浅析雷达信号处理与微电子技术

包立琦

（甘肃长风电子科技有限责任公司 甘肃 兰州 730070）

0 引言

雷达信号处理是雷达系统的核心组成部分。近年来，随着技术水平的提升，基于微电子实现了大规模以及超大规模集成电路、专用集成电路的应用，配合可编程信号处理器，提高了数据采集、数字滤波、脉冲压缩等多个环节的速率，也促进了各环节功能模块化发展，但不得不考虑到在雷达信号处理中电源设备占据大量空间，不仅需要逐渐进行组成元件小型化研发，也需要通过微电子技术的应用提高功能模块化水平，使雷达在复杂环境下能够高效率检测信号、高质量处理信号。为此，探究雷达信号处理与微电子技术具有重大的理论与实践意义。

1 雷达信号处理技术的进步与微电子技术对雷达处理的实际价值

1.1 雷达信号处理技术进步的实际价值

雷达信号处理技术的发展主要分为两个阶段：20世纪70年代之前，雷达信号处理中集成电路的使用较少，主要采用模拟信号进行处理；20世纪70年代及以后，我国雷达信号处理技术的发展进入了繁荣时期，逐渐利用数字化技术进行信号处理，该技术模式下电路规模庞大，提高了数字动目标的实际运算量，而在不断引入数字波束形成、目标成像与识别等技术后，浮点计算逐渐取代了定点运算，解决庞大运算量问题；此外，现代子波变换、人工智能神经网络等信号处理技术也不断被引入到雷达系统中，不断提升雷达信号处理质量与效率，同时随着信号处理功能与效力的提高，微电子技术也面临着更严峻的挑战[1]。

1.2 微电子技术的实际价值

近年来，微电子技术迅猛发展，使雷达信号处理中诸多概念、设想得以实现，以CPU为例，在80386、80486等系列芯片中早已实现了大批量、规模化生产专门用于数字处理器的芯片；在发达国家中也利用TI公式研发出TMS320、DSP5600系列芯片，可用于横向滤波或通信连接等环节当中。且目前最为先进的微电子技术不仅研发适用于定点DSP的产品，也针对浮点DSP产品进行了开发，使得雷达信号的处理能力、运算能力得到强化，利用TMS32010产品其运算速度能够达到5MIPS，升级到C30后，运算速度更是达到了16.7 MIPS，使雷达信号处理速率有了质的飞跃[2]。

2 雷达信号处理功能及微电子技术的应用

2.1 雷达信号处理功能

雷达信号处理是雷达系统的分支，其系统构成主要有数据采集模块、数字滤波模块、数字脉冲压缩模块以及恒虚警模块。

（1）数字采集模块。顾名思义主要采集通过雷达系统的信号及信息，功能实现的主要原理是视频模拟中频或相位检波器中出现的额电压信号、电流信号，经过变换形成时间离散的幅度量化数字正交信号。数字采集功能模块主要有两种类型，一种为中频直接采集模块，另一种为正交校正采集模块，我国多采用后者[3]。正交矫正采集模块的技术指标为：10位A/D参数的输入信号带宽为≤5 MHz、信号幅度≤2.5 V、信号为双极性、变换器10位、采样频率≥10 MHz、正交度A≤0.1 dB且φ≤0.5°；12位A/D参数的输入信号带宽为≤2.5 MHz、信号幅度≤2.5 V、信号为双极性、变换器12位、采样频率≥5 MHz、正交度A≤0.05 dB且φ≤0.2°[4]。

（2）数字滤波模块。该模块的主要功能是滤波计算，雷达信号传输过程中目标信号与杂波速度之间存在差异，这种差异造成回波信号频率中多卜勒出现不同的频移，滤波则能够利用这种差异检测目标，分离目标信号与杂波[5]。具体应用过程中，雷达信号处理要求不同，所配备的滤波器也有所不同。目前常用的滤波器主要有3种：第1种为有限冲击响应滤波器、第2种为快速傅立叶变换滤波器、第3种为动目标显示滤波器。前两种为典型的窄带滤波器组，输出数据均为12位，且两者输入数据位数均为虚部（I）、实部（R）各12位，权系数位也为虚实部各12位，数据率均为3 MHz，仅在滤波器点数存在差异，第1种为8、12、16，第2种为16、32、64。而动目标显示滤波器在输入/出数据位数、数据率、权系数位数等方面也与以上两种无较为明显差异，但其结果为直传、二三四脉冲对消[6]。

（3）数字脉冲压缩模块。该模块的主要功能是进行大时宽/带宽单脉冲信号的匹配滤波，主要技术指标为：以线性调频信号形式工作，带宽为1.6 MHz，脉宽为16 μs、32 μs、64 μs、128 μs、256 μs、512 μs，输入数据位数同样是虚实部各12位，脉压损失为＜3 dB，输出数据位数为12位，副瓣电平为≤-25dB（16 μs、32 μs）、≤-30 dB（64 μs）、≤-38 dB。

（4）恒虚警模块。该模块是复杂环境下确保杂波被快速检测的关键，其能够在不影响虚警率基础上提高复杂环境中杂波检测效率与稳定性。目前，主要有两种恒虚警类型：一种为慢门限恒虚警，另一种为快门限恒虚警。其中慢门限恒虚警的主要技术指标为：输入数据位数12位、处理损失≤0.5 dB、参考单元数为64、处理方式为对数噪声平均；快门限恒虚警的主要技术指标为：输入数据位数为12位、处理损失为≤12 dB、参考单元数为16、检测单元为两侧各空1单元、处理方式为单元平均选大[7]。

2.2 微电子技术的应用

（1）在雷达信号处理系统电源上的应用。微电子技术的主要价值则是通过对电源设施的小型化处理，降低电源在信号器中占据的空间。主要采用的电源有两种类型，一种为串联稳压电源，另一种为开关稳压电源。其中串联稳压电源的主要技术指标有：电压有效值为190～210 V、电源频率为400±80 Hz；其输出电压的主要指标为：额定电压为+5 V时输出电流可为3 A或5 A，其中3 A电流的空满载差为≤100 mV、纹波有效值为≤10 mV，5 A电流的空满载差为≤200 mV、纹波有效值为≤10 mV；额定电压为+12 V时，输出电流为2 A、空满载差为≤100 mV、纹波有效值为≤1 mV；额定电压为-12 V时，输出电流为2 A、空满载差为≤100 mV、纹波有效值为≤1 mV；额定电压为+15 V时，输出电流为1.5 A、空满载差为≤100 mV、纹波有效值为≤1 mV；额定电压为-15V时，输出电流为1.5 A、空满载差为≤100 mV、纹波有效值为≤1 mV。在串联稳压电源中输入交流电压在190～210 V范围内进行变化或波动时，输出电压的变化幅度可以控制在±5%内，因此要求纹波有效值必须在≤1 mV内。

开关稳压电源的主要技术指标为：电源电压有效值190～210 V、电源频率为400±8 Hz。其电压主要指标为：额定值为5 V时输出电流为5 A、稳定度为1%、纹波峰峰值为≤100 mV；额定值为5 V时输出电流为10 A、稳定度为1%、稳定度为1%、纹波峰峰值为≤100 mV；额定值为5 V时输出电流为20 A、稳定度为1%、稳定度为1%、纹波峰峰值为≤100 mV。过流过压保护点情况如下：电压为5 V、电流为5 A时过流保护点为≥5.8 A、过压保护点为≥5.9 V；电压为5 V、电流为10 A时过流保护点为≥11.5 A、过压保护点为≥5.9 V；电压为5 V、电流为20 A时过流保护点为≥23 A、过压保护点为≥5.9 V。

（2）在信号处理器功能优化上的应用。因大规模集成电路技术的发展，在20世纪80年代我国雷达信号处理分系统中则开始使用4片TMS32020数字信号处理器，极大地优化了雷达信号处理系统的性能与使用功能。这是微电子技术在雷达信号处理中应用的重大成果，具体应用方式为：在舰载雷达信号处理机中安装两片TMS32020数字信号处理器，主要负责在复杂环境中估计杂波速度工作，且该装置的应用也辅助优化变T、捷变频下AMTI权值计算速率；其中一片TMS32020数字信号处理器负责自动测频，确保在干扰频最小情况下进行开环航速补偿，且该数字信号处理器还对噪声系数测量方式进行了更新，在传统测量方式功能与效果基础上实现了利用数字噪声恒定测量以及数字噪声系数测量；另一片数字信号处理器的功能则是通过运动杂波图的构建，判别杂波特性。发展至现代，我国舰载雷达信号处理实现了7片TMS32020与C25的同时应用，可完成双波束空降移动目标指示器，并且在运行过程中自动适应旁瓣相消以及自动化完成脉冲压缩；并且利用失控二维信号处理技术解决了运算量需求过大的机载预警雷达，但该技术的应用对DSP芯片的性能要求有了更高的标准，目前DSP的专用芯片性能还有待提升。

3 电子设计自动化

电子设计自动化（Electronic design automation，EDA）是融合雷达信号处理的有力工具。EDA是计算机在电子相关系统辅助设计的全新阶段，该技术推动了电子工业的发展。从20世纪70年代至今，EDA技术发展经历了几次变革，软件厂商也发展到了几十家。

目前的EDA技术，可以从综合性的概念入手，自上而下地进行系统设计，包括电路层、物理层和系统层3个层次的分析、规划和改良。VHDL是微电子技术发展和电子系统设计发展留下的产物，可以直接实现映射过程，为设计人员提供了便利。VHDL主要有3个特点：（1）将电路的设计独立出来。使用户投片时可以自由选择多个IC厂家，修改设计时更加便利。（2）实现了低水平的设计细节。为相关设计人员节省了大量时间，避免出现更多的偏差。（3）提高了设计的质量。在实际设计的过程中，设计人员通过不同的方案验证功能的完整性，使得大部分设计的内容都可以共享和复用，十分便捷[8]。

4 微电子技术的发展

4.1 发展现状

近年来在我国的政策扶持下，国内的硅基微电子技术水平不断提高，和发达国家的技术水平差距也逐渐减小。我国微电子技术的发展特点有两方面：（1）集成电路设计水平显著提升，规模增大。（2）超深压微米集成技术水平不断提高。经过近些年的快速发展，我国芯片设计的水平有了显著的提升，目前我国自主研发的芯片产品已经涉及数字信号处理器、高端IC卡、数字电视、多媒体和CPU等。IC设计已达到0.13 μm，具备自主知识产权的芯片开发也取得了阶段性的胜利。我国的芯片发展已经逐渐从“低端模仿”走向了“高端替代”的阶段。微电子是我国当今发展迅速的技术之一，但我国目前还和国际上发达国家的技术水平存在一定的差距。因此国家要制定相应的扶持力度，吸引更多的人才和资金，构建可持续发展的微电子技术体系[9]。

4.2 发展趋势

21世纪的微电子技术从3G时代转变成了3T时代，存储量从GB转化成TB，集成电路中器件的速度也由GHz发展到THz。将硅集CMOS电路作为我国主流工艺，其发展趋势主要体现在三大方面：（1）晶圆尺寸的增大和器件特征尺寸的缩小。国际上很多发达国家正把芯片技术进军到纳米领域。（2）集成电路发展成系统集成芯片。系统集成芯片可将各种物化生的敏感器和信息处理系统采集到一起，形成完善的信息获取、处理和运输的系统功能，这是广义层次系统集成芯片。系统集成芯片是微电子设计行业的一场变革，而且现在是其发展的关键阶段。（3）微电子技术和其他学科相融合。例如，微机电系统技术是通过微电子技术和机械、材料、传感器交叉结合产生的。总之，微电子技术已经渗透到了生活中的方方面面，例如现代通信、计算机技术、医疗卫生、环境工程、自动化生产等方面，变成了代表国家现代化技术又和人民日常生产活动息息相关的高新技术。当今人类进入到了信息化社会，对微电子技术也提出了更高的要求。

微机电系统是一种多学科交叉的技术，近年来被广泛应用。这种技术涉及物理、化学、电子、生物等多学科的专业知识。目前我国对微机电的研究已经取得了阶段性的胜利，获取了一些初步的成果，对人类的生活产生一定影响。在微传感器方面，我国已经研究出了多种微型传感器。而MEMS作为一种微小的机电一体化产品，过去常常被运用于军事等领域。现今MEMS逐渐应用于电子产品领域、医疗、机械等领域，为我国各行各业的发展奠定了基础。总之，微电子技术是我国当前的核心技术，其产业规模和发展水平已经达到了很高的阶段。全球已经进入到了信息化时代，微电子技术作为具有发展前景的领域之一，仍需我们引起高度重视，共同推进社会进步。

5 结语

综上所述，从雷达信号处理的发展形式来看，微电子技术的应用以及进步是实现提高信号处理质量与效率、优化处理过程的基础。为了不断提高我国雷达信号处理技术水平，迈向新的发展高度，需要了解微电子技术的实际价值以及应用意义，在技术研发与创新发展中不断结合雷达信号处理技术，提高技术的通用化、模块化，设备的微型化，软件的现代化，增强微电子技术的可用性。