Desenvolvimento de um Processador CORDIC para Leitura de Informação Quântica

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e verificação de um processador digital baseado no algoritmo CORDIC, implementado em Verilog e direcionado para integração ao fluxo de fabricação educacional TinyTapeout. O projeto tem como objetivo realizar a conversão de sinais cartesianos (componentes In-phase e Quadrature — I/Q) em suas representações polares de magnitude e fase, utilizando aritmética em ponto fixo e uma arquitetura totalmente síncrona. A implementação adotou o modo vetorial do CORDIC, que permite calcular diretamente a magnitude e o ângulo do vetor de entrada, por meio de rotações iterativas sucessivas aplicadas de acordo com o sinal da componente y. A arquitetura foi equipada com pipeline completo, tabela de arctangentes pré-quantizada e compensação implícita do ganho inerente ao método, garantindo maior estabilidade numérica, ampla cobertura angular dos quatro quadrantes e latência fixa por processamento. Para avaliar o desempenho e a precisão do bloco, foi realizada também uma implementação em modo rotacional, utilizada como referência para comparação estrutural e funcional. Ambos os módulos foram extensivamente verificados em ambiente open-source: simulação com Icarus Verilog, análise temporal com GTKWave e validação de estimativas contra um modelo matemático em ponto flutuante. A análise comparativa demonstrou que o modo vetorial é mais adequado para aplicações que envolvem processamento I/Q e medidas de amplitude e fase, enquanto o modo rotacional apresenta desempenho mais eficiente para geração direta de seno e cosseno. Por fim, desenvolveu-se um wrapper de interface com multiplexação de entradas e saídas, possibilitando que o CORDIC vetorial opere com apenas 8 pinos de entrada e 8 pinos de saída, atendendo às restrições de FPGAs educacionais e ao padrão TinyTapeout, sem prejuízo à precisão do cálculo. Os resultados obtidos comprovam que o processador CORDIC projetado apresenta baixo custo em hardware, alta reprodutibilidade e desempenho compatível com aplicações reais em sistemas de comunicação e conversores I/Q para radiofrequência.