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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Gewinnung einer Abtastrate und einer Symbolrate in modulierten
Vielfachträger-Kommunikationssystemen,
wobei vorzugsweise Kupferkabel als Übertragungsmedium verwendet werden.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Vielfachträgermodulation
ist ein bekanntes Verfahren zum Übertragen
von Breitbandinformationen über
Kupferkabel- oder
Funkverbindungen. Bei den Informationen kann es sich beispielsweise
um Video, Internet oder Telefonie handeln. Ganz kurz ausgedrückt, werden
beispielsweise die Bits eines digital codierten Videosignals, die
gesendet werden sollen, als komplexe Zahlen in einem Sender codiert, bevor
eine umgekehrte schnelle Fourier-Transformation (Inverse Fast Fourier
Transform – IFFT)
ausgeführt
wird.
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Die
IFFT erbringt in der Modulation eine Summe aus orthogonalen Trägern oder
Tönen,
deren Amplituden und Phasenverschiebung durch die Werte und Phasen
der komplexen Zahlen bestimmt werden. Diese Träger werden dann in Zeitschlitzen
in konstanten Zeitintervallen gesendet und werden Symbole genannt.
In einem Empfänger
wird statt dessen eine schnelle Fourier-Transformation (Fast Fourier
Transform – FFT)
ausgeführt.
Auf diese Weise werden die ursprünglichen
Bits wiedergewonnen. Dämpfung
und Phasenverschiebung können problemlos
durch Multiplikation mit einer komplexen Zahl für jeden Träger ausgeglichen werden.
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Zwei ähnliche
Verfahren in der oben angesprochenen Technologie sind das orthogonale
Frequenzmultiplex-Verfahren (Orthogonal Frequency Division Multiplex – OFDM),
das in Funkanwendungen verwendet wird, und das diskrete Mehrfrequenz-Verfahren
(Discrete Multitone – DMT),
das in Kupferkabeln verwendet wird.
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In
beiden Fällen
muss der Empfänger
in der Lage sein, die korrekte Abtastrate einzustellen und den Anfang
und das Ende der übertragenen
Symbole festzustellen.
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In
WO 95/03656 wird OFDM verwendet. Um die Symbolrate einzustellen,
sendet der Sender Synchronisationsrahmen in bekannten Intervallen,
das heißt
Synchronisationssymbole mit einer Pseudozufallsreihenfolge aus bekannten
Frequenzen und Phasenverschiebungen und auch bekannten Zeitintervallen
in speziellen Zeitschlitzen. Der Empfänger führt eine Anzahl von FFT-Berechnungen über die
zeitliche Position aus, in welcher der Synchronisationsrahmen vermutet
wird. Für
jede FFT-Berechnung wird eine Querkorrelationsberechnung in der
Frequenzebene mittels der bekannten Frequenzfunktion des Synchronisationsrahmens
durchgeführt.
Es wird das Korrelationsmaximum gefunden, das den Zeitschlitz bestimmt,
der den Synchronisationsrahmen enthält.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Das
Problem beim Senden von Synchronisationssymbolen in bekannten Intervallen
ist, dass es Zeit in Anspruch nimmt, in der Daten hätten gesendet werden
können.
Außerdem
wird ein komplexes Verfahren aus Querkorrelationsberechnungen benötigt, um
die Synchronisationssymbole zu erkennen und zu analysieren.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das oben angesprochene
Problem zu lösen,
indem vor dem Beginn einer Datenübertragung
Trainingssymbole gesendet werden. Jedes Trainingssymbol umfasst
wenigstens eine Periode eines Pilottones und wird mittels Phasensprüngen von
180° zwischen
den Symbolen gesendet. Die Verwendung dieses einfachen Trainingssymbols
macht es einfach, den Anfang und das Ende des Symbols zu erkennen.
Eine FFT, die über
die Länge
eines Symbols berechnet wird, ergibt den Wert null an einer maximal fehlerhaften
Position, das heißt
bei dem Phasensprung in der Mitte der Berechnung, und ein Maximum/Minimum
an der Idealposition, das heißt
auf halbem Weg zwischen zwei Phasensprüngen. Das vorgeschlagene Verfahren
besteht darin, die Position zu finden, in der das Ergebnis der FFT-Berechnung null
ist, und dann um eine Distanz von der Hälfte eines Symbols voranzuschreiten.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Symbolrate sogar
vor Beginn einer Datenübertragung
auf schnelle und einfache Weise wiederhergestellt werden kann. Während der Übertragung kann
es dann genügen,
mittels eines dem Fachmann bekannten Verfahrens die Abtastrate wiederzugewinnen,
denn wenn etwas die Abtastrate verriegelt, so wird die Symbolrate
automatisch konstant gehalten. Ein weiterer Vorteil ist, dass das
erfindungsgemäße Verfahren
einfach und kostengünstig
implementiert werden kann.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen
und unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Schaubild eines Systems nach dem Stand der Technik für eine Vielfachträgermodulation.
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2a ist
ein Zeitsteuerungsschaubild der Wiederherstellung der Symbolrate
gemäß der Erfindung.
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2b ist
ein Zeitsteuerungsschaubild des Ergebnisses der FFT-Berechnungen
gemäß 2a.
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3 ist
ein Blockschaubild einer Ausführungsform
der Wiederherstellung der Symbolrate gemäß der Erfindung.
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4a, 4b und 4c sind
Zeitsteuerungsschaubilder der Wiederherstellung der Abtastrate gemäß der Erfindung.
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5 ist
ein Blockschaubild einer Ausführungsform
der Wiederherstellung der Abtastrate gemäß der Erfindung.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Vielfachträgermodulation
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1 zeigt
schematisch, wie die Hauptteile eines zum Stand der Technik gehörenden Systems zur
Vielfachträgermodulation
aussehen können.
In dem Sender 1 erfolgt die Modulation von Datenbits, beispielsweise
aus einem digital codierten Videosignal.
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Die
zu sendenden Bits werden in dem Sender 1 als N komplexe
Zahlen codiert, bevor eine Hermitische Symmetrieoperation in einem
Berechnungsblock 4 ausgeführt wird. Es werden 2N komplexe Zahlen
erhalten, die einen symmetrischen reellen Teil und einen asymmetrischen
imaginären
Teil aufweisen.
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Dann
wird in einer IFFT-Berechnungseinheit 5 eine umgekehrte
schnelle Fourier-Transformation (Inverse Fast Fourier Transform – IFFT)
als eine Modulation ausgeführt.
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Wenn
der imaginäre
Teil zu null wird, kann er eliminiert werden, und es bleibt ein
reales Signal zurück,
das einen Parallel-Reihe-Wandler 6 und einem Digital-Analog-Wandler 7 durchläuft.
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Dadurch
erhält
man eine Summe aus orthogonalen Trägern oder Tönen, deren Amplituden und Phasen
durch die Werte und Phasen der ursprünglichen komplexen Zahlen bestimmt
werden. Diese Träger
werden dann auf einem Kanal 2 in konstanten Zeitintervallen
oder Zeitschlitzen gesendet und werden Symbole genannt.
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In
einem Empfänger 3 durchlaufen
die Daten auf umgekehrtem Weg einen Analog-Digital-Wandler 8,
einen Reihe-Parallel-Wandler 9 und
eine FFT-Berechnungseinheit 10, in der eine FFT-Berechnung
als eine Demodulation ausgeführt
wird.
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Dadurch
erhält
man 2N komplexe Zahlen. Aus Gründen
der Symmetrie kann beispielsweise die obere Hälfte der 2N komplexen Zahlen
verworfen werden, wodurch eine Anzahl N komplexer Zahlen zurückbleibt.
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Schließlich wird
ein Entzerrer 11 verwendet, der Dämpfung und Phasenverschiebung
durch Multiplizieren der verschiedenen Zahlen mit komplexen Zahlen
ausgleicht, dergestalt, dass letztendlich die gleichen Datenbits
erhalten werden, die zu Beginn gesendet wurden.
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Bei
jedem neuen Symbol kommt es in den Trägern zu einer Diskontinuität. Um die
daraus resultierenden Auswirkungen zu minimieren, kann ein (in der
Figur nicht gezeigter) zyklischer Präfix verwendet werden. Das bedeutet,
dass der letzte Teil des Symbols kopiert wird und unmittelbar vor
dem Beginn des Symbols gesendet wird. Auf diese Weise entsteht Zeit,
in der die Auswirkungen der Diskontinuität verschwinden können, bevor
das eigentliche Symbol beginnt.
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Symbolrate Um
den Sender 1 und den Empfänger 3 zu synchronisieren,
wird gemäß der Erfindung
zuerst die Abtastrate so justiert, dass der Sender 1 und
der Empfänger 3 ungefähr zu denselben Zeiten
abtasten, und so, dass der erste erfasste Abtastwert ungefähr null
ist. Darauf wird später
noch näher
eingegangen.
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Dann
werden Trainingssymbole dergestalt gesendet, dass der Empfänger 3 weiß, wo Datensymbole,
die später
gesendet werden, beginnen und enden. Es genügt, die Trainingssymbole lediglich
am Beginn der Übertragung
zu senden. Während
der Übertragung
kann es dann genügen,
mittels eines dem Fachmann bekannten Verfahrens die Abtastrate wiederherzustellen,
weil, wenn die Abtastrate verriegelt ist, die Symbolrate automatisch
beibehalten wird.
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Nachdem
sowohl die Abtastrate als auch die Symbolrate wiederhergestellt
wurden, sind der Sender 1 und der Empfänger 3 synchronisiert,
und die Datenübertragung
kann beginnen.
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2a zeigt
ein Trainingssymbol 15, das gemäß der Erfindung zur Wiederherstellung
der Symbolrate verwendet wird. Das Trainingssymbol 15 umfasst
eine Anzahl von Perioden eines Pilottones oder -trägers. In
diesem Fall nehmen wir zur Veranschaulichung sechs Perioden. Dieses
Trainingssymbol 15 wird mit einem Phasensprung von 180° für jedes neue
Symbol gesendet, so dass jedes zweite Symbol invertiert ist.
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Um
die Symbolposition zu erkennen, werden eine Reihe von zeitverschobenen
FFT-Berechnungen 13a, 13b, 13c während eines
Zeitintervalls von der gleichen Länge wie das Trainingssymbol
gemäß 2a oder
auf eine ähnliche
Weise ausgeführt.
Das Ergebnis der FFT-Berechnungen 13a, 13b, 13c variiert
dann ungefähr
wie in 2b gezeigt. Das Maximum bzw.
das Minimum des Ergebnisses in 2b wird
erreicht, wenn die FFT-Berechnung 14 in 2a exakt
an einem Symbol bzw. einem invertierten Symbol, das heißt in der
gewünschten
Position, ausgeführt
wird.
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Das
Maximum oder Minimum kann allerdings schwer zu finden sein. Es ist
bedeutend einfacher zu erkennen, wenn die FFT-Berechnung 13c völlig falsch
ist, weil das Ergebnis dann null wird. Die zweckmäßigste Lösung kann
es daher sein, die FFT-Berechnungen 13a, 13b, 13c zeitlich
zu verschieben, bis ein Wert errechnet wird, der relativ nahe bei
null liegt, und dann den Beginn eines Symbols ein halbes Symbol
davon entfernt anzuzeigen.
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Es
ist zu beachten, dass, wenn ein zyklischer Präfix verwendet wird, dieser
zu berücksichtigen
ist. Je nach der Diskretion, mit der vorangeschritten werden soll,
um den Beginn des Symbols zu finden, sollte die vorangeschrittene
Distanz entweder ein halbes Symbol, wie üblich, oder ein halbes Symbol
zuzüglich der
Länge des
zyklischen Präfixes
betragen.
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Ein
Beispiel der Implementierung der Ausführungsform zum Finden des Punktes,
wo die FFT-Berechnung null wird, ist schematisch in 3 gezeigt.
Die im Empfänger
abgetasteten Daten werden erfolgreich in ein Schieberegister 21 oder
in einen ähnlichen
Satz aus Speichereinheiten verschoben. Von dort werden zu verschiedenen
Zeitintervallen, wie unten gezeigt, parallele Daten, die der Länge eines
Symbols entsprechen, in eine Berechnungseinheit 22 eingelesen,
in der eine FFT-Berechnung der parallelen Daten, beispielsweise
1024 Punkte, ausgeführt
wird.
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Das
Ergebnis der FFT-Berechnung wird dann in einem Register 23 abgelegt,
von wo Daten, die der Frequenz des phasenspringenden Pilottones entsprechen,
in einer der Speicherpositionen 23a abgerufen werden können.
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Diese
Daten werden zu einem Berechnungsblock 24 weitergeleitet,
in dem vorzugsweise die imaginäre
Komponente der Frequenz des Pilottones für eine spätere Justierung auf null erhalten
wird. Während
jedes zweiten Symbols wird das Vorzeichen der imaginären Komponente
geändert,
oder es wird nur jedes zweite Symbol berechnet. Dies geschieht,
weil jedes zweite Symbol umgekehrt wird.
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Die
auf diese Weise justierte imaginäre
Komponente wird mit einem Schwellenwert verglichen. Wenn der Wert
der justierten imaginären
Komponente kleiner als oder gleich dem Schwellenwert ist, so gibt
der Berechnungsblock 24 einen Prüfwert k, der gleich null ist,
aus, weil sich der Phasensprung dann ungefähr in der Mitte der Daten befindet,
an denen die FFT-Berechnung vorgenommen wurde.
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Wenn
der justierte imaginäre
Teil größer als der
Schwellenwert ist, so gibt der Berechnungsblock 24 einen
Prüfwert
aus, der zweckmäßigerweise gleich
der Anzahl der Abtastungen in einer Periode des Pilottones – beispielsweise
vier – sein
kann. Wenn andererseits der justierte imaginäre Teil kleiner als der negative
Schwellenwert ist, so gibt der Berechnungsblock 24 in entsprechender
Weise einen Prüfwert
k aus, der in diesem Fall minus vier ist.
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Der
Prüfwert
k wird an einen Zähler 25 weitergeleitet,
der steuert, wann die Berechnungseinheit 22 eine neue FFT-Berechnung ausführen soll.
Wenn die Anzahl der Abtastungen 1024 beträgt, so zählt der
Zähler 25 abwärts von
1023 + k zu null, wobei k der Prüfwert
ist. Dies bewirkt die sukzessive Verschiebung der Startposition
der FFT-Berechnung, bis sich der Phasensprung ungefähr in der
Mitte der Abtastungen, die der FFT-Berechnung unterzogen wurden,
befindet. Dies kann mit den nachfolgenden FFT-Berechnungen 13a, 13b und 13c in 2a verglichen
werden, wo jedes Symbol aus Gründen
der Übersichtlichkeit
lediglich 6 × 4
= 24 Abtastungen umfasst.
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Der
Symbolbeginn braucht dann nur um ein halbes Symbol verschoben zu
werden, um die optimale Position zum Lesen der zu sendenden Daten
zu finden.
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Abtastrate
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Bevor
die Symbolrate justiert wird, muss die Abtastrate justiert werden.
Die einfachste Art, dies zu tun, ist, einen der Träger als
Pilotton zu verwenden, das heißt,
die ganze Zeit einen konstanten Ton zu senden, während der Empfänger sich
auf diesen Ton einklinkt.
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Die 4a–4c zeigen
ein Beispiel, bei dem der Sender einen Pilotton mit vier Abtastwerten 21a, 21b, 21c, 21d für jede Periode
sendet und wo der Empfänger
in der gleichen Weise den Pilotton mit vier Abtastwerten 22a, 22b, 22c, 22d für jede Periode liest.
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Um
den Sender und den Empfänger
zu synchronisieren, wird für
jeweils vier Abtastwerte ein Abtastwert – beispielsweise Abtastwert 22a – als erster Abtastwert
in dem Empfänger
herausgezogen. Der Empfänger
versucht nun, die Abtastung des ersten Abtastwertes 22a so
zu justieren, dass sie dann stattfindet, wenn der Pilotton das erste
Mal null passiert. Wenn der erste Abtastwert 22a positiv
ist, so wird die Abtastung dergestalt verschoben, dass der erste
Abtastwert 22a das nächste
Mal etwas früher
erfasst wird (siehe 4a). Wenn hingegen der Abtastwert 22a negativ
ist, so wird die Abtastung dergestalt verschoben, dass der Abtastwert 22a das
nächste
Mal etwas später
erfasst wird (siehe 4b).
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Des
gewünschte
Endergebnis ist in 4c gezeigt, wo die Abtastwerte 21a, 21b, 21c, 21d des Senders
und die Abtastwerte 22a, 22b, 22c, 22d des Empfängers ungefähr zur selben
Zeit gesendet bzw. empfangen werden.
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Anstelle
des Pilottones wird dann ein phasenspringender Pilotton als Trainingssymbole,
wie oben beschrieben, gesendet. Damit die Justierung des Empfängers nicht
bei jedem zweiten Symbol die Richtung ändert, klinkt sich der Empfänger statt
dessen auf den phasenspringenden Pilotton ein. Die einfachste Art,
dies zu bewerkstelligen, ist wahrscheinlich das Justieren des Vorzeichens
des ersten Abtastwertes 22a mit dem Vorzeichen des zweiten
Abtastwertes 22b vor oder nach dem ersten Abtastwert 22a auf
beispielsweise eine Distanz von einer viertel Periode. Der zweite
Abtastwert 22b ändert
bei jedem zweiten Symbol sein Vorzeichen, was anzeigt, ob der gerade
abgetastete Pilotton umgekehrt oder nicht-umgekehrt ist.
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5 zeigt
schematisch, wie das oben Dargelegte in der Praxis realisiert werden
kann. In dem Empfänger
befindet sich ein spannungsgesteuerter Oszillator (Voltage Controlled
Oscillator – VCO) 31, der
einen Analog-Digital-Wandler 35 so
steuert, dass er einen ersten Abtastwert 22a, der in einer
Verzögerungsschaltung 32 verzögert wird,
und einen zweiten Abtastwert 22b erfasst. Das Vorzeichen
des zweiten Abtastwertes 22b wird festgestellt und in einer
Vorzeichenkorrektureinheit 33 mit dem ersten Vorzeichen 22a'' multipliziert". Natürlich wird keine echte Multiplikation
benötigt,
sondern es wird erforderlichenfalls nur das Vorzeichen geändert.
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Die
Vorzeichenkorrektureinheit 33 gibt ein Steuersignal Q aus,
das einen Digital-Analog-Wandler 34 passiert, und steuert
dann das Abtasten durch den Oszillator 31 in der oben beschriebenen
Weise.
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Natürlich kann
statt dessen auch der zweite Abtastwert 22b verzögert werden.
Dann muss in einer entsprechenden Weise der erste Abtastwert 22a mit
dem umgekehrten Vorzeichen des zweiten Abtastwertes 22b "multipliziert" werden.
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Während der
Datenübertragung
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Das
oben dargelegte Verfahren fungiert als ein "Training" vor der Übertragung von Daten. Natürlich wäre es möglich, die
Datenübertragung
von Zeit zu Zeit in bekannten Intervallen zu unterbrechen, um erneut
Trainingssymbole zu senden, aber es wäre vermutlich besser, ein bekanntes
Verfahren für
die Wiedergewinnung der Abtastrate, beispielsweise im Frequenzbereich,
zu verwenden, zumindest dann, wenn die Daten über Kupferkabel übertragen
werden sollen. Wenn die Abtastrate verriegelt ist, so wird die Symbolrate
automatisch beibehalten. Die Zeit kann dann dafür verwendet werden, anstelle
von Trainingssymbolen Datensymbole zu senden.
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Diese
Frequenzbereichstechniken sind in der Regel langsamer als das oben
beschriebene Verfahren, aber wenn die Datenübertragung beginnt, so wurden
schon ungefähr
die korrekte Abtastrate und Symbolrate justiert, so dass keine größeren Justierungen
mehr vorgenommen werden müssen.