DE2452441A1 - Informationsuebertragungssystem - Google Patents

Description

Patentanwalt DIPL."PHYS. DR. W. LAMGHOFF rf.chts«nwa_lt B. LANGHOFF*

MÜNCHEN 81 WISSMANNSTRASSE 14 TELEFON 932774 TELEGRAMMADRESSE LANGHOFFPATENT MÜNCHEN

München₇ den 5. November 1974 Unser Zeichen: 55-1472

Globe Universal Sciences, Inc., 8989 Westheimer Houston, Texas 77042, USA

Informationsübertragungssystem

Die Erfindung betrifft ein Informationsübertragungssystem, mit einer Zentralstation zum Aufzeichnen von Daten und einer Anzahl entfernt liegender Meßstationen, die über Leitungen mit der Zentralstation verbunden sind, insbesondere zum Aufzeichnen seismischer Daten von einer Anzahl von Seismometern in einer Zentralstation.

Bei der seismischen Prospektion ist es üblich, durch Zünden von Brennstoffladungen auf oder über der Erdoberfläche oder in Bohrlöchern seismische Wellen zu erzeugen. Es ist auch bekannt, seismische Wellen durch mechanische Vibratoren zu erzeugen. Die derart erzeugten seismischen Wellen laufen in Richtung in das Erdinnere und werden beim Auftreffen auf Diskontinuitäten, etwa Schichtgrenzen, zurück zur Erdoberfläche reflektiert. Die Reflektionen werden von Geophonen aufgezeichnet, welche die seismischen Wellen in entsprechende elektrische Signale umwandeln, die verstärkt und aufgezeichnet werden. Jede Reflektion fügt Wellenanteile zu der normalerweise gleichmäßigen Ausgangssignalamplitude eines Geophons hinzu. Durch visuellen Vergleich der derart gewonnenen Spuren ergeben sich die gewünschten Auskünfte über Lagerstätten oder dergleichen.

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Es ist auch üblich, eins Vielzahl von Geophonen in gleichmäßiger:. Abstanden anzuordnen und die von diesen abgegebenen Signale als Funktion der Zeit aufzuzeichnen. So können z,B. 48 Geophone in Abständen von jeweils 150 m längs einer Linie in dem Gelände aufgestellt sein= Eine Diskontinuität zwischen der Schallquelle uiic'i den Geophonen erzeugt sodann seismische Signale» die von den Geophonen in 43 korreiierten Spuren aufgezeichnet werden. Man erh?llt zusätzliche Daten, wenn die Orte der Sprengladungen in Richtung der Verbindungslinie der Geophone aufeinanderfolgend verändert werden. Dias ist möglich durch die Verwendung zusätzlicher Geophone und Leitungen zum aufeinanderfolgenden elektrischen Auslösen mehrerer Sprengladungen, wobei eine Sprengladung jeweils in eier Nähe jedes Geophons liegt. Die aufeinanderfolgende Auslösung dar Sprengladungen ergibt seismische Signale in einer fortlaufenden Bahn»

Wenn an einer Stella entlang der Geophonlinie kein Geophon in Stellung gebracht werden kann, etwa wegen ungünstiger Bodenbe-I dingungen, obwohl dort entfernungsmäßig eigentlich ein Geophon angebracht v/erden müßte, dann wird die betreffende unzugängliche Stelle, etwa bei einer Geophonanordnung mit 48 Meßstellen, übersprungen.

Der Abstand zwischen den Geophonen beträgt normalerweise 150 m, kann jedoch auch größer oder kleiner gewählt sein.

Es ist wünschenswert, die Geophonsignale einem bestimmten Detonationsimpuls oder Vibrationsimpuls zuzuordnen. Eine Stoßwelle, die von einem bestimmten Punkt ausgeht, wird dabei als Reflektionsimpuls von jedem der einzelnen Geophone aufgenommen. Diese Gaoplionsigiiaie werden über Verzögerungseinrichtungen geleitet, UTi eine Korrelation zu erzielen. Da die Schallimpulse in perioclisclisn Zeitfolgen erzeugt werden und von aufeinanderfolgenden Deton.stionsorteri_? können die Geophonsignale möglicherweise falsch

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korreliert werden, wenn nicht längere Zwischenzeiten verwendet werden oder eine geeignete Datenverarbeitung für eine zuverlässige Korrelation. Ein Lösungsweg zum Verarbeiten der Meßsignale ohne Einführung größerer Zwischenzeiten besteht darin, die von den einzelnen Geophonen ausgesandten Meßsignale zentral aufzuzeichnen, also nicht die einzelnen Meßsignale einzeln aufzuzeichnen und später zu verarbeiten. Für diesen Zweck sind verschiedene Datenübertragungssysteme bisher verwendet worden, z.B. die übertragung, mittels Funk, Mehrfachleitungen, wobei jeweils eine Leitung von einem Geophon zu einer Zentralstation verläuft, ein oder mehrere Koaxialkabel mit genügender Bandbreite zum Übertragen der in Frequenzmultxplexsignale verarbeiteten Geophonsignale, sowie Steuersignale zum Auslösen der Detonationsladungen und dergleichen. Die bekannten Informationsübertragungssysteme weisen alle mehr oder weniger schwerwiegende Nachteile auf.

Für die Funkübertragung muß jedem Geophon ein kostspieliger Sender zugeordnet sein, wobei ein großes FrequenzSpektrum erforderlich ist. Außerdem sind Boden- und Wetterbedingungen von Einfluß auf die Übertragungsqualität, wodurch Übertragungsfehler der seismischen Daten hervorgerufen werden können.

Das Verlegen einer großen Anzahl von Telefonleitungen zu jedem Geophon ist aufwendig und zeitraubend. Außerdem besteht die Gefahr, daß die Drahtanschlüsse verwechselt werden können, selbst von einem eingeübten Team.

Die Verwendung von einem oder mehreren abgeschirmten Leitungen in Verbindung mit Multiplexeinrichtungen hat sich als zufriedenstellend erwiesen. Die abgeschirmten Leitungen müssen jedoch eine große Bandbreite aufweisen, um eine große Anzahl von Multiplexsignalen übertragen zu können. Derartige Leitungen sind schwer und kostspielig.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Informationsübertragungssystem der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem Daten von einer Vielzahl von Meßstationen an eine Zentralstation über eine Einzelleitung geringer Bandbreite übertragen werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe ist darin zu sehen, daß die Zentralstation mit jeder der Meßstationen mit einer übertragungsleitung verbunden ist, daß eine Taktimpulsquelle an die übertragungsleitung angeschlossen ist, und daß jede Meßstation mit einem Taktimpulsempfänger versehen ist und mit einer Einrichtung zum Aufschalten der Meßdaten auf die übertragungsleitung in aufeinanderfolgenden Zeitstaffelintervallen.

Als Übertragungsleitung zwischen der Zentralstation und den Meßstationen kann eine Doppeldrahtleitung verwendet werden, und jede= Meßstation kann mit einer Anzahl von Geophonen verbunden sein. Die Zentralstation kann dabei etwa in der Mitte der Übertragungsleitung angeordnet sein, die also in einen linken und rechten Übertragungszweig aufgeteilt ist. Typischerweise werden 18 Meßstationen mit jeweils drei getrennten Geophonkaiiälen für Einzelgeophone oder Geophonanordnungen verwendet. Dadurch ergibt sich eine Kapazität von 16 aktiven Meßstationen, wobei eine Meßstation zum Erzeugen des "roll along"-Effekts und eine weitere Meßstation für das überspringen vorgesehen sind.

Ein von der Zentralstation ausgesandter Taktimpuls wird mit einem bestimmten Signal koordiniert zum Triggern einer bestimmten Sprengladung, so daß der Taktimpuls dieser Sprengladung zugeordnet ist. Dieser kodierte Taktimpuls gelangt an die einzelnen Meßstationen und synchronisiert quarzgesteuerte Zeitgeber in denselben und schaltet zeitmultiplexartig jeweils einen ersten Speicher ein zum Aufzeichnen der von den drei Geophonkanälen herrührenden Meßsignale.

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Diese zeitliche Staffelung der ersten Speicher in den Meßstationen synchronisiert die von den Geophonen abgegebenen Signalzüge jeweils mit einer bestimmten Detonation. Bei dem nächsten Taktimpuls werden die ersten Speicher so geschaltet, daß sie die vorher aufgezeichneten Daten auf die übertragungsleitung geben. Zu gleicher Zeit wird ein zweiter Speicher eingeschaltet, der neue Daten aufzeichnet.

Die von den drei Kanälen jeder Meßstation herrührenden Meßsignale können der Einfachheit halber zeitmultiplexartig gestaffelt und digitalisiert werden, bevor sie aufgezeichnet werden.

Das aufeinanderfolgende Einlesen von Meßdaten wird nicht durch die Taktimpulse oder durch andere Daten gestört. Die zeitliche Staffelung erfolgt in Bezug auf ein und denselben Taktimpuls, der über die übertragungsleitung von einer zur nächsten Station gelangt. Da die Synchronisation bei jedem Taktimpuls neu erfolgt, brauchen die zeitbestimmenden Bauteile keine hohe Genauigkeit aufzuweisen.

Es hat sich herausgestellt, daß der Kopfteil der Information in binärer Kodierung und die Dateneinspeisung im Miller-Code eine Unterbringung der meisten Meßdaten in einer Zeiteinheit ermöglicht, ohne daß die Informationen sich gegenseitig stören. Der Taktimpuls kann z.B. alle zwei msec ausgesandt werden, wobei noch genügend Zeit verbleibt für die Anfangs- und Endimpulse, die Datenimpulse von 18 Meßstationen mit jeweils drei Kanälen, und die nötigen Sicherheitsabstände zwischen den Datenimpulsen.

Eine Doppeldrahtleitung läßt sich anstelle von abgeschirmtem Kabel verwenden, da keine große Übertragungsbandbreite erforderlich ist. Die Doppeldrahtleitung läßt sich nicht nur einfacher handhaben, sie ist auch wirtschaftlicher im Einsatz, selbst wenn große Längen an Orf und Stelle belassen und nicht wieder verwendet werden.

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Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.

Fig. 1 zeigt die Zusammenschaltung einer Zentralstation mit einer Anzahl Meßstationen, wobei eine Meßstation für das "roll along"-Verfahren und eine weitere Meßstation für das überspringen einer Meßstelle freigehalten sind;

Fig. 2 zeigt die Zeitstaffelung des in Fig. 1 dargestellten Informationsübertragungssystems;

Fig. 3 zeigt einen Teil des Zeitstaffelschemas nach Fig. 2 in detaillierter Aufstellung;

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer Meßstation; Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer Zentralstation.

Fig. 1 zeigt eine typische Geophorimeßstrecke mit 54 Geophonen bis 54, die längs einer Geländestrecke 56 in gleichmäßigem Abstand voneinander angeordnet sind, soweit das möglich ist. Anstelle eines Geophons kann auch eine Anordnung von Geophonen oder dergleichen verwendet sein, und die Geophone liegen annähernd in einer geraden Linie, soweit das Gelände das zuläßt.

Bei einer seismischen Bodenuntersuchung sind eine Anzahl Schießstellen in der Nähe wenigstens einiger Geophone und möglicherweise aller Geophone angeordnet. Eine Schießstelle 58 ist in Fig. 1 dargestellt in der Nähe des Geophons 38.

Die Geophone können auf die Erdoberfläche gesetzt werden, oberhalb des Geländes liegen oder in Bohrlöcher eingesetzt sein. In ähnlicher Weise können die Sprengladungen angeordnet sein.

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Es sind jeweils drei Geophone an eine Meßstation angeschlossen, z.B. die Geophone 1, 2 und 3 an die Meßstation 60, die Geophone 4, 5 und 6 an die Meßstation 61, und in ähnlicher Weise die übrigen Geophone an die Meßstationen 62 bis 77.

Sämtliche Meßstationen 60 bis 77 sind an eine Zentralstation 80 angeschlossen, und zwar über eine oder zwei Übertragungsleitungen. Wenn die Zentralstation in der Nähe eines Endes der Geländestrecke liegt, etwa in der Nähe der Meßstation 60 oder 77, ist lediglich eine übertragungsleitung erforderlich.

In Fig. 1 ist die Zentralstation 80 in der Nähe der Meßstation 67 angeordnet. Daher gehen von der Zentralstation 80 zwei Übertragungsleitungen 82 und 84 aus, und zwar die eine übertragungsleitung 82 zu den Meßstationen 60 bis 68 und die zweite Übertragungsleitung 84 zu den Meßstationen 69 bis. 77.

Obwohl die Geophone 1 bis 54 in gleichem Abstand entlang der Geländestrecke angeordnet sind, brauchen die Meßstationen nicht in gleichmäßigen Abständen an die übertragungsleitungen 82 bis 84 angeschlossen zu sein. Die Anschlüsse können vielmehr entsprechend den örtlichen Gegebenheiten gewählt werden.

Fig. 2 zeigt die Zeitstaffelung der Meßanordnung nach Fig. 1. Jeder Meßstation ist ein Empfänger, ein quarzgesteuerter Zeitgeber, ein Sender und eine Datenspeichereinrichtung zugeordnet. Die in einer Meßstation empfangenen und gespeicherten Daten werden über die übertragungsleitung zu der Zentralstation 8o gesendet, und zwar gesteuert durch ein Taktsignal, welches von der Zentralstation auf die Übertragungsleitungen gegeben wird. Dieses Taktsignal wiederum fragt jede Meßstation ab und betätigt sie. Es sei angenommen, daß die Meßstationen zufällig entlang der zugeordneten übertragungsleitung verteilt seien, je nach den örtlichen Gegebenheiten des Geländes.

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Die Zentralstation 80 umfaßt zwei Empfänger, und zwar einen zum Empfangen der Signale von der linken übertragungsleitung 82 und einen anderen zum Empfangen der Signale von der rechten übertragungsleitung 84. In dem Schema nach Fig. 2 bezeichnen die dicken Unterstreichungsstriche unter den Zeitstaffelangaben die Intervalle, in denen Datenfolgen auf die übertragungsleitungen gegeben werden.

Nunmehr sei angenommen, daß der Kopfteil und die Adressen ausgesendet worden sind, um die einzelnen Meßstationen abzufragen oder in Betrieb zu setzen. Dabei wird ein Taktimpuls S von der Zentralstation 80 auf die beiden Übertragungsleitungen 82 und 84 gegeben. Der Taktimpuls wandert diese Übertragungsleitungen entlang und gelangt zuerst bei der Übertragungsleitung 84 an die Meßstation 69. In dieser v/erden zwei grundlegende Funktionen durch den Taktimpuls eingeleitet, und zwar wird erstens der interne Zeitgeber der Meßstation synchronisiert, etwa ein quarzgesteuerter Zeitgeber mit einer Genauigkeit von 0,1 microsec, und es wird ein Zeitmultiplexschalter gestartet^ der der betreffenden Meßstation ein bestimmtes, zeitgestaffeltes Zeitintervall für die übertragung von Daten zuweist. Da die Meßstation 69 am nächsten bei der Zentralstation 80 (auf der rechten Seite) liegt, liegt das dieser Meßstation zugeordnete Multiplex-Zeitintervall dem Taktimpuls S am nächsten.

In ähnlicher Weise gewährleistet der Zeitgeber in der Meßstation 70, daß die Meßdaten von dieser in dem dem Taktimpuls S zweitnächsten Zeitintervall auf die übertragungsleitung 84 gegeben werden. Das gleiche geschieht bei den Meßstationen 12 bis 18, denen aufeinanderfolgende Zeitintervalle zugewiesen sind, so daß die Meßstation 18 das zuletzt liegende Zeitintervall zugewiesen bekommt.

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Fall wird der Zeitgeber in jeder Meßstation beim Empfang eines Taktimpulses synchronisiert und die Zeitbemessung für das zugewiesene Zeitintervall eingeleitet. Ungenauigkeiten der Zeit-'geber addieren sich dabei nicht, da die Zeitgebung bei jeder Meßstatiori³^ unabhängig von der Zeitgebung in den anderen Meßstationen erfolgt und lediglich vom Zeitpunkt des Empfangs eines Taktimpulses an d^r ^betreffenden Meßstation abhängt.

In ähnlicher Weise wie oben beschrieben erfolgt die Steuerung der Meßstationen 1 bis 8 über die übertragungsleitung 82, wobei die Meßstation 8 das dem Taktimpuls S nächstliegende Zeitintervall zugemessen bekommt, woran sich das Zeitintervallfür die Meßstation 7 anschließt und sodann dasjenige für die Meßstationen 6 bis 1.

Die Datenübertragung von den einzelnen Meßstationen stört die Taktimpulsausbrextung von der Zentralstation 8 oder die Datenübertragung von den anderen Stationen nicht, wenn die Zeitdauer für die Datenübertragung der Meßstation 18 länger ist als die Zeitdauer zwischen aufeinanderfolgenden Taktimpulsen der Meßstation Das heißt, die Periode zwischen den Taktimpulsen muß länger sein als die Summe aus dem Taktimpuls, der doppelten Fortpflanzungszeit von der Zentralstation zu der entferntest liegenden Meßstation, und der Gesamtzeit der Zeitmultiplexintervalle für die Datenübertragung jeder der Meßstationen entlang der Übertragungsleitung mit der größten Anzahl von Meßstationen. Wenn die Zentralstation an die Meßstationen 1 oder 18 angeschlossen ist, ist dadurch die Taktzeit des Informationsübertragungssystems festgelegt.

Da die Zentralstation zwei Empfänger aufweist, können die von der linken und von der rechten übertragungsleitung herangeführten Datenimpulse sich nicht gegenseitig stören, etwa wenn gleichzeitig die Datenblocks 3 und 14 übertragen werden.

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Fig. 3 zeigt im einzelnen ein Zeitdiagramm für die rechts liegenden Meßstationen Io bis 13. Die Multiplexzeitintervalle sind so lang, daß sie nicht nur die Datenblocks von jedem der Geophonkanäle (drei bei jeder Meßstation) übertragen können, sondern auch einen Sicherheitsseitabstand zwischen den Datenblocks der einzelnen Kanäle gewährleisten. Die Datenblocks können verschieden lang sein, wie weiter unten noch erläutert ist. In jedem Fall ist jedoch das Multiplexzeitinvervall das gleiche. Ein etwas längeres Zeitintervall als für das Sicherheitszeitintervall dargestellt ermöglicht eine Unterscheidung eines Datenblocks von einem anderen an der Zentralstation und ergibt eine bessere Trennung zwischen den einzelnen Datenblocks bei deren Aufschaltung auf die übertragungsleitung.

Sämtliche Meßstationen ermöglichen die Aussendung von Datenblocks, die aus drei Geophonkanälen gewonnen sind. Jeder Datenblock einer Meßstation ist aus den drei aneinandergereihten Datenfolgen der einzelnen Geophonkanäle zusammengesetzt. Zu diesem Zweck dient der Zeitgeber jedes: Meßstation, der die Datenfolgen des ersten Geophonkanals in einem ersten Zeit-Subintervall unterbringt, die Datenfolge des zweiten Geophonkanals in ein zweites Subintervall und die Datenfolge des dritten Geophonkanals in ein drittes Subintervall, so daß also das jeder Meßstation zugeteilte Zeitintervall in drei Subintervalle unterteilt ist=

Es sei schließlich erwähnt, daß die elektronischen Bausteine jeder Meßstation nicht immer zur gleichen Zeit verwendet werden. In jedem Datenaufzeichnungszyklus wird daher ein Pilotsignal ausgesendet zum Betätigen der Meßstationen. Zu anderen Zeiten bleiben diese Meßstationen in Wartestellung, und nur der Pilotempfänger und -detektor sind in Betrieb. Der Pilotempfänger und der von diesem gesteuerte Schalter haben einen wesentlich niedrigeren Stromverbrauch als ein vollständiger Datenempfänger. Nach der

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Datenübertragung kann der Sender ebenfalls abgeschaltet werden, bis er im nächsten Funktionszyklus wieder angeschaltet wird.

Das Abschalten der nicht benötigten elektrischen Bausteine hat den zusätzlichen Vorteil, daß Strom gespart wird. Außerdem können Störsignale auf der übertragungsleitung nicht unbeabsichtigt die Datenübertragung von Meßstationen einleiten, die nicht an der Reihe sind.

Eine Meßstation muß zuerst von einem Pilotsignal eingeschaltet und dann adressiert werden durch ein Taktsignal, bevor sie von ihrem Ruhezustand in den Betriebszustand geschaltet wird. Sie bleibt dann so lange in dem Betriebszustand, bis sie durch eine Taktimpulslücke wieder in den Ruhezustand geschaltet wird. Dadurch wircl angezeigt, daß der Meßzyklus vorüber ist.

Die Figuren 1 und 2 beziehen sich auf eine einzige Meßanordnung. Zum Durchführen des "roll along"-Verfahrens, bei dem die aktiven Meßstationen entsprechend der Lage der Schießstellen vorrücken, können eine Anzahl nicht aktiver Meßstationen einbezogen sein, wodurch ein schnelles Fortschreiten der Prospektion gewährleistet ist, ohne daß die Meßstationen mehr als nötig umgesetzt werden müssen.

Wie bereits erwähnt, sind 18 aktive Meßstationen vorgesehen, wobei eine Meßlücke vorgesehen sein kann für eventuelle Geländeschwierigkeiten und eine Meßstelle für das Durchführen des "roll along"-Verfahrens verwendet werden kann. Eine Meßanordnung, die inaktive Meßstationen einschließt, umfaßt z.B. 26 Meßstationen, und zwar 18 aktive und 8 inaktive, die jeweils drei Geophonkanäle aufweisen. Eine andere Meßanordnung umfaßt beispielsweise 20 Meßstationen, und zwar 14 aktive und 6 inaktive, wobei jede Meßstation vier Geophonkanäle aufweist. Mit einer derartigen Meßanordnung werden 12 der aktiven Meßstationen mit den erforderlichen

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BatanaufZeichnungskanälen belegt, während eine für das' "roll -:,.'¹.eng"-Verfahren und eine andere für das überspringen einer Meß-/ teils vorgesehen sind»

■;.:'.a L-cuig- der aesgenessenen Geländestrecke kann etwa 8 km bei "ühlichaia Abstand dar MeSstahionen betragen. Eine Erhöhung dieser Länge um 6% ergibt eine Länge der übertragungsleitung von 8,5 km, Für eine derartige Leitungsstrecke beträgt die Übertragungszeit etwa 74 sierosec«,

Es wurde g-ai'unäen, daß die von den Meßstationen ausgesendeten Datenblöcke sine Bit-Frequenz von G40 l-llz haben können, die auch et*>.³33 niedriger oder höher sein kanu ohne Einbuße an übertragungssicherheit, unter Bit-Frequenz soll die laaxixnal mögliche Anzahl von Spannrings Sprüngen pro Sekunde in einem Datenblock verstanden £3in. Bei einer Bit-Frequenz von S40 kHz ergeben sich genügend 'kleine Verzerrungen aufgrund der Änstiegszeiten bei einer 8,5 km langen übertragungsleitung .

:~ei Verwendung der Miller-Codierung ergeben sich Potentialwechsel in Iritarvslian von 1 _a 1,5 und 2 Bit-Längen_ff wobei eine Bit-Lange i₅5623 Micrcsec betragt=

Die Mi 11-sr-Codierung ist im einzelnen beschrieben in "Electromechanical Design", März 1971, Seite δ ff«, Bei der Miller-Codierung stellt ein Potentialwechsel in der Mitte einer Bit-Länge eine Sins dar und ein Potentialwechsel am Ende von oder in Phase mit eier ersten Hull-Bit-Zelle eine Null dar, auf die wieder eine Null folgtο Zum Löschen des Decodierers ist beim Miller-Code die Folge "101I erforderlichο Sum Trennen aufeinanderfolgender Datenblöcke mittels einer Lücke und zum Ordnen der empfangenen Daten ist -ain Intervall von wenigstens 2-1-2 Bit-Längen erforderlich als Blockzwischsnraum. Eine halbe Bit-Läncre vor dem ersten vollen

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Potentialsprung ist eine Offset-Stufe von der Leitungsspannung Null, welche dafür sorgt, daß der nächste Spannungssprung (die Mitte der ersten Bit-Länge) von dem Empfänger festgestellt wird. Die abschließende Spannungsstufe, die die Leitungsspannung wieder auf Null zurückbringt, tritt eine halbe Bit-Länge hinter der letzten Bit-Länge des Datenblocks auf. Der Start, die Synchronisation, die Beendigung und die Trennung werden also durch sechs Bit-Längen bei jeder aktiven Meßstation erreicht.

Die Datenfolgen jedes Kanals einer Meßstation bestehen typischerweise aus einem 4-Bit-Verstärkungscode und einer Mantisse mit 14 oder 15 Bit, je nach der möglichen von der Leitungslänge abhängigen Informationskapazität. Es wird mindestens ein Bit für ein ungradzahlige Paritätskontrolle bei jeder Datenfolge verwendet. Das Umwandeln der seismischen Signale in Digitalsignale erfolgt auf an sich bekannte Art.

Das Format eines Datenblocks jeder Meßstation mit drei Kanälen sieht also wie folgt aus: drei Kopfinformationen zum Synchronisieren, 57 Bit-Längen für die Daten, d.h. 3 χ (4+15), 1 Bit für die Blockparxtätskontrolle und 3 Bit für den End-Potentialsprung und Zwischenraum. Insgesamt sind also 64 Bit pro Datenblock vorgesehen. Da jedes Bit 1,5625 microsec Länge hat, ist der gesamte Datenblock 100 microsec lang. Da 18 aktive Datenblöcke pro Abtastung zwischen aufeinanderfolgenden Taktimpulsen vorgesehen sind, dauert die Abtastung also 1,8 msec.

Bei einer Meßanlage mit vier Kanälen pro Meßstation werden 3 Bit verwendet zum anfänglichen Synchronisieren, 76 Bit, nämlich 4 χ (4+15) für die Daten, 1 Bit für die Blockparitätsprüfung, und 3 Bit für den Potentialsprung am Ende und den Zwischenraum.. Dies ergibt 83 Bit pro Datenblock, und bei der angenommenen Länge eines Bit von 1,5625 microsec eine Gesamtlänge des Datenblocks von 129,69 microsec. Da 14 aktive Kanäle pro Abtastung

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vorgesehen sind, dauert die Abtastung also 1,8156 msec.

Wie bereits erwähnt, wird von der Zentralstation entlang der übertragungsleitung ein Taktimpuls ausgesendet, der von den einzelnen Meßstationen empfangen wird und zum Starten des Funktionsablaufes jeder Meßstation dient. Dabei reagiert jede in der Weise, daß ein neuer Datenblock in das zugeordnete Zeitintervall innerhalb des Zeitraumes von 2 msec zwischen zwei aufeinanderfolgenden Taktimpulsen eingefügt wird= Der Taktimpuls kann 7,5 Bit umfassen, die binär (bi-phase-mark) codiert sind, um sie in den einzelnen Meßstationen einfach decodieren zu können. Jedes Bit des Taktimpulses dauert 3,125 microsec, so daß der Abstand zwischen zwei Potentialsprüngen entweder 1,5625 microsec oder das Doppelte davon beträgt. Der gelesene Code ist also ein 7-Bit pseudo-wahlfreies Bit-Muster., und die Gesamtlänge beträgt 23,5 microsec. Die Zeit, die eine Meßstation, die dem ersten Zeitmultiplexintervall zugeordnet ist, vom Abtasten des Taktimpulses oder genauer gesagt des Taktsignals bis zum Start der Datenblockübertragung benötigt, ist die Anfangsverzögerung, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sich wie folgt zusammensetzte 15 Datenbit für die MultiplexuiEschaltung und die Verstärkungsbestimmung, 5 Bit für die Abtastung vor dem Belegen, 15 Bxt für die Digitalisierung der Bits während des Belegens, 1 Bit für die Codierverzögerung, 2 Bit für Registerübertragungsversögerungen und 0,5 Bit für interne Signalausbreitung. Das ergibt eine Länge von 38,5 Bit, entsprechend insgesamt 60,2 microsec Anfangsberzögerung bei einer angenommenen Bit-Länge von 1,5625 microsec.

Das Taktsignal hat eine Länge in der Größe von 23,5 microsec. Die Gesamtabtastzeit für eine Meßanlage mit drei Kanalmeßstationen ergibt sich wie folgt; 23,5 microsec für das Taktsignal, 60,2 microsec Anfangsverzögerung, 1,8 msec für die 18 Datenblocks mit Zwischenräumen, 74 microsec als Fortpflanzungszeit einer Leitungsschleife über 8_?5 km, und 2 microsec für die Decodierverzögerung. Das ergibt. 1^9597 msec, also 40,3 microsec Sicherheitszeit bei einem Abtastintervall von 2 msec.

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In ähnlicher Weise ergibt sich für eine Meßanlage mit vier Kanal-Meßstationen das folgende Zeitschema: 23,5 microsec für das Taktsignal, 60,2 microsec für die Anfangsverzögerung, 1.8156 msec für 14 Datenblöcke mit Zwischenräumen, 74 microsec Ausbreitungszeit auf einer übertragungsleitungsschleife von 8,5 km, und 2 microsec für die Decodierverzögerung. Das ergibt insgesamt 1,9753 msec, also eine Sicherheitszeit von 24,7 microsec in einem Abtastintervall von 2 msec.

Wenn eine Meßstation kein Taktsignal innerhalb eines Intervalls von 3 msec empfängt, schaltet sie ab oder in den Ruhezustand, wobei nur noch ein sehr geringer Leistungsverbraiich entsteht. Eine Rückschaltung in die Wartestellung, in der der Empfänger und Teile der elektronischen Schaltung aktiv sind, tritt ein, wenn ein Pilotempfänger mit niedrigem Stromverbrauch eine Pilotfrequenz feststellt, die auf der Übertragungsleitung liegen kann, bevor der nächste Aufzeichnungszyklus beginnt. Beim Auftreten dieses Pilotsignals werden die Meßstationen in Wartestellung gebracht, bis der Aufruf erledigt ist.

Das erste Taktsignal wird von den Meßstationen anders behandelt als die darauffolgenden Taktsignale, und zwar werden durch das erste Taktsignal Eingangssignale auf die vorher gelöschten Adreßregister innerhalb der Meßstationen gegeben, um die Adressen und zugeordneten Multiplex-Intervall-Ordnungsnummern einzugeben, durch die die Aufrufreihenfolge festgelegt ist. Die Multiplexordnungsnummer wird innerhalb der Adresse gespeichert und dazu verwendet, die Verzögerung bei jeder Abtastung zu bestimmen, die ein Vielfaches eines Datenblockes einschließlich Zwischenraum ist, so daß eine Zeitmultiplexeinteilung der Daten in der betreffenden Reihenfolge auf die Übertragungsleitung erfolgen kann, wie oben beschrieben ist.

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Das -arata Taktsignal sammelt bei seiner Ausbreitung längs der übertragungsleitung einen Datenblock mit Zwischenraum für jede Ms«:;stat ion = Ϊ::. jeder Meßstation ist beispielsweise die Reihenfolge ihrer s igen en .Kanaldaten vorher festgelegt, so daß der Datsiiblock iiiit Zwischenraum die Gesamt, information, einer Meß station ausritcicr-tο Dia Adresse jeder nachfolgenden Meßstation wird durch cI.'Le Anzahl der Datenblocks mit Zwischenräumen (Multiplexiiiteryalleii) bestimmt,- die bis zu der Zeit verwendet worden sind, wc ds8 erste Taktsignal und die zugeordneten Signale an der betreffenden Meßstation ankommen»

F-Ig₃ 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Meßstation nach der Erfindung c Es sind drei Geophonkanäle vorgesehen mit den Geophonen 'iO2_?.1O4 und 106, die einerseits an einen Eingangsprüfer 108 gaieitst sind und andererseits an Filtervorverstärker 110, 112 bi'w, 114„ Der Ausgang des Eingangsprüfers 108 ist mit einem Kopfteil-Formatbildner 116 verbunden, und beide weisen Eingänge CC auf_? die von einem Format-Programmierer 118 gespeist werden, dessen £ v/eck weiter unten noch erläutert ist.

Die Piltervorverstärker der einzelnen Kanäle sind mit einer Zeitii'.ultiplexsebaltung 120 verbunden, deren Ausgang wiederum mit einer automatischen Verstärkungsregelschaltung 122 verbunden ist, die xviederum mit einem Analog-Digitalumsetzer 124 und einem Daten-Formatbildner 126 verbunden ist= Die Baugruppen 120, 122, 124 und 126 sind jeweils mit Steuereingängen CC versehen, die an den Forluatprogrammierer 118 angeschlossen sind= Die von den Geophonen abgegebenen Signale gelangen über die Zeitmultiplexschaltung und werden in der automatischen Verstärkungsregelschaltung, dem Analog-Digitalumsetzer und dem Daten-Formatbildner in an sich bekannter Weise beeinflußtο Die die Verstärkung betreffende Information ist typischerweise in den ersten vier Bit enthalten, während die Mantisse in den darauffolgenden 15 Bit untergebracht ist»

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Der Eingangsprüfer und der Kopfteil-Formatbildner 116 bilden aus den Signalen der drei Geophonkanäle einen Verstärkungscode in geeignetem Format, der den Daten als Kopfteil zugeordnet ist. Dieses Kopfteil und die Datenblocks gelangen an den Umschalter 128, der bewirkt, daß die Daten in dem Speicher 130 oder 132 gespeichert werden. Beide Speicher sind mit einem Ausgangsschalter 134 verbunden, der einen Speicherabruf abwechselnd aus einem der beiden Speicher ermöglicht. Die Baugruppen 128, 130, 132 und 134 sind sämtlich mit Steuerleitungen CC verbunden, die an den Formatprogrammierer 118 führen.

An den Ausgangsschalter 134 ist ein Miller-Codierer 136 angeschaltet, der wiederum einen Sender 138 speist, dessen Ausgang mit der Übertragungsleitung 140 verbunden ist.

Die Meßstation wird von einem Freigabesignal aktiviert, welches über die Übertragungsleitung 140 läuft und von einem Pilotempfänger 142 empfangen wird, der ein Relais 144 betätigt, das den Datenempfänger 146 einschaltet. Am Ende eines Übertragungszyklus wird das Relais 144 von einem Steuersignal umgeschaltet, so daß der Datenempfänger wieder abgeschaltet wird. Das Relais 144 schaltet ferner den Betriebsstrom für einen Doppelphasenmarken-Decoder 148 und einen Steuerdecoder 150.

Da die Taktsignale in Doppelphasenart markiert sind, ermöglicht der Doppelphasenmarken-Decoder 148, daß der Datenempfänger 146 die Taktsignale empfängt und über den Steuerdecoder eine Zyklus-Steuer schaltung 152 triggert. Diese empfängt ferner Taktsignale von einem quarzgesteuerten Zeitgeber 154. Bei der Ansteuerung durch den Steuerdecoder 150 wird dadurch die Funktion der Meßstation synchronisiert, indem das nächste Zyklussteuersignal von dem Zeitgeber 154 ausgewählt wird und mit der der Meßstation zugeordneten Zeitverzögerungsadresse über den Formatprogrammierer 118 die Steuersignale für die Meßstation liefert.

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Die Z-yfclu.s steuerschaltung 152 ist mit der richtigen Adresse progra?eiiuiert, wie oben im Zusammenhang mit dem Smpfang des Taktsignals und der begleitenden zeitmultiplexgestaffelten Daten von den vorhergehenden Stationen beschrieben ist. Jedesmal, wenn ein Taktsignal festgestellt wird, arbeitet die Zeitsumessung automatisch (kart, daß die Daten von der Meßstation auf die übertragungsleitung in dem richtigen Zeitmultiplexintervall gegeben wird.

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer Zentralstation. Hierbei ist angenommen _s daß die Zentralstation an eine rechte Übertragungsleitung 210 und eine linke übertragungsleitung 212 angeschlossen ist. Es sind daher zwei Sender 214 und 216 vorgesehen sowie zwei Empfänger 218 und 22 0. Die Empfänger sind an eine Verarbeitungseinl?eit 222 angeschlossen,, an die wiederum Speicher 224 und 226 angeschaltet sind.

Die Speicher 224 und 226 sind mit 'einem Multiplex-Formatbildner 228 verbunden, der wiederum an ein Mehrspur-Tonbandgerät 230 angeschaltet ist» Der Multiplex-Formatbildner 228 und das Mehrspur-Tonbandgerät 230 v/erden von einer Tonbandsteuereinheit 232 gesteuert.

Um die auf dem Tonbandgerät gespeicherte Information wieder ab-. zuspielen, wird das Tonbandgerät 230 an eine Wiedergabeschaltung 234 angeschaltet, die einen Digital-Analogumsetzer sowie einen Mnitiplex-Decodierer umfaßt. Die Wiedergabeschaltung 234 ist mit einer Kamera 2 36 verbunden. Damit die informativen Daten direkt von dem Multipiex-Formatbildner abgenommen werden können und nicht erst von dem Tonbandgerät, ist eine direkte Verbindung zwischen arsterem und der Wiedergabeschaltung 234 hergestellt.

Der funktionale Mittelpunkt der Zentralstation ist ein arithmetischer Rechner 238, der dem Eediener Aufschluß über die Tätigkeit 5er Zentralstation gibt. Dieser arithmetische Rechner ist

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mit einer Kommandoeinheit 240 verbunden, durch die der Bediener die Meßstation auf Grund ihrer Ordnungszahl identifiziert und die Ordnungsnummern der Meßstationen in aufsteigender oder absteigender Folge festlegen kann, z.B. je nachdem, ob die Meßstrecke nach Norden oder nach Süden verläuft. Das gleiche gilt sowohl für die linke als auch für die rechte übertragungsleitung.

Der arithmetische Rechner 2 38 bestimmt, welche Meßstationen aufgerufen werden und ordnet über einen Formatbildner 242, der mit den Sendern 214 und 216 verbunden ist, den Meßstationen an der linken und der rechten übertragungsleitung die richtigen Zeitmultiplex- Ordnungsnummern zu. Der arithmetische Rechner ist ferner mit einer Speicheradresseneinheit 244 verbunden, die wiederum mit den Speichern 224 und 226 verbunden ist.

Beim Aufrufen einer Meßstation rückt der arithmetische Rechner 238 automatisch die Ordnungszahl oder das Zeitmultiplexintervall auf Kommando des Bedieners weiter, wobei die beginnende Meßstation durch den Bediener festgelegt werden kann. In einem mit dem arithmetischen Rechner verbundenen Anzeigegerät 246 werden die Lage der Meßstation und die Zextmultiplexzuordnung kontinuierlich optisch angezeigt.

Der arithmetische Rechner 2 38 liefert auch Informationen über die angewählte Meßstation und das Zeitmultiplexintervall an die Speicheradresseneinheit 244, welche diese Information dazu verwendet, die von den Meßstationen ankommenden Datenblocks an die richtige Stelle in dem Speicher 224 oder 226 einzulesen. Wenn die Datenblocks in den Speicher 224 eingelesen werden, wird der Speicherinhalt aus dem Speicher 22 6 ausgelesen, multiplexmäßig von einem 54 Kanal- auf ein 48 Kanal-System umgewandelt und mit dem Tonbandgerät aufgezeichnet. Es sei erwähnt, daß die Kommandoeinheit 240 mit einer Hilfskanaleinheit 248 verbunden ist, in der bestimmt wird, welche der sechs aktiven Kanäle zu einer gegebenen Zeit nicht in Benutzung sind. Diese Hilfskanaleinheit ist ferner mit dem

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Anzeigegerät 246 verbunden, um eine vollständige optische Anzeige des Zustandes des übertragungssystems zu erzielen, einschließlich des Zustandes bei der Multiplexaufzeichnung zu einer beliebigen Zeit.

An die Kommandoeinheit 240 ist ferner eine Zündimpulssteuerung 250 angeschaltet, die über einen drahtlosen Sender 2 52 Zündimpulse an die Zündladungen leitet. Die Zündimpulse können natürlich auch entlang geeigneter übertragungsleitungen gesendet werden, sie können beispielsweise zeitlich gestaffelt mit den Taktsignalen über die beiden übertragungsleitungen geleitet werden. Es können auch getrennte Übertragungsleitungen zum Auslösen der Detonationsla^- düngen verwendet werden. Bei übertragung auf den für die Datenübermittlung verwendeten Übertragungsleitungen muß der Zündimpuls natürlich so codiert sein, daß er zwar die Detonationsladungen auslösi jedoch nicht die Meßstationen, deren Arbeitsweise nur von den Taktsignalen gesteuert werden darf.

Bisher war es bei seismischen Prospektionen im Gelände üblich, breitbandige abgeschirmte Koaxialleitungen zur Datenübertragung zu verwenden, um Störeinflüsse von außen zu unterbinden. Derartige, für die Freguenz-Multiplexübertragung erforderliche Kabel sind kostspielig, schwer und haben eine verhältnismäßig hohe Dämpfung in der Größe von 10 db/km. Eine derartig hohe Dämpfung erfordert die Verwendung von Zwischenverstärkern in der Übertragungsleitung.

Für die Zwecke der Erfindung eignet sich eine Zweidrahtleitung, etwa übliches Antennenkabel, das zudem günstigere Dämpfungseigenschaften hat als 50 Ohm Koaxialkabel. Diese Zweidrahtleitung umfaßt üblicherweise parallele Kupferleitungen mit jeweils 1,5 bis 2 mm Durchmesser, die in einem Abstand von 10 - 12 mm liegen. Die Leiter sind gewöhnlich mit Polyäthylen umhüllt und auf Abstand gehalten. Derartige Doppeldrahtleitungen sind widerstandsfähi

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gegen rauhe Behandlung, etwa Zug, Verdrillung, Knicken usw. Die Dämpfung derartiger Doppeldrahtleitungen liegt bei etwa 0,6 db/km, ergibt also eine Dämpfung von 1,2 db/ 2 km, 9 db/10 km, usw. Die Reflektionen von abgeschlossenen Enden dieser Leitung liegen bei - 30 bis - 32db, je nach der Größe des Abschlußwiderstandes. Ein optimaler Abschlußwiderstand liegt bei 285 Ohm, jedoch sind auch Werte zwischen 275 und 300 Ohm wählbar.

Wenn die übertragungsleitung abgewickelt ist, ruht sie möglicherweise auf Felsen, Sand, Schmutz, Buschwerk und hängt über Baum zweigen. Dadurch wird ein Störgeräusch auf der Leitung erzeugt, welches von winzigen Reflektionen an den Aufladestellen herrührt. Dieses Grundgeräusch hat eine Stärke von -32 bis-42 db. Außerdem ergibt sich, wenn zwei Leitungen über eine Entfernung von 8 km mit einem Abstand von 75 cm parallal laufen, ein übersprechen zwischen den beiden Leitungen in der Größe von - 31 db. Eine derartige parallel laufende Leitung ist z.B. eine benachbarte Stromleitung. In jedem Fall ergibt die Doppelleitung einen Geräuschpegel, der die Datenübertragung nicht stört. Wenn die Empfänge:o-empfindlichkeit beispielsweise auf -18 db eingestellt ist und das Signal auf der übertragungsleitung eine Spannung von 25 V hat, so ergibt die Dämpfung von 4,7 db immer noch eine Signalspannung, die deutlich über dem Grundgeräusch liegt und sich leicht von demselben ausfiltern läßt.

Der Bediener an der Zentralstation kann die Unversehrtheit der Übertragungsleitung mit einem Widerstandsprüfer messen. Der Ohm¹ sehe Widerstand der Übertragungsleitung beträgt 60 Ohm für eine Schleife von 1,6 km Länge, so daß sich bei Kenntnis der Länge der gesamten Übertragungsleitung deren Ohm'scher Widerstand bestimmen läßt und durch Messen desselben eine Aussage möglich ist, ob die Übertragungsleitung in Ordnung ist. Leitungsbrüche lassen sich in üblicher Weise leicht feststellen. Die Reparatur beschädigter Leitungen ist verhältnismäßig einfach und dauert etwa 30 Sekunden.

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Claims (10)

Patentansprüche :

1. Informationsübertragungssystem, mit einer Zentralstation zum Aufzeichnen von Daten und einer Anzahl entfernt liegender Meßstationen, die über Leitungen mit der Zentralstation verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralstation (80) mit jeder der Meßstationen (60-77) mit einer Übertragungsleitung (82,84) verbunden ist, daß eine Taktimpulsquelle an die Übertragungsleitung angeschlossen ist, und daß jede Meßstation mit einem Taktimpulsempfänger versehen ist und mit einer Einrichtung zum Aufschalten der Meßdaten auf die übertragungsleitung in aufeinanderfolgenden Zextmultxplexxntervallen.

2. Informationsübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Meßstation mehrere Meßfühler (1,2,3; 4,5,6; ... 52,53,54) zugeordnet sind und daß das einer Meßstation zugeordnete Zeitmultiplexintervall in den einzelnen Meßfühlern zugeordnete Subintervalle unterteilt ist.

3. Informationsübertragung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Taktimpulsquelle in der Zentralstation vorgesehen ist und daß die Einrichtung zum Aufschalten der Meßdaten einen Zeitgeber (154) umfaßt, der den Abstand des Zeitmultiplexintervalls von dem Taktsignal festlegt, sowie einen an die Übertragungsleitung (140) angeschlossenen Sender (138) zum übermitteln der Daten.

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4* Informationsübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Zeitgeber (154) durch das Taktsignal synchronisiert ist.

5. Informationsübertragungssystem nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß jede Meßstation einen Pilotempfänger (142) aufweist mit einem zugeordneten Schalter (144), der so gebaut ist, daß beim Fehlen eines Signals auf der übertragungsleitung während einer vorgegebenen längeren Zeitdauer die eigentliche Meßstation aufnahmebereit geschaltet wird.

6. Informationsübertragungssystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennz eichnet , daß die Taktimpulsquelle in Zwei-Phasen-Art codiert ist.

ti Informationsübertragungssystem nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Daten im Miller-Code codiert sind.

8. informationsübertragungssystem nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß als übertragungsleitung eine Doppeldrahtleitung verwendet ist.

9. Informationsübertragungssystem nach Anspruch 1 bis 8, da- ' durch gekennzeichnet , daß die Taktimpulsqüeile jeweils zwei Taktsignale aussendet und daß jede Meßstation zwei Speicher (130, 132) aufweist, welche abwechselnd zum Speichern von Daten und zum übertragen derselben auf die Übertragungsleitung bei Empfang aufeinanderfolgender Taktsignaie schaltbar sind.

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IM

10. Informationsübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Zentralstation mit zwei Sende-Empfängereinrichtungen (214, 218; 216, 220) versehen ist und daß an jede derselben eine übertragungsleitung (212; 210) angeschaltet ist.

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