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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Übertragung
von Daten, insbesondere zur Übertragung
von DSL-Daten („Digital
Subscriber Line")
wie VDSL-Daten („Very High Bit
Rate Digital Subscriber Line").
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Mit
zunehmender Verbreitung des Internets sowohl für gewerbliche als auch für private
Nutzer steigt auch die Anzahl der installierten DSL-Leitungen. Damit
wird ein Leistungsverbrauch sowohl in den Leitungen als auch in
entsprechenden Sende- und Empfangseinheiten immer bedeutender. Besonders
in Vermittlungsstellen, in denen viele derartige DSL-Leitungen zusammenlaufen,
sind Wärmeentwicklung
und Leistungsverbrauch so bedeutend, dass ein Bedarf nach Möglichkeiten
zur Energiesparung besteht.
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Im
so genannten ADSL2-Standard („Asymmetric
Digital Subscriber Line")
wurde ein so genannter „Low-Power
Mode" definiert,
das heißt
ein energiesparender Übertragungsmodus.
Dieser wird angewendet, wenn detektiert wird, dass nur relativ wenige
Daten übertragen
werden müssen.
Dabei wird eine Anzahl möglicher
Konstellationen, das heißt mögliche Phasenwinkel
bei einer verwendeten diskreten Multitonmodulation auf verschiedenen
Trägerfrequenzen,
reduziert und nur diejenigen Konstellationen benutzt, welche einen
relativ geringen Signal-Rauschabstand
erfordern. Damit kann eine Ausgangsleistung eines verwendeten Leitungsverstärkers („Line Driver") verringert werden
und somit Energie eingespart werden.
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Ein
derartiges Prinzip ist auch auf andere DSL-Systeme als ADSL, beispielsweise
auf VDSL-Systeme anwendbar. Das dargestellte Verfahren hat dabei
den Nachteil, dass nur der Leistungsverbrauch für die Übertragung, das heißt in einem Analogteil,
nicht jedoch der Leistungsverbrauch in digitalen Schaltungsabschnitten
bzw. Digitalteilen einer entsprechenden Sende- oder Empfangseinrichtung reduziert
wird. Durch die wesentlich höheren
Datenraten bei VDSL-Systemen ist hier jedoch der Leistungsverbrauch
in den Digitalteilen wesentlich höher als bei ADSL-Systemen.
Zudem weisen VDSL-Systeme prinzipiell eine geringere Ausgangsleistung
als ADSL-Systeme auf, so dass auch aus diesem Grund der Leistungsverbrauch
in den Digitalteilen relativ bedeutsamer ist als bei ADSL-Systemen.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zur Übertragung von
Daten bereitzustellen, womit ein Leistungsverbrauch insbesondere
auch in einem Digitalteil einer Sende- oder Empfangseinrichtung
verringert wird.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch
16. Die abhängigen
Ansprüche
definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens
bzw. der Vorrichtung.
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren zur Übertragung
von Daten vorgeschlagen, wobei die Daten in einem ersten Betriebsmodus
in einer Mehrzahl von ersten Frequenzbändern bzw. Trägern übertragen
werden und die Daten in einem zweiten Betriebsmodus in einer Mehrzahl
von zweiten Frequenzbändern
bzw. Trägern übertragen
werden, wobei eine Anzahl der ersten Frequenzbänder größer als eine Anzahl der zweiten
Frequenzbänder
ist. Abhängig
von einer zu übertragenden
Datenmenge wird zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten
Betriebsmodus umgeschaltet, wobei der erste Betriebsmodus insbesondere
bei einer höheren
zu übertragenden
Datenmenge und der zweite Betriebsmodus bei einer geringeren zu übertragenden
Datenmenge verwendet wird. Das Umschalten zwischen den Betriebsmodi
kann beispielsweise abhängig
von einem oder mehreren Schwellenwerten erfolgen.
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Durch
die Verringerung der Anzahl von Frequenzbändern von der ersten Anzahl
zu der zweiten Anzahl kann eine Leistung, welche zur Übertragung nötig ist,
reduziert werden.
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Bevorzugt
werden in dem zweiten Betriebsmodus Datensymbole wiederholt übertragen.
Hierdurch ist eine weitere Verringerung der Übertragungsleistung möglich, da
durch Mittelung wiederholt übertragenen
Datensymbole ein durch geringere Leistung verursachtes höheres Rauschen
herausgemittelt werden kann.
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Zudem
kann in diesem Fall eine Vorrichtung zur inversen Fourier-Transformation
(IFFT) in einer entsprechenden Sendevorrichtung derart ausgelegt werden,
dass sie die benötigten
Berechnungen nur einmal ausführt
und für
die Wiederholungen auf die bereits durchgeführten Berechnungen zurückgreift. Umgekehrt
muss auch in einer entsprechenden Empfangsvorrichtung eine Fourier-Transformation (FFT)
nur einmal ausgeführt
werden, bevorzugt nach einer Mittelung der empfangenen wiederholt übertragenen
Datensymbole. Da Einrichtungen zur Fourier-Transformation und zur inversen Fourier-Transformation
diejenigen Komponenten sind, welche in Digitalteilen beispielsweise
von VDSL die höchste Leistung
benötigen,
kann durch diese Maßnahme
ein Leistungsverbrauch eines Digitalteils einer Sende- oder Empfangsvorrichtung
deutlich gesenkt werden.
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Die
zweite Anzahl kann um einen Faktor N geringer sein als die erste
Anzahl, wobei in diesem Fall jedes Datensymbol N-mal gesendet wird. Diese Verringerung
der Anzahl kann dadurch geschehen, dass jeweils eine Anzahl, beispielsweise
N, Frequenzbänder
der ersten Anzahl von Frequenzbändern
zu einem einzigen Frequenzband der zweiten Anzahl von Frequenzbändern zusammengefasst wird.
Es können
auch jeweils N Frequenzbänder
der ersten Frequenzbänder
gruppiert werden und für
die zweite Anzahl von Frequenzbändern
jeweils ein Frequenzband jeder Gruppe ausgewählt werden, welches von Datensymbol
zu Datensymbol wechseln kann, um eine gleichmäßigere Frequenzvertei lung und
somit ein flacheres Spektrum zu ermöglichen. Dies kann beispielsweise
durch Verschiebung eines jeweils benutzten Frequenzbandes um ein
Frequenzband im Frequenzbereich geschehen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung näher
erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2A und 2B Frequenzbereiche
für eine
VDSL-Datenübertragung,
wobei 2A Frequenzbereiche für eine Downstream-Übertragung und 2B Frequenzbereiche
für eine Upstream-Übertragung
darstellt,
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3A und 3B die
Aufteilung der Frequenzbereiche von 2A in
einem normalen Betriebsmodus (3A) und
in einem erfindungsgemäßen Sparbetriebsmodus
(3B), und
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4A und 4B Abfolgen
von übertragenen
Datensymbolen, wobei 4A Abfolgen in dem Normalbetriebsmodus
von 3A und 4A Abfolgen
in dem Sparbetriebsmodus von 3B darstellt.
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In 1 ist
ein VDSL-System schematisch dargestellt, welches zur Durchführung eines
erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Übertragen
von Daten ausgestaltet ist. Dabei wird eine zu sendende Datenfolge
a einer so genannten Framing-Einrichtung 1 eines Digitalteils 5 einer
Sendevorrichtung zugeführt. Die
Framing-Einrichtung 1 unterteilt einen eingehenden Sendedatenstrom
a in so genannte Rahmen oder Frames, welche jeweils eine festgelegte
Anzahl von Dateneinheiten umfassen. Die einzelnen Dateneinheiten,
welche jeweils mehrere Bits umfassen können, werden beispielsweise
mittels diskreter Multitonmodulation auf verschiedene zur Verfügung stehende
Trägerfrequen zen
moduliert. Des Weiteren kann eine Korrektureinheit 2 zur
Durchführung
einer Fehlerkorrektur beispielsweise mittels Codierung vorgesehen
sein. Das von der Korrektureinheit 2 durchgeführte Verfahren
wird auch als Forward Error Correction (FEC) bezeichnet. Mittels
einer ersten Transformiereinrichtung 3 wird auf den Rahmen
eine inverse schnelle Fourier-Transformation
angewendet, wodurch aus den parallel auf verschiedene Trägerfrequenzen
aufmodulierten Daten eine Abfolge von zu sendenden zeitlich aufeinanderfolgenden
Daten entsteht. Diese Abfolge wird in einem Sendefilter 4 gefiltert,
um gegebenenfalls Störungen
zu unterdrücken.
Das derart in dem Digitalteil 5 der Sendevorrichtung erzeugte
digitale Sendesignal wird einem senderseitigen Analogteil 33 zugeführt, in
welchem eine Digital-Analog-Wandlung sowie eine Verstärkung durch
einen Leitungsverstärker
durchgeführt werden,
um das Signal über
eine Übertragungsstrecke 6 zu
senden.
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In
einer Empfangsvorrichtung wird das so über die Übertragungsstrecke 6 übertragene
Signal zuerst von einem empfangsseitigen Analogteil 34 verarbeitet,
in welchem unter anderem verschiedene Filterungen sowie eine Analog-Digital-Wandlung durchgeführt werden,
um das empfangene Signal einem Digitalteil 7 der Empfangsvorrichtung
zu übergeben.
Hierbei wird das Signal von einem digitalen Empfangsfilter 8 gefiltert
und in einer Einheit 9 synchronisiert. Gegebenenfalls wird
in der Einheit 9 auch ein Entzerren im Zeitbereich durchgeführt.
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Durch
eine zweite Transformiereinrichtung 10 wird eine schnelle
Fourier-Transformation (FFT) durchgeführt, um das als zeitliche Abfolge
von Daten vorliegende Signal in Frequenzdarstellung zu transformieren,
insbesondere, um die einzelnen Trägerfrequenzen wiederzugewinnen.
Ein Entzerrer 11 führt eine
Entzerrung in Frequenzdarstellung durch, worauf eine Einrichtung 12 zur
Korrektur von Übertragungsfehlern
folgt. In einer so genannten Deframing-Einheit 13 werden
die über
die einzelnen Trägerfrequenzen übertragenen
Daten demo duliert und als Empfangsdatenstrom b ausgegeben, welcher
bei fehlerfreier Übertragung
dem Sendedatenstrom a entspricht.
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Betrachtet
man eine Anzahl von benötigten Multiplikationen
in den Digitalteilen 5 und 7, so zeigt sich, dass
die erste Transformiereinrichtung 3 und die zweite Transformiereinrichtung 10 diejenigen
Einheiten sind, in welchen der Rechenaufwand und somit der Leistungsverbrauch
am größten ist.
Um bei einer geringen Datenrate des Eingangsdatenstroms a bzw. einer
geringe Anzahl von zu übertragenden Daten
eine Leistungseinsparung erreichen zu können, wird daher wie im Folgenden
detailliert erläutert eine Übertragung
in einem Sparbetriebsmodus durchgeführt, welche wesentlich darauf
beruht, dass eine Anzahl in der Framing-Einheit 1 verwendeter Trägerfrequenzen
reduziert wird. Dabei muss darauf geachtet werden, das gesendete
Spektrum möglichst wenig
zu verändern,
da dies ein Übersprechen
auf andere Systeme beeinflussen könnte. Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, dass insbesondere die Framing-Einheit 1 derart
ausgestaltet ist, dass, wie im Folgenden detailliert erläutert, mehrere
Frequenzbänder
bzw. Träger
zu einem einzigen Frequenzband bzw. Träger zusammengefasst werden.
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Dieses
Zusammenfassen kann erfolgen, wenn die Datenrate bzw. die Anzahl
zu übertragender
Daten unter einen ersten Schwellenwert sinkt. Es wird rückgängig gemacht,
wenn die Datenrate bzw. die Anzahl zu übertragender Daten über einen
zweiten Schwellenwert steigt, welcher zur Vermeidung eines instabilen
Verhaltens größer als
der erste Schwellenwert sein kann.
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Um
dies genauer zu erläutern,
sind in 2A und 2B bei
der Übertragung
nach dem VDSL-Standard (Very High Bit Rate Digital Subscriber Line)
verwendete Frequenzbereiche dargestellt. Dabei sind in 2A verwendete
Frequenzbereiche in Downstream-Richtung, das heißt von einer Vermittlungsstelle
zu einem Teilnehmeranschluss, und in 2B verwendete
Frequenzbereiche in Upstream-Richtung, das heißt von einem Teil nehmeranschluss
zu einer Vermittlungsstelle, dargestellt. Wie in 2A dargestellt,
findet die Übertragung
in Downstream-Richtung
in einem ersten Frequenzbereich 15 zwischen 0,138 MHz und
3,75 MHz und in einem zweiten Frequenzbereich 16 zwischen
5,2 MHz und 8,5 MHz statt. 14 bezeichnet ein weiteres optionales
Band, welches beispielsweise für
Telefonsignale oder auch für
zu übertragende
Daten genutzt werden kann.
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In
Upstream-Richtung findet die Datenübertragung in einem dritten
Frequenzbereich 17 zwischen dem ersten Frequenzbereich 15 und
dem zweiten Frequenzbereich 16 sowie in einem vierten Frequenzbereich 18,
welches oberhalb des zweiten Frequenzbands 16 liegt und
von 8,5 bis 12 MHz reicht, statt. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird, wie durch Pfeile A angedeutet, die Übertragungsleistung in den
Frequenzbereichen 15 bis 18 möglichst gleichmäßig gesenkt.
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Die
Frequenzbereiche 15 bis 18, auch als Kanäle bezeichnet,
werden zur Übertragung
in Teilkanäle
bzw. Frequenzbänder
zerlegt, welche beim VDSL-Standard jeweils 43,125 kHz breit sind.
Jeder Teilkanal entspricht dann einer verwendeten Trägerfrequenz.
Auf diese Frequenzbänder
werden in der Framing-Einrichtung 1 aus 1 mittels
diskreter Multitonmodulation (DMT) entsprechend die zu übertragenden
Daten aufmoduliert.
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Eine
derartige Unterteilung in Frequenzbänder ist in 3A für die Downstream-Richtung
schematisch dargestellt, die Frequenzbereiche 15 und 16 sind
jeweils in Frequenzbänder 19 unterteilt.
Die Anzahl der dargestellten Frequenzbänder 19 dient dabei
lediglich der Veranschaulichung und stimmt nicht mit der tatsächlich vorhandenen
Anzahl von Frequenzbändern überein,
welche wesentlich höher
ist.
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Erfindungsgemäß werden
nun, falls nur wenige Daten zu übertragen
sind, jeweils N der Frequenzbänder 19 zu
einem einzigen Frequenzband bzw. Träger 20 wie in 3B gezeigt
zusammengefasst. In dem in 3A und 3B dargestellten Beispiel werden
beispielsweise jeweils 6 Frequenzbänder 19 zu einem einzigen
Frequenzband 20 zusammengefasst. Die Datenübertragung
erfolgt dann derart, dass nur auf eine jeweils einzige Trägerfrequenz
jedes neuen zusammengefassten Frequenzbands 20 Daten aufmoduliert
werden. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass von Frame
zu Frame bzw. Rahmen zur Rahmen abwechselnd auf jeweils einen der
Frequenzbänder 19,
welche zu dem jeweiligen Frequenzband 20 zusammengefasst
wurden, die entsprechenden Daten aufmoduliert werden. Hierdurch
wird eine gleichmäßige Verteilung
der – nun
reduzierten – Sendeleistung über den
gesamten Frequenzbereich erreicht und somit ein flaches Spektrum,
so dass das Übertragungsverhalten
und insbesondere ein Übersprechen
auf andere Leitungen nicht wesentlich verändert wird.
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Wie
im Folgenden gezeigt werden wird, kann mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren
ein Rechenaufwand und somit ein Leistungsverbrauch in der ersten
Transformiereinrichtung 3 zur inversen Fourier-Transformation
sowie in der zweiten Transformiereinrichtung 10 zur Fourier-Transformation
aus 1 gesenkt werden. Dies soll anhand der 4A und 4B erläutert werden.
In 4A ist dabei schematisch eine Abfolge von so genannten
Symbolen dargestellt, welche übertragen
werden. Dabei wird in 4A ein erstes Symbol 22 und
ein zweites Symbol 25 übertragen.
Unter einem Symbol versteht man dabei die Datenfolge im Zeitbereich,
welche von der ersten Transformiereinrichtung 3 aus 1 aus einem
Rahmen erzeugt wird. Dabei wird üblicherweise
ein Teil der Datenfolge wiederholt (so genannte Cyclic Extension),
um ein Einschwingen der Empfangsvorrichtung zu erleichtern. Die
Anzahl von einzelnen Daten in dem Symbol 22 hängt dabei
von einer Breite der Fourier-Tranformation bzw. inversen Fourier-Transformation
und damit von der Anzahl der verwendeten Frequenzbänder bzw.
Trägerfrequenzen
ab.
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Vor
dem ersten Datensymbol 22 wird eine Präfix 21, vor dem zweiten
Datensymbol 25 eine Präfix 24 gesendet.
Entsprechend wird nach dem ersten Symbol 22 eine Suffix 23 und
nach dem zweiten Symbol 25 eine Suffix 26 gesendet.
Präfix
und Suffix kennzeichnen jeweils Anfang und Ende der Übertragung
eines Symbols.
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Werden
nun, wie in 3A und 3B dargestellt,
N Frequenzbänder 19 zu
einem einzigen Frequenzband 20 zusammengefasst, werden
also insgesamt weniger Trägerfrequenzen
für einen
Rahmen verwendet, verringert sich nach dem oben Gesagten auch die
Anzahl von Daten in einem Symbol um den Faktor N. Da der Digital-Analog-Wandler
in dem Analogteil 33 jedoch bei konstanter Abtastrate arbeitet,
führt dies
zu einer Erhöhung
der Symbolrate um den Faktor N. Dies würde bedeuten, dass während einer
ursprünglichen
Symboldauer des Symbols 22N Fourier-Transformationen und
inverse Fourier-Tranformationen mit einer um den Faktor N reduzierten
Breite ausgeführt
werden müssen,
was zu keiner wesentlichen Leistungsersparnis führen würde. Zudem würde sich
dabei keine wesentliche Veränderung
der Datenrate ergeben.
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Erfindungsgemäß wird jedoch
jedes Symbol N-mal wiederholt, wie dies in 4B dargestellt
ist. Diese N Wiederholungen, in 4B als
Symbole 28 in einem ersten Symbolblock und Symbole 31 in
einem zweiten Symbolblock dargestellt, werden jeweils mit einer
gemeinsamen Präfix 27 bzw. 30 und
einer gemeinsamen Suffix 29 bzw. 32 versehen.
Ein derartiger Block weist daher die gleiche Länge auf wie ein Block bestehend
aus Präfix,
Symbol und Suffix aus 4A.
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Von
den Symbolen 28 bzw. 31 wird nur das jeweils erste
durch die ersten Transformiereinrichtung 3 erzeugt bzw.
von der zweiten Transformiereinrichtung 10 wieder in den
Frequenzraum transformiert. Diese ersten Symbole sind in 4B jeweils grau
dargestellt. Für
die weiteren Symbole 28 bzw. 31 wird das Symbol
nur entsprechend oft aus einem Buffer der ersten Transformiereinrichtung 3 ausgelesen.
Zur Rücktransformation
wird die Berechnung in der zweiten Transformiereinrichtung 10 entweder
nur mit jeweils einem der empfangenen Symbole oder – wie weiter
unten genauer erläutert – mit einem
durch Mittelung über
die wiederholten Symbole gebildeten gemittelten Symbol durchgeführt. Somit
wird die Anzahl von in der ersten Transformiereinrichtung 3 und der
zweiten Transformiereinrichtung 10 nötigen Berechnungen um den Faktor
N gesenkt. Entsprechend sinkt auch der Rechenaufwand in anderen
Abschnitten der Digitalteile 5 und 7.
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Die
Wiederholungen des gleichen Symbols führen dabei zu einer Reduktion
der Trägerbandbreite
um den Faktor N. Dadurch entspricht das gesendete Signal vom Aufbau
her einem Signal, das mit der ursprünglichen Transformiereinrichtung 3 mit
einer inversen Fourier-Transformation der ursprünglichen Breite generiert wurde
und in welchem nur jeder N-te Träger
Dateninformationen beinhaltet.
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Im
Empfänger
kann dies ausgenutzt werden, da in diesem Fall keine neuen Koeffizienten
des Frequenzbereichsentzerrers 11 berechnet werden müssen, da
Koeffizienten für
den dargestellten Sparbetriebsmodus (Low-Power Mode) Koeffizienten
entsprechen, die in der Mitte der zusammengefassten Trägerfrequenzen
bzw. Kanäle
liegen. Auch die ursprüngliche
Rahmenstruktur bleibt im Wesentlichen erhalten, wie aus 4A und 4B ersichtlich.
Es muss lediglich ein Signal an den Empfänger gesendet werden, welches
anzeigt, ab welchem Symbol der Sparbetriebsmodus gestartet wird,
das heißt,
ab welchem Symbol die beschriebene Fourier-Transformation mit reduzierter
Breite und wiederholte Ausgabe desselben Symbols erfolgen kann.
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Eine
weiter Leistungsreduktion kann dadurch erfolgen, dass die N gleichen
Symbole 28 bzw. 31, welche gesendet werden, in
der Empfangsvorrichtung gemittelt werden. Hierdurch wird der Signal-Rausch-Abstand
(SNR) verbessert, und eine Ausgangsleistung eines Leitungsverstärkers in
dem Analogteil 33 kann entsprechend gesenkt werden.
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Für eine bessere
Anpassung an die zu übertragende
Datenmenge kann die in 1 dargestellte Vorrichtung derart
ausgestaltet sein, dass die Anzahl N der Wiederholungen bzw. der
zusammengefassten Träger
abhängig
von der zu übertragenden
Datenmenge bestimmt wird bzw. zwischen mehreren Sparbetriebsmodi
mit verschiedenen N umgeschaltet wird. Eine niedrigere zu übertragende
Datenmenge entspricht dabei einem höheren Wert N.
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Das
beschriebene Verfahren lässt
sich nicht nur auf VDSL-Systeme
anwenden, welche hier lediglich als Beispiel verwendet wurden. Vielmehr
ist es möglich,
das erfindungsgemäße Prinzip
auf beliebige Übertragungen
anzuwenden, bei welchen die Übertragung
auf mehreren Frequenzbändern
bzw. Trägerfrequenzen
erfolgt, welche dann entsprechend der vorliegenden Erfindung zusammengefasst
werden können.