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Die
Erfindung betrifft eine Empfangseinrichtung gemäß Anspruch 1, ein Datenkommunikationssystem
mit einer derartigen Empfangseinrichtung, sowie ein Datenempfangsverfahren
gemäß Anspruch
18.
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Datenkommunikationssysteme
weisen i.A. eine oder mehrere Sende- bzw. Sende/Empfangseinrichtungen
auf, von der/denen aus Übertragungssignale
z.B. über
twisted-pair-Leitungen an eine oder mehrere Empfangs- bzw. Sende/Empfangseinrichtungen übertragen
werden, und umgekehrt. Die Sendeeinrichtung kann z.B. eine in einer
EWSD-Endvermittlungsstelle (EWSD = Elektronisches Wählsystem Digital)
vorgesehene elektronische Baugruppe sein, die mehrere Modems aufweist.
An jedem Modem ist eine Teilnehmer-Anschlußleitung, z.B. eine twisted-pair-Leitung
angeschlossen, über
die jeweils modulierte Übertragungssignale
z.B. an ein an einem Teilnehmer-Endanschluß vorgesehenes Modem übertragen
werden (und von dem vom Endvermittlungsstellen-Modem entsprechende Übertragungssignale
empfangen werden).
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Die
Datenkommunikation zwischen den Modems (Modulatoren-Demodulatoren)
kann z.B. auf Basis von POTS-(Plain Old Telephone Service), ISDN-(Integrated
Services Digital Network), oder xDSL-(x Digital Subscriber Line)Datenübertragungsprotokollen
erfolgen, z.B. mittels ADSL-Datenübertragung bzw. gemäß den Standards
ITU G.992.1 (G.dmt) bzw. ITU G.992.2 (G.Lite).
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Bei
der Datenkommunikation gemäß einem xDSL-Protokoll
werden zumeist mehrere Frequenzbänder
(bins) verwendet, die oberhalb der zur POTS- bzw. ISDN-Datenübertragung
genutzten Frequenzbänder
liegen. Ein Verfahren zur zusätzlichen
Nutzung auch dieser Frequenzbänder
für eine DSL-Übertragung
wird jedoch beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung
EP 1024648 A2 beschrieben.
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Zur Übertragung
von Daten in einem bestimmten Frequenzband kann z.B. eine Cosinus-Schwingung
verwendet werden, deren Frequenz z.B. in der Mitte des entsprechenden
Frequenzbands liegt. Beispielsweise kann jedem zu übertragenden Bit
oder jeder zu übertragenden
Bitfolge (z.B. unter Verwendung eines Phasensterns) eine Cosinus-Schwingung
bestimmter Amplitude und Phase zugeordnet sein. Aus der Amplitude
und Phase der jeweils empfangenen Cosinus-Schwingung kann in der
Empfangseinheit das jeweils übertragene
Bit bzw. die jeweils übertragene
Bitfolge bestimmt werden.
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Bei
hochbitratiger Datenübertragung über twisted-pair-Leitungen treten
in unregelmäßigen Abständen transiente
Störungen
(Impulsstörungen)
auf, die z.B. durch Schaltvorgänge
in unmittelbarer Umgebung der Leitung verursacht werden.
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Ein
Verfahren zur Verminderung von Störungen, die bei DSL-Übertragungen durch eine Veränderung
des Zustands beispielsweise eines an dieselbe Leitung angeschlossenen
analogen Telefons hervorgerufen werden können, wird im US-Patent
US 6269154 B1 von
Chellali et al. beschrieben. Dabei werden die jeweiligen Zustände des
Telefons erkannt und die Parameter des DSL-Übertragungverfahrens entsprechend
angepasst.
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Der
durch Impulsstörungen
verursachten Verschlechterung der Übertragungsqualität kann nach
den Vorgaben des ADSL-Standards
zudem z.B. durch Erhöhung
der Interleave-Tiefe und/oder erneutes Durchlaufen der "Trainingsphase" zum Einstellen der
Systemparameter entgegengewirkt werden.
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Durch
eine Erhöhung
der Interleave-Tiefe wird eine Verzögerung bei der Datenübertragung hervorgerufen,
was insbesondere für
Applikationen, für
die große
Datenraten benötigt
werden (z.B. Voice over IP, Videokonferenzen, etc.), von Nachteil
ist.
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Noch
größere Nachteile
können
beim erneuten Einstellen der Systemparameter durch nochmaliges Durchlaufen
der "Trainingsphase" auftreten, da hierbei
die Datenverbindung für
eine Dauer vom mehreren Sekunden komplett unterbrochen wird.
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Die
Erfindung hat zur Aufgabe, eine neuartige Empfangseinrichtung, ein
neuartiges Datenkommunikationssystem mit einer derartigen Empfangseinrichtung,
sowie ein neuartiges Datenempfangsverfahren zur Verfügung zu
stellen.
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Die
Erfindung erreicht diese und weitere Ziele durch die Gegenstände der
Ansprüche
1, 15 und 18. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen
angegeben.
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Gemäß einem
Grundgedanken der Erfindung wird eine Empfangseinrichtung bereitgestellt, mit
einer Filtereinrichtung zum Filtern von Störsignalen aus einem von der
Empfangseinrichtung empfangenen, oder hieraus abgeleiteten Signal,
wobei die Empfangseinrichtung außerdem eine Störsignal-Ermittlungseinrichtung
aufweist. Der wesentliche Aspekt der Erfindung ist, dass die Störsignal-Ermittlungseinrichtung
derart ausgestaltet ist, dass durch die Berechnung einer Entscheidungsfunktion
ermittelt wird, ob im empfangenen, oder im hieraus abgeleiteten
Signal enthaltene Störungen
von der Filtereinrichtung in ausreichendem Maß aus dem empfangenen, oder
dem hieraus abgeleiteten Signal herausgefiltert werden können, oder
nicht.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Filtereinrichtung so eingerichtet,
dass mit ihr impulsartige Störungen
aus dem empfangenen, oder hieraus abgeleiteten Signal, herausgefiltert
werden.
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Vorteilhaft
wird von der Störsignal-Ermittlungseinrichtung
ermittelt, ob die impulsartigen Störungen so kurz andauern, dass
sie von der Filtereinrichtung kompensiert werden können.
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Bevorzugt
kann der Empfangseinrichtung signalisiert werden, dass die Störungen nicht
durch eine andauernde Veränderung
der Kanaleigenschaften hervorgerufen wurden; ein erneutes Durchlaufen der "Trainingsphase" zum Einstellen der
Systemparameter ist dann nicht erforderlich.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
und der beigefügten Zeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1 ein
Kommunikationssystem, bei welchem das erfindungsgemäßen Datenkommunikationsverfahren
verwendet werden kann;
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2 eine
schematische Detaildarstellung eines beim Kommunikationssystem gemäß 1 verwendeten
erfindungsgemäßen Datenübertragungssytems;
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3 eine
schematische Detaildarstellung der in 2 gezeigten
Transienten-Detektionseinrichtung;
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4 ein
Ablaufdiagramm des bei der in 3 gezeigten
Transienten-Detektionseinrichtung verwendeten Entscheidungsalgorithmus;
und
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5 ein
Ablaufdiagramm des bei der in 3 gezeigten
Transienten-Zähleinrichtung
verwendeten Algorithmus.
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In 1 ist
ein Beispiel für
ein Datenkommunikationssystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt.
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Das
Datenkommunikationssystem 1 weist eine an ein Telefonnetz
(hier: das öffentliche
Telefonnetz 10) angeschlossene Endvermittlungsstelle 11 (hier:
ein elektronisches Wählsystem
digital bzw. EWSD) auf. In der Endvermittlungsstelle 11 sind mehrere
DSL-Sendesysteme 2, z.B. mehrere Modems vorgesehen, die über Teilnehmeranschlußleitungen 12,
z.B. twisted-pair-Leitungen jeweils mit einer von mehreren Teilnehmer-Endanschlußeinrichtungen 13 verbunden
sind.
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Die
Datenkommunikation zwischen den in der Endvermittlungsstelle 11 vorgesehenen DSL-Sendesystemen 2 und
der jeweiligen Teilnehmer-Endanschlußeinrichtung 13 (bzw.
zwischen den jeweils dort vorgesehenen Modems) kann z.B. mittels
POTS-(Plain Old
Telephone Service), ISDN-(Integrated Services Di gital Network) oder
xDSL-(x Digital Subscriber Line)Datenübertragung erfolgen.
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Die
xDSL-Datenübertragung
kann z.B. auf an sich bekannte Weise unter Zuhilfenahmen eines sog.
Phasensterns erfolgen. Dieser weist mehrere konzentrische Kreise
auf, denen jeweils eine Cosinus-Schwingungsamplitude bestimmter
Höhe zugeordnet
ist. Auf jedem Kreis liegen – bei
jeweils unterschiedlichen Winkeln – mehrere Punkte, denen jeweils
eine von mehreren verschiedenen Bitfolgen zugeordnet ist. Jedem
der o.g. Winkel ist eine entsprechende Phasenverschiebung einer
Cosinusschwingung bzgl. einem im DSL-Sendesystem 2 und
der jeweiligen Teilnehmer-Endanschlußeinrichtung 13 synchron
laufenden Takt zugeordnet.
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Die
Datenübertragung
innerhalb des jeweiligen Frequenzbands (bins) kann dann z.B. mit
Hilfe einer Folge von Cosinusschwingungen vorbestimmter Frequenz
erfolgen, über
deren Amplitude und Phasenverschiebung jeweils eine der o.g. Bitfolgen gekennzeichnet
wird. Aus der Amplitude und Phasenverschiebung der jeweils empfangenen
Cosinusschwingung kann in der Teilnehmer-Endanschlußeinrichtung 13 – unter
Zuhilfenahme eines dem o.g. Phasenstern entsprechenden Phasensterns – die jeweils übertragene
Bitfolge bestimmt werden.
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In 2 ist
eine schematische Detaildarstellung eines beim Kommunikationssystem 1 gemäß 1 verwendeten
erfindungsgemäßen Datenübertragungssytems 3 gezeigt.
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Ein
in der Endvermittlungsstelle 11 vorgesehenes DSL-Sendesystem 2 ist über einen
entsprechenden Übertragungskanal,
hier: die o.g. Teilnehmeranschlußleitung 12 an eine
Teilnehmer-Endanschlußeinrichtung 13 angeschlossen.
Zur Übertragung
von Daten wird von dem DSL-Sendesystem 2 auf die oben beschriebene
Weise eine Folge von Cosinusschwingungen über den Übertragungskanal, d.h. die
Teilnehmeranschlußleitung 12 an
die Teilnehmer-Endanschlußeinrichtung 13 gesendet.
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Diese
weist eine A/D-Wandeleinrichtung 4, eine Transienten-Schutzfiltereinrichtung 5,
eine Transienten-Detektionseinrichtung 6, eine Fehler-Übermittlungseinrichtung 7,
sowie ein DSL-Empfangssystem 8, z.B. ein Modem auf.
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Bei
der Datenübertragung über die
Teilnehmeranschlußleitung 12 (hier:
eine twisted-pair-Leitung) treten in unregelmäßigen Abständen transiente Störungen (Impulsstörungen)
auf.
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Das – gestörte – analoge
Empfangssignal wird in der Teilnehmer-Endanschlußeinrichtung 13 der
o.g. A/D-Wandeleinrichtung 4 zugeführt, die das analoge Empfangssignal
in ein digitales Empfangssignal umwandelt. Dieses wird dann unmittelbar über eine
Leitung 15 der Transienten-Detektionseinrichtung 6,
und über
eine Leitung 14 der Transienten-Schutzfiltereinrichtung 5 zur
Verfügung
gestellt.
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Mit
der Transienten-Schutzfiltereinrichtung 5 können kurzzeitige
impulsartige Störungen
(Transienten) kompensiert werden. Die Transienten-Schutzfiltereinrichtung 5 liefert
dann über
eine Leitung 20 ein kompensiertes, digitales Signal an
das DSL-Empfangssystem 8, welches hieraus die Amplitude
und Phase der von der Teilnehmer-Endanschlußeinrichtung 13 jeweils
empfangenen Cosinusschwingung ermittelt, und dann aus diesen Daten
auf die oben beschriebene Weise die jeweils von dem DSL-Sendesystem 2 übertragene
Bitfolge.
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Die
Transienten-Schutzfiltereinrichtung 5 weist ein eindimensionales,
statistisches Filter mit frequenzselektiver Gewichtung auf. Alternativ
kann hinter das eindimensionale, statistische Filter ein lineares
Filter geschaltet sein.
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Mit
dem eindimensionalen, statistischen Filter können – neben Gauß-verteilten Störungen – insbesondere
auch die o.g. kurzzeitigen impulsartigen Störungen kompensiert bzw. reduziert
werden. Das alternativ nachzuschaltende, linearen Filter dient z.B. dazu,
durch das statistische Filter verursachte Verzerrungen zu beheben.
Darüberhinaus
kann das lineare Filter z.B. die folgenden Funktionen erfüllen: verbessertes
Trennen des Basisband-Frequenzbereichs, verbessertes Trennen der
Frequenzbänder für Up- und
Downstream, etc. Als lineares Filter kann z.B. ein FIR-Filter oder
ein IIR-Filter verwendet werden.
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Unter
einem statistischen Filter wird im Zusammenhang mit der vorliegenden
Anmeldung ein Filter verstanden, bei welchem ein Schätzverfahren aus
der robusten Statistik verwendet wird, insbesondere ein auf nichtlinearer
L-, R- und M-Schätzung
beruhendes Filter, mit welchem eine besonders gute Kompensation
von statistischen Ausreißern
innerhalb eines Datensatzes erzielt wird.
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Ein
auf L-Schätzung
basierendes statistisches Filter (oftmals auch als „order
statistic filter" bezeichnet) ähnelt in
seiner Struktur einem FIR-Filter; ein Filter-Ausgangswert kann somit
durch die Berechnungsvorschrift
angegeben werden, wobei a
und x
( j ) über j =
1 bis j = n aufsummiert werden. Dabei stellen a
j die
Filterkoeffizienten zur Gewichtung der von der A/D-Wandeleinrichtung
4 gelieferten
Abtastwerte x dar. Im Unterschied zu einem regulären FIR-Filter werden bei einem L-Schätzer – entsprechend
wie bei R-Schätzern – für x
( j ),
j = 1, ..., n geordnete bzw. sortierte Abtastwerte verwendet. L-Filter
stellen somit eine Kombination aus nichtlinearen Verfahren (Sortierung)
und linearen Verfahren (Gewichtung) dar. Beispiele für einen
L-Schätzer-Filtertyp sind sog.
Mean-, Median- und α-trimmed-mean
Filter.
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Ein
M-Schätzfilter
beruht auf einem „maximum
likelihood"-Schätzverfahren.
Bei bekannter Wahrscheinlichkeitsverteilung kann ein Maximum-Likelihood-Schätzer als
derjenige Schätzwert
definiert werden, der die Likelihood-Funktion
erfüllt, mit i = 1...N. Dabei stellt
f
x die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion
der von der A/D-Wandeleinrichtung
4 gelieferten Abtastwerte
x dar. Alternativ kann z.B. auch eine der o.g. Funktion äquivalente
Likelihood-Funktion verwendet werden, z.B. – aus Monotoniegründen – die Funktion
wobei über i = 1 bis i = N aufsummiert
wird.
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Bei
unbekannter Wahrscheinlichkeitsverteilung kann auf verallgemeinerte „Maximum-Likelihood"-Schätzer zurückgegriffen
werden, die die folgende, allgemeine Berechnungsvorschrift erfüllen:
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Die
Kostenfunktion ρ(xi –θ) kann im
Prinzip beliebig gewählt
werden, und kann somit flexibel an die Bedürfnisse der betrachteten Umgebung
angepasst werden.
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Mit
der Transienten-Schutzfiltereinrichtung 5 können kürzer dauernde
Störungen
kompensiert werden, so dass in diesem Fall eine kontinuierliche Verarbeitung
des Empfangssignals möglich
ist.
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Treten
länger
andauernde Impulsstörungen auf,
welche durch die Transienten-Schutzfiltereinrichtung 5 (voraussichtlich)
nicht behoben werden können,
wird von der Transienten- Detektionseinrichtung 6 über eine
Leitung 16 ein Transienten-Detektionssignal an die Fehler-Übermittlungseinrichtung 7 geliefert,
welche in Reaktion hierauf über
eine Leitung 17 ein Fehler-Übermittlungssignal an das DSL-Empfangssystem 8 versendet.
Ein entsprechendes Fehler-Übermittlungssignal
wird gemäß 2 von
der Fehler-Übermittlungseinrichtung 7 auch
an das DSL-Sendesystem 2 geliefert. Zur schnellen Fehlerübermittlung
kann dieses Signal in das xDSL-Übertragungsprotokoll
integriert bzw. in höheren
OSI-Protokollschichten implementiert sein. Beispielsweise können zur Übermittlung
des Fehler-Übermittlungssignals
die verschiedenen Protokolloptionen verwendet werden, die gemäß dem nach
den vorausgehend genannten Standards festgelegten xDSL-Protokoll zur
herstellerspezifischen Nutzung freigegeben sind (d.h. eine beliebige
herstellerspezifisch nutzbare Protokolloption zur Fehlermeldung,
und Neuanforderung von fehlerhaft übermittelten Daten).
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In
den an das DSL-Sende- und das DSL-Empfangssystem 2, 8 gesendeten
Fehler-Übermittlungssignalen
sind Informationen darüber
enthalten, welche Daten bzw. Datenpakete genau von der Transienten-Detektionseinrichtung 7 als
fehlerhaft ermittelt wurden.
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Die
entsprechenden Daten bzw. Datenpakete werden dann von dem DSL-Sendesystem 2 erneut über den Übertragungskanal 12 an
die Teilnehmer-Endanschlußeinrichtung 13 gesendet.
Vorher sind in dem DSL-Empfangsystem 8 in Reaktion auf das
entsprechende Fehler-Übermittlungssignal
bereits die entsprechenden Daten bzw. Datenpakete verarbeitet und
ausgewertet, z.B. „blind" geschaltet und verworfen
worden, und ist das DSL-Empfangsystem 8 auf den (erneuten)
Empfang der jeweiligen (fehlerhaften) Daten bzw. Datenpakete vorbereitet
worden.
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In 3 ist
eine schematische Detaildarstellung der in 2 gezeigten
Transienten-Detektionseinrichtung 6 gezeigt. Diese weist
eine Entscheidungeinrichtung 18, sowie eine Transienten-Zähleinrichtung 19 auf.
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In
der Transienten-Detektionseinrichtung
6 wird ermittelt,
ob ein über
die Leitung
15 gelieferter Abtastwert bzw. ein Datensample
x durch einen Störimpuls
verfälscht
wurde, oder nicht. Hierzu wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
die Entscheidungsfunktion
verwendet. Hierbei kennzeichnet
die Variable x das jeweils untersuchte Datensample; die Variable
r dient zur Skalierung der Entscheidungsfunktion an die Amplitudenverhältnisse
der Datensequenz. Im Prinzip kann auch eine beliebige andere Entscheidungsfunktion
verwendet werden, welche eine Wertung des jeweils untersuchten Datensamples
x als „fehlerbehaftet" (Transiente) oder „nicht
fehlerbehaftet" (keine Transiente)
ermöglicht.
Die hier verwendete Entscheidungsfunktion k(r, x) leitet sich aus
der o.g. für den
gemäß
2 in
der Transienten-Schutzfiltereinrichtung
5 eingesetzten
M-Filter verwendeten Kostenfunktion ab.
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Bezogen
auf 4 wird durch die Entscheidungseinrichtung 18 zunächst in
einem ersten Schritt A berechnet, welchen Wert die o.g. Entscheidungsfunktion
für das
jeweils untersuchte Datensample x annimmt.
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Dann
wird in einem zweiten Schritt B überprüft, ob dieser
Wert kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert s ist, oder nicht.
Beispielsweise ergibt sich bei einem von einem Störimpuls
verursachten, relativ hohem Wert für das Datensample x ein besonders
niedriger Wert von k(r,x), d.h. ein Wert, der unterhalb des o.g.
Schwellwerts s liegt.
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Ist
dies der Fall, wird in einem dritte Schritt C gemäß 3 von
der Entscheidungseinrichtung 19 über eine Leitung 21 ein
Transientensignal an die Transienten-Zähleinrichtung 19 geliefert,
welches den logische Wert „1" (Transiente) hat.
Ist dagegen der sich für
das jeweilige Datensample x ergebende Wert der Entscheidungsfunktion
k(r, x) größer oder gleich
dem Schwellwert s, wird, wie in 4 gezeigt ist,
stattdessen beim dritten Schritt C von der Entscheidungseinrichtung 19 ein
Transientensignal mit dem logischen Wert „0" (keine Transiente) erzeugt.
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In
einem darauffolgenden vierten Schritt D werden die o.g. Schritte
A, B, C für
das nächste,
zu prüfende
Datensample x wiederholt, usw.
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Die
Transienten-Zähleinrichtung 19 ermittelt aus
den ihr zugeführten
Transientensignalen die Dauer der auftretenden Störimpulse.
Wie bereits erläutert,
können
durch die Transienten-Schutzfiltereinrichtung 5 kürzer andauernde
Störimpulse
ohne (bzw. ohne wesentlichen) Datenverlust kompensiert werden. Deshalb
ist eine Neuanforderung von Daten bzw. Datenpaketen nicht erforderlich,
wenn Impulsstörungen
lediglich vereinzelt oder in kurzen Bursts auftreten. Bei länger andauernden
Impulsstörungen kann
die Transienten-Schutzfiltereinrichtung 5 keinen fehlerfreien
Datenempfang mehr gewährleisten,
was eine erneute Anforderung der Daten bzw. Datenpakte erforderlich
macht.
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Deshalb
wird der Transienten-Zähleinrichtung 19 auf
die durch die Transienten-Schutzfiltereinrichtung 5 maximale
kompensierbare Impulslänge hin
eingestellt. Diese Einstellung erfolgt, wie im folgenden noch genauer
erläutert
wird, mit Hilfe einer Variabelen 1.
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Bezogen
auf 5 wird durch die Transienten-Zähleinrichtung 19 zunächst einem
ersten Schritt ermittelt, ob das o.g. Transientensignal einen logischen
Wert „1" (Transiente), oder
einen logischen Wert „0" (keine Transiente)
hat.
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Bei
einem logischen Wert „1" wird der Zählstandswert
k eines - zu Beginn auf Null gesetzten Zählers – um eins erhöht. Daraufhin
wird überprüft, ob der
Zählstandswert
k des Zählers
größer oder
kleiner ist, als die o.g. Variable 1.
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Falls
der Zählstandswert
k größer als
die Variable 1 ist (d.h. ein relativ lang andauernder Störimpuls
vorliegt), wird in einem nächsten
Schritt gemäß 2 von
der Transienten-Detektionseinrichtung 6 über die
Leitung 16 ein Transienten-Detektionssignal an die Fehler-Übermittlungseinrichtung 7 gesendet, welches
einen logischen Wert „1" hat. Ansonsten findet
keine Handlung statt.
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Wird
demgegenüber
beim o.g. ersten Schritt von der Transienten-Zähleinrichtung 19 ermittelt, dass
das o.g. Transientsignal einen logischen Wert „0" hat, wird in einem nächsten Schritt überprüft, ob der
Zählstandswert
k des o.g. Zählers
gleich Null ist, oder ungleich Null. Bei einem Zählstandswert ungleich Null
wird der Zählstandswert
um eins reduziert, bei einem Zählstandswert
gleich Null wird der Zählstandswert
beibehalten.
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Daraufhin
werden die o.g. Schritte für
das nächste,
zu prüfende
Datensample x wiederholt, usw.
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- 1
- Kommunikationssystem
- 2
- DSL-Sendesystem
- 3
- Datenübertragungssytem
- 4
- A/D-Wandeleinrichtung
- 5
- Transienten-Schutzfiltereinrichtung
- 6
- Transienten-Detektionseinrichtung
- 7
- Fehler-Übermittlungseinrichtung
- 8
- DSL-Empfangsystem
- 10
- Telefonnetz
- 11
- Endvermittlungsstelle
- 12
- Teilnehmeranschlußleitungen
- 13
- Teilnehmer-Endanschlußeinrichtung
- 14
- Leitung
- 15
- Leitung
- 16
- Leitung
- 17
- Leitung
- 18
- Entscheidungseinrichtung
- 19
- Transienten-Zähleinrichtung
- 20
- Leitung
- 21
- Leitung
