Алгоритм CORDIC в методе прямого цифрового синтеза LFMCW-сигнала ионозонда диапазона 2–30 МГц
Authors: Иванов Д.В. , Иванов В.А. , Рябова Н.В. , Овчинников В.В. , Михадарова О.В. 
Published: February 2025

В работе исследуются возможности алгоритма CORDIC для цифрового синтеза сложных LFMCW зондирующих радиосигналов в диапазоне 2 – 30 МГц. Представлен развитый алгоритм DDS изменяющейся фазы зондирующего LFMCW-сигнала и её функционального преобразования. Для решения задачи реализации устройства SDR ионозонда на ПЛИС проведены исследования по реализации алгоритма синтеза зондирующего LFMCW-сигнала, направленного на уменьшение объёма (сжатие) таблицы и повышения уровня SFDR. Проведено цифровое моделирование синтеза гармонического радиосигнала и сложного зондирующего радиосигнала на основе итерационного алгоритма CORDIC. Исследована возможность использования развитых алгоритмов синтеза сложных зондирующих сигналов типа LFMCW, LFMICW на разных рабочих частотах из диапазона 2 – 30 МГц в физической модели макета будущего компактного устройства. Представлены результаты вычисления отсчётов составляющей сложного зондирующего LFMCW-сигнала для синфазного канала с использованием алгоритма CORDIC при разном количестве итераций алгоритма. В численных экспериментах установлено, что при числе итераций алгоритма более 7 внеполосный уровень излучения в спектре сложного зондирующего LFMCW-сигнала не превышает величины SFDR > 20 дБ.

Introduction. For the purposes of digital synthesis and signal processing in state-of-the-art radio communication and radar systems, it is crucial to create a specialized processor that implements energy-efficient algorithms for calculating harmonic functions of time. The most common approach to tackle this problem is the method of direct digital synthesis (DDS). At the current level of development of software-defined radio (SDR) systems, the most promising, in terms of obtaining high performance, are table-algorithmic methods that can significantly reduce the amount of memory (ROM) used, reduce the noise level in the synthesized signal (increase SFDR) and increase the limit of generated frequencies. Recently, algorithms of the CORDIC family (COordinate Rotation DIgital Computer) have been increasingly served as a mathematical support for such systems. State-of-the-art digital SDR ionosondes of Volga State University of Technology use quadrature methods in DUC and DDC converters. The harmonic RF carrier signals are synthesized by the DDS method with the use of a table function converter. However, there has rised the problem of studying the CORDIC algorithm in terms of its application in a digital ionosonde device for the synthesis of complex sounding radio signals for the implementation of a synthesizer on an FPGA with small weight and size characterisitcs and low power consumption. The aim of the research was to study the possibilities of the CORDIC algorithm for the digital synthesis of complex LFMCW sounding radio signals in the range of 2–30 MHz. Findings. There are presented the performance of a DDS algorithm for the changing phase of the sounding LFMCW signal and its functional transformation. To solve the problem of implementing an SDR ionosonde device on an FPGA, we studied the algorithm of synthesizing a sounding LFMCW signal aimed at reducing the volume (compression) of the table and increasing the SFDR level. Digital modeling of the synthesis of a harmonic radio signal and a complex sounding radio signal based on the CORDIC iterative algorithm has been carried out. The study showed the possibility of using developed algorithms for the synthesis of complex probing signals of the LFMCW, LFMICW type at different operating frequencies from the range of 2–30 MHz in a physical model of a prototype of a future compact device. We syhthesized the samples of the component of a complex sounding LFMCW signal for an in-phase channel with the use of the CORDIC algorithm with a different number of iterations of the algorithm. The outcomes of numerical experiments showed that the number of algorithm iterations more than 7 results in the low side band level in the spectrum of a complex sounding LFMCW signal with SFDR > 20 dB. Conclusion. The experimental verification of the physical model of the future compact device operating with the LFMCW reference signal synthesized on the basis of the CORDIC algorithm showed a high quality of gathered data (ionograms).