本发明涉及一种系统和方法，在无需增加信号功率的情况下，实现无 线射频，光学无线和光导纤维数字传输连接的带宽利用率和数据传输性能 的提高。

随着因特网的迅猛发展，未来全球通信业对带宽连接的需求越来越迫 切。在网络运行实时程序的需求增长已经耗费了大部分的已注册和未注册 的光谱带，它们以前主要分布在商业，地铁和长距离高密度分波复用 (Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)光导纤维系统中。目前 解决此类问题的最有效方法是大幅度地提高光谱分配中传输信息的效率， 从而无须对已有的通信结构进行较大变动。
传输信息的通信效率的高低依赖于信号设计，纠错码和传输媒介。虽 然时间域中的高速数字通信理论早已公开，但是如何利用空间域中的多余 维数作为信息载体仍未取得较大进展。近几年通过在天线阵列中加入额外 的天线，可以达到拓展空间能力的目的，这样每个天线可以载送多重时间 频率信道。
例如，罗列(Raleigh)等发明者拥有的专利号为614,471的美国专利介 绍了一种算法，可以在多重天线中处理时间频率信道并获得信号的正交性。 这一可行技术被认为是正交分频多路传输技术(OFDM)。另外，在马尔顿 (Marton)等发明者拥有得专利号为6,285,720B1的美国专利说明了具有在 无线传播信道中使用天线阵列对失真的波域进行采样的优势，有关阵列处 理的详细内容可参考威尼特(Whinnett)等发明者拥有得专利号为 6,317,411B1的美国专利，同时，黄(Huang)等发明者拥有得专利号为 6,301,293B1的美国专利介绍了在无线天线阵列处理中如何使用码分多址 (CDMA)。以上这些时空系统设计可通过对天线不同的使用来实现时频分离 和一些空间路径分割。然而，他们存在一些不足，即不能有效地拓展多重 空间模式，并且在横电领域中缺乏实际的空间调制实现。
因而，本发明的目的之一就是，为无线和光学传输信道提高光谱频率 提供一种系统和方法。本发明还有如下发明目的：
在对接收数据执行多重迭代解码时，可最小化传输差错；
通过空间信道来增加传送冗余数据的码率；
在复合时空序列的衬纸机中可消除衰减和起伏过程中产生的差错；
在单模系统中通过传输在正交偏振信道中的数据序列可达到增加编码 增益的目的；
在多模系统中通过传输在正交偏振信道中的数据序列可达到增加编码 增益的目的；
通过空间维数可增加传输能力；
通过多重天线和多点天线可增加无线射频传输系统、无线光学传输系 统以及无线光纤传输系统的吞吐量(throughput)；
通过使用多重波长可增加无线光纤传输系统的吞吐量；
通过变化传输域中的偏振态可提高光谱利用率；
通过偏振位相移动键控对传输域中对偏振态进行数字调制；
通过偏振频率移动键控对传输域中对偏振态进行数字调制；
通过偏振波幅移动键控对传输域中对偏振态进行数字调制；
通过M-ary偏振位相和偏振波幅调制对传输域的M偏振态的高层数字 调制；
通过球面同心的传输域，可对M偏振态的高层数字调制；
通过偏振位相，偏振频率和偏振波幅来模拟传输域中的偏振态调制。

本发明的目的是将时空调制应用到提高数据容量的光谱利用率和增强 功率灵敏度的时空编码上，同时可在物理层中达到近似无错的传输性能。
本发明的原理是基于时空调制理论在无线通信、自由空间光学通信和 光纤通信中的应用。本发明的基础理论来源于维克托·罗(Victor Lo)所 写得《统计时空调制原理》一书中，发表于1989年6月在加拿大召开的电气 和电子工程师协会(IEEE)会议的《计算机和信号处理》中。
时空调制通过三维空间域可达到扩充承载量的目的。空间调制可利用 空间向量方向的变化Ex、Ey以及电场中的具体空间位置来表示。组件x、y 以及传播方向z构成了数据传输的基本函数。在线性偏振信号中并没有使用 到空间维数，所有载入的数据在唯一接收端的偏振轴线点上容量是有限的。 假定存在一个时空分离信道，偏振轴线上的时间信息载体是独立横向偏转 板的，则相关的位相位置(偏转位)将会被调制。多重空间模式也可从单 天线孔径到并行独立传输到多重接收点上。通过时空调制，整个系统的信 息吞吐量将最终被提高。
用鲍英卡勒偏振球来表示斯托克斯空间的偏振态，一种介于x和y之间 的非对称场强表示出了在最大半径的鲍英卡勒偏振球中的环形轨迹线，此 时ax与ay相等，在x和y之间的相对位相差别决定了线性，椭圆和圆形偏振 化的分类。场强的度量决定了每个分类中的偏振化程度。在鲍英卡勒空间 中，位相移动键控会平均分布在鲍英卡勒偏振球中一个圆周中，设此圆周 面上的波幅为ax和ay。同理，频率移动键控也可表示在鲍英卡勒偏振球的 旋转周中。旋转速率大小是Ex和Ey相位偏移的两倍。若在每个变量之间的 频率分离足够大，则容易地对频率调制信号上进行探测。塞尔吉奥·贝奈 戴托(Sergio Benedetto)在文章《掺镁铌酸锂多层偏振调制器的详细设 计》中阐述了偏振调制器的硬件实现，它发表于1994年8月的IEEE的《光子 学技术专刊》的949页至951页中，关于这个专利中偏振接收者的详细内容， 请参考下面两篇文章，即1994年3月的IEEE《通信传输》中的文章《多层偏 振移动键控：最优的接收器结构和性能评估》和1997年10月的IEEE《通信 传输》第45卷的文章《最优偏振移动键控系统中的偏振恢复》。
总之，时空调制信号向量包含一个复式多维信号空间。信号设计是时 空分离信号集合的一种简化，时空信区格局需单独加以考虑。时空信号格 局是处于在同相正交面中的，其调制和解调遵循经典的位相和振幅同相正 叫交处理原则。请参考《复合位相和振幅调制通信系统的性能》一文，它 的作者是约翰·汉考克(John Hancock)和罗伯特·拉克(Robert Lucky)， 发表于1960年12月的IEEE《通信传输》的计算机专栏第8卷232页和237页之 间。对于空间调制，通过考虑鲍英卡勒偏振球的三维球面的格局点里，格 局中的几何形状构成了一个多边形。每个信号向量在两个偏移平面电场组 件中存在一个振幅和位相的显式比率。如果信号格局在鲍英卡勒偏振球之 外，那么偏振信号集合的范围就可以扩展到全部含有部分偏振和非偏振的 信号中。这样的信号集合由具备相同角距离的同心球面在相同偏振度的信 息点里共同创建。信号格局也就被拓展到半几何结构分层的三次立方体中， 它们有相同的空间信号向量并且集中在未偏振点的周围。进而，对准S1轴 线也有一个分层的柱面。因此，信号向量是每类具有固定的振幅比的柱体 里的同心柱体中的点组成。
在多模天线系统中，每种模式在时空调制上是独立的，因而可载有分 离的偏置调制和时间调制信息。在多模无线和光学系统中，承载量受到信 道支持的独立模式总量的限制，并且因为每种模式是独立被检测和解调的， 所以整个接收器的复杂性也会随之增长。在无线多模程序中，针对每种模 式的曲折线偏振器是由特靠吴(Te-Kao Wu)设计的，他的文章《基于任意 旋转线性偏振的曲折线偏振器的设计》，发表于1994年6月IEEE《微波和导 波合集》；有关光学多重系统的设计细节，请参考佳莉亚蒂(Gagliardi) 和卡尔普(Karp)所著的《光学通信》，发表于1976年的纽约的《Wiley 交叉科学》。
在时空调制中，带宽利用率依据尼奎斯特理论设置的理论极限集合， 可通过使用高级波形而得以提高。为了取得更好的效果，可利用前向纠错 码降低在传输中信号差错形成的概率这一概念。经典的turbo编码体制就利 用数据传输中的多重时间独立信道达到了可靠的数据传输的冗余度。单模 偏振调制系统的编码如下：对每个空间模式中的横向面来说，具有独立的 正交偏振信道，因而冗余数据的传输处于理想状态中。由于正交空间信道 中存在固定空间转移，通过多重路径发送置换数据序列即可实现时空编码 系统。随着空间信道的增长，会以时间编码速率产生传输冗余数据。同时， 空间编码速率随着承载冗余数据的空间信道数量的增长而递增。这样，数 据序列需被置换。为了获得相关代码，多维时空交错器在一个数据帧中将 突发差错平均地进行了分布，这样时空交错器通过时空分离信道消除了差 错序列的产生。
另一种分量代码可应用在每个信道中，分量代码的设计基于前点回转 代码、产品代码、分组代码或者是若干种的组合。解码体制包含对前向和 后向中每个可能的解码路径的度量计算。与最大似然度量相关的解码路径 才会被选择。解码算法可能包含软输入和软输出(SISO)或软输出Viterbi (SOVA)。有关并行代码结构中的编码器和解码器，克劳德·贝娄(Claude Berrou)等作者发表了《香农的极限纠错编码和解码的近似：Turbo代码》 一文，它被收集在1993年5月的ICC会议的论文集1064至1070页中。)达如 细·迪萨拉(Darush Divsalar)等作者在《Turbo代码的设计》中阐述了 序列码结构，发表在1995年的11月的TDA进展报告42-123的99页至121页中。 为了进一步提高带宽的利用率，遵循最小化位相，相邻传输信号被强制使 用在编码过程中。这项技术被普遍应用在格式码方法中。关于此技术的详 细设计，请参考1982年的IEEE《传输信息理论》的IT-28卷，第55页至67 页。
在多模联接中，增加的维数为时空代码的设计提供了更多的选择机会。 如今，每个空间模式已被策划能够成为一个独立的空间信道，这样既可应 用在承载代码数据流方面，在其它信道产生的交错代码多余数据流上也大 有用途。这些多重时空信道虽然重复了相同数据集合，但是时空转移也随 着联接边缘的扩大而增长，因此这种方法有效地平衡了衰减和起伏现象的 产生。
这些时空调制和代码技术的应用充分说明了在固定和移动无线通信网 络中，稀少的光谱资源和增长的射频干扰推动了调制解调器朝着更有效的 调制和编码方法的方向前进。通过单个空间模式的单点天线传输能够轻易 地使用多点天线扩展到多信道结构，这些多点天线中的每一点均可传输独 立的空间模式或信道。为每个多点天线配备多重天线也会进一步提高其利 用律。
这些技术还可应用在直接调制的自由空间光学通信中。时空编码器将 输入数据编码成一个时间和一个空间数据流，时间数据直接用在激光里， 而空间数据通过光学时空调制器对激光发出的光信号的状态进行了调制。 光学信号通过光学放大器被放大和传输。接收光学天线的视图域和传输天 线的带宽构成了一个近似线性的几何图形。在接收端，光学天线收集信号， 接着依靠光学检测端，对偏振态进行空间解调和时间解调。然后解调数据 流被放大，时空数据序列被解调，反置换，最终解码出所传输的数据。
在自由空间光学通信中的应用还包含有间接调制零差或外差解调，在 此时间数据调制是在时空调制器的激光的光学输出，而并非直接在输入上。 在接收端，为了移动光学载体在时间数据的直接光检测之前，局部激光用 于零差或外差解调。
除此之外，拓展单模自由空间光学通讯连接到多重通信系统中，并行 至一个单多路复用时空编码器，这样在多重空间模式中，通过交叉数据信 号最终增加了空间相异性。这种调制器的输出被扩大且在平面上形成了一 种二维网格。复合光信号通过光学天线被传输。在接收端，复合光信号被 转回到单个空间信号中，这些信号然后时空解调和共同时空解码。
本发明也可应用在自由空间光学通信中。在每个天线线多模中可以应 用多重光学天线。单个天线处理是从时空编码的调制到时空解码的解调的， 现在可扩展到多重天线的并行处理中。这种设计利用以前设计中的震级度 量，应用在容量(信道)和信息吞吐量(数据率)。
关键的应用在于指导光学通信类似纤维的波导使用作为地铁的路径数 据和长距离光学网络中。没有光学天线，系统也能创建类似自由空间光学 连接时，无需使用传送器和接收器。
通过增加波分复用(WDM)到多模，多点天线自由空间的光学通信联接 来扩充增加波长信道；通过增加波分复用(WDM)到多模，多芯电缆通信联 接来扩充增加波长信道；在多模应用中，耦合成为发出和接收单模及复合 多模光信号的启发器。
自由空间的多重天线光学联接已成为多重光纤联接，此时每个独立的 光纤能同时承载多重空间模式。前端编码，调制和后端解调，解码信号处 理光纤连结类似于自由空间光学连结。
如上，本发明的目标，优点以及新特征将通过说明书予以阐述。

图1A示出以前的射频无线系统，将位相调制用于单个天线的回转编 码流中。
图1B示出一个单点天线无线系统，用于增加射频信道承载的能力和 无线通信网络的吞吐量，并且使用了有效带宽时空编码器和调制器。
图1C示出一个有线系统，用于增加信道容量和有线射频通信网络的 吞吐量。
图1D示出将多点无线通信联结作为单点设计的扩展，并且每点可从 时空编码器中对多重数据输入与调制器进行分离。
图1E示出基于图1D，通过使用天线阵列，扩展了数据承载量和吞 吐量，使得每个天线可承载多点。
图2A示出以前的实现方框图，将无导向的光纤与数据流的亮度调制 相联接，与回转或里德·所罗门(Reed-Solomon)奇偶位一起编码，此时 接收器对接收到的数据流执行光检测和解码。
图2B示出带有直接调制和检测的自由空间的光联接，用于增加信道 c和自由空间或水下光通信网络的吞吐量。
图2C示出基于图2B，用于间接调制和检测的自由空间的光系统。
图2D示出另一种与多模直接调制和检测的自由空间光联接，用于增加c 和自由空间或水下光通信网络的c。
图2E示出基于图2D，用于多模间接调制和检测的自由空间光系统。
图2F示出与多重天线相关的光联接，多重直接调制和检测，用于增加 信道容量和自由空间或水下光通信网络的吞吐量。
图2G基于图2F，用于多重天线多模间接调制和检测的自由空间光系 统。
图2H示出带有直接调制和检测的自由空间光联接，用于增加信道容量 和自由空间或水下光WDM通信网络的信号c。
图2I基于图2I，用于间接调制和检测的自由光WDM系统中。
图2J示出另一种与多模直接调制和检测联接的自由空间，用于增加信 道容量和水下光WDM通信网络的吞吐量。
图2K基于图2J，表示自由空间光WDM系统中利用多模间接调制和检 测。
图2L示出另一种与多重天线，多模直接调制和检测联接的自由空间， 用于增加信道容量和水下光WDM通信网络的吞吐量。
图2M基于图2L，利用多重天线，多模间接调制和检测的自由空间的光 WDM系统。
图3A示出使用亮度调制和光检测的制导光系统。
图3B示出根据本发明的制导光系统使用带有直接调制和检测的光纤传 输电缆。
图3C基于图3B，利用间接调制和检测的光纤系统。
图3D示出根据本发明，使用多重直接调制和检测的光纤传输的制导光 系统。
图3E基于图3D，使用多重间接调制和检测的光纤传输的制导光系统。
图3F根据本发明，在制导光系统中使用带有多重纤维，多模直接调制 和检测的光纤传输电缆。
图3G基于图3F，用于多重纤维，多模间接调制和检测的光纤系统。
图3H根据本发明，用于间接调制和检测的光纤WDM系统中。
图3J根据本发明，用于多模间接调制和检测的光纤传输电缆的制导光 WDM系统中。
图3K基于图3J，用于多模间接调制和检测的光纤WDM系统中。
图3L示出根据本发明，通过光纤传输电缆，用于多模光纤维，多模直 接调制和检测的制导光WDM系统中。
图3M示出基于图3L，利用多重光纤，多模间接调制和解调。
图4A示出偏振位相移动键控产生的数字信号。
图4B示出偏振频率移动键控产生的数字信号。
图4C示出偏振位相和波幅移动键控产生的数字信号。
图4D示出偏振同心球波幅移动键控产生的数字信号。
图5A示出单模带宽有效时空编码器的详细处理过程。
图5B示出多模带宽有效时空编码器的详细处理过程。
图5C示出多重天线多模带宽有效时空编码器的详细处理过程。
图6A示出单模带宽有效时空解码器的详细处理过程。
图6B示出多模带宽有效时空解码器的详细处理过程。
图6C示出多重天线多模带宽有效时空解码器的详细处理过程。
图7A示出带宽有效时空无线调制器的详细处理过程。
图7B示出带宽有效时空光学调制器的详细处理过程。
图8A示出带宽有效时空无线解调器的详细处理过程。
图8B示出带宽有效时空光学解调器的详细处理过程。

根据本发明，按照时空调制、传输波形和时空纠错码，时空模式的 数量以及传送接收天线阵列的容量、无线、自由空间光学和光纤通信联 接的信道容量以及数据吞吐量会显著增长。一个典型的无线系统会产生 时间编码和时间调制信号，这些由单点天线传输至一个单点天线接收系 统中，无线连接容量、吞吐量和比特误码率等性能也受限于时空调制的 效率和所使用的纠错码的利用率。本发明大幅度地提高了系统的吞吐量 和原有纠错码编码的性能，并且通过对每个天线使用多个空间模式进而 在多个天线配置的条件下，可达到在传输前使用带宽有效波形的时空调 制。
以前的无线通信系统的实现如图1A所示，由射频源18产生的射频载体， 与射频调制器12中的回转编码器10发出的回转编码数据一起被调制。然后 信号被放大传输通过无线天线，在接收无线天线20，传输信号在低噪声放 大器22被放大，在到达Viterbi解码器26之前被射频解调器24解调。
单点天线的无线通信联接如图1B所示，包括了射频振荡器18产生的射 频载体，时空带宽调制器12的带宽有效时空编码器10调制的时空数据流。 信号通过功率放大器14在到达无线天线16之前被放大。在接收端，无线天 线20收集到射频信号，然后信号通过低噪声放大器22被提高级别，随后被 时空解调器24解调。最后，解调后的时空数据流被时空解码器26解码。
带宽有效时空编码器10的功能是将原始数据编码为一个编码序列。如 图5A所示，编码依次经过时空数据置换器30，从编码321至编码32M的时空数 据的多重分量格式码，时空数据编码数据处理器34负责多路编排分量代码 至时空数据流。
在接收端，时空解码器26将解调后的时空信号解调并覆盖原始的传输 数据。如图6A所示，时空解码数据处理器40从解调器处将时空信号逆多路 编排至多个编码分量中。在迭代解码反馈控制端处，根据最大经验概率规 则(MAP)，多个编码分量独立地通过多个前后路径度量处理器441至44N处 格式解码。数据位置的逆分布然后在时空逆向数据置换器46和多数逻辑解 码器48覆盖原始数据。为了获得最优化编码，通过时空数据置换器30反馈 迭代解码过程的类型。
带宽有效时空编码器12将时空数据信号的分布转化为多维时空信号空 间。时间信号交错遵循着波幅和位相的二维同相和位于正交面的规则，而 空间解调则在鲍英卡勒偏振球(Poincare sphere)中对特征偏振态分区， 如图4A至图4D所示。图4A的分区与斯托克斯参数(Stokes parameters)S2和 S3中的偏振位相移动键控有关，图4B表示了S1定义的偏振频率移动键控， 图4C表示了偏振波幅移动键控，由斯托克斯参数S1，S2和S3共同确定每个偏 振态。拓展图4C的分区至内层，图4D表示同心球的波幅移动键控的分布。
带宽有效时空调制器12的实现如图7A所示，它与射频分离器50的射频 输出端口相连接，这里射频分离器50产生两个输出，再被射频偏振器52偏 振形成正交偏振态。时空调制器56和直接耦合器54提供了同相正交时间信 号空间的一种移动位相，波幅和频率的对称分布操作和基于时空数据流输 入的时空调幅处理器58控制下的射频信号斯托克斯空间(Stokes space) 中。时空调制器56的正交偏振输出在射频偏振器52逆偏振旋转后经射频组 合器50被重新组合。
带宽有效时空解调器24如图8A所示，时间解调器72实现对时间信号的 同相正交解调的功能。空间解调包含了斯托克斯向量(Stokes Vector)估 计器60，路径控制循环和同步电路62，模拟数字转化器64，过滤器66，数 字模拟转化器68和决策逻辑存储块70。斯托克斯向量估计器60推导了接收 射频信号的偏振态，同时，路径循环包含了信号同步输出解调操作。
本发明的应用之一，有关单缆时空通信联接如图1C所示，包括了射频 源18产生的载体，从带宽有效时空编码器10处的数据流在时空带宽调制器 12调制产生得数据流。之后，信号在电缆传输之前被功率放大器14放大。 在电缆的接收端，射频信号先被解调器24解调，再通过低噪声放大器22被 放大，最后解调后的时空数据流被时空解码器26解码。
图1D表示使用多点天线的无线通信联接。它包括了多个射频正交源181 至18M，以及时空带宽有效编码器在121至12M上的带宽有效时空编码器10产 生出的时空数据流。发射多点无线天线16发射出多个信号，经功率放大器 141至14N被放大，接收端在接收多点无线天线20收集射频信号，然后分割成 多点信号。信号通过低噪声放大器221至22M进行升级，然后通过带宽有效时 空解调器241至24M的带宽有效时空解调。最后，时空解码器26解码时空数据 流。
带宽有效时空调制器和解调器与上类似，多点天线要求多重时空数据 流被多重带宽有效时空编码器提供，如图5B所示。在多模操作下，时空编 码数据处理器支持数据流的M信道。
在接收端，带宽有效时空解码器26把解调后的时空信号解码后，覆盖 至原始传输数据中。多模解码操作图如图6B所示，时空解码数据处理器40 从解调器至多个编码分量中逆多路复用M信道。在迭代解码反馈控制端42， 多个编码分量根据最大经验概率原则(MAP)，被前后路径度量处理器441至 44N解调。数据位置的逆向分布在通过时空逆向数据置换器46和多数逻辑解 码器48被执行，之后覆盖原始数据。
如图1E所示的是多点多天线的无线通信联接。包括多个射频振荡器181 至18N产生的射频载体信号源，时空调制多个射频正交源181至18M，以及时 空带宽有效编码器在121至12M上的带宽有效时空编码器10产生出的时空调 制器。发射多点无线天线161至16K发射出多个信号，经功率放大器141至14N 被放大，接收端在接收多点天线201至20L收集射频信号，然后每个天线输出 分割成多点信号。信号通过低噪声放大器221至22M进行升级用来弥补路耗， 然后通过解调器241至24M的带宽有效时空解调。最后，时空解码器26解码时 空数据流。
多点多重天线系统要求M信道时空数据流集合由多模多重天线带宽有 效时空编码器提供，如图5C所示，在多重天线操作下，时空编码数据处理 器支持数据流的多重M信道。
在接收端，带宽有效时空解码器26将解调后的时空信号解模并覆盖原 始传输数据。多重天线多模解码操作如图6C所示，时空解码数据处理器40 从解调变成多个编码分量，逆向多路复用M信道时空信号的K集合。在迭代 解码反馈控制器42下，根据最大经验概率规则(MAP)，时空解码数据处理 器40从前后路径度量处理器441至44N解调。数据位置的逆向分布在通过时空 逆向数据置换器46和多数逻辑解码器48被执行，之后覆盖原始数据。
以前的无线光学通信系统的实现如图2A所示，包括激光源18产生的光 学载体，前向纠错(FEC)编码器10调制后得编码数据。然后信号被放大传 输通过发射光学天线16。在接收光学天线20，传输信号在低噪声放大器22 被放大，在光检测器24被检测，在到达前向纠错编码器26之前被解调。
带有单点天线的直接调制无线光学通信联接如图2B所示，包括了激光 源18产生的光学载体信号，时空带宽调制器12的编码器带宽有效时空编码 器10调制的时空数据流。信号通过功率放大器14在到达光学天线16之前被 放大。在接收端，天线20收集到射频信号，然后信号通过低噪声放大器22 来弥补损耗，随后被时空解调器24被解调。最后，解调后的时空数据流被 时空解码器26解码。
带宽有效时空编码器10的功能是将原始数据编码为一个编码序列。与 图5A类似。
在接收端，时空解码器26将解调后的时空信号解调并覆盖原始的传输 数据。如图6A所示，时空解码数据处理器40从解调器处将时空信号逆多路 编排至多个编码分量中。在迭代解码反馈控制端处，根据最大经验概率规 则(MAP)，多个编码分量独立地通过多个前后路径度量处理器从441至44N处 格式解码。数据位置的逆分布然后在时空数据逆置换器46和多数逻辑解码 器48覆盖原始数据。为了获得最优化编码，通过时空数据置换机30反馈迭 代解码过程的类型。
带宽有效时空调制器12将时空数据信号的分布转化为多维时空信号空 间。时间信号交错遵循着波幅和位相的二维同相和位于正交面的规则，而 空间解调则在鲍英卡勒偏振球中对特征偏振态分区，如图4A至图4D所示。
带宽有效时空调制器12的实现如图7B所示，它与射频分离器50的射频 输出端口相连接，这里射频分离器50产生两个输出，再被射频偏振器52偏 振形成正交偏振态。时空调制器56和直接耦合器54提供了同相正交时间信 号空间的一种移动位相，波幅和频率的对称分布操作和基于时空数据流输 入的时空调制处理器58控制下的射频信号斯托克斯空间中。时空调制器56 的正交偏振输出在射频偏振器52逆偏振旋转后经射频分离器50被重新组 合。
带宽有效时空解调器24及其操作参照图8B，时间解调器72实现对时间 信号的同相正交解调的功能。空间解调包含了斯托克斯向量估计器60，路 径控制循环和同步电路62，模拟数字转化器64，过滤器66，数字模拟转化 器68和决策逻辑存储块70。斯托克斯估计器60推导了接收射频信号的偏振 态，同时，路径循环包含了信号同步输出解调操作。
单点天线的间接无线光学通信联接如图2C所示，包括了激光源18产生 的光载体，时空带宽调制器12的带宽有效时空编码器10调制的时空数据流。 信号通过功率放大器14在到达光学天线16之前被放大。在接收端，光学天 线20收集到射频信号，然后信号通过低噪声放大器22被提高级别，随后被 时空解调器24被解调。最后，解调后的时空数据流被时空解码器26解码。
图2D表示使用多点耦合天线的直接调制无线光通信联接。它包括了多 个激光源181至18M产生的光载体，以及时空带宽有效编码器在121至12M上的 带宽有效时空编码器10产生出的时空调制器。光天线16发射出多个信号， 经功率放大器141至14M被放大，接收端在天线20收集光信号，然后分割成多 模信号。信号通过低噪声放大器221至22M进行升级，然后通过解调器241至 24M的带宽有效时空解调。最后，时空解码器26解码时空数据流。
光学带宽有效时空调制器和解调器与上类似，多模耦合光天线要求多 重时空数据流被多重带宽有效时空编码器编码，如图5B所示。在多模操作 下，时空编码数据处理器支持数据流的M信道。
在接收端，带宽有效时空解码器26把解调后的时空信号解码后，覆盖 至原始传输数据中。多模解码操作图如图6B所示，时空解码数据处理器40 从解调器至多个编码分量中逆多路复用M信道。在迭代解码反馈控制端，多 个编码分量根据最大经验概率原则(MAP)，被前后路径度量处理器441至44N 解调。数据位置的逆向分布在通过时空逆向数据置换器46和多数逻辑解码 器48被执行，之后覆盖原始数据。
如图2E所示的是多模耦合多天线的间接调制无线光通信联接。包括多 个激光源181至18M产生的光信号载体，以及时空带宽有效编码器在121至12M 上的带宽有效时空编码器10产生出的时空调制器。光学天线16发射出信号， 经功率放大器141至14M被放大，接收端在天线20收集光信号，然后输出分割 成多模信号。信号通过低噪声放大器221至22M进行升级，然后通过解调器241 至24M的带宽有效时空解调。最后，时空解码器26解码时空数据流。
如图2F所示的是多模耦合多天线的直接调制无线光通信联接。包括 多个激光源181至18M产生的光信号载体，以及时空带宽有效编码器在121 至12M上的带宽有效时空编码器10产生出的时空调制器。多个天线161至 16K发射出多个信号，经功率放大器141至14M被放大，接收端在天线201 至20L收集光信号，然后每个天线输出分割成多模信号。信号通过低噪 声放大器221至22M进行升级，然后通过解调器241至24M的带宽有效时空解 调。最后，时空解码器26解码时空数据流。
多天线多重天线系统要求M信道时空数据流集合由多模多重天线带宽 有效时空编码器提供，如图5C所示，在多重天线操作下，时空编码数据处 理器支持数据流的多重M信道。
在接收端，带宽有效时空解码器26将解调后的时空信号解模并覆盖原 始传输数据。多重天线多模解码操作如图6C所示，时空解码数据处理器40 从解调变成多个编码分量，逆向多路复用M信道时空信号的K集合。在迭代 解码反馈控制器42下，根据最大经验概率规则(MAP)，时空解码数据处理 器40从前后路径度量处理器441至44N解调。数据位置的逆向分布在通过时空 逆向数据置换器46和多数逻辑解码器48被执行，之后覆盖原始数据。
如图2G所示的是多模耦合多天线的间接调制无线光通信联接。包括多 个激光源181至18M产生的光信号载体，以及时空带宽有效编码器在121至12M 上的带宽有效时空编码器10产生出的时空调制器。多个天线161至16K发射出 多个信号，经功率放大器141至14M被放大，接收端在天线201至20K收集光信 号，然后每个天线输出分割成多模信号。信号通过低噪声放大器221至22M 进行升级用来弥补路耗，然后通过解调器241至24M的带宽有效时空解调。最 后，时空解码器26解码时空数据流。
如图2H所示的是单点天线的直接调制无线光WDM通信联结。包括多个激 光源181至18N产生的光信号载体，以及时空带宽有效编码器121至12N上的带 宽有效时空编码器101至10N产生出的时空调制器。光天线16发射出多个信 号，经波长多路复用器80复用，被功率放大器14放大，接收端在天线20收 集光信号，被波长解复用器82解调，然后每个天线输出分割成多模信号。 信号被解调器241至24N的带宽有效时空解调，然后通过低噪声放大器221至 22N进行升级用来弥补路耗，。最后，时空解码器261至26N解码时空数据流。
如图2I所示的是单点天线的间接调制无线光WDM通信联结。包括多个激 光源181至18N产生的光信号载体，以及时空带宽有效调制器121至12N上的带 宽有效时空编码器101至10N产生出的时空调制器。光天线16发射出多个信 号，经波长多路复用器80复用，被功率放大器14放大，接收端在天线20收 集光信号，被波长解复用器82解调，然后每个天线输出分割成多模信号。 信号被解调器241至24M的带宽有效时空解调，然后通过低噪声放大器221至 22N进行升级用来弥补路耗，。最后，时空解码器261至26N解码时空数据流。
如图2J所示的是多模耦合天线的直接调制无线光WDM通信联结。包括M 模式下的多个激光源181至18N产生的光信号载体，以及时空带宽有效编码器 121至12M上的带宽有效时空编码器101至10N产生出的时空调制器。多模多波 长光信号通过多模耦合器841至84N耦合，被波长多路复用器80复用，经功率 放大器14放大，接收端在天线20收集光信号，被波长解复用器82解调，然 后输出通过解模器861至86N分割成多模信号。信号被解调器241至24M的带宽 有效时空解调，然后通过低噪声放大器221至22M进行升级用来弥补路耗。最 后，时空解码器261至26N解码时空数据流。
如图2K所示的是多模耦合天线的间接调制无线光WDM通信联结。包括M 模式下的多个激光源181至18M产生的光信号载体，以及时空带宽有效编码器 在121至12M上的N波长的带宽有效时空编码器101至10N产生出的时空调制器。 多模多波长光信号通过多模耦合器841至84N耦合，被波长多路复用器80复 用，经功率放大器14放大，接收端在天线20收集光信号，被波长解复用器 82解调，然后输出通过解模器861至86N分割成多模信号。信号被解调器241 至24M的带宽有效时空解调，然后通过低噪声放大器221至22M进行升级用来 弥补路耗。最后，时空解码器261至26N解码时空数据流。
如图2L所示的是多模耦合多天线的直接调制无线光WDM通信联结。包括 M模式下的多个激光源181至18M产生的光信号载体，以及时空带宽有效编码 器在121至12M上的N波长的带宽有效时空编码器101至10N产生出的时空调制 器。多模多波长光信号通过多模耦合器841至84N耦合，被波长多路复用器801 至80K复用，经功率放大器141至14K‘放大，从天线161至16K发出，接收端在 天线201至20K收集光信号，被波长解复用器821至82K解调，然后输出通过解 模器861至86K分割成多模信号。信号被解调器241至24M的带宽有效时空解调， 然后通过低噪声放大器221至22M进行升级用来弥补路耗，。最后，时空解码 器261至26N对每个天线解码时空数据流。
如图2M所示的是多模耦合多天线的间接调制无线光WDM通信联结。包括 M模式下的多个激光源181至18M产生的光信号载体，以及时空带宽有效编码 器在121至12M上的N波长的带宽有效时空编码器101至10N产生出的时空调制 器。多模多波长光信号通过多模耦合器841至84K耦合，被波长多路复用器801 至80K复用，经功率放大器141至14K‘放大，从天线161至16K发出，接收端在 天线201至20K收集光信号，被波长解复用器821至82K解调，然后输出通过解 模器861至86K分割成多模信号。信号被解调器241至24M的带宽有效时空解调， 然后通过低噪声放大器221至22M进行升级用来弥补路耗，。最后，时空解码 器261至26N对每个天线解码时空数据流。
以前的光纤通信系统的实现如图3A所示，由射频源18产生的光信号载 体，被前向纠错(FEC)编码器10调制。然后信号被低噪声放大器22被放大， 通过光纤28传输，在光纤的接收端20，传输信号被光检测器24检测，在低 噪声放大器22被放大，在到达FEC解码器26之前被解码。
带有单点天线的直接调制光纤通信联接如图3B所示，包括了激光源18 产生的光学载体，时空带宽调制器12的带宽有效时空编码器10调制的时空 数据流。信号通过功率放大器14在到达光纤28之前被放大。在光纤接收端， 光信号通过低噪声放大器22来放大，随后被时空解调器24被解调。最后， 解调后的时空数据流被时空解码器26解码。
带宽有效时空编码器10的功能是将原始数据编码为一个编码序列。如 图5A所示。
在接收端，时空解码器26将解调后的时空信号解调并覆盖原始的传输 数据。如图6A所示。
带宽有效时空编码器12将时空数据信号的分布转化为多维时空信号空 间。时间信号交错遵循着波幅和位相的二维同相和位于正交面的规则，而 空间解调则在鲍英卡勒偏振球(Poincare sphere)中对特征偏振态分区，如 图4A至图4D所示。
带宽有效时空调制器12的实现参照前面说明和图7B。
带宽有效时空解调器24的实现参照前面说明和图8B。
间接调制光纤通信联接如图3C所示，包括了激光源18产生的光信号载 体，时空带宽调制器12的带宽有效时空编码器10调制的时空数据流。信号 通过功率放大器14在到达光纤天线28之前被放大。在接收端，从光纤28收 集到的光信号，被时空解调器24时空解调和低噪声放大器22被提高级别。 最后，解调后的时空数据流被时空解码器26解码。
图3D表示使用直接调制多模光纤通信联接，包括了多个激光源181至18M 产生的光载体，以及时空带宽有效编码器在121至12M上的带宽有效时空编码 器10产生出的时空调制器。光信号经功率放大器141至14M放大，被发射耦合 器16耦合进入光纤28。在接收端，光信号被光纤接受耦合器20分割成多模 信号。这些信号通过解调器241至24M的带宽有效时空解调后被低噪声放大器 221至22M升级，。最后，解调后的时空数据流被时空解码器26解码。
光学带宽有效时空调制器和解调器与上类似，多模耦合光天线要求多 重时空数据流被多重带宽有效时空编码器编码，如图5B。
在接收端，带宽有效时空解码器26把解调后的时空信号解码后，覆盖 至原始传输数据中。多模解码操作图如图6B所示。
图3E表示使用间接调制多模光纤通信联接的实例，包括多个激光源181 至18M产生的光信号载体，以及时空带宽有效编码器在121至12M上的带宽有 效时空编码器10产生出的时空调制器。光信号经功率放大器141至14M放大， 被发射耦合器16耦合进入光纤28。在接收端，光信号被光纤接受耦合器20 分割成多模信号。这些信号通过解调器241至24M的带宽有效时空解调后被低 噪声放大器221至22M升级，。最后，解调后的时空数据流被时空解码器26解 码。
图3F表示使用直接调制多模光纤通信联接的另一实例，包括多个激光 源181至18M产生的光信号载体，以及时空带宽有效编码器在121至12M上的带 宽有效时空编码器10产生出的时空调制器。光信号经功率放大器141至14M 放大，被发射耦合器161至16K耦合进入光纤281至28K。在接收端，光信号被 光纤接受耦合器201至20K分割成多模信号。这些信号通过解调器241至24M的 带宽有效时空解调后被低噪声放大器221至22M升级，。最后，解调后的时空 数据流被时空解码器26解码。
多模耦合光纤系统要求M信道时空数据流集合由多模多重天线带宽有 效时空编码器提供，如图5C所示。
在接收端，带宽有效时空解码器26将解调后的时空信号解模并覆盖原 始传输数据。多重天线多模解码操作如图6C所示。
如图3G所示的是多模光纤的间接调制光纤通信联接，包括多个激光源 181至18M产生的光信号载体，以及时空带宽有效编码器在121至12M上的带宽 有效时空编码器10产生出的时空调制器。光信号经功率放大器141至14M放 大，被发射耦合器161至16K耦合进入光纤281至28K。在接收端，光信号被光 纤接受耦合器201至20K分割成多模信号。这些信号通过解调器241至24M的带 宽有效时空解调后被低噪声放大器221至22M升级，。最后，解调后的时空数 据流被时空解码器26解码。
如图3H所示的是直接调制光纤WDM通信联接，包括多个激光源181至18N 产生的光信号载体，以及时空带宽有效编码器在121至12N上的N波长的带宽 有效时空编码器101至10N产生出的时空调制器。光信号被波长多路复用器80 复用，经功率放大器14放大进入光纤28，在光纤接收端光信号被信号分离 器82波长分离，信号被解调器241至24N的带宽有效时空解调和通过低噪声放 大器221至22N进行放大。最后，时空解码器261至26N对调制时空数据流解码。
如图3I所示的是间接调制光WDM通信联接，包括多个激光源181至18N产 生的光信号载体，以及时空带宽有效编码器在121至12N上的N波长的带宽有 效时空编码器101至10N产生出的时空调制器。光信号被波长多路复用器80 复用，经功率放大器14放大进入光纤28，在光纤接收端光信号被信号分离 器82波长分离，信号被解调器241至24N的带宽有效时空解调和通过低噪声放 大器221至22N进行放大。最后，时空解码器261至26N对调制时空数据流解码。
如图3J所示的是直接调制多模光纤WDM通信联接，包括M模式下的多个 激光源181至18M产生的光纤信号载体，以及时空带宽有效编码器在121至12M 上的N波长的带宽有效时空编码器101至10N产生出的时空调制器。光信号通 过多模耦合器84耦合，被波长多路复用器80复用，经功率放大器14放大， 被发射耦合器16耦合进入光纤28。在接收端信号被信号分离器82波长分离， 然后被多模解耦器86成多模解耦信号，这些信号被解调器241至24M的带宽有 效时空解调，然后通过低噪声放大器221至22N进行升级。最后，时空解码器 261至26N对调制时空数据流解码。
如图3K所示的是多模耦合天线的间接调制光WDM通信联接，包括M模式 下的多个激光源181至18M产生的光信号载体，以及时空带宽有效编码器在 121至12M上的N波长的101至10N产生出的时空调制器。光信号通过多模耦合器 84耦合，被波长多路复用器80复用，经功率放大器14放大，耦合进入光纤 28。在接收端，信号被信号分离器82波长分离，然后被多模解耦器86成多 模解耦信号，这些信号被解调器241至24M的带宽有效时空解调和通过低噪声 放大器221至22M进行放大。最后，时空解码器261至26N对调制时空数据流解 码。
图3L所示的是多模耦合多天线的直接调制光纤WDM通信联接的另一个 实例，包括M模式下的多个激光源181至18M产生的光纤信号载体，以及时空 带宽有效编码器在121至12M上的N波长的101至10N产生出的时空调制器。光纤 信号通过多模耦合器841至84K耦合，被波长多路复用器801至80K复用，经功 率放大器141至14K放大，进入光纤281至28K。在接收端光信号被波长解复用 器821至82K解调，然后输出通过多模解耦器861至86K分割成多模信号。信号 被解调器241至24M的带宽有效时空解调，然后通过低噪声放大器221至22M进 行放大。最后，时空解码器261至26N对调制时空数据流解码。
图3M所示的是多模耦合多天线的间接调制光纤WDM通信联接的另一个 实例，包括M模式下的多个激光源181至18M产生的光纤信号载体，以及时空 带宽有效编码器在121至12M上的N波长的101至10N产生出的时空调制器。光纤 信号通过多模耦合器841至84K耦合，被波长多路复用器801至80K复用，经功 率放大器141至14K放大，进入光纤281至28K。在接收端光信号被波长解复用 器821至82K解调，然后输出通过多模解耦器861至86K分割成多模信号。信号 被解调器241至24M的带宽有效时空解调，然后通过低噪声放大器221至22M进 行放大。最后，时空解码器261至26N对调制时空数据流解码。
本发明并不局限于如上图给出的实例的说明和描述，而是要根据增补 的权利要求的范围。