空间调制(spatial modulation)
空间光调制器的工作原理及其在信息光学中的应用
空间光调制器的工作原理及其在信息光学中的应用空间光调制器（Spatial Light Modulator，简称SLM）是信息光学领域中重要的一种设备，具有广泛的应用。
本文将介绍空间光调制器的工作原理，并阐述其在信息光学中的应用。
一、空间光调制器的工作原理空间光调制器是一种能够调整光波相位、振幅或偏振等参数的光电器件。
其基本构成包括光电转换器件和控制电路。
常见的空间光调制器有液晶空间光调制器（LC-SLM）和远红外空间光调制器（IR-SLM）等。
液晶空间光调制器利用液晶分子的旋转改变光波的偏振态，从而实现对光波的调制。
其结构包括透明电极、透明基底、液晶层等。
透明电极通过外加电压改变电场，从而改变液晶分子的旋转程度，进而改变波片的相位差。
远红外空间光调制器则是利用半导体材料的特性，通过改变电压来控制光波的相位、振幅等参数。
它在远红外波段（10μm-100μm）具有较好的响应特性，并被广泛应用于红外成像、光谱分析等领域。
二、空间光调制器在信息光学中的应用1. 相位调制空间光调制器可以通过改变光波的相位差来实现相位调制。
相位调制可用于全息成像、光学信息处理等领域。
例如，在数字全息术中，利用空间光调制器可以将三维物体信息编码到二维的全息图中，实现对物体的三维重建。
2. 模拟光学系统空间光调制器可用于模拟光学系统的构建。
通过控制空间光调制器的参数，如相位、振幅等，可以模拟各种光学元件的功能。
这对于系统性能分析、光学设计和优化等方面有着重要作用。
3. 光波前校正在自适应光学系统中，空间光调制器可以用于补偿光束的像差，提高图像的清晰度和分辨率。
通过改变光波的相位和振幅分布，空间光调制器可以实现对光场的调整，从而实现补偿效果。
4. 光通信与信息传输空间光调制器在光通信与信息传输中有广泛应用。
利用空间光调制器可以实现光信号的调制、解调和编码等功能。
同时，空间光调制器也可用于光纤通信中的信号调整、波前整形等。
5. 光学陷阱与操控空间光调制器还可用于构建光学陷阱。
空间光调制器实现相位调制的原理
空间光调制器的基本原理空间光调制器（Spatial Light Modulator，简称SLM）是一种用于控制光波相位的装置。
它利用特殊的光学材料（如液晶、单晶硅等）和电调制技术，通过改变材料中的折射率或光的吸收特性来实现对光波相位的调制。
这样，可以对光波进行相位调制，并实现包括干涉、衍射、全息等光学功能。
空间光调制器通过改变光的相位，可以控制光波传输的方向、强度、波前形状等参数，广泛应用于光学通信、光学显示、光学信息处理、全息成像等领域。
空间光调制器主要有两种类型：液晶空间光调制器（Liquid Crystal Spatial Light Modulator，简称LC-SLM）和单晶硅空间光调制器（Silicon SpatialLight Modulator，简称Si-SLM）。
以下将分别介绍它们的工作原理。
液晶空间光调制器（LC-SLM）的工作原理液晶空间光调制器由液晶材料、玻璃基板、透明电极、控制电路等组成。
液晶材料是一种具有自发偏振性质的有机分子，可通过外加电场改变其取向，从而改变其光学性质。
液晶材料的取向状态可以分为平行（平面向列型）和垂直（逆锥型）两种。
液晶空间光调制器通常采用平行取向的液晶材料，使光波经过液晶层时，被液晶材料的分子沿着相同的方向旋转一定的角度，从而改变光波的相位。
液晶空间光调制器的原理可以分为两个步骤，即电场调制和光学调制。
1.电场调制液晶空间光调制器的玻璃基板上覆盖有透明电极，通过外加电压激发电场，使液晶材料的分子取向发生变化。
当液晶层中没有电场时，液晶分子呈现无序排列，电场激发后，液晶分子趋向于沿着电场方向旋转。
这种液晶分子的取向可以通过控制电场的大小、方向和施加时间来实现，从而实现对光波相位的调制。
2.光学调制当外加电场产生后，液晶材料的折射率发生改变。
当光波通过液晶层时，会受到液晶材料的折射率差异影响，从而引起相位的改变。
液晶空间光调制器通过控制电场，实现对光波相位的调制，具体来说，可以通过调整电场强度和方向来改变液晶层中的折射率分布，进而改变光波的相位分布。
光通信网络中的时空编码与调制技术研究
光通信网络中的时空编码与调制技术研究随着数字通信技术的发展和广泛应用，光通信网络作为一种高带宽、远距离传输的重要手段，正受到越来越多的关注。
在光通信网络中，提高信号传输速率和抗噪能力是一项重要的研究方向。
时空编码与调制技术作为光通信网络中的关键技术之一，可以有效提高信号的传输效率和可靠性。
本文将深入探讨光通信网络中的时空编码与调制技术的研究进展和应用。
时空编码与调制技术是指通过利用时分、空分、时空分复用等技术，将信息在三维空间进行编码与调制，以提高信号传输速率和抗干扰能力的一种技术手段。
时空编码与调制技术通过优化光传输信道的利用率，减小传输过程中的信道损耗，提高光纤传输容量和速率。
这对于满足现代通信对大容量高速率传输的需求具有重要的意义。
光通信网络中的时空编码与调制技术主要包括空间调制多路复用（Spatial Modulation, SM）、时空编码（Space-Time Coding, STC）和空时调制（Space-Time Modulation, STM）等。
SM技术通过利用天线阵列构建多个发射机，将信息以空间位置进行编码与调制，从而提高信号传输率。
STC技术则通过在时域和空域上进行编码，实现对信号的编码与调制，从而提高信号的可靠性和稳定性。
STM技术则结合了空时编码和空间调制的优点，通过将信息以空时矩阵形式进行编码与调制，从而达到更高的传输速率。
在光通信网络中的时空编码与调制技术研究中，不仅需要考虑如何设计合适的编码与调制方案，还需要关注噪声对传输性能的影响、时空编码与调制技术的可行性、算法的复杂度等问题。
同时，时空编码与调制技术的应用也面临着一系列的挑战和限制。
例如，如何减小信号传输过程中的误码率、如何提高信号传输速率和容量、如何降低成本和能耗等问题。
近年来，随着光通信技术的不断发展，光通信网络中的时空编码与调制技术研究取得了重要进展。
研究者们提出了许多创新的时空编码与调制方案，并在实际系统中验证了其有效性和可行性。
基于球形译码的广义空间调制信号检测算法研究
摘要多输入多输出（Multiple Input Multiple Output, MIMO）技术能够在不增加系统发射功率和信道带宽的同时，有效提高系统容量和可靠性，因此成为无线通信技术中研究的热点。
空间复用（Spatial Multiplexed）技术和空间调制（Spatial Modulation, SM）技术是MIMO技术的两个重要的研究方向。
空间复用技术具有较高的信道容量，但信道间干扰（Inter Channel Interference, ICI）严重，系统接收机检测复杂度高等。
空间调制技术引入了空间维度来提升频谱效率，与传统MIMO 技术相比，可以有效避免信道间干扰，同时发送端仅需一个射频链路，且接收端检测复杂度低。
但SM技术也存在一定问题，比如频谱效率提升有限、对发送天线数量有一定要求等。
空间复用广义空间调制（Spatially Multiplexed Generalized Spatial Modulation, SMu-GSM）技术结合了空间复用和空间调制技术，将发送信息映射为空间信息和符号信息，激活的多根天线发送多路独立数据，具有空间复用技术频谱效率高的特点，同时减小了信道间干扰。
论文主要对SMu-GSM系统中的信号检测算法进行研究，重点研究球形译码（Sphere Decoding, SD）检测算法。
论文首先对经典SD算法的检测过程进行研究分析，然后针对经典SD检测算法搜索半径收敛较慢、搜索过程存在计算冗余等问题，在SMu-GSM系统中提出了几种低复杂度的改进球形译码检测算法。
论文主要的研究工作及成果归纳如下：①分析研究经典球形译码检测算法Tx-SD与Rx-SD，并将其应用到SMu-GSM 系统中；②针对经典球形译码的搜索过程中搜索半径收敛较慢的问题，提出一种基于排序的半径迭代球形译码检测算法S-SD；③针对经典球形译码搜索过程中存在大量计算冗余的问题，提出一种基于树搜索的球形译码检测算法T-SD，算法构造一个多叉树模型对候选解向量集合中的重复元素进行合并，减少了搜索过程中的冗余计算；④T-SD中仍然存在较多的重复元素，为了进一步充分减少冗余计算，提出一种基于路径搜索的球形译码检测算法P-SD。
广义空间调制MIMO系统的优化检测算法
广义空间调制MIMO系统的优化检测算法佚名【摘要】针对大规模多输入输出(multiple-input multiple-output,MIMO)系统中采用广义空阎调制(generalized spatial modulation,GSM)时信号检测复杂度过高的问题,提出一种新型天线分组激活方案.该方案首先需将发送天线分组激活,得到天线索引备选集,然后把天线组合符号按质量因子大小进行排序,最后遵循可信度判断准则进行量化判决检测,以此得到最佳的检测结果.相较于传统算法,所提出的检测算法避免了对信号空间的遍历搜索,在大规模天线系统下的性能更加优异.计算和仿真结果表明,本文提出的算法具有复杂度低、误码率低的特点,在采用广义空间调制的通信系统中具有较高的工程应用价值.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2018(033)006【总页数】7页(P664-670)【关键词】广义空间调制;信号检测;天线分组激活;量化判决【正文语种】中文【中图分类】TN911.3引言空间调制(spatial modulation, SM)作为一种创新型的低复杂度多输入多输出(multiple-input multiple-output, MIMO)技术,由Melsh等人[1-2]提出. 该技术解决了MIMO系统中存在的发射天线间同步与信道间干扰等问题,同时拥有更高的传输速率[3]. 然而SM系统在每个符号传输过程中,只有一根发射天线被激活, 这就导致在大规模收发天线的场景下,SM系统速率的提升并不明显.为了有效解决SM系统的固有局限,广义空间调制(generalized spatial modulation, GSM)技术研究逐步开展[4]. 相较于SM系统在每个符号传输过程中只有一根发射天线被激活,GSM系统激活天线数目可以是任意的[5],所以激活天线索引由此转变为激活天线组合索引. 这使得大规模MIMO系统的天线数量优势得以充分发挥,因此可以达到更高的传输速率[6]. 由此可见,GSM系统提升频谱效率的本质[7],源自空间复用增益和额外的空间域容量增益两个方面.在GSM系统中存在一个范围更大的信号空间搜索域,这是接收端需要检测所有的激活天线组合所致. 因此GSM系统低复杂度接收机的设计,又受限于过多的系统收发天线. 目前研究存在的问题是,在保证GSM系统所带来的空间域增益的同时如何克服其高复杂度的弊端. 在不考虑计算复杂度的情况下,最大似然(maximum likelihood, ML)算法是目前性能最佳的检测算法,但在工程应用中是不切实际的. 所以,性能接近ML的一系列低复杂度检测算法不断被提出. 例如改进的排序块最小均方误差 (improved ordered-block minimum mean squared error, IOB-MMSE) 算法以及低复杂度最大似然(low complexity maximum likelihood, LC-ML)算法等. 其目的都是逼近最优性能,同时尽可能地降低计算复杂度.由于GSM系统的复杂度随发射天线数目和调制阶数呈指数型上升趋势,本文提出一种次优的检测算法来平衡计算复杂度与检测性能. 通过将发送天线按指定数目进行分组后激活,从而获得一个天线分组信息,这样可以避免天线数目过大时激活天线组合数量也过于庞大,而且尽可能遍历已有的发射天线,充分利用大规模MIMO系统所带来的空间分集增益. 接收端在进行信号检测时,需将天线组合符号按质量因子大小进行排序,最后遵循可信度判断准则进行量化判决检测,以此得到最佳的检测结果. 通过计算分析和仿真,所提出的检测算法更适用于大规模MIMO-GSM系统.1 系统模型图1所示为系统参考模型,选用正交幅度调制(quadrature amplitude modulation, M-QAM)方式. 给定GSM系统的发射天线为Nt根,接收天线为Nr根. 在每个时隙中,发射天线激活的数量为Na(2≤Na≤Nt)根,所以激活天线组合有种可能. 由文献[8]可知,这些激活天线组合中包含部分非法情况,只有种组合被允许. 其中lb为log2的简写形式(以下公式中皆由其表示);[x]为向下取整函数,所以部分天线组合信息被舍弃了.图1 MIMO-GSM系统模型Fig.1 MIMO-GSM system model考虑到收发天线数目较少,以往的很多研究论文如文献[8-11],习惯性地把每个时隙传输的信息比特分为两个部分:天线索引调制比特与星座符号调制比特. 首先,个符号作为天线索引调制比特,由已选择的Na根激活天线组合决定. b2=Nalb M个符号作为星座符号调制比特(M为调制阶数),用来产生星座符号矢量:s=[s1,s2,…,sNa]T,(s1,s2,…,sNa∈s).(1)式中s为调制方式为M-QAM的星座点集合. 因此,各时隙内所传输的信息比特长度为(2)文献[11]中提到对发送天线进行分组激活,但却没有充分利用“分组”这一有效信息. 特别地,本文在此引入b11=lb n作为天线分组信息比特,其中n为天线分组总数(n为2的整数次幂);并给定为第k组发射天线数目,且需保证Nt能被n整除). 因此,天线索引调制比特变更为最终每个时隙内所传输信息比特的长度变更为B2 =b11+b12+b2(3)由公式(3)可以看出,将发送天线按一定数目进行分组后多了一个天线分组信息,该分组信息n可以调制lb n个信息比特. 并且,天线激活组合总数由降低为由此发送端的信号空间复杂度得到了降低,且取决于天线分组的数量这样做会换来系统容量的提升,但同时会增加接收端信号检测的压力,需要我们在接收端做相应的算法改进. 假定信道H是维无线瑞利衰落信道,中的子向量满足均值为0、方差为1的复高斯分布. 因此,调制后的符号向量通过信道矩阵H后,接收信号y可表达为y=Hxk+n.(4)式中: k为天线组号;n表示方差为的加性高斯白噪声(additive white gaussian noise, AWGN).由文献[9]知,接收机检测输出为(5)式中Na维调制符号向量s,构成发送信号向量集合Q=sNa×1.激活天线组合I对应的Na列子向量hiNa,构成信道矩阵HI=(hi1,hi2,…,hiNa). Γ={I1,I2,…,IN},Ii表示第i个天线组合,且i∈{1,…,N},N为激活天线组合总数.式(5)中最优解的获取,需通过ML检测算法对发送信号向量空间的遍历搜索.2 提出的检测算法文献[12]提到的一种改进IOB-MMSE能够逼近ML检测性能并且降低了检测复杂度,但其性能只局限于低阶QAM调制系统和收发天线较少的场景,并不适用于大规模MIMO-GSM系统. 因此,为了能够克服该算法自身存在的缺陷,同时保证接收机较低的检测复杂度,提出一种广义空间调制中MIMO系统的优化检测算法.2.1 基于ML优化的天线组合排序考虑到信道状态信息(channel state information, CSI)已知,即信道矩阵HIi已求得的情况下,在接收端进行信号检测,得到的信息符号估计值为(6)式中为信道伪逆矩阵.令(7)则式(5)中距离度量值(8)可写成(9)该公式可说明天线组合Ii决定了距离度量值的大小. 又由Pythagoras定理可知:=‖PHIiy‖2+‖(INr-PHIi)y‖2.(10)对于接收端接收到的信号向量y,可认为是一个定值. 所以若要使式(10)中距离度量值最小,则等价于使最大. 这也可以理解成当接收到的信号一定,检测出发送信号的质量越好,那么误差也就越小.这里,人为定义一种质量因子qi=‖PHIiy‖2=yHPHIiy,(11)以此来衡量所有天线组合对应接收信号质量的好坏.通过式(11),将计算得到的质量因子qi构成集合Q=[q1,q2,…,qN](N为激活天线组合总数),最后降序排列得到结果即[u1,u2,…,uN]=arg sort(Q).(12)式中:sort()表示降序排列操作;u1和uN分别表示天线组合中所对应的最大和最小的质量因子.这里,质量因子越大只能说明其对应的某组激活天线可能性越大,并不能直接判定就是该组天线组合,还需进行星座符号联合检测,从而更好地确定天线组合索引.2.2 基于ML量化判决的符号检测若以上算法已将天线组合按照质量因子大小进行排序,天线组合Iuj的可能性排序也就给定了,式(5)因而可简化为j∈{1,2,…,N}.(13)其中,通过已知信道矩阵HIi中的各分量可以求得(14)由于存在噪声等干扰的影响,并非最终检测结果因此,还需利用M-QAM调制信号实部与虚部的独立性,最终确定检测结果[13].图2是以16-QAM为例的星座点划分示意图,黑色圆点代表标准星座映射点,虚线代表二维平面中的符号量化解调边界. 按照式(13)中的ML准则可确定这一解调界线,其基本步骤是将求得的符号通过解调界限,量化判决成相应的星座点,依照ML准则消除干扰噪声,并最终输出检测符号这里先要区分已求得的具体落在哪个量化区域内,才能将其判决成对应的星座点.图2 16-QAM星座点划分示意图Fig.2 16-QAM divided constellation points diagram根据16-QAM星座调制公式j(1-2b(i+1))(2-(1-2b(i+3)))],(15)为了计算方便且不影响输出结果,系数将被统一舍去.所以在二维坐标平面上,量化区域被分为以下几个部分:将求得的除去其固定系数判断其实部和虚部组成的二维坐标的具体区间,最终估计得到发送信息符号代入式(5)中,进行激活天线组合索引的最大似然搜索,即有(16)对于式(16),若将所有可能的天线组合进行检测,算法的计算复杂度会过大. 这里,考虑引入门限阈值Vth,借助文献[14]中的可信度判断准则(reliability judge rule, RJR),以此衡量检测出的信号向量是否可靠. 通过化简RJR式子,可得下式:(17)根据上式中的检测误差上限值因此门限阈值可定为若‖y-hIuj时,则停止检测,输出结果此时,天线组合与符号向量分别取若‖y-hIuj时,则开始下一次的检测;若检测完集合Q中所有的天线组合,‖y-hIuj仍不能小于Vth,则将检测过程中的最小值作为结果输出.以上算法步骤总结如下:Start:initialize j=1Step 1 计算质量因子qi=yHPHIiy,then sort(qi) get 集合Q;Step 2 if j>N go to Step 5,else 计算Step 3 将求得的进行量化判决,检测出发送符号Step 4 if ‖y-hIuj go to Step 5,else j=j++ then go to Step 2;End3 复杂度和性能分析文献[13]中给出一种低复杂度最大似然(low complexity maximum likelihood, LC-ML)算法,该算法到目前为止是复杂度低、性能最接近于ML的一种检测算法,但其不足是在多天线的通信系统中复杂度过大. 本文通过将发送端天线进行分组激活,以及接收端进一步优化LC-ML检测算法,从而解决了LC-ML算法不支持多天线的问题. 以下是对所提算法与IOB-MMSE、LC-ML算法的复杂度分析和性能比较.3.1 复杂度分析考虑GSM系统中,Nt根发射天线,Nr根接收天线,N种天线激活可能,n为天线分组总数,为发射天线第k组内天线数目,每次分组激活其中的Na根发射天线,采用调制方式16-QAM. 这里,计算复杂度的统计由算法的实数乘法运算次数确定. 以下为具体的复杂度计算方式:在计算过程中,天线分组并不会增加复杂度. 计算质量因子qi=‖PHIiy‖2=y HPHIiy 时需要进行的实数乘法运算次数为计算时,因上式计算过程中其作为中间值出现,故不重复统计其复杂度;计算‖y-hIuj时,其实数乘法运算次数为6NrNavr.表1中给出本文所提算法以及参考文献[12-13]所提供的IOB-MMSE和LC-ML算法的复杂度计算公式.表1 三种算法的计算复杂度Tab.1 The computational complexity of the three algorithms算法类型计算复杂度本文所提算法4NrN+6NrNkt+4Na+2N2a+6NrNavrIOB-MMSE10NrN+6NrNt+4Na+4N2aLC-ML[6NaNr+6Na+3]Nt表2中给出两种系统模型8×8MIMO、64×8MIMO具体参数的配置.表2 系统模型的参数配置Tab.2 Parameter configuration of system model系统配置参数配置NtnNktNrNa8×8MIMO8188264×64MIMO648882为了能够更加直观地比较算法的计算复杂度,图3给出了在8×8MIMO以及典型的大规模天线系统模型64×8MIMO下,三种算法复杂度的统计和比较结果.(a) 8×8MIMO系统(a) 8×8MIMO system(b) 64×8MIMO系统(b) 64×8MIMO system图3 三种算法的复杂度比较Fig.3 Computational complexity for the three algorithms由图3的复杂度比较结果可以明显看出:IOB-MMSE算法复杂度最高,且在典型的大规模天线模型64×8MIMO下尤为显著;在8×8MIMO系统模型下,所提算法复杂度与其他两种优化算法相差不多,但在大规模天线系统64×8MIMO下,其复杂度相较于其他两者有了很大的降低. 虽然所提算法的复杂度随着检测次数Ntext的增加而增大,但都远小于LC-ML算法的计算复杂度. 因此,在64×8MIMO的系统模型下,此时给定检测次数Ntext=N,所提算法的计算复杂度约为LC-ML算法复杂度的20.5%.3.2 性能分析将本文所提算法与LC-ML、IOB-MMSE算法进行性能比较,对于不同的天线数量和不同的检测次数,其误比特率(bit error rate, BER)仿真曲线如图4和图5所示. 图4 8×8MIMO、64×8MIMO系统,三种算法的BER性能曲线比较图Fig.4 Comparison diagram of the BER performance curve of the three algorithms in 8×8MIMO 64×8MIMO图5为在8×8MIMO、64×8MIMO系统模型下,三种算法的BER仿真曲线比较. 由图可知,此时IOB-MMSE算法性能已经不太理想. 但所提算法在64×8MIMO系统模型下,都与LC-ML性能十分接近,并且计算复杂度有着大幅度的降低.图5 不同检测次数下,两种算法的BER性能曲线Fig.5 The BER performance curve of the algorithm under different detection times图5为在不同检测次数N的条件下,本文所提算法与性能最好的LC-ML算法进行BER性能比较,参数配置为64×8MIMO的大规模天线系统模型. 性能仿真结果表明,本文所提算法当检测次数Ntext=N时,其收敛速度较快且性能最接近于LC-ML算法. 注意到当BER为10-3时,Ntext=N/4、Ntext=N/8所对应的BER性能较LC-ML算法有1.65 dB、2.45 dB的损失. 虽然随着检测次数的减少导致BER性能有所下降,但获得了复杂度的有效降低. 以上仿真结果表明,本文所提算法可通过改变检测次数,在BER性能与复杂度博弈之间取得良好的平衡.4 结论MIMO-GSM系统中信号检测复杂度过高的问题,迫使研究者们不得不从各方面着手来尽可能地降低计算复杂度. 文中给出的一种新思路是将发送天线按特定数目进行分组后激活,随即增加一维天线分组信息. 这样可以充分利用大规模天线带来的空间分集增益,也能更好地缩小检测算法对于信号空间的搜索范围. 通过大规模天线系统模型下的仿真,可以看出本文提出的算法具有复杂度低、误码率低的特点,在采用广义空间调制的通信系统中具有较高的工程应用价值. 当前研究局限于16-QAM 调制方式,后续工作将针对广义空间调制中的高阶调制进行研究,以便更好地满足未来通信系统的要求.参考文献【相关文献】[1] MESLEH R, HAAS H, CHANG W A, et al. 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基于空间调制系统的星座图设计算法
基于空间调制系统的星座图设计算法陈发堂;刘燕;李玉河;赵永宽;贾东升【摘要】空间调制(SM)利用发送天线索引和发送调制符号共同承载5G发送信息,通过对SM系统的星座图进行设计,能够显著提升系统性能.为此,分析一致界理论并引入SM系统误符号率最小化准则,提出一种新的星座图设计算法.该算法得到的Star-QAM星座图由多个环构成,并且每个环的半径大小在系统工作之前确定,从而降低额外开销.仿真结果表明,相比传统幅度相位调制星座图,该算法设计的Star-QAM星座图可有效提升系统误码性能.【期刊名称】《计算机工程》【年(卷),期】2018(044)007【总页数】5页(P126-130)【关键词】空间调制;星座图;误符号率;幅度相位调制;频谱【作者】陈发堂;刘燕;李玉河;赵永宽;贾东升【作者单位】重庆邮电大学重庆市移动通信技术重点实验室,重庆 400065;重庆邮电大学重庆市移动通信技术重点实验室,重庆 400065;重庆邮电大学重庆市移动通信技术重点实验室,重庆 400065;重庆邮电大学重庆市移动通信技术重点实验室,重庆 400065;重庆邮电大学重庆市移动通信技术重点实验室,重庆 400065【正文语种】中文【中图分类】TN929.50 概述随着各种无线通信技术的发展，人们对数据传输速率和系统容量的要求也与日俱增。
为了满足需求，必须采用有效措施来提升系统的频谱利用率和可靠性。
空间调制（Spatial Modulation，SM）作为一种新颖的单射频的多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）方案，自提出以来便成为学者们的研究热点［1-2］。
虽然传统M IMO技术是一种无需增加额外频带资源和发射功率的多天线传输方案，但是其在传输大量数据信息时存在一些不足，主要有以下3个方面：信道间干扰（Inter-Channel Interference，ICI），天线间同步（Inter Antenna Synchronization，IAS），多个射频（Radio Frequency，RF）链路［3］。
空间光调制器 补偿像差
空间光调制器补偿像差
空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）是一种能够
调制光波相位和振幅的光学器件。
它通常用于光学和光子学领域，
包括光学通信、激光成像、光学信息处理等应用中。
通过调制光波
的相位和振幅，SLM可以实现光学信号的调制、干涉、衍射等功能，具有广泛的应用前景。
补偿像差是指在光学成像系统中，由于透镜形状、折射率不均
匀或者光线传播路径不均匀等原因导致的成像质量下降的问题。
像
差会导致成像图像模糊、畸变或者色差等现象。
为了解决像差问题，可以利用SLM来进行像差补偿。
SLM可以通过调制光波的相位和振幅来实现像差的补偿。
通过
对光波的相位进行精确调节，可以补偿由于透镜形状引起的球面像差、彗差等问题。
同时，SLM也可以利用振幅调制来实现对光波的
补偿，例如通过衍射光栅的方式来进行像差的校正。
除了像差补偿，SLM还可以用于自适应光学系统中，实现实时
调节光学系统的光学参数，从而提高成像质量和系统性能。
在光学
成像系统中，SLM的应用可以极大地提高成像质量和系统的稳定性，
对于高精度光学成像和激光系统具有重要意义。
总的来说，空间光调制器在补偿像差方面具有重要的应用意义，通过调节光波的相位和振幅，可以实现对像差的实时补偿，提高光
学成像系统的成像质量和性能。
空间光调制器原理
空间光调制器原理空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）是一种能够调制光波相位和振幅的光学器件，它在光学通信、光学信息处理、光学成像等领域有着广泛的应用。
空间光调制器的原理是基于光的干涉和衍射效应，通过对光场进行调制，实现对光波的控制和调整。
本文将从空间光调制器的基本原理、工作原理和应用等方面进行介绍。
空间光调制器的基本原理是利用光的干涉和衍射效应来实现对光波的调制。
在空间光调制器中，通常采用液晶、光栅、声光晶体等材料制成的光学器件，通过外加电场、声场或光场等外部激励，使得器件中的折射率、透过率或相位发生改变，从而实现对光波的调制。
这种调制方式可以实现对光波的相位、振幅、偏振等参数的调控，具有灵活性高、响应速度快等优点。
空间光调制器的工作原理是通过对光波进行局部调制，实现对光场的控制和调整。
在空间光调制器中，通过对入射光场进行空间分解，然后对分解后的光场进行局部调制，最后再将调制后的光场进行空间叠加，从而实现对整个光场的调制。
这种工作原理可以实现对光波的复杂调制，如光波的相位编码、振幅调制、空间滤波等功能。
空间光调制器在光学通信、光学信息处理、光学成像等领域有着广泛的应用。
在光学通信中，空间光调制器可以实现光波的调制和解调，提高光通信系统的传输速率和容量；在光学信息处理中，空间光调制器可以实现光波的编码、解码和处理，实现光学信息的存储和处理；在光学成像中，空间光调制器可以实现光场的调制和调整，提高成像系统的分辨率和对比度。
总之，空间光调制器是一种能够实现对光波相位和振幅调制的光学器件，它的原理是基于光的干涉和衍射效应，通过对光场进行局部调制，实现对光波的控制和调整。
空间光调制器在光学通信、光学信息处理、光学成像等领域有着广泛的应用，具有重要的科学研究和工程应用价值。
希望本文的介绍能够对空间光调制器的原理有所了解，并为相关领域的研究和应用提供一定的参考。
空间光调制器实现相位调制的原理
空间光调制器实现相位调制的原理1 引言空间光调制技术是一种利用光学元件对光进行相位、振幅或偏振等参数的调制，从而对光进行控制的技术。
空间光调制器（Spatial Light Modulator, SLM）是其中的一种重要元件，它可以通过对光场进行相位调制来实现控制。
本文将重点介绍空间光调制器实现相位调制的原理。
2 空间光调制器的种类和特点目前常用的空间光调制器主要有两种，即液晶空间光调制器和迎面法空间光调制器。
液晶空间光调制器利用液晶分子的向列性及其对偏振态的影响来实现相位、偏振及振幅的调制，具有体积小、响应快等优点；而迎面法空间光调制器则是通过控制光场的局部相位变化来实现调制，具有较宽的工作波长范围、高的控制精度等特点。
3 空间光调制器实现相位调制的原理相位调制是空间光调制技术中最为重要的一种调制方式，它利用相位控制对光场进行控制。
对于液晶空间光调制器，其相位调制的原理是利用液晶分子的向列性来实现光场的调制。
液晶分子在不同方向上具有不同的折射率，当液晶分子的向列方向产生变化时，其折射率也会发生改变，从而改变通过液晶器件的光的相位差。
因此，控制液晶分子的方向就可以实现对光的相位调制。
对于迎面法空间光调制器，其实现相位调制的原理则不同。
迎面法空间光调制器主要包括两个部分，即位于光学平面的衍射光栅和光学调制器件。
光通过衍射光栅后会产生衍射和反射两个光束，它们的光程差是由衍射光栅产生的周期性相位差引起的。
而光学调制器件则是通过改变某些区域的光程，从而改变光的相位，实现相位调制。
光学调制器件可以采用如分段菲涅尔透镜、热非均匀折射率镜、光纤光阵列、自适应光学元件等不同的方案。
4 空间光调制器相位调制的应用空间光调制技术在通信、光学成像、光学计算等领域都有广泛的应用。
在光学通信中，相位调制可以实现对光的调制和解调，从而提高通信的速率和可靠性。
在光学成像中，相位调制可以实现超分辨成像、数字全息等高级成像技术。
空间光调制器
制作：Alan
概念
基本功能：
空间光调制器的基本功能,就是提供实时或 准实时的一维或二维光学传感器件和运算器 件。在光信息处理系统中,它是系统和外界信 息交换的接口。它可以作为系统的输入器件, 也可在系统中用作变换或运算器件。作为输 入器件时,其功能主要是将待处理的原始信息 处理成系统所要求的输入形式。此时,空间光 调制器作为输入传感器,可以实现电-光转换、 串行-并行转换、非相干光-相干光转换、波长
制作： Alan
其它配件 制作：Alan
高精度纯相位LCOS显示面板
RS232数据线
DVI数据线
软件部分 制作：Alan
HOLOEYES 的调制器可以直接通过 显卡的DVI 接口连接到计算机上。空间 光调制器能如此方便使 用离不开在 windows 平台上的灵活高效的帧速率图 形卡。该空间光调制器由HOLOEYE 软 件驱动， 该软件可工作在所有版本的 windows 操作平台上。该软件能方便的 控制所有相关的图像参数， 另外，精心 设计的空间光调制器软件能实现多种光 学函数，像，光栅、透镜、轴锥体和光 圈， 并且能够根据用户设定的图像设计 衍射光学器件（DOE）。完整的套件包 括调制器、视频分配器 和图像处理的所 有相关器件。由于它小的尺寸，可以容 易的被集成到光学系统中。为保证器件 的光学质量（如：相位调制）， HOLOEYE 对每个器件都进行了测量。
That's all
谢谢倾听
制作：Alan
用。需要加载到调制器上的光学传递函数或图像信
息可直 接由光学设计软件生成，并直接可以通过 计算机加载。 空间光调制器英文名称是Spatial Light Modulator,在文献上常缩写成SLM。顾名思
义,它是一种对光波的空间分布进行调制的器件,一般地说,空间光调制器是指在信号源
空间光调制器 反射式 相位
空间光调制器反射式相位空间光调制器反射式相位空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）是一种能够对光波进行调制的光学器件。
常见的SLM有液晶、光电、MEMS等类型。
其中，反射式SLM由于具有高反射率、高分辨率、高灵敏度等特点，被广泛应用于光学领域。
本文将重点介绍反射式SLM中的相位调制。
反射式SLM中的相位调制是指通过改变SLM上的像素点的相位来实现光波的干涉和衍射。
相位调制的原理是利用SLM上的电场来改变光波的相位，从而达到对光波的调制目的。
具体来说，当电场施加到SLM上时，SLM中的像素点会发生相位变化，从而改变通过SLM 的光波的相位，进而改变光波的传播方向和强度分布。
反射式SLM中的相位调制可以应用于多种光学领域，如光学成像、光学通信、光学计算等。
其中，光学成像是应用最广泛的领域之一。
通过对SLM上不同像素点的相位进行调制，可以实现光学成像中的像移、像缩、畸变校正等功能。
例如，利用SLM相位调制技术可以实现全息照相，即通过记录物体的干涉图像来实现三维成像。
除了光学成像外，反射式SLM中的相位调制还可以应用于光学通信。
在光学通信中，相位调制可以实现光信号的调制和解调。
光信号的调制通常采用强度调制或相位调制。
相比于强度调制，相位调制具有更高的频率响应和更高的灵敏度。
此外，相位调制还可以用于实现光子处理器和量子通信等领域。
在反射式SLM中，相位调制的实现通常需要配合控制系统来实现。
控制系统可以通过计算机、DSP芯片等设备来控制SLM上各像素点的电场，从而实现相位调制。
控制系统需要具备高速、高精度和稳定性等特点，以满足不同领域对相位调制的需求。
总的来说，反射式SLM中的相位调制是一种非常重要的光学技术，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断进步，相信反射式SLM中的相位调制将会在更多的光学领域得到应用，为光学技术的发展带来新的机遇和挑战。
空间调制系统中几种关键技术的研究
空间调制系统中几种关键技术的研究空间调制(Spatial Modulation, SM)技术是一种新兴的多天线传输技术,简化了传统MIMO系统结构,降低了系统实现成本,提高了通信系统的灵活性和能耗效率,作为未来5G通信的一个关键技术,在室内可见光通信和大规模MIMO通信中具有良好的应用前景,是当前无线通信研究的热点课题。
空间调制技术也是一种全新的混合调制方式,它把信号星座扩展到空间信号星座,使系统设计更灵活,但同时带来了一些新的挑战。
对此本文较为深入地研究了空间调制系统发送端的天线选择问题、接收端的信号检测问题和多用户干扰抑制问题,主要工作包括：首先,较为深入地研究了已有的空间调制系统的检测算法,从二维矢量量化角度深入分析了已有的QAM调制信号的低复杂度最优算法,利用PSK数字调制符号的固有性质给出了与调制符号阶数无关的低复杂度最优检测算法,扩展和完善了已有空间调制低复杂度最优检测算法。
然后,分析比较了该低复杂度最优检测算法和现有检测算法的优缺点,从理论和仿真两方面证明了该算法的最优性和低计算复杂度特性。
其次,针对SM系统天线选择技术实现算法复杂度高且有性能损失的问题,本文提出了两种基于最大化-最小欧氏距离天线选择(Euclidean Distance Antenna Selection, EDAS)准则的低复杂度且BER性能最优的天线选择算法,EAQ-EDAS (Equal Amplitude and Quantization based EDAS)算法和RS-EDAS (Rotational Symmetry based EDAS)算法。
EAQ-EDAS算法是针对MPSK调制的SM系统提出的,该算法利用了MPSK调制符号的等幅度特性,并采用二维量化原理,实现了复杂度与调制阶数无关的天线选择方法,同时保持了联合搜索的EDAS算法的BER最优性。
RS-EDAS算法则是利用了调制符号的旋转对称性,降低了符号搜索空间的大小,进而降低算法的计算复杂度。
空间调制(spatial modulation)
信道阶段
• 从发射机发出的信号经过无线信道，由于 发射天线在阵列中的不同空间位置，从不 同天线发送的信号会经历不同的传播模型。 在正常情况下，只有一根天线会发送，其 他天线的功率为0.
• 无线信道给不同位置的天线加以不同（独 立）的“调制”。打上了不同的“指纹”。
接收端
• 接收端首次按必须估计四个信道的冲击响 应（ssk）
• 最近研究重点：将SM应用到MIMO场景中， 并与其它方法比较
• 挑战： • 1.无线信道的调制作用。 • 2.接受系统复杂度vs获得的性能提升
• 3.信道自适应编码 • 4.用信息论手段进行性能分析和优化 • 5.基于SM的发送分集增益 • 6.uwb辅助SM设计 • 7.SM在多跳和协同网络中应用 • 8.从理论到实践
• 根据ML规则，接收机计算接收信号和经过 信道调制的可能信号间的欧几里的距离， 然后选取距离最近的。
• 这样，所有的传送信息可以被解码出来
优势与缺陷
ADVANTAGES
• 和其他MIMO方案相比（V-BLAST和 Alamouti 时空策略），SM避免了ICI和IAS， 而且在发送端只要一个RF链。
DISADVANTAGES
• SM至少要两根发送天线 • 不同接收机到发送机之间的无线信道必须
不相关。 • 由于接受必须获得完全信道信息，信道估
计单元必须很复杂。 • SM增益是指数增长的（V-BLAST为线性增
长）
STATE OF THE ART
• 历史：“空间调制”概念早已提出，当时 是SSK，后来提出了OSDM，IGCH，SM 是最近才提出的。
其根天线会发送其接收端?接收端首次按必须估计四个信道的冲击响应ssk?根据ml规则接收机计算接收信号和经过信道调制的可能信号间的欧几里的距离信道调制的可能信号间的欧几里的距离然后选取距离最近的
介绍空间调制器脉冲整形
介绍空间调制器脉冲整形空间调制器（Spatial Modulator）是一种电子光学设备，可以对光的相位进行调制，实现高速光路信号的控制和处理。
而空间调制器脉冲整形（Spatial Modulator Pulse Shaping）则是针对特定应用场景，对空间调制器进行脉冲信号的修改和优化，以达到更高的信号质量和传输效率。
空间调制器脉冲整形技术是一种重要的光电子学技术，在光通信领域、量子计算、激光医学等领域都得到了广泛的应用。
在光通信领域，空间调制器脉冲整形可以对光信号进行时域和频域的控制，实现高速数据传输的优化。
空间调制器脉冲整形系统通常由两部分组成：高速电子数字信号发生器和空间调制器。
高速电子数字信号发生器可以对数字信号进行时域和频域的控制，生成复杂的光脉冲序列。
而空间调制器则可以将电子数字信号转换为相应的光信号，通过控制光的相位和振幅，完成光信号的整形和调制。
基于空间调制器脉冲整形技术的光传输系统具有以下优点：1. 可灵活控制光信号的时域和频域特性，提高系统的传输效率和带宽容量；2. 可以实现高速信号的调制和解调，提高光通信系统的传输速率和可靠性；3. 可用于激光加工和医疗领域，对光信号的形状和幅度进行控制，实现局部照射、定点切割和治疗等医疗操作。
不过，空间调制器脉冲整形技术也存在一些挑战和限制。
例如，空间调制器的成本较高，需要复杂的调制和控制系统；同时，脉冲整形技术对空间调制器的稳定性和响应速度有较高的要求，需要进行严格的控制和测试。
总之，空间调制器脉冲整形技术在信息光学领域具有重要的应用价值和发展潜力，将为光通信、量子计算、激光医疗等领域的进一步发展提供支持和帮助。
空间调制 原理
空间调制原理
空间调制是一种用于传输或传播信息的技术，它利用空间特性对信号进行编码和调制。
空间调制通过改变电磁波的传播特性来实现信息的传输，是一种多元调制技术，可以在一个传输信道中同时传输多个独立的信号。
在空间调制中，通常会使用电磁波的波前调制和波束赋形技术。
波前调制是通过改变波前传播的相位、振幅或极化状态来实现信息传输。
通过在传输时改变波前的相位或振幅，不同的信息可以被编码到不同的波前中，从而实现多个信息的传输。
波束赋形是通过改变辐射源的辐射特性，将能量聚焦在一个特定的方向上，从而实现信息的传输。
通过调整源的辐射特性，可以将能量聚焦在不同的方向上，每个方向上的能量可以携带不同的信息。
通过将不同方向上的能量叠加，接收端可以将多个信息同时解调出来。
空间调制还可以利用多输入多输出（MIMO）技术来进一步提
高信号传输的容量和可靠性。
MIMO技术利用多个天线同时
发送和接收信号，通过利用空间上的多径效应和信号间的相互干扰，实现了信号容量的增加。
通过调整天线之间的相对位置和信号发射和接收的时序，可以实现不同的信号编码和调制方式。
总之，空间调制通过改变电磁波的传播特性来实现信息的传输，可以同时传输多个独立的信号。
它可以利用波前调制、波束赋
形和MIMO技术来实现信号的编码和调制，有效地提高了信号传输的容量和可靠性。
增强型广义正交空间调制方案
图1 IEGQSM 系统模型
第2
相比传统 GQSM 方案中传递调制信号实部或虚 部的 AAP 都为 C(Nt,Nc)种,IEGQSM 用以传递
Nc
调制信号实部或虚部的 AAP 都为2^(∑C(Nt,i)) i=1
种。 它意味着可在空间域携带更多的比特位数。在
Nc
q ≤ Nc。 AAP 共 有 N = ∑C(Nt,i)种,其 中 i=1
C(n,m)表示取组合数。但是只有L =2log2N 可用于 调制的目的。
如图1所示,m 位数据经过串并变换然后分成长 度分别为m1、m2、m3 三部分,分别表示用以发射调制 符号实部和虚部的天线索引组合可以携带的比特数, 其中m1= m3=log2N。m2=log2M 表示调制信号可 携带的比特数。具体来说,第2部分m2 位比特,用以 选定 M 进制正交幅度调制(Maryquadratureamplitude modulation,简称 M-QAM)的信号星座点。第1部分 m1 个比特经二至十进制转换为十进制整数,再加1,选 定 AAP的序号,查表1所示的 AAP表,选定序号指定 的 AAP作为 AAPI,其中的非零元素即为天线序号,并 随后同时被激活用于发射信号星座点的实部(同相分 量)。第三 部 分 m3 位 比 特 经 过 类 似 的 过 程 选 定 AAPQ,但 AAPQ用于发射信号星座点的虚部(正交分 量)。其中 AAP表的生成方法为:1~ Nt 中取从1到 Nc个元素的所有组合,共有N 种,AAP按照元素之和 从小到大逐行排列。如前所述,IEGQSM 方案仅前L 种 AAP被利用,这是因为m1=m3 位比特所能够表示 的不同信息有2m1=2m3 种。
鉴于上述各种方案的缺点,提出2种改进方案: 独立增 强 型 广 义 正 交 空 间 调 制 (independentlyenhancedgeneralizedquadraturespatialmodulation,简 称IEGQSM)和 联 合 增 强 型 广 义 正 交 空 间 调 制 (jointly enhanced generalized quadrature spatial modulation,简称JEGQSM),以提高 GQSM 的 SE、 EE 和 SER 性能。
空间调制系统低复杂度的天线选择算法
空间调制系统低复杂度的天线选择算法门宏志;刘文龙;王楠;金明录【期刊名称】《电子学报》【年(卷),期】2016(044)006【摘要】Spatial modulation (SM)is a special multi-antenna transmission technology,where the transmit antenna index is exploited to convey information except for modulation signals.In order to obtain transmit-diversity gains,antenna selection technology is introduced in SM systems to increase its demodulation performance.In antenna selection technology, Euclidean distance antenna selection (EDAS )is widely applied.However,its exhaust-search detection has extremely high complexity,which limits its application.Thus,exploiting the characteristics of modulation symbols and 2-D quantization,two low-complexity and optimal antenna selection algorithms are proposed.The simulation results show that the proposed algo-rithms reduce the computational complexity meanwhile achieving optimal performance.%空间调制（Spatial Modulation，SM）是一种特殊的多天线传输技术，利用发送天线索引和发送的符号共同传递信息。
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STATE OF THE ART
• 历史：“空间调制”概念早已提出，当时 是SSK，后来提出了OSDM，IGCH，SM 是最近才提出的。
• 最近研究重点：将SM应用到MIMO场景中， 并与其它方法比较
• 挑战： • 1.无线信道的调制作用。 • 2.接受系统复杂度vs获得的性能提升
• 3.信道自适应编码 • 4.用信息论手段进行性能分析和优化 • 5.基于SM的发送分集增益 • 6.uwb辅助SM设计 • 7.SM在多跳和协同网络中应用 • 8.从理论到实践
• 无线信道给不同位置的天线加以不同（独 立）的“调制”。打上了不同的“指纹”。
接收端
• 接收端首次按必须估计四个信道的冲击响 应（ssk）
• 根据ML规则，接收机计算接收信号和经过 信道调制的可能信号间的欧几里的距离， 然后选取距离最近的。
• 这样，所有的传送信息可以被解码出来
优势与缺陷
ADVANTAGES
多天线的空间调制技术
综述
多天线技术(Multiple-antenna)
地位：现代无线通信的重要技术 原理：用增加系统复杂度和费用为代
价换取更好的误码率性能和数据传输 速率
应用：目前，使用多天线的传输策略 中，空间调制技术(SM)是使用最广泛 的。
• MIMO技术面临的问题及应对 • SM如何工作 • SM的优缺点 • 目前发展情况
• 和其他MIMO方案相比（V-BLAST和 Alamouti 时空策略），SM避免了ICI和IAS， 而且在发送端只要一个RF链。
• 和单天线系统相比，引入空间增益。 • 接受机设计比V-BLAST要简单，因为不存
在ICI，所以线数量小于发送天线数量情况下， SM也能获得较好性能。
MIMO技术面临的问题
• ICI(Inter-Channel Interfence) • IAS(Inter-Antenna Synchronization) • Multiple Radio Fequency chains,它将所有
信号同时传输，代价高，而且不符合摩尔 定律。 • 接收天线的数量大于发送天线数量，不经 济。
SM如何工作
• SM的基本思想是将一块信息比特映射为两 种信息——信号星座图（调制方式）和发 射天线的序号。
• 发射端通过SM映射，将比特信息映射为调 制星座图和天线序号，选择相对应的天线， 选择相对应的调制方式，打开发射天线。
信道阶段
• 从发射机发出的信号经过无线信道，由于 发射天线在阵列中的不同空间位置，从不 同天线发送的信号会经历不同的传播模型。 在正常情况下，只有一根天线会发送，其 他天线的功率为0.
• 可以工作在多址接入场景。 • 空间复用增益带来更高的容量（和stbcs比
较）。
• ssk调制可以进一步降低系统复杂度。
DISADVANTAGES
• SM至少要两根发送天线 • 不同接收机到发送机之间的无线信道必须
不相关。 • 由于接受必须获得完全信道信息，信道估
计单元必须很复杂。 • SM增益是指数增长的（V-BLAST为线性增