一种应用于多带正交频分复用超宽带的IFFT/FFT处理器

doi:10.3969/j.issn.1000-0801.2009.02.022

摘要/Abstract

摘要：

针对多带正交频分复用超宽带（MB-OFDM UWB）系统，提出了一种高吞吐量、混合字长、混合基、4并行数据路径的128点IFFT/FFT处理器结构。该处理器采用具有误差补偿的改进Booth定长乘法器和CSD常量乘法器，有效地提高了精度和减少了硬件的复杂度。通过分析，本方案比混合基多路径延迟反馈（MRMDF）结构减少了49%的乘法器资源，在硬件开销相当的情况下，比双并行数据路径结构减少了30%的存储器资源和提高了33%的吞吐量，使该处理器在精度、硬件开销和速度上做了最好的折衷。在0.18 μm COMS工艺下，该处理器的最大工作频率达到300 MHz，吞吐量为1.2 Gsamples/s，满足了吉比特无线个人域网络（WPAN）的要求。

关键词: 多带正交频分复用, 超宽带, IFFT/FFT, 无线个人域网络

Abstract:

This paper presents a high-throughput,hybrid word-length,mixed-radix,four-parallel data-path 128-point FFT/IFFT processor for MB-OFDM ultrawideband（UWB）systems.The proposed processor uses an error compensation method for modified booth fixed-width multipliers and canonic signed digit（CSD）multipliers,which leads to higher precision and lower hardware complexity.From analysis,it is shown that the proposed architecture can save 49% multipliers utilizations compared to MRMDF architecture,additional our proposed architecture can save 30% memory resource and be increased by 33% throughput rate compared to the two- parallel data-path architecture under the same hardware cost.So it makes the best balance of the precision,the hardware cost and the speed.Also,ours processor is designed using 0.18 μm COMS process with a throughput rate of up to 1.2 Gsample/s at 300 MHz,which meets the requirements for gigabit WPAN.

Key words: MB-OFDM, UWB, IFFT/FFT, WPAN

梁华国,覃敏东,欧阳一鸣. 一种应用于多带正交频分复用超宽带的IFFT/FFT处理器[J]. 电信科学, 2009, 1(2): 90-95.

Huaguo Liang,Mindong Tan,YangYiming Ou. A FFT/IFFT Processor for MB-OFDM UWB Applications[J]. Telecommunications Science, 2009, 1(2): 90-95.

图/表 7

图1

图2

图3

图4

图5

图6

表1

参考文献 11

1	ISO/IEC 26907. 2007（E）Information technology—telecommunications ＆ information exchange between systems-high rate ultra wideband PHY and MAC standard, Mar 2007
2	Yuan Chen , Yu Chi Tsao , Yu Weilin . An indexed-scaling pipelined FFT processor for OFDM-based WPAN applications. IEEE Transactions on Circuits and Systems, 2008,55（2）:146～150
3	Mathew J , Maharatna K , Pradhan D K . A low power 128-pt implementation of FFT/IFFT for high performance wireless personal area networks. Research in Microelectronics and Electronics, 2006（6）
4	Lin Y W , Liu H Y , Lee C Y . A 1-AS/s FFT/IFFT processor for UWB applications. IEEE J Solid-State Circults, 2005,40（8）:1726～1735
5	Hanho Lee , Minhyyeok Shin . A high-speed low-complexity two-parallel radix-FFT processor for UWB application.In: IEEE Asian Solid-State Circuits Conference（ASSCCˊ07）, Nov 2007
6	Wold E H , Despain A M . Pipeline and parallel-pipeline FFT processors for VLSI implementation. IEEE Transactions on Computers, 1984,33（5）:414～426
7	Jia L , Gao Y , Isoaho J , Tenhunen H . A new VLSI-oriented FFT algorithm and implementation.In: Proc 11th Annu IEEE Int ASIC Conf, Sep 1998
8	Cho K J , Lee K C , Chung J G , et al . Design of low-error fixed-width modified booth multiplier. IEEE Transactions on Very Large Scale Integr（VLSI）, 2004,12（5）:522～531
9	Kim S M , Chung J G , Parhi K K . Low error fixed-width CSD multiplier with efficient sign extension. IEEE Transactions on Circuits and System-II, 2003,50（12）
10	Junq Yeol Oh , Myoung-seob Lim . Aera and power efficient pipeline FFT algorithm.In: Signal Processing Systems Design and Implementation, 2005
11	Lee J , Lee H , Cho S I , et al . A high-speed low-complexity radix-FFT processor for MB-OFDM UWB systems. IEEE Inter Symp on Circuits and Systems, 2006（5）:4719～4722

	R-2³/R-4²	R-2⁴SDF^[6]	R-2⁴SDF^[11]	MRMDF^[4]
存储器资源	2 336 bit（100%）	3 040 bit（130%）	3 800 bit（163%）	2 480 bit（106%）
复数乘法器数量	2+1（100%）	2+0.41（80%）	2+0.41（80%）	2+4×0.62（149%）
复数加法器数量	40（100%）	28（70%）	28（70%）	48（120%）
数据路径数	4	2	2	4
字长	8/10 bit	8 bit	10 bit	10 bit
总门数（未包含存储器）	57 000	58 000	85 000	—
时钟频率	300 MHz	450 MHz	400 MHz	250 MHz
吞吐量（R为时钟频率）	4R（1.2 Gsample/s）	2R（900 Msample/s）	2R（800 Msample/s）	4R（1 Gsample/s）
SQNR	27.8 dB	27 dB	27 dB	—

[1]	刘建国, 渠灏, 黄红明, 朱智丹. IPv6+智能骨干网络技术研究[J]. 电信科学, 2023, 39(5): 155-166.
[2]	孙宏伟, 曹雪虹, 焦良葆, 孟琳, 刘子恒, 袁枫. DS-TWR算法室内定位批量测距系统的优化研究[J]. 电信科学, 2022, 38(1): 73-82.
[3]	黄晶晶. 体域网中一种基于无线信道特征的密钥生成方法研究[J]. 电信科学, 2021, 37(12): 32-41.
[4]	赵红梅,赵杰磊. 超宽带室内定位算法综述[J]. 电信科学, 2018, 34(9): 130-142.
[5]	张衍志,叶小琴. WSN中基于周期性超宽带距离信息的女巫攻击检测[J]. 电信科学, 2016, 32(8): 110-117.
[6]	姜全泽,来志远,陈方荣. 超宽带CMNet城域网优化组网策略[J]. 电信科学, 2013, 29(4): 131-140.
[7]	欧亮,阮科,朱永庆,邹洁. 超宽带网络环境下的一体化自助指配技术研究[J]. 电信科学, 2012, 28(1): 17-21.
[8]	刘国荣,刘东鑫,沈军,金华敏. 超宽带网络异常流量检测与防治技术探析[J]. 电信科学, 2012, 28(1): 22-25.
[9]	. 超宽带网络异常流量检测与防治技术探析[J]. 电信科学, 2012, 28(1): 26-29.
[10]	蔡康,唐宏,朱永庆. 超宽带城域网架构设计思路和关键技术浅析[J]. 电信科学, 2012, 28(1): 5-9.
[11]	欧亮,阮科,朱永庆,邹洁. 超宽带网络环境下的一体化自助指配技术研究[J]. 电信科学, 2012, 28(1): 21-25.
[12]	赵红梅,田向,路立平. 一种新型平面超宽带天线的设计[J]. 电信科学, 2011, 27(8): 74-78.
[13]	赵亮,刘双平,金梁,陈金玉. 超宽带系统的功率谱密度限制问题研究[J]. 电信科学, 2011, 27(2): 34-39.
[14]	黄斌,徐英欣. 新型超宽带微带阵列天线分析设计@[J]. 电信科学, 2010, 26(5): 96-99.
[15]	周金,赵启大. 基于多啁啾波形的超宽带多址系统的研究[J]. 电信科学, 2009, 25(3): 59-63.