zuvor erwähnten Feldprogrammierung werden erfindungsgemäß
Kommandos und Daten durch AH-Modulation
gemischt und mit Pulspausenmodulation zum Detektierplättchen
übertragen.
Die Form der Datenübertragung und eine erfindungsgemäße
rein digital arbeitende Decodierschaltung auf
dem Detektierplättchen machen zusammen mit einem
erfindungsgemäßen Stützkondensator die
Feldprogrammierung auch über Abstände von 5-10 cm
möglich. Das Herz der erfindungsgemäßen Decodierschaltung
sind mehrere Zähler sowie ein
Oszillator, der als feldunabhängige Zeitreferenz
dient.
Im nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 schematische Darstellung der Kombination
Schreib/Lesevorrichtung/Detektierplättchen,
Fig. 2 Blockschaltbild Detektierplättchen,
Fig. 3 Schaltbild der erfindungsgemäßen
Decodierlogik im Detektierplättchen,
Fig. 4 Datentelegramm vom Detektierplättchen zur
Schreib/Lesevorrichtung,
Fig. 5 Datentelegramme von der Schreib/Lesevorrichtung
zum erfindungsgemäßen Detektierplättchen.
Fig. 1 zeigt eine Schreib/Lesevorrichtung gemäß
der Erfindung, die aus einem HF-Sender mit
Modulator und einem Datenempfänger mit
Demodulator besteht.
Der HF-Sender generiert eine quarzstabilisierte
Frequenz, die in einen Resonanzkreis
(RK1) als Antenne geleitet wird, um dort
ein HF-Feld aufzubauen. Der Modulator
steuert das HF-Feld durch Feldbedämpfung,
so daß eine AM-Pulspausenmodulation
entsteht, die zur Datenübermittlung zum Detektierplättchen
benutzt wird.
Am gleichen Resonanzkreis (RK1) ist auch
ein Datenempfänger angeschlossen, der die
Feldbedämpfung des Detektierplättchens
demoduliert und anschließend auswertet,
z. B. um die Nummer des Detektierplättchens
zu erkennen.
Über das gleiche HF-Feld werden dabei vier
verschiedene Dinge übertragen. Energie,
Kommandos und Daten zum Detektierplättchen
sowie Daten zur Schreib/Lesevorrichtung vom
Detektierplättchen.
Fig. 2 zeigt ein Detektierplättchen, in dem sich
ein Resonanzkreis RK befindet, bestehend
aus einer Spule L1 und einem Kondensator
C1, dessen Resonanzfrequenz der Frequenz
eines in einer Detektierzone herrschenden
elektromagnetischen Feldes entspricht. Wenn
das Detektierplättchen in die Detektierzone
gebracht wird, wird der Resonanzkreis RK
durch das Detektierfeld zum Schwingen
angeregt. Dadurch ensteht eine
Wechselspannung über dem LC-Kreis, von dem
in diesem Beispiel die Spule L1 und der
Kondensator C1 parallelgeschaltet sind.
Die Wechselspannung gelangt über den
Gleichrichter, der hier symbolisch mit D1
dargestellt ist, zum Chip E.
Auf dem Chip E befinden sich ein Oszillator,
der den Codegenerator und mit einem
Zähler den Decoder steuert sowie ein
Speicher, in dem sich ein Code befindet.
Dieser Speicher kommuniziert mit dem
Codegenerator und dem Decoder.
Beim Auslesevorgang, der nach dem Eintauchen
des Detektierplättchens, ins HF-Feld
eingeleitet wird, verarbeitet der Codegenerator
die Daten, die im Speicher stehen, und
sendet diese moduliert, indem er über ein
Schaltglied (SG) den Schwingkreis (RK)
verstimt, an die Schreib/Lesevorrichtung.
Beim Programmiervorgang bewertet der
Decoder zusammen mit Zählern und dem Oszillator
die empfangene Modulation von der
Schreib/Lesevorrichtung und programmiert
die Daten in den Speicher.
Der Bereich "S" im Speicher läßt sich dabei
aus Manipulationsgründen nur einmal
programmieren.
C2 wird als Pufferkondensator gebraucht,
um Programmierimpulse für den Speicher zu
ermöglichen, auch wenn keine konstante
Versorgung durch das modulierte HF-Feld
möglich ist.
Des weiteren wird C2 benötigt, um in den
Pulspausen die Funktion des Decoders mit
Zähler und Oszillator zu gewährleisten
sowie die Funktion des ganzen Chips, da das
Feld beim Programmiervorgang zeitweilig
abgeschaltet wird.
Gelangt das Detektierplättchen in ein
HF-Feld mit der Feldfrequenz F2, erfolgt
die Energieversorgung mittels Resonanzkreis
(RK), Gleichrichter D1 und Stützkondensator
C2. Der Oszillator liefert den
feldfrequenzunabhängigen Systemtakt F1. Die
anliegende Feldfrequenz F2 hält den Zähler
1 und Flip-Flop 1 (im folgenden mit FF1
bezeichnet) im Resetzustand. Der
Adreß-Generator erzeugt mit Hilfe zweier
Binärzähler (Zähler 1 und 2) die
Datenadressen und bewirkt das Auslesen des
Speichers. Ein im Adreß-Generator
befindliches Schieberegister übernimmt die
Umsetzung der parallelen Daten in einen
seriellen Datenstrom.
Der Code-Generator hat die Aufgabe, den
seriellen Datenstrom in bekannte, serielle
Datenformate (FSK, BIPHASE) umzusetzen
(siehe Fig. 4) und bewirkt mit dem Schaltglied
(SG) die Datenübertragung durch
Feldmodulation.
Grundlage für die erfindungsgemäße Feldprogrammierung
des Detektierplättchens sind
der Stützkondensator C2 und der Oszillator,
die zusammen dafür sorgen, daß der Systemtakt
F1 und die Versorgungsspannung des Detektierplättchens
für die AM- und datenbedingten
Abschaltzeiten des HF-Feldes erhalten
bleibt. Der Programmiervorgang beginnt,
wenn das HF-Feld für etwa länger als die
Zeit T1 abgeschaltet wird (siehe Fig. 5/E).
Da Zähler 1 nun nicht mehr resetet wird
(und der Systemtakt vom Oszillator weiterläuft),
geht sein Ausgang Q6 nach T1 auf
High, setzt FF4 und stoppt sich selbst. Das
gesetzte FF4 öffnet nun mit dem CS-Signal
den Kommando-Dekoder.
Der High-Pegel des Signals liegt auch am
D-Eingang von FF1.
Nach T1 wird das HF-Feld wieder eingeschaltet
und Zähler 1 dadurch resetet;
außerdem wird jetzt natürlich C2
nachgeladen.
Wird nun das HF-Feld wieder abgeschaltet,
setzt der erste High-Pegel des Ausgangs Q2
von Zähler 1 das FF1 (ohne CS-Signal wird
FF1 nicht gesetzt). Dieser High-Pegel am
Ausgang von FF1 gelangt als DATA-Signal an
den Kommando-Dekoder und setzt außerdem
FF2. Dieses Flip-Flop wiederum gibt die
Zähler 2 und 3 frei. Zähler 2 erzeugt mit
Hilfe FF3 nach Ablauf der Zeit T2 (siehe
Fig. 5/E) das CLOCK-Signal für den Kommando-Dekoder.
Je nachdem, ob das HF-Feld für die
Dauer T3 bzw. T4 (siehe Fig. 5/F) ausgeschaltet
wird, übernimmt der Kommando-Dekoder
mit dem CLOCK-Signal ein DATA-H
oder DATA-L (PPM). Das CLOCK-Signal setzt
außerdem FF2, Zähler 2 und FF3 zurück. Die
ersten Daten, die so übertragen werden,
sind Befehle an den Kommandodekoder
(siehe Fig. 5/A), der das Detektierplättchen
aufgrund dieser Befehle in
folgende Zustände versetzt:
Nach Erkennen des Programmierbefehls
setzt der Kommando-Dekoder das FF6 und
gibt mittels FF7 den Zähler 4 frei;
außerdem wird mit FF6 ein Multiplexer
umgeschaltet, der alle nachfolgend übertragenen
Signale CS, DATA und CLOCK an
den Speicher leitet. Somit werden die
übertragenen Daten in den Speicher
geschrieben.
Jedes übertragene DATA-Signal bewirkt
ein Reset für die Zähler 3 und 4, so daß
sich die Dauer des CS-Signals (Zähler 3)
bzw. der Programmierung (Multiplexer
Umschaltung, Zähler 4) verlängert, bis
keine weiteren Daten übertragen werden.
Das Detektierplättchen geht dann sofort
wieder in den Auslesemodus über.
Nach Erkennen des Stoppbefehls stoppt
der Kommando-Dekoder über die Leitung L
und den Code Generator die Modulation
des HF-Feldes. Der Stoppbefehl
ermöglicht der Schreib/Lesevorrichtung,
ein Detektierplättchen sofort nach der
Erkennung im HF-Feld abzuschalten und
auf diese Weise noch weitere ins HF-Feld
gelangende Detektierplättchen zu
erkennen.
Der Auslesebefehl ist die Umkehrung des
Stoppbefehls (über Leitung L wird
Code Generator freigegeben) und wird
übertragen, wenn ein zuvor
abgeschaltetes Detektierplättchen
reaktiviert werden soll.
Es sind natürlich noch weitere Befehle
möglich, je nach Einsatzgebiet des
Detektierplättchens.
Fig. 4 zeigt ein Datentelegramm, welches vom Detektierplättchen
an die Schreib/Lesevorrichtung
gesendet wird.
Dabei beginnt das Telegramm mit einem
Header, der für die Erkennung des
Detektierplättchens benötigt wird, gefolgt
von den eigentlichen Daten und einem CRC-Check
am Ende.
Für den Codeaufbau können verschiedene
selbsttaktende Codes gewählt werden wie
Biphase, Manchester etc.
Die Übertragung der 0- und 1-Bits kann durch
Bedämpfung des Feldes (A) oder durch Überlagerung
zweier Frequenzen (B) oder durch
andere Modulationsarten erfolgen.
Fig. 5 zeigt Datentelegramme von der Schreib/Lesevorrichtung
zum Detektierplättchen.
- A. Um das Detektierplättchen programmieren
zu können, wird zunächst ein Kommando-Header
gesendet, gefolgt von einem
Kommando Befehl und den eigentlichen
Daten.
Einige der möglichen Kommandos sind:- 1. Schreiben Daten
- 2. Lesen Daten
- 3. Starten Datenübertragung
- 4. Stoppen Datenübertragung
- B. Der Modulator der Schreib/Lesevorrichtung bedämpft dabei das Feld des HF-Generators und erzeugt das Pulspausensignal (PPM) im Resonanzkreis (RK1).
- C. Dieses modulierte HF-Feld wird nun über die Übertragungsstrecke zum Detektierplättchen gesendet.
- D. Die von Resonanzkreis (RK1) gesendeten Daten führen zu zeitlich proportionalen Daten am (RK) bzw. am Eingang des durch die voranstehend erwähnten Zähler, Flip-Flops usw. gebildeten Decoders vom Detektierplättchen.
- E. Nach der Zeit T1 liefert der Decoder das Kommandoerkennungssignal (CS-Signal).
- F/G. Auf Grund der gesendeten PPM-Signale
(T3, T4) erzeugt der Decoder nach Kommandoerkennung
mit Hilfe des Zählers
T2 Clock und Daten für das Ausführen
der verschiedenen Kommandos.
Auf diese Weise werden sowohl Kommandos (wie unter A) als auch Daten vom Schreib/Lesesystem zum Detektierplättchen übertragen.
Claims (5)
1. Tragbares, feldprogrammierbares Detektierplättchen
für eine Identifizierungsvorrichtung zum Erfassen der Anwesenheit
sowie der berührungslosen Änderung von Daten im
Detektierplättchen, mit welchem Personen, Tiere oder Gegenstände
versehen sind, die in die Nähe einer Schreib/Lesevorrichtung
gelangen, wobei die Schreib/Lesevorrichtung
einen HF-Sender mit Modulator und Datenempfänger umfaßt
und das Detektierplättchen einen Signalgeber, Signalempfänger
und als Energieempfänger einen auf die Frequenz
des HF-Senders abgestimmten Resonanzkreis (RK), ferner
einen Speicher, einen Codegenerator und ein mit dem Resonanzkreis
gekoppeltes Schaltglied (SG) umfaßt, dem die Schaltsignale
vom Codegenerator zugeführt werden und das den Resonanzkreis
(RK) im Takt der Schaltsignale beim Senden
verstimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der gleiche Resonanzkreis
(RK) einerseits zur Feldprogrammierung des Detektierplättchens
und andererseits in an sich bekannter Weise
zum Senden der Daten dient und zur Energieversorgung herangezogen
wird und daß die Feldprogrammierung durch Puls-
Pausen-Modulation (PPM) des verwendeten HF-Trägers erfolgt
und daß damit Daten wie auch Kommandos übertragen werden,
die in einem Decoder des Signalempfängers digital
ausgewertet werden, und daß das Detektierplättchen einen Oszillator
umfaßt, der als feldunabhängige Zeitreferenz dient,
und daß ein Kondensator (C2) vorgesehen ist, der mit einer
dem Resonanzkreis (RK) entnommenen Spannung geladen ist
und zur Energieversorgung des Detektierplättchens auch in den
Pulspausen dient.
2. Tragbares Detektierplättchen nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Speicher einen geschützten
Bereich (S) besitzt, der nur einmal
beschrieben werden kann.
3. Tragbares Detektierplättchen nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß durch den eingebauten
Oszillator keine Feldsynchronität nötig ist und
dadurch die Datenübertragung - auch beim Senden
zur Schreib/Lesevorrichtung - unabhängig von der
HF-Feld-Frequenz wird.
4. Tragbares Detektierplättchen nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schaltung aus max.
vier Bauteilen besteht (L1, C1, E, C2).
5. Tragbares Detektierplättchen nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Modulator der Schreib/Lesevorrichtung als Puls-Pausen-
Modulator ausgebildet ist.
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