專利名稱：復數(shù)星座點乘法器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及通信系統(tǒng)，尤其涉及用于數(shù)字通信系統(tǒng)中的低功耗星座乘法器。
數(shù)字通信系統(tǒng)，諸如π／4差分正交相移鍵控(π／4 DQPSK)和其它各種諸如64-QAM、16-QAM的正交調(diào)幅(QAM)以及QPSK系統(tǒng)，它們要求在一個符號星座中的點與復數(shù)相乘。例如，用于限制發(fā)射信號帶寬的脈沖整形濾波器、用于同步的復相關(guān)、用于信道聲探測的自適應信道估算，都要求在該數(shù)字通信系統(tǒng)中的發(fā)射機或接收機中實現(xiàn)一個星座點與一個復數(shù)的相乘。
通常，復數(shù)相乘采用信號處理算法，它用一個普通用途的數(shù)字信號處理器上的自帶的單循環(huán)乘法器-累加器(MAC)完成。然而，一個MAC的尺寸與耗用電流較大。如果信號處理使用的是專門的專用集成電路(ASIC)，則單循環(huán)MAC從尺寸和功耗來看顯得既昂貴又浪費。
因此，需要一個在數(shù)字通信系統(tǒng)發(fā)射機或接收機中使用的乘法器，它能以低功耗和低費用來完成復數(shù)的乘法運算。


圖1畫出了一個包含一個乘法器的通信系統(tǒng)的方框圖。
圖2畫出了現(xiàn)有技術(shù)的復數(shù)乘法器的方框圖。
圖3畫出了一個能被圖1所示通信系統(tǒng)使用的例樣的符號星座。
圖4表示一個控制字與圖1所示乘法器的輸出之間的映射關(guān)系的表格，控制字表示圖3中所示的星座點。
圖5表示一個根據(jù)一個優(yōu)選實施例的用于控制四個基本操作的布爾表達式列表。
圖6畫出了一個根據(jù)優(yōu)選實施例的復數(shù)星座點乘法器的方框圖。圖7畫出了根據(jù)一個優(yōu)選實施例的圖6中所示的求2/2]]>比例器部件的方框圖。
一個復數(shù)星座點乘法器將一個復數(shù)與一個數(shù)字調(diào)制符號星座中的點相乘。需要的星座點被分配一個數(shù)字控制字。復數(shù)連接到乘法輸入節(jié)點上，而數(shù)字控制字連接到控制輸入節(jié)點上。通過邏輯門電路，控制字通過控制開關(guān)和諸如累加器、求比例器部件和求反部件等簡單算法部件，生成輸入復數(shù)與星座點相乘所得的輸出復數(shù)。通過開關(guān)、累加器、求比例器部件和求反部件的精心安置，該復數(shù)星座點乘法器的成本、尺寸和耗用電流與常規(guī)乘法器-累加器相比減小了。
圖1畫出了包括一個乘法器的通信系統(tǒng)的方框系統(tǒng)圖。所示通信系統(tǒng)100是一個無線電話，然而其它通信裝置如雙向無線電、調(diào)制解調(diào)器(MODEM)、尋呼機或類似裝置都可以作為包括一個乘法器的類似通信系統(tǒng)。
在發(fā)射機部分，一個來自麥克風105的模擬輸入信號用一個語音編碼器110和一個數(shù)字信道編碼器120處理。從信道編碼器120來的一個數(shù)字比特流進入調(diào)制器130，它包括一個乘法器135，由該乘法器135將輸入符號序列轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖。這些脈沖然后被整形并調(diào)制到一個射頻(RF)載波上。一個線性RF功率放大器140放大該調(diào)制信號，而雙工器150和天線155通過一個無線通信信道來傳輸該調(diào)制信號。
在該通信系統(tǒng)的接收機部分，天線155從一個外界通信裝置接收一個調(diào)制信號，雙工器150將信號引到RF接收機160、帶乘法器175的解調(diào)器170、信道解碼器180和語音解碼器190。揚聲器195則播放從語音解碼器190出來的基帶信號。
在這個通信系統(tǒng)100中，在調(diào)制器130中需要一個乘法器135，從而使調(diào)制器中的脈沖整形濾波器能正確地限制發(fā)射信號的帶寬。乘法器175同樣可用于解調(diào)器170中的復數(shù)相關(guān)和自適應信道估算。如果需要，可以在通信系統(tǒng)的發(fā)射機和接收機部分中使用單個乘法器。
圖2畫出了現(xiàn)有技術(shù)的復數(shù)乘法器的方框圖。這種現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)的乘法器200可以進行任何兩個復數(shù)的相乘，它可以當作圖1所示通信系統(tǒng)100中的乘法器135、175一樣使用。該現(xiàn)有技術(shù)的乘法器200有四個輸入節(jié)點210、215、220、225，四個MAC部件230、233、236、239以及兩個累加器部件250、255。第一個復數(shù)X的實部連接到節(jié)點215，復數(shù)X的虛部連接到節(jié)點210。同時，第二個復數(shù)Y的實部連接到節(jié)點225，而復數(shù)Y的虛部連接到節(jié)點220。復數(shù)X和Y的乘積復數(shù)Z從輸出節(jié)點290、295輸出，復數(shù)Z的實部從輸出節(jié)點290輸出，復數(shù)Z的虛部從輸出節(jié)點295輸出。
在該現(xiàn)有技術(shù)的乘法器的實部支路270中，MAC部件230將復數(shù)X和Y的虛部一起相乘，MAC部件233將復數(shù)X和Y的實部一起相乘，累加器部件250從MAC部件233所得到的乘積減去MAC部件230得到的乘積，以在輸出節(jié)點290生成復數(shù)Z的實部。
在該現(xiàn)有技術(shù)的乘法器的虛部支路280中，另外一個MAC部件236將復數(shù)X的實部與復數(shù)Y的虛部相乘，MAC部件239將復數(shù)Y的實部與復數(shù)X的虛部相乘。最后，累加器部件255將從MAC部件236、239所得到的乘積相加，以在輸出節(jié)點295生成乘積復數(shù)Z的虛部。
采用上述電路輸出一個有八個比特實部和虛部的復數(shù)Z時，每個時鐘周期要求超過3000個門電路。如果這些大數(shù)目門電路的MAC部件230、233、236、239能用其它配置來取代，這種現(xiàn)有技術(shù)的乘法器的門數(shù)目和耗用電流可以得到明顯的減小。
圖3畫出了一個能被圖1所示通信系統(tǒng)使用的例樣符號星座。例如一個π／4 DQPSK數(shù)字信號星座300有八個星座點351-358，其中每個星座點落在單位圓310的45度角的整數(shù)倍上。每個星座點可以分配到一個三比特的控制字，從000到111，如圖所示。則如圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)的乘法器可以簡化，因為第二個復數(shù)Y限制在一個已知的有限集合中。
圖4表示一個控制字與圖1所示乘法器的輸出之間的映射關(guān)系的表格，控制字表示圖3所示的星座點。對于任何輸入復數(shù)X=c+jd，其中c表示復數(shù)X的實部，d表示復數(shù)X的虛部。當星座點的控制字為圖3所示的a2a1a0=000時，它與復數(shù)X相乘得到的復數(shù)Z就是Z=c+jd。當不同的星座點，如控制字為a2a1a0=111的星座點與復數(shù)X相乘時，得到的復數(shù)Z為Z=(2/2)(c+d)+j(2/2)(d-c)]]>。 其它星座點相乘以后的輸出如表格所示。
從這個表格可以看出，在乘法器的實部支路或者虛部支路中需要執(zhí)行四個基本操作(c+d)、(c-d)、求2/2]]>比例以及求反。如果采用每個星座點用三個比特來表示控制字a2a1a0，該乘法器的實部支路和虛部支路的布爾表達式如圖5所示。
圖5表示一個用于控制四個基本操作的布爾表達式列表，它根據(jù)一個優(yōu)選實施例。當控制字為a1a0=1時，在乘法器的實部支路中需要函數(shù)(c+d)。當控制字為a0a1-=1]]>時，在乘法器的虛部支路中需要函數(shù)(c+d)。表格的第二行表明當a1-a0=1]]>時在實部支路中需要函數(shù)(x-y)，當a1a0=1時在虛部支路中需要函數(shù)(x-y)。第三行表明當a0=1時，在實部支路與虛部支路中都需要求2/2]]>比例函數(shù)。最后，第四行表明當a2a1=1時在實部支路中需要求反函數(shù)，而當a2=1時在虛部中需要求反函數(shù)。
在計算某個復數(shù)與某個數(shù)字調(diào)制方案的每個星座點的乘積時，通過確定需要哪個基本數(shù)學函數(shù)以及給某個有限星座點集合分配適當?shù)目刂谱?，則圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)的復數(shù)乘法器可以用一個更為簡單經(jīng)濟的復數(shù)星座點乘法器來取代。
圖6畫出了一個根據(jù)優(yōu)選實施例的復數(shù)星座點乘法器的方框圖。復數(shù)星座點乘法器600作為圖1的通信系統(tǒng)100中的乘法器135、175使用。所示的復數(shù)星座點乘法器600對于π／4 DQPSK調(diào)制方案來說是最佳的，然而該復數(shù)星座點乘法器也可以在任何QAM通信方案中實現(xiàn)。某個復數(shù)X的實部連接到被乘數(shù)輸入節(jié)點615，而復數(shù)X的虛部連接到被乘數(shù)輸入節(jié)點610。一個三比特控制字a2a1a0與圖3所示的星座點中的某一個相對應，該星座點與復數(shù)X相乘，該控制字連接到控制輸入節(jié)點620、623、626。在這個例子中，所示復數(shù)星座點乘法器的激活控制字是a2a1a0=000。與(AND)邏輯門電路602、605、607，非(NOT)邏輯門電路603、606，以及異或(XOR)(exclusive or)邏輯門電路609用控制字a2a1a0來指導圖5所示的四個基本函數(shù)的執(zhí)行，這些操作要用到開關(guān)651-658。鎖存器631、633、635、637通過在靜態(tài)條件下保持輸入字以及通過啟動同步操作來減小復數(shù)星座點乘法器的耗用電流。然而，這些鎖存器對于電路的運行不是必要的，可以將它們?nèi)サ簟?br> 開關(guān)652、655選擇復數(shù)X的實部和虛部。在復數(shù)星座點乘法器的實部支路670中，累加器650將復數(shù)X的實部與開關(guān)656來的復數(shù)X的虛部或它的反相加。用求2/2]]>比例器部件663對從累加器650來的和求它的比例值。開關(guān)657用于選擇從求比例器部件663來的比例值和或從開關(guān)655來的復數(shù)Z的某個分量。然后，開關(guān)658選擇直接從開關(guān)657輸出或從求反部件646輸出的取反結(jié)果，用于連接到輸出節(jié)點690從而生成復數(shù)Z的實部。
在虛部支路680中，累加器659將復數(shù)X的實部與復數(shù)X的虛部相加，或通過開關(guān)651進行選擇，通過求反部件641與它的反相加。和用求2/2]]>比例器部件665來求比例。開關(guān)653選擇求比例器665的輸出或從開關(guān)652來的復數(shù)Z的某個分量。最后，開關(guān)654來選擇開關(guān)653的輸出或通過求反部件643的該輸出的取反值。開關(guān)654的輸出連接到輸出節(jié)點695上，代表了復數(shù)Z的虛部，這就解釋了控制字為a2a1a0的某個被選星座點與任何一個復數(shù)X的相乘的過程。
復數(shù)星座點乘法器600可以經(jīng)修改后用于除了π／4 DQPSK以外的其它數(shù)字信號調(diào)制方案中，如64-QAM、16-QAM或QPSK。為了將π／4 DQPSK中非45度相位的相位也包括在內(nèi)，圖4所示的控制字或乘法器輸出要作一定修改。圖5中所示的基本函數(shù)在該復數(shù)星座點乘法器的控制邏輯電路配置中也需要作相應的修改。為了將幅度除了1以外的幅度也包括在內(nèi)，需要修改求2/2]]>比例器部件663、665，或在開關(guān)654、658的輸出處增加增益級。圖7畫出了圖6中所示的求2/2]]>比例器部件663、665的方框圖，它根據(jù)一個優(yōu)選實施例。在這個實施例中，無理數(shù)2/2]]>近似為0．703125。一個數(shù)字字連接到輸入節(jié)點701。移位寄存器710將輸入字的每個比特向右移動一個比特，并在最高位的地方放上零，它將該數(shù)字字求半值。同時移位寄存器720將輸入字的每個比特向右移動四個比特，并在最高位的四個比特中放上零，這可以生成大約為輸入值的十六分之一的一個輸出值。移位寄存器710、720的輸出在累加器750中相加。累加器的輸出連接到移位寄存器760上，它將每個輸入字的每個比特向右移動兩個比特，并在最高位的兩個比特中放上零，它生成的字值約為輸入字值的四分之一。移位寄存器760的輸出與累加器750的輸出用累加器770相加。這樣，在輸出節(jié)點790生成一個輸出字為節(jié)點701處的數(shù)字字值的0．703125倍的值。當然，可以用不同的移位寄存器和累加器配置實現(xiàn)求2/2]]>比例的更精確近似。該復數(shù)星座點乘法器的一個優(yōu)勢是它將有限數(shù)目的星座點映射到了數(shù)字控制字中，并用這些數(shù)字控制字來控制開關(guān)和諸如移位與相加之類的簡單算術(shù)函數(shù)。這就不需要采用圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)的復數(shù)乘法器所需的昂貴的MAC部件。因此，該復數(shù)星座點乘法器的硬件尺寸和耗用電流比圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)的復數(shù)乘法器的要小得多。然而，該復數(shù)星座點乘法器的性能與圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)的復數(shù)乘法器的性能相當。
因此，該復數(shù)星座點乘法器為常規(guī)乘法器提供了一種低成本的替代品。盡管上面描述的是該復數(shù)星座點乘法器的特定部件和函數(shù)，在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)，本技術(shù)熟練人員也可以采用更少的或其它附加的函數(shù)來實現(xiàn)該復數(shù)星座點乘法器。本發(fā)明應該只受所附權(quán)利要求書限制。
權(quán)利要求
1．一個包含一個被乘數(shù)輸入節(jié)點的乘法器，用于從包含有限個復數(shù)的集合中接收一個復數(shù)，該乘法器包括一個控制輸入節(jié)點，用于接收一個數(shù)字控制字，該控制字表示一個有限數(shù)目個點的集中的某個點；以及一個實部支路，連接到控制輸入節(jié)點和被乘數(shù)輸入節(jié)點，用于生成代表該點與該復數(shù)相乘后得到的乘積的復數(shù)的實部。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的乘法器，其中，實部支路包括一個連接到被乘數(shù)輸入節(jié)點的累加器。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的乘法器，其中，實部支路包括一個連接到被乘數(shù)輸入節(jié)點的求比例器部件。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的乘法器，其中，實部支路包括一個連接到被乘數(shù)輸入節(jié)點的求反部件。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的乘法器還包括一個虛部支路，它連接到控制輸入節(jié)點和被乘數(shù)輸入節(jié)點上，用于生成代表該點與該復數(shù)相乘后得到的乘積的復數(shù)的虛部。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的乘法器，其中，虛部支路包括一個連接到被乘數(shù)輸入節(jié)點的累加器。
7．根據(jù)權(quán)利要求5的乘法器，其中，虛部支路包括一個連接到被乘數(shù)輸入節(jié)點的求比例器部件。
8．根據(jù)權(quán)利要求5的乘法器，其中，虛部支路包括一個連接到被乘數(shù)輸入節(jié)點的求反部件。
9．一個包含一個星座乘法器的無線電話，它包括一個控制輸入節(jié)點，用于接收一個控制字，這個控制字表示一個包含有限數(shù)目個點的點的集中的某個點；一個被乘數(shù)輸入節(jié)點，用于接收包含有限數(shù)目個復數(shù)的集合中的一個復數(shù)；一個實部支路，它連接到控制輸入節(jié)點和被乘數(shù)輸入節(jié)點上，用于生成代表該點與該復數(shù)相乘后得到的乘積的復數(shù)的實部，它包括一個一個連接到被乘數(shù)輸入節(jié)點的第一累加器；一個連接到被乘數(shù)輸入節(jié)點的第一求比例器部件；一個連接到被乘數(shù)輸入節(jié)點的第一求反部件；一個虛部支路，它連接到控制輸入節(jié)點和被乘數(shù)輸入節(jié)點上，用于生成代表該點與該復數(shù)相乘后得到的乘積的復數(shù)的虛部，它包括一個連接到被乘數(shù)輸入節(jié)點的第二累加器；一個連接到被乘數(shù)輸入節(jié)點的第二求比例器部件；一個連接到被乘數(shù)輸入節(jié)點的第二求反部件。
全文摘要
一個復數(shù)星座點乘法器將一個復數(shù)與一個數(shù)字調(diào)制星座中的點相乘。所需星座點映射到一個數(shù)字控制字。該復數(shù)連接到被乘數(shù)輸入節(jié)點上,而數(shù)字控制字連接到控制輸入節(jié)點上。通過邏輯門電路,該控制字控制開關(guān)以及諸如累加器、求比例器部件和求反部件之類的簡單算術(shù)部件,來產(chǎn)生一個輸出復數(shù),該輸出復數(shù)是輸入復數(shù)和星座點的乘積。
文檔編號G06F7/48GK1204909SQ9810525
公開日1999年1月13日 申請日期1998年2月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月24日
發(fā)明者約翰·笛哈爾, 漢里·卡則克基 申請人:摩托羅拉公司