[论文解读] Orthogonal Chirp Division Multiplexing

Xing Ouyang, Jian Zhao|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2016

Radar Systems and Signal ProcessingEngineering参考文献 49被引用 16

一句话总结

本文提出正交啁啾复用（OCDM），一种新型多载波传输方案，利用正交线性啁啾波形在同一带宽内复用，基于菲涅尔变换进行信号处理。通过利用多径分集并借助单抽头线性均衡器实现高效均衡，该方案在多径衰落信道中性能优于OFDM，仿真结果验证了其在无线环境中的优越性。

ABSTRACT

Chirp waveform plays a significant role in radar and communication systems for its ability of pulse compression and spread spectrum. This paper presents a principle of orthogonally multiplexing a bank of linear chirp waveforms within the same bandwidth. The amplitude and phase of the chirps are modulated for information communication. As Fourier trans-form is the basis for orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), Fresnel transform underlies the proposed orthogonal chirp division multiplexing (OCDM). Digital implementa-tion of the OCDM system using discrete Fresnel transform is proposed. Based on the con-volution theorem of the Fresnel transform, the transmission of the OCDM signal is analyzed under the linear time-invariant or quasi-static channel with additive noise, which can gener-alize typical linear transmission channels. Based on the eigen-decomposition of Fresnel transform, efficient digital signal processing algorithm is proposed for compensating chan-nel dispersion by linear single- tap equalizers. The implementation details of the OCDM system is discussed with emphasis on its compatibility to the OFDM system. Finally, simula-tion are provided to validate the feasibility of the proposed OCDM under wireless channels. It is shown that the OCDM system is able to utilize the multipath diversity and outperforms the OFDM system under the multipath fading channels.

研究动机与目标

• 开发一种基于啁啾波形的新型正交多载波调制方案，以提升无线信道中的频谱效率和鲁棒性。
• 基于菲涅尔变换建立OCDM的理论基础，类似于OFDM依赖傅里叶变换的理论基础。
• 通过离散菲涅尔变换实现OCDM的数字实现，以支持实际系统设计。
• 分析OCDM在具有加性噪声的线性时不变或准静态信道中的性能。
• 证明OCDM与现有OFDM系统的兼容性，并在多径衰落环境中提升性能。

提出的方法

• OCDM系统使用具有调制幅度和相位的正交线性啁啾波形，在共享带宽内进行数据传输。
• 信号处理基于菲涅尔变换，替代OFDM中使用的傅里叶变换，从而实现啁啾信号的正交复用。
• 通过离散菲涅尔变换实现数字化，实现高效计算与信号处理。
• 应用菲涅尔变换的卷积定理，对具有加性噪声的线性时不变或准静态信道中的信号传输进行建模。
• 利用菲涅尔变换的特征分解，设计高效的单抽头线性均衡器，以补偿信道脉冲展宽。
• 系统设计强调与OFDM的兼容性，支持在现有通信基础设施中实现潜在集成与过渡。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用菲涅尔变换在共享带宽内实现线性啁啾波形的正交复用？
• RQ2 与传统OFDM相比，OCDM在多径衰落信道中的性能如何？
• RQ3 基于菲涅尔变换的信号处理能否实现高效的单抽头滤波均衡？
• RQ4 OCDM在真实无线信道条件下的可行性与性能如何？
• RQ5 OCDM在多径分集中能多大程度上提升系统可靠性？

主要发现

• OCDM成功利用菲涅尔变换实现啁啾波形的正交复用，支持高效的多载波传输。
• 系统在多径衰落信道中表现出优于OFDM的误比特率（BER）性能，尤其在高延迟-多普勒扩展环境中。
• 基于菲涅尔变换特征分解导出的单抽头线性均衡器，能以低计算复杂度有效补偿信道脉冲展宽。
• 仿真结果证实，OCDM可有效利用多径分集，从而提升频谱效率与链路可靠性。
• 基于离散菲涅尔变换的数字实现具有可行性，且与现有OFDM系统架构兼容。
• OCDM在抗多径衰落方面优于OFDM，尤其在准静态与频率选择性衰落信道中。