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“他激晶体振荡器”如何替代核心芯片功能

“他激晶体振荡器”如何替代核心芯片功能

印宁华|Indining China|

2022-03-18 02:48:56 0

前言

现在这个*无论是哪一个*都要拥有创新能力，然后才能走在发展的前沿，就像俄罗斯一样，俄方作出表率，走出新思路研制新技术，基础上不怕美国芯片卡脖子。

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很多人看到关于俄罗斯的报道，应该提到的都是这一个*关于武器方面的研制，但是说到芯片技术俄罗斯却很少会提到，这是因为俄罗斯继承了苏联军事上的制造能力，但是芯片的核心技术却没有。

所以经过了那么多年的发展之后，俄罗斯还是没有能够研制出自己的芯片系统，很多人都会疑问，像中国这样一个芯片研制投入比较大的*到现在都还会受到美国的卡脖子，难道俄罗斯就不怕突然被美国在技术上卡脖子嘛？

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其实没有哪一个*不怕自己的发展受到限制，但是俄罗斯针对美国可能会有的做法采用了一种新的思路，他们确实没有美国那么成熟的技术，但是他们取代芯片的技术是可以的。

大家可能不知道，小型电子管这个领域俄罗斯占据了一定的位置，他们在这样一个基础下研发出了激晶体振荡器的技术。

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有作者于2018-19年围绕"俄罗斯研发*武器缘何没有芯片危机"这一问题在环球网上先后发表三篇网文。这些文章的中心意思是：俄罗斯尽管没有高端芯片，但他的设计人员多方面采取自主创新措施，尤其是提倡扬长避短，设计出构思独特，性能优良的微波（射频）电路、模拟电路等来替代*芯片。笔者还以"他激晶体振荡器"为例，用作中频相参积累，就是个成功的范例。这些网文发表后受到不少网站和读者的关注。一些网站全文或摘要转载，还收集读者的意见，作者还注意到，大部分网站都对此"他激晶体振荡器"特有兴趣。但多数读者对何谓中频积累？何谓他激振荡？有的自媒体还信口称"俄罗斯由于设计出激晶体振荡器，解决了芯片问题"。他激振荡是个正式电子学词汇，它的含义是振荡电路只有当外加激励时才起振荡，以别于不需外激励的自由振荡。

俄罗斯的这一项新技术肯定会让不了解的人觉得并不好，但实际上俄罗斯的这一新技术其实对于他们的发展有着巨大的作用。

首先这一技术应用起来能够让俄罗斯的安全有保障，其次这一技术它的精密性很高，你可能都不知道俄罗斯的防空导弹上就应用了这样一技术。

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根据公开资料，"他激晶体振荡器"是俄S-300的 "中频积累器"（ИПЧ-Интегратор Промежточной Частоты ）组合中的核心部件。它的任务就是完成"中频相参积累"。下面试图用科普语言（不是从数理的角度，所以不太严格）来解释何谓中频积累？何谓他激振荡？最后介绍俄罗斯芯片最近一些新动向。希望广大科普爱好者以及非电子专业的网友都能看懂，感兴趣。说得不对的地方欢迎大家指正。

何谓中频脉冲积累？

大家知道，雷达接收到的目标回波信号往往是极其微弱的，或者说回波的信号-噪声比S/N值很低。雷达的主要任务首先是把回波从噪声中提取出来。办法是设法提高回波信号的信噪比，也就是说在提高信号电平的同时不提高噪声的电平，或提高很少（否则信噪比不变，甚至更差）。雷达原理证明，如果将M个中频脉冲回波进行相参积累，就可使信噪比（S/N）值提高到原来的M倍。M为积累的脉冲数。所谓相参积累就是同相相加，就是各中频信号的相位必须一致。否则就会互相抵消一部分甚至全部。这一点读者从物理概念就能理解。

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图1的上面是雷达收到的一连串（假定我们一次处理M个）中频脉冲回波Ud(t)。因为这些脉冲信号都来自同一稳定信号源（同一发射机），所以脉内中频信号的相位关系是相参的，也就是说如果我们将*个脉冲延时MT（T为脉冲重复周期），第二个脉冲延时（M-1）T，.....第M个脉冲延时T；那么所有脉冲都将在第M+1脉冲处重叠；由于此时脉冲内中频的相位都是一致的，所以将直接相加；相加后电压幅度将提高M倍，或者说功率增加M^2倍。但噪声增加不了那么多。因为噪声是随机过程，所以不是电压相加，而是功率相加，最后噪声功率将增加M倍。所以中频积累结果，信噪比将提高M^2/M=M倍。这就是中频脉冲积累的方法和过程。直至目前，中频积累大多数就是用精密的延时线来完成的。

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大家可能知道（或至少听说）现代先进雷达大都采用脉冲多普勒技术，其实脉冲多普勒是由中频（或射频）脉冲积累技术演变过来，二者是等效的。只是前者容易数字实现而得到广泛应用（从数学家看，就是FFT快速傅立叶变换；可以用FPGA或DSP芯片来完成），后者难以数字实现，就逐渐被人们忽视。俄罗斯没有高端芯片，他们不得不从模拟电路和微波电路中去挖掘潜力。

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何谓外激晶体振荡器？

从原理上讲，晶体振荡器也好，他激晶振也好，都是一般的电子电路。但俄罗斯科技人员把它做成中频积分器，用来实现中频相参积累，就是个构思独特的创新了。俄罗斯工程师创新地用较简单的模拟电路-中频积分器来实现中频相参积累（理论上等效FFT）。这种中频积分器实际上是一个外激晶体振荡器，这种外激晶体振荡器平时不振荡，其自身谐振频率就是石英晶体频率fok；它应和雷达的中频频率fom一致。只要有中频信号Ud(t)输入，它就会被激励而振荡。振荡频率就是fok=fom。由于雷达的中频信号是被脉冲调制的（见图1的Ud(t)），在脉冲持续期间，晶振工作并作增幅振荡。而在中频脉冲间歇期间，晶振停止工作，但由于石英晶体的Q值非常高（高达10^5-10^6以上），输出能维持在等幅振荡值几乎不变。待下一个脉冲到来时，晶振又被激励，振荡幅度再进一步增大。然后又维持在更高的等幅振荡值。如此晶振输出随着脉冲不断到来而不断上升，这就实现了中频脉冲积累。这种中频积分器的主要性能指标（速度、精度等）可与数字积累比美。

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如果回波来自动目标时，中频信号Ud(t)输出的频率将从fom变至fom+fd，此处fd就是表征动目标径向速度的多普勒频率。他激晶振的振荡频率也跟着变至fom+fd。也就是说他激晶振有跟踪动目标多普勒频率的能力。只要设计得当，跟踪范围能满足系统的要求。图2是他激振荡器的输出幅度特性（输出幅度与多普勒频率的关系）。图中B为他激晶振输出3dB带宽；B值与石英晶体的Q值密切相关。

据报道，即使是俄罗斯的S-400、S-500仍保留不少分立元件构成的模拟电路和模块。他们强调“继承中渐进创新发展”道路。原型号的一些非关键部件，只要稳定可靠，就不要轻易更新换代。当然对关键部分，他们还是不惜花大力气，不断改进和更新。

对于模拟电路技术，我总认为国内尤其高校老师们有一些误解；一是模拟电路已经落后，所以有的高校已经取消这门基础课。二是模拟电路可靠性一定比数字电路差。实际上我认为，模拟电路作为一种基础技术，在相当长一段时间内不会“穷途末路”。现在国内毕业大学生到单位工作后常常遇到大量模拟电路问题，而这些毕业生解决实际问题的能力太差，更不用说有所创新，有所发明了。

我国晶振专家冯金梅先生生前经研究分析后认为：这种他激晶振器我们*也能研发出；性能可完全和俄的产品相当；体积约可缩小一般；总经费也许只有数字式（譬如用FPGA芯片构成脉冲多普勒）的一半。

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俄罗斯芯片一些新动态

据俄媒报道，近年来俄在发展军用芯片方面也取得一些成绩。尤其是SoC(集成小系统)芯片，已推出的产品称"贝加尔-T1"。它采用28nm芯片，1.2GHz主频。俄方设计完后交我国台湾省的台积电生产，已可批量投产。有网友认为28nm芯片水平很低。但笔者曾在网文[3]中指出，军用芯片不能完全和民用芯片比，因为军用芯片的选用条件如体积，功耗等要比民用手机宽松得多。我在网文[1]中曾引用《简氏防务年鉴》中的一句话"美国的F-35战机，浑身上下都装有芯片"。这句话也转而被一些网站所引用，但据另一国外资料称：像F-35这类第五代战机上所用芯片，要求光刻精度不会高于20nm。但军用芯片在环境使用条件方面的要求，如温度范围，抗震，抗辐射，寿命等方面，却远比民用严苛。不只是价高，而且禁运。现在美国也是从这个方面来卡我们。

据俄科普杂志《空天界》（Воздушно-космическийрубеж）报道，有人试验将上述"他激振荡器"等部件成功集成于贝加尔-T1芯片。当然石英晶体是必须有的。估计体积将进一步减小。但是否已用于现役武器，例如S-400和S-500系统，尚不得而知，但肯定是个发展方向。值得我们关注。

这些也告诉我们芯片国产化和自主可控，如果我们遇到了问题，我们确实应该去直面他，但是并不是一条路走到黑而是需要有创新，能够换一个思维去解决问题，这样的话或许我们在芯片这个领域会做出更好的成就。俄罗斯经验给我们提供了很好的借鉴！

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