The performance of Zak-OTFS modulation is critically dependent on the choice of the delay-Doppler (DD) domain pulse shaping filter. The design of pulses for $L^2(\mathbb{R})$ is constrained by the Balian-Low Theorem, which imposes an inescapable trade-off between time-frequency localization and orthogonality for spectrally efficient systems. In Zak-OTFS, this trade-off requires balancing the need for localization for input/output (I/O) relation estimation with the need for orthogonality for reliable data detection when operating without time or bandwidth expansion. The well-known sinc and Gaussian pulse shapes represent the canonical extremes of this trade-off, while composite constructions such as the Gaussian-sinc (GS) pulse shape offer a good compromise. In this work, we propose a systematic DD pulse design framework for Zak-OTFS that expresses the pulse as a linear combination of Hermite basis functions. We obtain the optimal coefficients for the Hermite basis functions that minimize the inter-symbol interference (ISI) energy at the DD sampling points by solving a constrained optimization problem via singular value decomposition. For the proposed class of Hermite pulses, we derive closed-form expressions for the I/O relation and noise covariance in Zak-OTFS. Simulation results of Zak-OTFS with embedded pilot and model-free I/O relation estimation in Vehicular-A channels with fractional DDs demonstrate that the optimized pulse shape achieves a bit error rate performance that is significantly superior compared to those of the canonical sinc and Gaussian pulses and is on par with that of the state-of-the-art GS pulse, validating the proposed framework which provides greater design flexibility in terms of control of ISI and sidelobe energies.


翻译:Zak-OTFS调制的性能关键取决于时延-多普勒域脉冲成形滤波器的选择。针对$L^2(\mathbb{R})$的脉冲设计受到Balian-Low定理的约束,该定理为频谱高效系统强加了时频局部化与正交性之间不可避免的权衡。在Zak-OTFS中,这种权衡要求在无需时域或带宽扩展的条件下,平衡输入/输出关系估计所需的局部化与可靠数据检测所需的正交性。众所周知的sinc和高斯脉冲形状代表了这种权衡的两个典型极端,而诸如高斯-sinc复合脉冲等构造则提供了良好的折中方案。本文提出了一种用于Zak-OTFS的系统性时延-多普勒脉冲设计框架,该框架将脉冲表达为埃尔米特基函数的线性组合。通过奇异值分解求解约束优化问题,我们获得了使时延-多普勒采样点处符号间干扰能量最小化的埃尔米特基函数最优系数。针对所提出的埃尔米特脉冲类,我们推导了Zak-OTFS中输入/输出关系与噪声协方差的闭式表达式。在具有分数时延-多普勒的Vehicular-A信道中,对嵌入导频且采用无模型输入/输出关系估计的Zak-OTFS进行仿真,结果表明优化后的脉冲形状实现了显著优于经典sinc与高斯脉冲的误码率性能,并与最先进的高斯-sinc脉冲性能相当,从而验证了所提框架的有效性。该框架在控制符号间干扰和旁瓣能量方面提供了更大的设计灵活性。

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