A New Complex-Number Multiplication Algorithm using Radix-4 Booth Recoding and RB Arithmetic, and a 10-bit CMAC Core Design

Radix-4 Booth Recoding과 RB 연산을 이용한 새로운 복소수 승산 알고리듬 및 10-bit CMAC코어 설계

High-speed complex-number arithmetic units are essential to baseband signal processing of modern digital communication systems such as channel equalization, timing recovery, modulation and demodulation. In this paper, a new complex-number multiplication algorithm is proposed, which is based on redundant binary (RB) arithmetic combined with radix-4 Booth recoding scheme. The proposed algorithm reduces the number of partial product by one-half as compared with the conventional direct method using real-number multipliers and adders. It also leads to a highly parallel architecture and simplified circuit, resulting in high-speed operation and low power dissipation. To demonstrate the proposed algorithm, a prototype complex-number multiplier-accumulator (CMAC) core with 10-bit operands has been designed using 0.8-$\mu\textrm{m}$ N-Well CMOS technology. The designed CMAC core contains about 18,000 transistors on the area of about 1.60 ${\times}$ 1.93 $\textrm{mm}^2$. The functional and speed test results show that it can operate with 120-MHz clock at V$\sub$DD/=3.3-V, and its power consumption is given to about 63-mW.

고속 복소수 연산장치는 채널등화, 동기신호 복원, 변조 및 복조 등 디지탈 통신 시스템의 기저대역 신호처리에 필수적인 기능블록이다. 본 논문에서는 redundant binary (RB) 연산과 radix-4 Booth recoding을 결합한 새로운 복소수 승산 알고리듬을 제안한다. 제안되는 복소수 승산 방법은 실수 승산기를 사용하는 기존의 방법과 비교하여 부분곱의 수를 반으로 감소시키며, 단순화된 병렬구조로 구현되므로 고속 동작 및 저전력 소모를 가능하게 한다. 제안된 알고리듬을 적용하여 10-bit operand를 갖는 prototype 복소수 승산-누적기(complex-number multiplier-accumulator ; CMAC) 코어를 0.8-㎛ N-Well CMOS 공정으로 설계, 제작하였다. 제작된 CMAC 칩은 18,000여개의 트랜지스터로 구성되며, 코어부분의 면적은 약 1.60 × 1.93 ㎟이다. 제작된 칩을 테스트 보드에 실장하여 특성을 평가한 결과, 전원전압 V/sub DD/=3.3-V에서 120-MHz의 속도로 동작함을 확인하였으며, 이때의 전력소모는 약 63-mW로 측정되었다.