معالجة إشارات الرادار ذي الصفيف الطوري: تشكيل الحزمة متعدد القنوات وضغط النبض على خط إنتاج FPGA

الرادار ذو الصفيف الطوري يوجّه نحو الأهداف إلكترونيًا دون أجزاء متحركة. عبء الحوسبة الحقيقي ليس الهوائي بل المؤخّرة؛ فكل قناة استقبال يجب أن تنفّذ في آن واحد تشكيل الحزمة الرقمي وضغط النبض واكتشاف الهدف. يفصل هذا المقال خط المعالجة إلى معدل بيانات وميزانيات موارد قابلة للحساب، ويبنيه على لوحات FPGA.

لماذا تحتاج الصفائف الطورية إلى FPGA

الرادار ذو المسح الميكانيكي التقليدي ينظر إلى اتجاه واحد في كل مرة، فتعالج المؤخّرة مسار إشارة واحدًا فقط. أما الصفيف الطوري فيتكوّن من N عنصر هوائي، خلف كل عنصر وحدة إرسال/استقبال ومحوّل ADC. يجب أن تدخل N قنوات الصدى النطاق الرقمي في الوقت نفسه لتشكيل الحزم رقميًا (DBF).

يفرض هذا قيدين صارمين:

• معدل بيانات مرتفع جدًا: تعمل N قنوات ADC بالتوازي؛ وكلما كبر N وارتفع معدل العينة، زاد عرض النطاق الذي تحتاجه المؤخّرة؛
• زمن انتقال منخفض للغاية: تشكيل الحزمة وضغط النبض معالجة خطّية متتابعة، لا يمكن تجميع دفعة ثم حسابها؛ يجب أن يُنهي الصفيف المعالجة ضمن كل فترة نبضة، وإلا وصلت النبضة التالية.

لا تستطيع المعالجات المركزية ووحدات الرسوم تقديم هذه المعالجة المتوازية متعددة القنوات بخط ميكروثواني بشكل حتمي، وهذا بالضبط موقع FPGA.

خط معالجة إشارة الرادار الكامل

مؤخّرة رادار صفيفي رقمية نموذجية، من ADC حتى علامة الهدف، هي هذا الخط:

1. التقاط متعدد القنوات بـ ADC: قناة لكل عنصر، 12–16 بت، من عشرات إلى مئات MSPS؛

2. تهدئة رقمية DDC: خلط لكل قناة + مرشح تمرير منخفض + اختزال إلى إشارة النطاق الأساسي المركّبة (I/Q)؛

3. تشكيل الحزمة الرقمي DBF: ترجيح مركّب لقنوات النطاق الأساسي وجمعها حسب اتجاه الهدف؛

4. ضغط النبض (المرشح المطابق): مطابقة إشارة التشريح الخطي LFM لضغط نبضة عريضة في نبضة ضيقة وتحسين دقة المدى؛

5. كشف CFAR بالإنذار الكاذب الثابت: اكتشاف الأهداف على البيانات المضغوطة وقمع التشويش؛

6. استخلاص العلامات والإبلاغ: تجميع المدى/الاتجاه/السعة المكتشفة وإرسالها إلى المضيف.

يضع FPGA الخطوات 2–5 في مجال ساعة واحدة ويُكمل السلسلة ضمن كل فترة نبضة (عشرات إلى مئات الميكروثواني).

حساب معدل البيانات

لنأخذ صفيفًا من 16 قناة بمعدل 125 MSPS وعمق 14 بت لكل قناة:

المرحلة	المعادلة	النتيجة
المعدل الخام لقناة واحدة	125 MSPS × 14 بت	1,75 Gbps ≈ 218 МБ/ث
الإجمالي لـ 16 قناة	16 × 1,75 Gbps	28 Gbps ≈ 3,5 ГБ/ث
معدل النطاق الأساسي المركّب بعد DDC	16 ق × 125 MSPS × (16 بت I + 16 بت Q)	8 Gbps ≈ 1 ГБ/ث
إنتاجية ضرب الجمع المركّب لـ DBF	16 ق × 125 م عينة/ث × ضرب مركّب	2 G complex MAC/s
تحويل FFT لضغط النبض 4096 نقطة	125 MSPS ÷ 4096	≈ 30 FFT لكل قناة في الثانية

الرقم المفتاحي: 16 قناة متوازية، 3,5 ГБ/ث بيانات خام في المؤخّرة. صلات JESD204B/C التسلسلية فائقة السرعة مصممة تمامًا لهذا؛ كل ADC يشغل خطًا تسلسليًا واحدًا بدل ناقل متوازٍ عريض.

ما تستهلكه كل من DBF وضغط النبض

تشكيل الحزمة الرقمي (DBF)

جوهر DBF: N قنوات مركّبة، تُضرب كل منها بوزن مركّب w(n) ثم تُجمع.

• كل نقطة عينة تحتاج N ضربة مركّبة (4 ضربات حقيقية + جمعان)؛
• عند N=16 تُنفّذ 16 ضربة مركّبة بالتوازي في كل دورة؛ وكتل DSP في FPGA متوازية بطبيعتها؛
• الأوزان w(n) تُحسب من زاوية التوجيه (w(n)=e^(-j·2π·n·d·sinθ/λ)) وتُخزَّن كجداول بحث.

يُنفّذ FPGA تشكيل الحزمة عمليًا دون حمولة تعليمات، فقط بملء كتل DSP بضرب-جمع متوازٍ.

ضغط النبض (المرشح المطابق)

الطريقة المعيارية لضغط نبضة LFM هي «في مجال التردد»: تحويل FFT للإدخال × معاملات المرشح المطابق → تحويل عكسي IFFT.

• FFT بـ 4096 نقطة، واحدة لكل قناة؛
• لدى FPGA نواة FFT متدفقة جاهزة بزمن انتقال ميكروثواني ثابت؛
• يمكن لـ 16 قناة مشاركة نواة FFT واحدة أو تشغيل 16 نواة بالتوازي.

تستهلك FFT ذات 4096 نقطة بدقة أحادية بضع مئات من كتل DSP وبضع Mbit من BRAM، وتتسع بسهولة على لوحة مثل XCKU15P.

ثلاث فئات من اللوحات

يتطلب عدد القنوات ومعدل التحديث المختلف موارد FPGA مختلفة:

اللوحة	منصة FPGA	حجم الرادار	لماذا
وحدة XCKU15P الأساسية	Kintex UltraScale+	16–64 قناة، رادار مدى قصير عالي التحديث	منطق وافر، وحدات إرسال GTH لعدة خطوط JESD204B/C، وDSP كافٍ لتشكيل الحزمة المتوازي وFFT متعدد القنوات
DUF7690T	FudanMicro JFM7VX690T (متوافق مع XC7VX690T)	عقدة رادار محلية عالية الموثوقية	فئة Virtex-7، درجة حرارة صناعية، لرادارات السيارات والمراقبة الحساسة لسلسلة الإمداد والموثوقية
DUK7410T	FudanMicro JFM7K410T (متوافق مع XC7K410T)	4–8 قنوات، نموذج أولي منخفض التكلفة	فئة Kintex-7، تكلفة أقل؛ يكفي لتشكيل حزمة صغيرة وضغط نبض أحادي القناة، للتحقق من الخوارزميات والإنتاج الصغير

التقسيم النموذجي: يستخدم فريق الخوارزميات DUK7410T لنموذج أولي من 4 قنوات للشكل الموجي والكشف، ثم ينقله إلى DUF7690T للإنتاج المحلي، أو يرتقي إلى XCKU15P لصفائف أكبر.

مثال: رادار مراقبة قصير المدى من 16 قناة

استخدم رادار مراقبة قصير المدى صفيفًا خطيًا من 16 عنصرًا عند 10 ГГц، وعرض نطاق 100 МГц، وتردد تكرار نبضات 5 كГц:

• تُغذّي 16 قناة ADC الـ FPGA عبر JESD204B؛
• تخفض DDC كل قناة إلى نطاق أساسي مركّب 10 МГц؛
• يكوّن DBF أربع حزم استقبال متزامنة تغطي زوايا سمتية مختلفة؛
• ضغط نبضة 4096 نقطة في مجال التردد يضغط نبضة 20 ميكروثانية إلى دقة مدى نحو 5 م؛
• يُخرج كشف CFAR المتوسط خليةً علامات الأهداف إلى المضيف عبر PCIe.

القياس: زمن انتقال معالجة النبضة الواحدة نحو 80 ميكروثانية، أي أقل من فترة النبضة 200 ميكروثانية؛ وبلغ استهلاك موارد FPGA نحو 60٪ (DSP وBRAM).

يبدو «المسح الإلكتروني» للصفيف الطوري وكأنه مشكلة هوائي، لكن ساحة المعركة الحقيقية للحوسبة داخل FPGA؛ التوازي متعدد القنوات، والخط الميكروثواني، والزمن الانتقالي الحتمي. لا تستطيع وحدات المعالجة المركزية فعل ذلك، وإنما صُنع FPGA له.

اقرأ أيضًا

• [واجهة SDR عريضة النطاق: بناء سلسلة الالتقاط عالي السرعة](/article/sdr-wideband-frontend-signal-chain/)
• [الربط الخلفي بالألياف 10G/25G: وصلات بعيدة عالية العرض](/article/fiber-backhaul-10g-25g/)
• [شجرة الساعة وميزان الاهتزاز: تصميم ساعة العينات](/article/clock-tree-jitter-budget/)