基于流水線加法器的數(shù)字相關(guān)器設(shè)計

O 引言
數(shù)字相關(guān)器是擴頻通信體制下數(shù)字中頻接收機核心部件之一，在數(shù)字擴頻通信系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，但由于受數(shù)字信號處理器件速度限制，無法應(yīng)用于高速寬帶通信系統(tǒng)。其中一個重要原因是高位數(shù)的加法器進位延遲過大，使得在一個采樣時鐘節(jié)拍內(nèi)無法完成一次累加運算，而導致相關(guān)運算錯誤。隨著FPGA技術(shù)的快速發(fā)展，器件速度的不斷提升，這一問題一定程度得到改善，但仍然無法滿足高位數(shù)擴頻碼、高采樣速率和大動態(tài)范圍的數(shù)字相關(guān)器的工程實現(xiàn)，因此必須采用優(yōu)化算法最大限度地減少加法器進位操作，從而降低電路延遲對數(shù)字相關(guān)處理的影響，較為可行的方法是通過流水線加法器構(gòu)建數(shù)字相關(guān)器。

1 數(shù)字相關(guān)器基本模型分析
數(shù)字相關(guān)器類似于匹配濾波器，可以看作乘累加運算器，即輸入數(shù)據(jù)流同本地碼在采樣同步時鐘的驅(qū)動下(在一個時鐘節(jié)拍內(nèi))逐級相乘并累加。以32階數(shù)字相關(guān)器為例，假定中頻信號采樣速率是擴頻碼速率的4倍，輸入采樣數(shù)據(jù)流為補碼(如果輸入碼流是2進制碼應(yīng)通過邏輯電路轉(zhuǎn)換成補碼)，可建立如圖1所示電路模型(全加器型)。

圖1所構(gòu)建的數(shù)字相關(guān)器其特點是模型較為簡單，在進行FPGA邏輯電路設(shè)計時也較容易實現(xiàn)，同時在輸入信號動態(tài)范圍較小(采樣數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)帶寬較小)的情況下器對硬件資源的消耗也較少(不考慮乘法器消耗的資源)。但是當輸入信號動態(tài)范圍較大時，如采樣數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)帶寬超過8 b，中頻信號采樣速率超過40 MHz時此模型的缺陷就會暴露出來，其核心問題是∑求和加法電路要在一個時鐘節(jié)拍內(nèi)必須完成32個8 b補碼數(shù)據(jù)的加法運算，而FPGA內(nèi)部門到門的延遲會使每一位加法電路在進行運算時產(chǎn)生一定時間的暫態(tài)。當這種暫態(tài)逐級累加時就會造成一個時鈍單位內(nèi)無法產(chǎn)生穩(wěn)定、有效的輸出結(jié)果，同時如果輸入的數(shù)據(jù)流產(chǎn)生較多的進位，則會使相關(guān)結(jié)果出錯。
由上述可知，圖1所描述的相關(guān)器電路模型應(yīng)用在實際的通信系統(tǒng)中會存在隱患，尤其是作為時隙信號同步頭字符相關(guān)處理時，有可能造成時隙同步的誤觸發(fā)。若作為位同步字符時會造成整時隙的接收數(shù)據(jù)較高誤碼。