淺析雷達信號處理與微電子技術

包立琦

（甘肅長風電子科技有限責任公司 甘肅 蘭州 730070）

0 引言

雷達信號處理是雷達系統的核心組成部分。近年來，隨著技術水平的提升，基于微電子實現了大規模以及超大規模集成電路、專用集成電路的應用，配合可編程信號處理器，提高了數據采集、數字濾波、脈沖壓縮等多個環節的速率，也促進了各環節功能模塊化發展，但不得不考慮到在雷達信號處理中電源設備占據大量空間，不僅需要逐漸進行組成元件小型化研發，也需要通過微電子技術的應用提高功能模塊化水平，使雷達在復雜環境下能夠高效率檢測信號、高質量處理信號。為此，探究雷達信號處理與微電子技術具有重大的理論與實踐意義。

1 雷達信號處理技術的進步與微電子技術對雷達處理的實際價值

1.1 雷達信號處理技術進步的實際價值

雷達信號處理技術的發展主要分為兩個階段：20世紀70年代之前，雷達信號處理中集成電路的使用較少，主要采用模擬信號進行處理；20世紀70年代及以后，我國雷達信號處理技術的發展進入了繁榮時期，逐漸利用數字化技術進行信號處理，該技術模式下電路規模龐大，提高了數字動目標的實際運算量，而在不斷引入數字波束形成、目標成像與識別等技術后，浮點計算逐漸取代了定點運算，解決龐大運算量問題；此外，現代子波變換、人工智能神經網絡等信號處理技術也不斷被引入到雷達系統中，不斷提升雷達信號處理質量與效率，同時隨著信號處理功能與效力的提高，微電子技術也面臨著更嚴峻的挑戰[1]。

1.2 微電子技術的實際價值

近年來，微電子技術迅猛發展，使雷達信號處理中諸多概念、設想得以實現，以CPU為例，在80386、80486等系列芯片中早已實現了大批量、規模化生產專門用于數字處理器的芯片；在發達國家中也利用TI公式研發出TMS320、DSP5600系列芯片，可用于橫向濾波或通信連接等環節當中。且目前最為先進的微電子技術不僅研發適用于定點DSP的產品，也針對浮點DSP產品進行了開發，使得雷達信號的處理能力、運算能力得到強化，利用TMS32010產品其運算速度能夠達到5MIPS，升級到C30后，運算速度更是達到了16.7 MIPS，使雷達信號處理速率有了質的飛躍[2]。

2 雷達信號處理功能及微電子技術的應用

2.1 雷達信號處理功能

雷達信號處理是雷達系統的分支，其系統構成主要有數據采集模塊、數字濾波模塊、數字脈沖壓縮模塊以及恒虛警模塊。

（1）數字采集模塊。顧名思義主要采集通過雷達系統的信號及信息，功能實現的主要原理是視頻模擬中頻或相位檢波器中出現的額電壓信號、電流信號，經過變換形成時間離散的幅度量化數字正交信號。數字采集功能模塊主要有兩種類型，一種為中頻直接采集模塊，另一種為正交校正采集模塊，我國多采用后者[3]。正交矯正采集模塊的技術指標為：10位A/D參數的輸入信號帶寬為≤5 MHz、信號幅度≤2.5 V、信號為雙極性、變換器10位、采樣頻率≥10 MHz、正交度A≤0.1 dB且φ≤0.5°；12位A/D參數的輸入信號帶寬為≤2.5 MHz、信號幅度≤2.5 V、信號為雙極性、變換器12位、采樣頻率≥5 MHz、正交度A≤0.05 dB且φ≤0.2°[4]。

（2）數字濾波模塊。該模塊的主要功能是濾波計算，雷達信號傳輸過程中目標信號與雜波速度之間存在差異，這種差異造成回波信號頻率中多卜勒出現不同的頻移，濾波則能夠利用這種差異檢測目標，分離目標信號與雜波[5]。具體應用過程中，雷達信號處理要求不同，所配備的濾波器也有所不同。目前常用的濾波器主要有3種：第1種為有限沖擊響應濾波器、第2種為快速傅立葉變換濾波器、第3種為動目標顯示濾波器。前兩種為典型的窄帶濾波器組，輸出數據均為12位，且兩者輸入數據位數均為虛部（I）、實部（R）各12位，權系數位也為虛實部各12位，數據率均為3 MHz，僅在濾波器點數存在差異，第1種為8、12、16，第2種為16、32、64。而動目標顯示濾波器在輸入/出數據位數、數據率、權系數位數等方面也與以上兩種無較為明顯差異，但其結果為直傳、二三四脈沖對消[6]。

（3）數字脈沖壓縮模塊。該模塊的主要功能是進行大時寬/帶寬單脈沖信號的匹配濾波，主要技術指標為：以線性調頻信號形式工作，帶寬為1.6 MHz，脈寬為16 μs、32 μs、64 μs、128 μs、256 μs、512 μs，輸入數據位數同樣是虛實部各12位，脈壓損失為＜3 dB，輸出數據位數為12位，副瓣電平為≤-25dB（16 μs、32 μs）、≤-30 dB（64 μs）、≤-38 dB。

（4）恒虛警模塊。該模塊是復雜環境下確保雜波被快速檢測的關鍵，其能夠在不影響虛警率基礎上提高復雜環境中雜波檢測效率與穩定性。目前，主要有兩種恒虛警類型：一種為慢門限恒虛警，另一種為快門限恒虛警。其中慢門限恒虛警的主要技術指標為：輸入數據位數12位、處理損失≤0.5 dB、參考單元數為64、處理方式為對數噪聲平均；快門限恒虛警的主要技術指標為：輸入數據位數為12位、處理損失為≤12 dB、參考單元數為16、檢測單元為兩側各空1單元、處理方式為單元平均選大[7]。

2.2 微電子技術的應用

（1）在雷達信號處理系統電源上的應用。微電子技術的主要價值則是通過對電源設施的小型化處理，降低電源在信號器中占據的空間。主要采用的電源有兩種類型，一種為串聯穩壓電源，另一種為開關穩壓電源。其中串聯穩壓電源的主要技術指標有：電壓有效值為190～210 V、電源頻率為400±80 Hz；其輸出電壓的主要指標為：額定電壓為+5 V時輸出電流可為3 A或5 A，其中3 A電流的空滿載差為≤100 mV、紋波有效值為≤10 mV，5 A電流的空滿載差為≤200 mV、紋波有效值為≤10 mV；額定電壓為+12 V時，輸出電流為2 A、空滿載差為≤100 mV、紋波有效值為≤1 mV；額定電壓為-12 V時，輸出電流為2 A、空滿載差為≤100 mV、紋波有效值為≤1 mV；額定電壓為+15 V時，輸出電流為1.5 A、空滿載差為≤100 mV、紋波有效值為≤1 mV；額定電壓為-15V時，輸出電流為1.5 A、空滿載差為≤100 mV、紋波有效值為≤1 mV。在串聯穩壓電源中輸入交流電壓在190～210 V范圍內進行變化或波動時，輸出電壓的變化幅度可以控制在±5%內，因此要求紋波有效值必須在≤1 mV內。

開關穩壓電源的主要技術指標為：電源電壓有效值190～210 V、電源頻率為400±8 Hz。其電壓主要指標為：額定值為5 V時輸出電流為5 A、穩定度為1%、紋波峰峰值為≤100 mV；額定值為5 V時輸出電流為10 A、穩定度為1%、穩定度為1%、紋波峰峰值為≤100 mV；額定值為5 V時輸出電流為20 A、穩定度為1%、穩定度為1%、紋波峰峰值為≤100 mV。過流過壓保護點情況如下：電壓為5 V、電流為5 A時過流保護點為≥5.8 A、過壓保護點為≥5.9 V；電壓為5 V、電流為10 A時過流保護點為≥11.5 A、過壓保護點為≥5.9 V；電壓為5 V、電流為20 A時過流保護點為≥23 A、過壓保護點為≥5.9 V。

（2）在信號處理器功能優化上的應用。因大規模集成電路技術的發展，在20世紀80年代我國雷達信號處理分系統中則開始使用4片TMS32020數字信號處理器，極大地優化了雷達信號處理系統的性能與使用功能。這是微電子技術在雷達信號處理中應用的重大成果，具體應用方式為：在艦載雷達信號處理機中安裝兩片TMS32020數字信號處理器，主要負責在復雜環境中估計雜波速度工作，且該裝置的應用也輔助優化變T、捷變頻下AMTI權值計算速率；其中一片TMS32020數字信號處理器負責自動測頻，確保在干擾頻最小情況下進行開環航速補償，且該數字信號處理器還對噪聲系數測量方式進行了更新，在傳統測量方式功能與效果基礎上實現了利用數字噪聲恒定測量以及數字噪聲系數測量；另一片數字信號處理器的功能則是通過運動雜波圖的構建，判別雜波特性。發展至現代，我國艦載雷達信號處理實現了7片TMS32020與C25的同時應用，可完成雙波束空降移動目標指示器，并且在運行過程中自動適應旁瓣相消以及自動化完成脈沖壓縮；并且利用失控二維信號處理技術解決了運算量需求過大的機載預警雷達，但該技術的應用對DSP芯片的性能要求有了更高的標準，目前DSP的專用芯片性能還有待提升。

3 電子設計自動化

電子設計自動化（Electronic design automation，EDA）是融合雷達信號處理的有力工具。EDA是計算機在電子相關系統輔助設計的全新階段，該技術推動了電子工業的發展。從20世紀70年代至今，EDA技術發展經歷了幾次變革，軟件廠商也發展到了幾十家。

目前的EDA技術，可以從綜合性的概念入手，自上而下地進行系統設計，包括電路層、物理層和系統層3個層次的分析、規劃和改良。VHDL是微電子技術發展和電子系統設計發展留下的產物，可以直接實現映射過程，為設計人員提供了便利。VHDL主要有3個特點：（1）將電路的設計獨立出來。使用戶投片時可以自由選擇多個IC廠家，修改設計時更加便利。（2）實現了低水平的設計細節。為相關設計人員節省了大量時間，避免出現更多的偏差。（3）提高了設計的質量。在實際設計的過程中，設計人員通過不同的方案驗證功能的完整性，使得大部分設計的內容都可以共享和復用，十分便捷[8]。

4 微電子技術的發展

4.1 發展現狀

近年來在我國的政策扶持下，國內的硅基微電子技術水平不斷提高，和發達國家的技術水平差距也逐漸減小。我國微電子技術的發展特點有兩方面：（1）集成電路設計水平顯著提升，規模增大。（2）超深壓微米集成技術水平不斷提高。經過近些年的快速發展，我國芯片設計的水平有了顯著的提升，目前我國自主研發的芯片產品已經涉及數字信號處理器、高端IC卡、數字電視、多媒體和CPU等。IC設計已達到0.13 μm，具備自主知識產權的芯片開發也取得了階段性的勝利。我國的芯片發展已經逐漸從“低端模仿”走向了“高端替代”的階段。微電子是我國當今發展迅速的技術之一，但我國目前還和國際上發達國家的技術水平存在一定的差距。因此國家要制定相應的扶持力度，吸引更多的人才和資金，構建可持續發展的微電子技術體系[9]。

4.2 發展趨勢

21世紀的微電子技術從3G時代轉變成了3T時代，存儲量從GB轉化成TB，集成電路中器件的速度也由GHz發展到THz。將硅集CMOS電路作為我國主流工藝，其發展趨勢主要體現在三大方面：（1）晶圓尺寸的增大和器件特征尺寸的縮小。國際上很多發達國家正把芯片技術進軍到納米領域。（2）集成電路發展成系統集成芯片。系統集成芯片可將各種物化生的敏感器和信息處理系統采集到一起，形成完善的信息獲取、處理和運輸的系統功能，這是廣義層次系統集成芯片。系統集成芯片是微電子設計行業的一場變革，而且現在是其發展的關鍵階段。（3）微電子技術和其他學科相融合。例如，微機電系統技術是通過微電子技術和機械、材料、傳感器交叉結合產生的。總之，微電子技術已經滲透到了生活中的方方面面，例如現代通信、計算機技術、醫療衛生、環境工程、自動化生產等方面，變成了代表國家現代化技術又和人民日常生產活動息息相關的高新技術。當今人類進入到了信息化社會，對微電子技術也提出了更高的要求。

微機電系統是一種多學科交叉的技術，近年來被廣泛應用。這種技術涉及物理、化學、電子、生物等多學科的專業知識。目前我國對微機電的研究已經取得了階段性的勝利，獲取了一些初步的成果，對人類的生活產生一定影響。在微傳感器方面，我國已經研究出了多種微型傳感器。而MEMS作為一種微小的機電一體化產品，過去常常被運用于軍事等領域。現今MEMS逐漸應用于電子產品領域、醫療、機械等領域，為我國各行各業的發展奠定了基礎。總之，微電子技術是我國當前的核心技術，其產業規模和發展水平已經達到了很高的階段。全球已經進入到了信息化時代，微電子技術作為具有發展前景的領域之一，仍需我們引起高度重視，共同推進社會進步。

5 結語

綜上所述，從雷達信號處理的發展形式來看，微電子技術的應用以及進步是實現提高信號處理質量與效率、優化處理過程的基礎。為了不斷提高我國雷達信號處理技術水平，邁向新的發展高度，需要了解微電子技術的實際價值以及應用意義，在技術研發與創新發展中不斷結合雷達信號處理技術，提高技術的通用化、模塊化，設備的微型化，軟件的現代化，增強微電子技術的可用性。