JPS62221071A - Butterfly arithmetic circuit and fast fourier transform device using same - Google Patents

Butterfly arithmetic circuit and fast fourier transform device using same

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JPS62221071A
JPS62221071A JP61063097A JP6309786A JPS62221071A JP S62221071 A JPS62221071 A JP S62221071A JP 61063097 A JP61063097 A JP 61063097A JP 6309786 A JP6309786 A JP 6309786A JP S62221071 A JPS62221071 A JP S62221071A
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JP
Japan
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circuit
addition
butterfly
fourier transform
redundant binary
Prior art date
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JP61063097A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshihisa Harada
義久 原田
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Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To increase the working speed of a butterfly arithmetic of an FFT by using an addition circuit using a redundant binary digit whose carry is not transmitted to higher digit to form the addition circuit of the butterfly arithmetic circuit of an FFT and therefore reducing the time of addition down to a fixed level regardless of the number of digits. CONSTITUTION:All input and output data of a butterfly arithmetic circuit are treated by the redundant binary digits and the real number multiplication and the real number addition are all carried out with redundant binary digits. In an addition circuit applying the arithmetic of redundant binary numbers, the sum of digits can obtained so that the carry of a lower digit is not transmitted to the higher digit. That is, the addition is completed with the 1st operation where the sum of digits is expressed by an intermediate carry and an intermediate sum and the 2nd operation where the addition is performed between the intermediate carry given from a lower digit and the intermediate sum. As a result, the time of operation is decided by the number of logical stages of the elements forming a relevant redundant binary addition circuit and regardless of the number of digits. This increases the operating speed of the addition and furthermore increases the working speed of a butterfly arithmetic circuit and an FFT.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention] 【産業上の利用分野】[Industrial application field]

本発明は、バタフライ演算回路及びそれを用いた高速フ
ーリエ変換装置に関する。
The present invention relates to a butterfly arithmetic circuit and a fast Fourier transform device using the same.

【従来技術】[Prior art]

時間領域で定義された関数とそのフーリエ変換によって
得られた周波数領域の関数とが共に周期関数の時は、そ
れらの関数は共に、有限要素の離散的なサンプリング値
系列で表現される。そして、両者の間には、良く知られ
たように、離散的フーリエ変換及び逆変換で定義される
関係が存在する。 高速フーリエ変換(以下rFFTJと言う)は、上記の
離散的フーリエ変換または逆変換を行うに際し、乗算、
加減算の回数を減少させ、変換速度を向上させる方法と
して良く知られている。その演算は、バタフライ演算を
基本演算として多数回繰り返すことにより達成される。 係るバタフライ演算回路をハードウェアとして構成する
ことは知られている。このバタフライ演算回路は、−回
の複素数乗算回路、−回の複素数加算回路及び−回の複
素数減算回路で構成されている。また、係るバタフライ
演算回路を基本回路とするFFTハードウェアも、1つ
のバタフライ演算回路を用いてデータ処理を時系列的に
逐次行う逐次処理型、m役の処理をそれぞれ別のバタフ
ライ演算回路で実行しパイプライン処理が可能なように
縦続接続した縦続処理型、入力点数の半分のバタフライ
演算回路を並列に配し一段分の処理を一度に行うように
した並列処理型及び並列配列と縦続配列とを組合せバタ
フライ演算回路を網目状に構成した2次元並列処理型が
知られている。
When a function defined in the time domain and a function in the frequency domain obtained by Fourier transformation thereof are both periodic functions, both of these functions are expressed by a series of discrete sampling values of finite elements. As is well known, a relationship defined by discrete Fourier transform and inverse transform exists between the two. Fast Fourier transform (hereinafter referred to as rFFTJ) involves multiplication,
This is a well-known method for reducing the number of additions and subtractions and improving conversion speed. The calculation is achieved by repeating the butterfly calculation many times as a basic calculation. It is known to configure such a butterfly calculation circuit as hardware. This butterfly arithmetic circuit is composed of - times of complex number multiplication circuits, - times of complex number addition circuits, and - times of complex number subtraction circuits. In addition, FFT hardware that uses such a butterfly calculation circuit as a basic circuit is also a sequential processing type in which data processing is performed sequentially in time series using one butterfly calculation circuit, and m-win processing is performed using separate butterfly calculation circuits. A cascade processing type that is connected in cascade to enable pipeline processing, a parallel processing type that has half the number of input points of butterfly calculation circuits arranged in parallel and processes one stage at a time, and a parallel arrangement and a cascade arrangement. A two-dimensional parallel processing type in which a combination of butterfly calculation circuits is configured in a mesh pattern is known.

【発明が解決しようとする問題点】[Problems to be solved by the invention]

上記何れの型のFFTハードウェアであっても、演算方
式には、符号付き2進数または2の補数表現の2進数に
よる方式が採用されている。バタフライ演算回路に於け
る加算器には、リップルキャリア加算器(以下rRCA
Jと略記する)、桁上げ先見加算器(以下rCLAJと
略記する)が一般的に使用されそいる。このRCAは各
桁の構成が同一となるので、IC化のパターン設計が容
易であるが、下位からの桁上げが上位桁に伝搬するため
、計算時間は加算桁数に比例して増加すると言う欠点が
ある。又CLAは、加算時間は加算桁数の対数に比例し
て増加するが、上位桁程回路構成が複雑となり、IC化
の際のパターン設計が複雑になると言う欠点がある。係
る欠点は、そのままバタフライ演算回路、FFT装置の
欠点として存在している。即ち、高速演算を実現するに
は、回路構成が複雑になると言う欠点が存在する。さら
に、FFTをよりリアルタイムに行うため、より高速の
FFT装置の実現が要望されている。 本発明は上記の観点に立ってなされたものであり、その
目的とするところは、バタフライ演算回路、FFT装置
の演算速度を向上させることにある。
In any of the above-mentioned types of FFT hardware, a signed binary number or a two's complement representation binary number system is adopted as the calculation method. The adder in the butterfly arithmetic circuit is a ripple carrier adder (rRCA).
A carry look-ahead adder (hereinafter abbreviated as rCLAJ) is likely to be commonly used. Since this RCA has the same configuration for each digit, it is easy to design a pattern for IC, but since the carry from the lower digit propagates to the upper digit, the calculation time increases in proportion to the number of digits added. There are drawbacks. Further, in CLA, the addition time increases in proportion to the logarithm of the number of digits to be added, but the higher the digit, the more complicated the circuit configuration becomes, and the disadvantage is that the pattern design when integrated into an IC becomes more complicated. Such drawbacks still exist as drawbacks of butterfly arithmetic circuits and FFT devices. That is, there is a drawback that the circuit configuration becomes complicated in order to realize high-speed calculation. Furthermore, in order to perform FFT in real time, there is a demand for a faster FFT device. The present invention has been made based on the above-mentioned viewpoint, and its purpose is to improve the calculation speed of a butterfly calculation circuit and an FFT device.

【問題点を解決するための手段】[Means to solve the problem]

本発明は、入力データに回転因子を掛けたデー夕を出力
する乗算回路と、2つの入力データの和と差を演算して
求められたデータを出力する加減算回路と、からなるバ
タフライ演算回路において、前記乗算回路に於ける部分
積発生回路は、その入力データである被乗数を冗長2進
数として処理し部分積を冗長2進数として出力するもの
であり、5  前記乗算回路に於ける部分積の和の演算
回路と前記加減算回路とを、冗長2進数による加算演算
により桁上げが上位桁に伝搬しない冗長2進加算回路で
構成したことを特徴とする高速フーリエ変換装置用バタ
フライ演算回路と、該バタフライ演算回路を基本回路と
して含む高速フーリエ変換装置である。
The present invention provides a butterfly calculation circuit comprising a multiplication circuit that outputs data obtained by multiplying input data by a twiddle factor, and an addition/subtraction circuit that calculates the sum and difference of two input data and outputs the obtained data. , the partial product generation circuit in the multiplication circuit processes the multiplicand, which is the input data, as a redundant binary number and outputs the partial product as a redundant binary number, and 5. The sum of the partial products in the multiplication circuit A butterfly arithmetic circuit for a fast Fourier transform device, characterized in that the arithmetic circuit and the addition/subtraction circuit are configured with a redundant binary adder circuit in which a carry is not propagated to higher digits due to an addition operation using redundant binary numbers; This is a fast Fourier transform device that includes an arithmetic circuit as a basic circuit.

【作用】[Effect]

バタフライ演算回路は、1回の複素数乗算と1回の複素
数加算と1回の複素数減算を行う。複素数演算は、実際
は、実部と虚部に分けて演算されるので、1つの出力デ
ータの実部を得るのに、信号の流れに沿って1段の実数
乗算と2段の実数加減算を必要とする。また、実数乗算
は部分積の和として求められるため、バタフライ演算回
路は、多くの加算回路(減算は、加算回路で実行出来る
ので、以下、減算回路を含めて加算回路とも言う)を必
要とする。本発明は、バタフライ演算回路の入力、出力
データを全て、冗長2進数で取り扱い、実数乗算、実数
加算を全て、冗長2進数による演算で実行している。冗
長2進数演算による加算回路では、下位桁の桁上げが上
位桁に伝搬しないように、各桁の和を表現することが出
来る。 即ち、各桁の和を中間桁上げと中間和の2桁で表現する
第1の演算と、下位桁からの中間桁上げと中間和との加
算を行う第2の演算との2回の演算で加算が終了するよ
うにする事が出来る。この結果、演算時間は、桁数に関
係なく、係る冗長2進加算回路を構成する素子の論理段
数によって決定される。したがって、加算演算の速度が
向上するため、バタフライ演算及び、FFTの速度が向
上する。また、上記の冗長2進加算回路は、各桁を同一
構成とすることが出来るため、IC化に適している。
The butterfly arithmetic circuit performs one complex multiplication, one complex addition, and one complex subtraction. Complex number operations are actually divided into real and imaginary parts, so in order to obtain the real part of one output data, one stage of real number multiplication and two stages of real number addition/subtraction are required along the signal flow. shall be. In addition, since real number multiplication is obtained as the sum of partial products, the butterfly arithmetic circuit requires many addition circuits (subtraction can be performed in addition circuits, so hereinafter, including subtraction circuits, we will also refer to them as addition circuits). . In the present invention, all input and output data of the butterfly arithmetic circuit are handled as redundant binary numbers, and all real number multiplications and real number additions are performed using redundant binary numbers. An adder circuit using redundant binary arithmetic can express the sum of each digit so that a carry of a lower digit does not propagate to an upper digit. That is, the first operation expresses the sum of each digit with two digits of intermediate carry and intermediate sum, and the second operation performs intermediate carry from the lower digits and addition to the intermediate sum. You can make the addition end with . As a result, the calculation time is determined by the number of logic stages of the elements constituting the redundant binary adder circuit, regardless of the number of digits. Therefore, since the speed of addition operation is improved, the speed of butterfly operation and FFT is improved. Further, the above-described redundant binary addition circuit is suitable for IC implementation because each digit can have the same configuration.

【実施例】【Example】

以下本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。 (1)定義 本実施例のFFT装置は、入力データとして、N点のサ
ンプリング値系列(X、・・・X、)を入力し、フーリ
エ変換して、N点のサンプリング値系列(Y +・・・
Y、)を出力データとして出力する。 入出力データは、2の補数表現の1桁の2進数で表現さ
れている。2の補数表現の1桁の2進数Can−+ a
n−z −an ] e2では、最上位の第1桁は、−
2′−1の重みを、その他の第1桁は2′−1の重みを
有し、a、は(0,1)をとる。FFT装置の内部では
、冗長2進数が用いられている。 1桁の冗長2進数Cah−+ an−x ”’ao )
 R2は、ii桁が21−1の重みを有し、a、は(−
1,0゜1)をとる数として定義される。又、冗長2進
数を2進化するため、冗長2進数の1桁は、2進数の2
ビツトで表し、 Ca+ 311= [:as’tadl]x
The present invention will be explained below based on specific examples. (1) Definition The FFT device of this embodiment inputs a sampling value series (X, . . .・・・
Y,) is output as output data. The input/output data is expressed as a one-digit binary number in two's complement representation. 1-digit binary number Can-+ a in two's complement representation
nz -an] In e2, the first most significant digit is -
The other first digits have a weight of 2'-1, and a takes (0, 1). Redundant binary numbers are used inside the FFT device. 1-digit redundant binary number Cah-+ an-x ”'ao)
In R2, the ii digit has a weight of 21-1, and a is (-
It is defined as a number that takes 1,0°1). Also, in order to binarize the redundant binary number, one digit of the redundant binary number is
Expressed in bits, Ca+ 311= [:as'tadl]x

〔0〕1=
[0]1=

〔00〕2 〔1〕 R□=[01)2 (−1)  R,=  l”l  01  。 とする。このように2進数で表された冗長2進数を以下
2進化冗長2進数と言う。 離散的フーリエ変換とその逆変換は、次式で定義される
。 回転因子Wを次式で定義する。 W = exp(−j2π/N) バタフライ演算回路は、2つの入力Δ、Bに対し2つの
出力C,Dを出力するものとし、それらの関係は次式で
定義される。 C=A+B−WK D=A−B−WK 更に、ASB、C,Dを複素数とし、それらの実部、虚
部を添字R1■を付けて表せば、それらには、次の関係
式が成立する。 C□=Ai+B++CO3φ+B、SINφC+  =
At  −Bi  SINφ+BX COSφDア =
A、−BII CO3φ−B! SINφD、=A□ 
十B、SINφ−B、COSφ但し、w’=cosφ−
j SINφ である。 (2)全体の構成 第1図は、実施例に係るFFT装置の構成を示したブロ
ックダイヤグラムである。1は、N点の入力データを入
力して、所定の並べ換えを行い各データを2進化冗長2
進数に変換してFFT演算部2に出力するデータ入力部
である。2は、バタフライ演算回路を網目状に配列した
FFT演算部である。FFT演算部2は、N点の入力デ
ータからフーリエ変換を行いN点の出力データを生成す
る。3は、FFT演算部2から出力された2進化冗長2
進数の出力データを2の補数表現の2進数に変換し、N
点データを順次出力するデータ出力部である。 (3)データ入力部 データ入力部1は、時空間でのアナログ信号をサンプリ
ングしディジタル信号に変換するA/D変換器11と、
サンプリングのタイミングを付与する入力制御部14と
、N点のディジタルデータを順次所定のアドレスに入力
する入力バッファ12と、入力制御部14からタイミン
グ信号を入力し順次入力バッファ12のアドレスを決定
するカウンタ15と、入力バッファ13に入力された2
進数を2進化冗長2進数に変換する冗長2進変換部13
とから戊る。大力バッファ12は、N点のデータを記憶
するバッファレジスタBX、〜BX8を有している。カ
ウンタ15はN進カウンタであり、入力制御部14から
タイミング信号を入力する毎に更新され、その出力はビ
ットの上位方向を下位方向に逆転して、入力バッファ1
2のアドレス信号とされる。その結果、N点データは、
所定の順序で並べ換えられて、レジスタBX、−Bx8
に記憶される。冗長2進変換部13の1デ一タ単位は、
第2図に示すように構成されている。 2の補数表現の2進数は、最上位桁が一2″−1の重み
を有した冗長2進数と見ることが出来る。即ち、最上位
桁は、符号を反転し、その他の桁はそのまま出力するこ
とで冗長2進数に変換することが出来る。したがって、
レジスタBX、の最上位桁を除(桁は、その出力を2進
化冗長2進数の各桁の下位ピッ)ado〜ad、−2と
し、最上位桁の出力は、上位ビットasn−1とし、他
のビットaSO〜asa−2、adI、−1は、0とす
れば2進化冗長2進数が得られる。 (4)データ出力部 データ出力部3は、2進化冗長2進数を2の補数表現の
2進数に変換する2進変換部31と、バッファレジスタ
B Y +〜B Y Hから成る出力バッファ32と、
出力制御部33、カウンタ34とから成る。2進変換部
31の1デ一タ単位は、第3図に示すように構成されて
いる。冗長2進数を2の補数表現の2進数に変換するに
は、冗長2進数を正の要素から成る2進数と、負の要素
から成る2進数に分割し、それらの2進演算での差を求
めれば良い。2進化冗長2進数の各桁の下位ビット列か
ら成る2進数(a dfi−1〜ado)2は正の要素
から成る2進数を表しており、各桁の上位ビット列から
成る2進数(a lll+−1”” a m。)、は、
負の要素から成る2進数を表している。したがって、上
記2進数を減゛算すれば、2進数に変換する事が出来る
。この時、減算は、2の補数表現の2進数の加算として
演算出来るので、2の補数表現の2進数(Oa dr+
−1〜a do) c2と2の補数表現の2進数(la
wn−t〜N5lI)e2+ (1) c2の加算によ
り、求める事が出来る。だだし、Nsiはa□を反転し
た値である。又、加数と被加数の最上位ビットの、Oと
1は、2の補数表現での符号ビットであり、この時得ら
れる和の最上位桁b1は、符号ビットとなる。 変換後のデータは出力バッファ32に出力され、出力制
御部33により更新されるカウンタ34によって出力バ
ッファ32のアドレスが選択されて、サンプリング値系
列データY1〜YNが順次出力される。 (5)FFT演算部 (a)FFT演算部 FFT演算部2は、バタフライ演算回路をN/2 (=
v)個並列に配置したステージをlog、 N(=U)
段縦続に接続した網目状の構造をしている。その接続関
係は、8点データの場合には、第4図に示すようになる
。この場合には、全体が3ステージで構成され、1ステ
ージ当たり4個のバタフライ演算回路で構成されている
。 (b)バタフライ演算回路 1つのバタフライ演算回路は、第5図に示すように回転
因子Wの乗算を行う乗算回路21と、その出力と入力A
との加算演算を行う加算回路22と、入力Aから乗算回
路21の出力を減する減算回路23と、で構成されてい
る。その結果、入力に関し所定の関係を有した出力が得
られる。第5図の例は、時間間引きの例であるが、2人
力の和と差を求め、差に回転因子を乗するという周波数
間引きで構成しても良い。 バタフライ演算回路の入力、出力データは、複素数であ
るので、実部と虚部とに分けて演算される。具体的には
、第6図に示すように構成される。 入力Δ、Bのデータは、それぞれ、A人カバッファ、B
人カバッファに入力される。24は、回転因子に関する
データを記憶したメモリである。B人カバッファのデー
タと回転因子との乗算の結果、Sl、S2、S3、S4
には、それぞれ、B、CO3−、B、SINφ、BtC
O3φ、B、SINφが出力される。又S5、S6には
、加減算結果、B1CO3φ十B+SINφ、B、CO
Sφ−B*SINφが出力される。更に、S7、S8、
S9、SIOには、加減算の結果、 All+BRCO3φ+BISINφ At−BヮSINφ+B、COSφ A、−BICOSφ−BfSINφ A□十B、SINφ−B、COSφ がそれぞれ、出力され、C出力バッファとD出力バッフ
ァに、Cm 、Ct 、DR、Dtが得られる。 25a〜25dは、上位桁処理回路である。バタフライ
演算回路の冗長2進数の出力は、また、他のバタフライ
演算回路の冗長2進数の入力となる。したがって、入力
、出力の有効桁数を一致させる必要がある。ところが、
冗長2進数で加算すると桁上げ処理を伴うため、1回の
加算毎に桁数が1増加する。したがって、有効桁数を一
定にするため、増加した上位桁を減縮する操作が必要と
なる。上位桁処理回路は、増加した桁数+1桁の上位桁
を1桁に減縮する処理を行うものである。 26a〜26dは、シフタ回路である。入出力の有効桁
数を一致させ演算精度を高めるために、場合により、2
で割った値(1桁下位ヘシフトする)を出力する。係る
場合には、シフタ回路を作動させて1/2のデータを出
力するようにしている。 (b)乗算回路 乗算回路の構成は、第7図に示す様になっている。この
乗算回路は、2ビットブースの方法により、部分積を求
めている。この乗算回路では、被乗数は2進化冗長2進
数で、乗数は2の補数表現の2進数で与えられている。 12桁演算の場合、6個の部分積が発生゛し、それらは
、第1部分積発生回路41〜第6部分積発生回路46で
並列的に発生される。そして、各部分積は、2個づつ3
個の部分積加算回路(51〜53)で並列的に一次加算
される。部分積加算回路51と52の加算結果は、部分
積加算回路61で2次加算される。次に、部分積加算回
路53と61の出力が部分積加算回路71で3次加算さ
れる。この時、上位から2桁は、冗長2進数による加算
を行った為に発生した桁であり、上位から3桁が1桁に
変換されて、出力される。 部分積発生回路は、第8図に具体的に示されている。A
は乗数の解読部である。第1部分積では、−2C2!、
l+ Cx□+C21−1が計算される。この結果の採
り得る値は、(−2,−1,0,1,2)である。0の
時は、0の出力、1の時は、被乗数をそのまま出力、2
の時は、被乗数を上位方向に1桁シフトして出力、−1
の時は、被乗数の各ビットのレベルを反転して出力し、
−2の時は、被乗数を上位方向に2桁シフトしてさらに
それを反転して出力する事により部分積が発生される。 図には、第3部分積発生回路が図示されている。乗数の
第5.6.7ビツトC,、Cs 、C,が解読され、−
2の時は、F34が高レベルとなり、被乗数(I 、、
、 I 、p)が(P dp+l + P sp+1 
)として出力される。2の時は、F1aが高レベルとな
り、被乗数(I lip+ I 、、)が(P sp+
 I r P dPや、)として出力される。また、−
1の時は、F32が高レベルとなり、被乗数(I −P
、 I dp)が(PdP、Psp)として出力される
。又、1の時は、F31が高レベルとなり、被乗数(I
 −P、 I 、−)が(P、、。 P、、)として出力される。 各部分積の出力端子は、第7図に示す様に桁合わせを行
い、各桁を横方向に配列した構造になっている。 係る部分積は、冗長2進加算器により、本状に順次加算
される。本例では加算器は3役に構成されている。 (c)加算回路 加算回路は、2進化冗長2進数の加算を行うものであり
、その1桁の構成が第9図、第10図に示されている。 第10図は、第9図の論理回路を更に簡約したものであ
る。 冗長2進数による加算では、冗長度を利用して、下位桁
からの桁上げが伝搬しないように構成する事が出来る。 したがって、加算は各桁の和(以下この和を2桁で表し
、上位桁を「中間桁上げ」、下位桁を「中間和」と言う
)を求める第1ステツプと、中間和と下位桁の中間桁上
げとの和を各桁で計算する第2ステツプとの2段階で求
める事が出来る。即ち、第2ステツプの演算の時、さら
に桁上げが生じないように、第1ステツプでの中間和と
中間桁上げの表現を工夫している。発生される中間和と
中間桁上げを第1表に示す。1.3.4.6の場合には
、中間桁上げと中間和の表現方法は一意的であるが、下
位桁からどの様な桁上げがあっても、第2ステツプの演
算で桁上げが発生することはない。2と5の場合は、中
間桁上げと中間和の表現方法は一意的ではないが、表現
方法によっては、第2ステツプの演算で、さらに、桁上
げが発生する場合がある。ところが、下位桁の状態を判
別し、その状態に応じて、表のように表現すれば、第2
ステツプの演算で桁上げが発生することはない。即ち、
2.5の場合、下位桁から−1の桁上げが発生する可能
性がある場合には、中間和を1にしておき、下位桁から
1の桁上げが発生する可能性がある時には、中間和を−
1とすることで、第2ステツプの演算で桁上げが発生し
ないようにすることが出来る。 第9図は、係る演算を実行するための第1桁目の回路で
ある。S!1は、1桁下位の加数、被加数の状態を示す
ものであり、少なくとも一方が負の時、低レベルとなる
信号である。被加数は(ai1+adl)であり、加数
は、(b@+、 bdt)であり、加算結果は、(Za
□+Zdf)である。いずれも、2進化冗長2進数であ
る。又、(’: at、 = a□)は、中間桁上げを
2進化冗長2進数(負論理)で表現したものである。 係る1桁の加算器を第11図のように接続すれば、N桁
の冗長2進加算器が構成出来る。 (6)評価 1個のバタフライ演算回路に於けるトランジスタ素子数
と論理段数を2の補数表現の2進数方式と、冗長2進数
方式で対比した結果を第2表に示す。トランジスタはC
MOSで評価し、第6図の回路で評価した。冗長2進方
式は、ビット数が増えても、論理段数が変化しないと言
う特徴があり、ビット数に拘わらず、演算速度を一定に
することが出来る。1024点データ入力の場合には、
バタフライ演算回路は10段必要になり、FFT演算部
を380段の論理段数で構成出来る。又出力の2進数変
換部の8段を含めて、全体で388段で装置を構成出来
る。係る段数は、16ビツトで2進数方式の172以下
にする事が出来、したがって、変換速度を172以下に
する事が出来る。 (7)他の実施例 第12図にその構成が示されている。FFT演算部2は
、N/2個の1段の並列配列のバタフライ演算回路B、
〜B H/2で構成されている。1段の処理の終了後、
N点の出力データはシフタ回路8、マルチプレクサ9を
介して、FFT演算回路に再度入力する。係る演算を所
定段数分実行してFFTが行われる。シフタ回路8は、
各段での演算のための入力データの組合せを制御するた
めの回路であり、その具体的な1ビツトの構成が第13
図に示されている。図は入力データ点数64の場合であ
る。バタフライ演算回路の2出力の一方は、必ず、同一
演算回路の一方に入力させることが出来るので、シフタ
回路の入力出力端子数は32個である。制御信号C5〜
C6が、それぞれ、各段の演算の終了後に入力され、そ
の段の出力データが、次の段の入力データとなるように
ゲートを切り換えてデータの流れが制御されている。 係る構成により、バタフライ演算回路数を入力データ点
数の半分に減少させることが出来る。
[00]2 [1] R□=[01)2 (-1) R,= l”l 01.The redundant binary numbers expressed in binary numbers in this way are hereinafter referred to as binary-evolution redundant binary numbers. The discrete Fourier transform and its inverse transform are defined by the following formula. The twiddle factor W is defined by the following formula: W = exp (-j2π/N) The butterfly arithmetic circuit is Two outputs C and D are output, and their relationship is defined by the following formula: C=A+B-WK D=A-B-WK Furthermore, let ASB, C, and D be complex numbers, and their real parts , if the imaginary part is expressed with the subscript R1■, the following relational expression holds true: C□=Ai+B++CO3φ+B, SINφC+ =
At −Bi SINφ+BX COSφDA=
A, -BII CO3φ-B! SINφD,=A□
10B, SINφ-B, COSφ However, w'=cosφ-
j SINφ. (2) Overall configuration FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an FFT apparatus according to an embodiment. 1 inputs N points of input data, performs predetermined rearrangement, and converts each data into binary coded redundant 2
This is a data input section that converts it into a base number and outputs it to the FFT calculation section 2. 2 is an FFT calculation section in which butterfly calculation circuits are arranged in a mesh pattern. The FFT calculation unit 2 performs Fourier transform on N points of input data to generate N points of output data. 3 is the binary evolution redundancy 2 output from the FFT calculation unit 2.
Convert the base output data to a binary number expressed in two's complement, and
This is a data output unit that sequentially outputs point data. (3) Data input unit The data input unit 1 includes an A/D converter 11 that samples analog signals in time and space and converts them into digital signals;
An input control unit 14 that provides sampling timing, an input buffer 12 that sequentially inputs N points of digital data to a predetermined address, and a counter that inputs a timing signal from the input control unit 14 and sequentially determines the address of the input buffer 12. 15 and 2 input to the input buffer 13
Redundant binary conversion unit 13 that converts a base number into a binary coded redundant binary number
Tokara. The power buffer 12 has buffer registers BX, -BX8 that store data at N points. The counter 15 is an N-ary counter, and is updated every time a timing signal is input from the input control unit 14, and its output is reversed from the upper direction of the bit to the lower direction.
2 address signal. As a result, the N point data is
Rearranged in a predetermined order, registers BX, -Bx8
is memorized. One data unit of the redundant binary converter 13 is
It is constructed as shown in FIG. A binary number in two's complement representation can be viewed as a redundant binary number with the most significant digit having a weight of 12"-1. In other words, the most significant digit has its sign inverted and the other digits are output as is. You can convert it to redundant binary numbers by doing this. Therefore,
The most significant digit of register BX is divided (the digit is the output as the lower bit of each digit of the binary coded redundant binary number) ado~ad, -2, and the output of the most significant digit is the upper bit asn-1, If the other bits aSO to asa-2, adI, and -1 are set to 0, a binary coded redundant binary number is obtained. (4) Data output unit The data output unit 3 includes a binary conversion unit 31 that converts a binary coded redundant binary number into a two's complement binary number, and an output buffer 32 consisting of buffer registers B Y + to B Y H. ,
It consists of an output control section 33 and a counter 34. One data unit of the binary converter 31 is configured as shown in FIG. To convert a redundant binary number into a two's complement binary number, divide the redundant binary number into a binary number consisting of positive elements and a binary number consisting of negative elements, and calculate the difference in their binary operations. Just ask. The binary number (adfi-1 to ado) 2 consisting of the lower bit string of each digit of the binary redundant binary number represents a binary number consisting of positive elements, and the binary number consisting of the upper bit string of each digit (a llll+- 1”” a.m.), ha.
It represents a binary number consisting of negative elements. Therefore, by subtracting the above binary number, it can be converted into a binary number. At this time, subtraction can be calculated as addition of binary numbers in two's complement representation, so the binary numbers in two's complement representation (Oa dr+
-1~a do) c2 and binary number in two's complement representation (la
wn-t~N5lI)e2+ (1) It can be obtained by adding c2. However, Nsi is a value obtained by inverting a□. Further, O and 1 of the most significant bits of the addend and the summand are sign bits in two's complement representation, and the most significant digit b1 of the sum obtained at this time is the sign bit. The converted data is output to the output buffer 32, the address of the output buffer 32 is selected by the counter 34 updated by the output control section 33, and the sampling value series data Y1 to YN are sequentially output. (5) FFT calculation unit (a) FFT calculation unit The FFT calculation unit 2 has a butterfly calculation circuit of N/2 (=
v) Log the stages arranged in parallel, N (=U)
It has a mesh-like structure connected in cascade. The connection relationship is as shown in FIG. 4 in the case of 8-point data. In this case, the entire system is composed of three stages, and each stage is composed of four butterfly calculation circuits. (b) Butterfly calculation circuit One butterfly calculation circuit consists of a multiplication circuit 21 that multiplies the twiddle factor W, its output and input
The subtraction circuit 23 includes an addition circuit 22 that performs an addition operation with , and a subtraction circuit 23 that subtracts the output of the multiplication circuit 21 from the input A. As a result, an output having a predetermined relationship with respect to the input is obtained. The example in FIG. 5 is an example of time thinning, but it may also be configured with frequency thinning in which the sum and difference of two human forces are calculated and the difference is multiplied by a twiddle factor. Since the input and output data of the butterfly calculation circuit are complex numbers, they are calculated separately into a real part and an imaginary part. Specifically, it is configured as shown in FIG. The data of inputs Δ and B are input to A's buffer and B's buffer, respectively.
It is input into the human buffer. 24 is a memory that stores data regarding twiddle factors. Result of multiplication of B person buffer data and twiddle factor, Sl, S2, S3, S4
are B, CO3-, B, SINφ, BtC, respectively.
O3φ, B, and SINφ are output. In addition, S5 and S6 contain the addition and subtraction results, B1CO3φ10B+SINφ, B, CO
Sφ-B*SINφ is output. Furthermore, S7, S8,
As a result of addition and subtraction, All+BRCO3φ+BISINφ At−BヮSINφ+B, COSφ A, −BICOSφ−BfSINφ A□0B, SINφ−B, and COSφ are output to S9 and SIO, respectively, and Cm , Ct, DR, and Dt are obtained. 25a to 25d are upper digit processing circuits. The output of the redundant binary number of the butterfly arithmetic circuit also becomes the input of the redundant binary number of another butterfly arithmetic circuit. Therefore, it is necessary to match the number of significant digits of input and output. However,
Since addition using redundant binary numbers involves carry processing, the number of digits increases by 1 for each addition. Therefore, in order to keep the number of effective digits constant, it is necessary to reduce or reduce the increased number of high-order digits. The upper digit processing circuit performs a process of reducing the increased number of digits+1 digit to one digit. 26a to 26d are shifter circuits. In order to match the number of significant digits of input and output and improve calculation accuracy,
Outputs the value divided by (shifted to one lower digit). In such a case, the shifter circuit is operated to output 1/2 data. (b) Multiplier circuit The structure of the multiplier circuit is as shown in FIG. This multiplication circuit calculates partial products using the 2-bit Booth method. In this multiplication circuit, the multiplicand is a binary coded redundant binary number, and the multiplier is given as a two's complement binary number. In the case of 12-digit arithmetic, six partial products are generated, and they are generated in parallel by the first partial product generation circuit 41 to the sixth partial product generation circuit 46. And each partial product is 3
The partial product addition circuits (51 to 53) perform primary addition in parallel. The addition results of the partial product addition circuits 51 and 52 are subjected to secondary addition in the partial product addition circuit 61. Next, the outputs of the partial product adder circuits 53 and 61 are added three-dimensionally by the partial product adder circuit 71. At this time, the upper two digits are digits generated due to addition using redundant binary numbers, and the upper three digits are converted to one digit and output. The partial product generating circuit is specifically shown in FIG. A
is the deciphering part of the multiplier. In the first partial product, -2C2! ,
l+Cx□+C21-1 is calculated. The possible values of this result are (-2, -1, 0, 1, 2). When it is 0, it outputs 0. When it is 1, it outputs the multiplicand as it is, and when it is 1, it outputs the multiplicand as is.
When , the multiplicand is shifted upwards by one digit and output, -1
When , the level of each bit of the multiplicand is inverted and output,
When the value is -2, a partial product is generated by shifting the multiplicand upwards by two digits, inverting it, and outputting it. The figure shows a third partial product generating circuit. The 5.6.7th bit of the multiplier C,, Cs, C, is decoded and -
2, F34 becomes high level and the multiplicand (I, ,
, I, p) is (P dp+l + P sp+1
) is output as 2, F1a becomes high level and the multiplicand (I lip+ I, ,) becomes (P sp+
It is output as I r P dP or ). Also, -
When it is 1, F32 becomes high level and the multiplicand (I - P
, I dp) is output as (PdP, Psp). Also, when it is 1, F31 becomes high level and the multiplicand (I
-P, I, -) is output as (P,,.P,,). The output terminal of each partial product has a structure in which digits are aligned and each digit is arranged horizontally as shown in FIG. Such partial products are sequentially added in a regular manner by a redundant binary adder. In this example, the adder is configured to have three roles. (c) Adder circuit The adder circuit adds binary coded redundant binary numbers, and its one-digit configuration is shown in FIGS. 9 and 10. FIG. 10 is a further simplified version of the logic circuit of FIG. In addition using redundant binary numbers, redundancy can be used to prevent carries from lower digits from propagating. Therefore, addition involves the first step of calculating the sum of each digit (hereinafter this sum will be expressed as two digits; the upper digit will be referred to as the "middle carry" and the lower digit will be referred to as the "intermediate sum"), and the first step will be the sum of the intermediate sum and the lower digit. It can be calculated in two steps: the second step is to calculate the sum with the intermediate carry for each digit. That is, the representation of the intermediate sum and intermediate carry in the first step is devised so that no further carry occurs during the calculation in the second step. The intermediate sums and carries generated are shown in Table 1. In the case of 1.3.4.6, the expression method for intermediate carry and intermediate sum is unique, but no matter what kind of carry there is from the lower digits, the carry is not carried in the second step operation. It will never occur. In the case of 2 and 5, the method of expressing the intermediate carry and intermediate sum is not unique, but depending on the method of expression, an additional carry may occur in the second step operation. However, if the state of the lower digits is determined and expressed as a table according to that state, the second
No carry occurs in step operations. That is,
2.5, if there is a possibility of a carry of -1 from the lower digit, the intermediate sum is set to 1, and when there is a possibility of a carry of 1 from the lower digit, the intermediate sum is set to 1. sum -
By setting it to 1, it is possible to prevent carry from occurring in the second step calculation. FIG. 9 shows a first digit circuit for executing such an operation. S! 1 indicates the status of the addend and summand of the lower digit, and is a signal that becomes low level when at least one of them is negative. The summand is (ai1+adl), the addend is (b@+, bdt), and the addition result is (Za
□+Zdf). Both are binary coded redundant binary numbers. Further, (': at, = a□) represents an intermediate carry using a binary coded redundant binary number (negative logic). If such one-digit adders are connected as shown in FIG. 11, an N-digit redundant binary adder can be constructed. (6) Evaluation Table 2 shows the results of comparing the number of transistor elements and the number of logic stages in one butterfly arithmetic circuit between the two's complement binary system and the redundant binary system. The transistor is C
The evaluation was performed using MOS and the circuit shown in FIG. The redundant binary system is characterized in that the number of logic stages does not change even if the number of bits increases, and the calculation speed can be kept constant regardless of the number of bits. In case of 1024 points data input,
The butterfly operation circuit requires 10 stages, and the FFT operation section can be configured with 380 logic stages. Including the 8 stages of the output binary number converter, the device can be configured with a total of 388 stages. The number of stages can be 172 or less in the 16-bit binary system, and therefore the conversion speed can be 172 or less. (7) Another embodiment The structure is shown in FIG. 12. The FFT calculation unit 2 includes N/2 butterfly calculation circuits B arranged in one stage in parallel;
~B It is composed of H/2. After completing the first stage of processing,
The output data of the N points is input again to the FFT calculation circuit via the shifter circuit 8 and the multiplexer 9. FFT is performed by executing such calculations for a predetermined number of stages. The shifter circuit 8 is
This is a circuit for controlling the combination of input data for calculations at each stage, and its specific 1-bit configuration is the 13th
As shown in the figure. The figure shows a case where the number of input data points is 64. Since one of the two outputs of the butterfly arithmetic circuit can always be input to one of the same arithmetic circuits, the number of input/output terminals of the shifter circuit is 32. Control signal C5~
C6 is inputted after each stage's calculation is completed, and the flow of data is controlled by switching the gates so that the output data of that stage becomes the input data of the next stage. With such a configuration, the number of butterfly calculation circuits can be reduced to half the number of input data points.

【発明の効果】【Effect of the invention】

本発明は、FFTのバタフライ演算回路における加算回
路を、桁上げが上位に伝搬しない冗長2進数による加算
回路で構成したことを特徴とするものである。したがっ
て、桁数に関係なく、加算時間を一定の値に減少させる
事が出来、バタフライ演算及びFFTを高速化する事が
出来る。
The present invention is characterized in that the adder circuit in the FFT butterfly arithmetic circuit is configured with an adder circuit using redundant binary numbers in which carry does not propagate upward. Therefore, regardless of the number of digits, the addition time can be reduced to a constant value, and the speed of butterfly calculation and FFT can be increased.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、本発明の具体的な一実施例に係るFFT装置
の構成を示したブロックダイヤグラム、第2図、第3図
は、それぞれ、冗長2進変換部、2進変換部の構成を示
したブロックダイヤグラム、第4図は、FFT演算部の
構成を示したブロックダイヤグラム、第5図、第6図は
、バタフライ演算回路の構成を示したブロックダイヤグ
ラム、第7図は、乗算回路の構成を示したブロックダイ
ヤグラム、第8図は、部分積発生回路の構成を示した電
気回路図、第9図、第10図は、加算回路の1桁の構成
を示した電気回路図、第11図は、加算回路の構成を示
したブロックダイヤグラム、第12図は、他の実施例に
係るFFT装置の構成を示したブロックダイヤグラム、
第13図は、その装置で使用されるシフタ回路の構成を
示した電気回路図である。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an FFT device according to a specific embodiment of the present invention, and FIGS. 2 and 3 show the configurations of a redundant binary conversion section and a binary conversion section, respectively. FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the FFT calculation section, FIGS. 5 and 6 are block diagrams showing the configuration of the butterfly calculation circuit, and FIG. 7 is the configuration of the multiplication circuit. 8 is an electrical circuit diagram showing the configuration of the partial product generation circuit, FIGS. 9 and 10 are electrical circuit diagrams showing the 1-digit configuration of the adding circuit, and FIG. is a block diagram showing the configuration of an adder circuit, FIG. 12 is a block diagram showing the configuration of an FFT device according to another embodiment,
FIG. 13 is an electrical circuit diagram showing the configuration of a shifter circuit used in the device.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)入力データに回転因子を掛けたデータを出力する
乗算回路と、2つの入力データの和と差を演算して求め
られたデータを出力する加減算回路と、からなるバタフ
ライ演算回路において、前記乗算回路に於ける部分積発
生回路は、その入力データである被乗数を冗長2進数と
して処理し部分積を冗長2進数として出力するものであ
り、前記乗算回路に於ける部分積の和の演算回路と前記
加減算回路とを、冗長2進数による加算演算により桁上
げが上位桁に伝搬しない冗長2進加算回路で構成したこ
とを特徴とする高速フーリエ変換装置用バタフライ演算
回路。
(1) A butterfly operation circuit comprising a multiplication circuit that outputs data obtained by multiplying input data by a twiddle factor, and an addition/subtraction circuit that outputs data obtained by calculating the sum and difference of two input data. The partial product generation circuit in the multiplication circuit processes the multiplicand, which is the input data, as a redundant binary number and outputs the partial product as a redundant binary number, and the circuit for calculating the sum of partial products in the multiplication circuit 1. A butterfly calculation circuit for a fast Fourier transform device, characterized in that said addition/subtraction circuit is constituted by a redundant binary addition circuit which performs an addition operation using redundant binary numbers so that a carry does not propagate to higher digits.
(2)前記乗算回路は、各部分積が並列的に求められ、
その部分積の和を2つずつ木状接続により求める冗長2
進加算木を用いた組合せ回路による並列乗算回路で構成
されていることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の高速フーリエ変換装置用バタフライ演算回路。
(2) The multiplication circuit calculates each partial product in parallel,
Redundant 2, which calculates the sum of the partial products two by two by tree-like connection
2. The butterfly arithmetic circuit for a fast Fourier transform device according to claim 1, wherein the butterfly arithmetic circuit is constituted by a parallel multiplier circuit formed by a combinational circuit using a base addition tree.
(3)前記乗算回路は、乗数を基数4の拡張SD(サイ
ンド ディジィト)表現に変換し、その各桁毎に部分積
を求める2ビットブースの方法を用いた乗算回路で構成
されていることを特徴とする特許請求の範囲第2項記載
の高速フーリエ変換装置用バタフライ演算回路。
(3) The multiplication circuit is constructed using a 2-bit Booth method that converts the multiplier into a radix-4 extended SD (signed digit) representation and calculates a partial product for each digit. A butterfly arithmetic circuit for a fast Fourier transform device according to claim 2.
(4)入力データに回転因子を掛けたデータを出力する
乗算回路と、2つの入力データの和と差を演算して求め
られたデータを出力する加減算回路と、からなるバタフ
ライ演算回路を基本演算回路とする高速フーリエ変換装
置において、 前記乗算回路に於ける部分積発生回路は、その入力デー
タである被乗数を冗長2進数として処理し部分積を冗長
2進数として出力するものであり、前記乗算回路に於け
る部分積の和の演算回路と前記加減算回路とを、冗長2
進数による加算演算により桁上げが上位桁に伝搬しない
冗長2進加算回路で構成したことを特徴とする高速フー
リエ変換装置。
(4) Basic calculation of the butterfly calculation circuit, which consists of a multiplication circuit that outputs data obtained by multiplying input data by a twiddle factor, and an addition and subtraction circuit that calculates the sum and difference of two input data and outputs the data obtained. In a fast Fourier transform device configured as a circuit, the partial product generation circuit in the multiplication circuit processes the multiplicand, which is its input data, as a redundant binary number and outputs the partial product as a redundant binary number; The calculation circuit for the sum of partial products and the addition/subtraction circuit in
A fast Fourier transform device comprising a redundant binary adder circuit that prevents carry from propagating to higher digits due to addition operations based on base numbers.
(5)バタフライ演算回路の配列は、N点の入力データ
に対し、N/2のバタフライ回路を並列に設けた並列処
理回路がlog_2N段所定の接続関係で縦続に接続さ
れた網目状に構成されていることを特徴とする特許請求
の範囲第4項記載の高速フーリエ変換装置。
(5) The arrangement of the butterfly arithmetic circuit is configured in the form of a mesh in which parallel processing circuits each having N/2 butterfly circuits arranged in parallel are connected in cascade in a predetermined connection relationship in log_2N stages for input data at N points. A fast Fourier transform device according to claim 4, characterized in that:
(6)N点の入力データに対し、N/2のバタフライ演
算回路を並列に設けた並列処理回路と、該並列処理回路
のNの出力データを、その順序を各処理ステップ毎に異
なる所定の論理で並べ換えて、前記並列処理回路に入力
する処理をlog_2Nステップ数だけ繰り返す制御手
段とを有することを特徴とする特許請求の範囲第4項記
載の高速フーリエ変換装置。
(6) For input data at N points, a parallel processing circuit in which N/2 butterfly calculation circuits are installed in parallel, and N output data from the parallel processing circuit are processed in a predetermined order that differs for each processing step. 5. The fast Fourier transform apparatus according to claim 4, further comprising a control means for repeating the processing to be rearranged by logic and input to the parallel processing circuit by a number of log_2N steps.
(7)N点の入力データを冗長2進数に変換する冗長2
進変換部を有することを特徴とする特許請求の範囲第4
項記載の高速フーリエ変換装置。
(7) Redundancy 2 that converts N points of input data into redundant binary numbers
Claim 4, characterized in that it has a decimal converter.
The fast Fourier transform device described in .
(8)フーリエ変換後のN点のデータを2進数に変換す
る2進変換部を有することを特徴とする特許請求の範囲
第4項記載の高速フーリエ変換装置。
(8) The fast Fourier transform device according to claim 4, further comprising a binary transform unit that converts the N-point data after Fourier transform into a binary number.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01195574A (en) * 1988-01-29 1989-08-07 Nec Corp Digital signal processor
JPH01288967A (en) * 1988-05-16 1989-11-21 Nec Corp Pipeline signal processing circuit
US11604852B2 (en) 2017-12-27 2023-03-14 Nec Corporation Signal processing apparatus, method, program, and recording medium

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