专利名称：增加数据传输网络的带宽利用率和吞吐量的系统及方法
技术领域：
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。
背景技术：
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。
发明内容
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(ClaudeBerrou)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。
具体实施例方式
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。
权利要求
1.一种增加数字数据通信连接的带宽利用率的系统，包括如下一个带宽有效时空编码器，对数字数据的输入而产生直接时空数据流的误差校正码，该时空编码器用于格式码的编码，可以减少信号带宽，同时增加数据冗余度来弥补在时空信道中产生的误差；至少一个信号源；至少一个带宽有效时空调制器，接收上述的信号源和来自上述带宽有效时空编码器的直接时空数据流，该空间数据调制来自使用带宽有效波形的上述信号源的信号偏振态；至少一个放大器，放大上述带宽有效时空调制器的输出；一个或多个发射器，传输上述放大器产生的输出信号；一个或多个接收器，接收和收集上述发射器发出的信号；至少一个带宽有效时空解调器，直接时间解调振幅、相位、频率以及空间解调来自上述接收器中的信号的偏振；至少一个低噪声放大器，放大上述时空解调器发出的信号用来补偿路径损耗；至少一个带宽有效时空解码器，迭代解码上述低噪声放大器发出的直接时空数据流；这样增加带宽利用率和吞吐量。
2.根据权利要1所述的系统，所述的至少一个信号源包括射频振荡器信号源。
3.根据权利要1所述的系统，包括射频信号源，带宽有效时空调制器和功率放大器包含从多路无线天线的发射信号，以及多个带宽有效时空解调器，低噪声放大器和用于分割多点无线天线发出信号的带宽有效时空解码器。
4.根据权利要1所述的系统，所述的至少一个信号源是光源。
5.根据权利要4所述的系统，所述的光源是激光。
6.根据权利要1所述的系统，所述的多个发射器和多个接收器之间包含直接电缆联接。
7.根据权利要1所述的系统，包括多个光信号源、带宽有效时空调制器和用于发射从发射多模耦合光学天线的信号的功率放大器，以及带宽有效时空解调器、低噪声放大器和用于分割接收多模耦合光学天线接收信号的带宽有效时空解码器。
8.根据权利要求7所述的系统，所述的多个调制器间接调制上述多个光信号源。
9.根据权利要求7所述的系统，包含一个多模耦合器，包含光带宽有效时空调制器发出的多信号和来源于上述光学耦合器的多个调制信号；一个波长分解波长多路复用器多路接收到的调制信号；接收光学天线和用来多路接收到的调制信号的波长分解解复用器；用来多路接收到的调制信号的波长分解解复用器；一个多模解耦器将上述接收到的信号分离成多带宽有效时空信号；因此，该光传输系统是一个波分复用系统(WDM)，用于增加光连接中的独立数据信道的数量。。
10.根据权利要求9所述的系统，所述多个调制器间接调制多个光信号源。
11.根据权利要求9所述的系统，所述发射方式和接收方式包含光导电缆。
12.根据权利要求9所述的系统，所述多个发射方式和多个接收方式包含至少一个光学无线天线。
13.根据权利要求12所述的系统，所述至少一个光学无线天线包含一组用于发射和接收的光学无线天线。
14.一种数字数据通信连接的带宽利用率的方法，包括如下带宽有效时空纠错编码器，将数字数据转化为时空数据流；至少提供一个信号源；带宽有效时空调制上述时空数据流和至少一个信号源的振幅、位相以及频率；放大上述带宽有效时空调制输出信号；传送上述带宽有效时空调制输出信号；接收上述带宽有效时空调制信号；带宽有效时空解调接收到的带宽有效时空调制信号，它包含多个已接收到的时空信号的振幅、相位以及频率的时间解调和对信号偏振的空间解调；放大上述接收信号，补偿路径损耗；带宽有效时空迭代解码上述调制信号，通过循环反馈回路中的时空数据流来校正传输差错。
15.根据权利要求14所述的方法，所述提供至少一个信号源包括提供至少一个射频振荡器信号源。
16.根据权利要求14所述的方法，其中提供至少一个信号源包括提供至少一个激光信号源。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述时空解调器包含该时空数据流和至少一个可来调制多个带宽有效时空解码器的信号源。
18.根据权利要求17所述的方法，所述调制是指对至少一个信号源的间接调制。
19.根据权利要求18所述的方法，所述提供至少一个信号源包括提供至少一个射频振荡器信号源。
20.根据权利要求18所述的方法，所述提供至少一个信号源包括提供至少一个激光信号源。
21.根据权利要求19所述的方法，所述的发射和接收包含提供一组多点无线天线的发射和接收。
22.根据权利要求20所述的方法，所述的发射和接收是指提供光学天线的发射和接收。
23.根据权利要求22所述的方法，所述的发射和接收是指提供一个或多个多模耦合光学天线的发射和接收。
24.根据权利要求22所述的方法，所述的的发射和接收包括通过一组多模耦合光学天线的发射和接收。
25.根据权利要求18所述的方法，包含源于上述解调器的多模耦合输出；多路传输该多模耦合输出；多路分离上述调制解调器的输出；解耦和传送输出从多路分离状态至多个解调器。
26.根据权利要求25所述的方法，包括对上述至少一个信号源的间接调制。
27.根据权利要求17所述的方法，所述的的发射和接收包括对至少一个光纤电缆的发射和接收。
28.根据权利要求17所述的方法，所述的传送和接收包括对一组光纤电缆的发射和接收。
全文摘要
本发明公开了一种系统和方法，在无需增加信号功率的情况下，使无线射频、光学无线和光导纤维数字传输连接的带宽利用率得以提高并可增强数据传输性能。同时无须额外的信号带宽或功率，在传输过程中利用带宽有效时空编码实现纠错，通过带宽有效时空调制的应用，可大幅度提高数据信息吞吐量。由时空编码器、射频源、带宽有效时空调制器和功率放大器，以及一些传输设备可共同应用到射频无线、光学无线波分复用(WDM)和光导纤维中，其中这些传输设备包含有一个或多个天线，多点天线，多模天线或一些传输电缆等。在接收端，该方法可逆。
文档编号H04L1/06GK1685644SQ03818063
公开日2005年10月19日 申请日期2003年6月16日 优先权日2002年8月1日
发明者庐·维克多·义民 申请人:庐·维克多·义民