“他激晶體振蕩器”如何替代核心芯片功能

印寧華|Indining China|

2022-03-18 02:48:56 11

前言

現在這個*無論是哪一個*都要擁有創新能力，然后才能走在發展的前沿，就像俄羅斯一樣，俄方作出表率，走出新思路研制新技術，基礎上不怕美國芯片卡脖子。

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很多人看到關于俄羅斯的報道，應該提到的都是這一個*關于武器方面的研制，但是說到芯片技術俄羅斯卻很少會提到，這是因為俄羅斯繼承了蘇聯軍事上的制造能力，但是芯片的核心技術卻沒有。

所以經過了那么多年的發展之后，俄羅斯還是沒有能夠研制出自己的芯片系統，很多人都會疑問，像中國這樣一個芯片研制投入比較大的*到現在都還會受到美國的卡脖子，難道俄羅斯就不怕突然被美國在技術上卡脖子嘛？

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其實沒有哪一個*不怕自己的發展受到限制，但是俄羅斯針對美國可能會有的做法采用了一種新的思路，他們確實沒有美國那么成熟的技術，但是他們取代芯片的技術是可以的。

大家可能不知道，小型電子管這個領域俄羅斯占據了一定的位置，他們在這樣一個基礎下研發出了激晶體振蕩器的技術。

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有作者于2018-19年圍繞"俄羅斯研發*武器緣何沒有芯片危機"這一問題在環球網上先后發表三篇網文。這些文章的中心意思是：俄羅斯盡管沒有高端芯片，但他的設計人員多方面采取自主創新措施，尤其是提倡揚長避短，設計出構思獨特，性能優良的微波（射頻）電路、模擬電路等來替代*芯片。筆者還以"他激晶體振蕩器"為例，用作中頻相參積累，就是個成功的范例。這些網文發表后受到不少網站和讀者的關注。一些網站全文或摘要轉載，還收集讀者的意見，作者還注意到，大部分網站都對此"他激晶體振蕩器"特有興趣。但多數讀者對何謂中頻積累？何謂他激振蕩？有的自媒體還信口稱"俄羅斯由于設計出激晶體振蕩器，解決了芯片問題"。他激振蕩是個正式電子學詞匯，它的含義是振蕩電路只有當外加激勵時才起振蕩，以別于不需外激勵的自由振蕩。

俄羅斯的這一項新技術肯定會讓不了解的人覺得并不好，但實際上俄羅斯的這一新技術其實對于他們的發展有著巨大的作用。

首先這一技術應用起來能夠讓俄羅斯的安全有保障，其次這一技術它的精密性很高，你可能都不知道俄羅斯的防空導彈上就應用了這樣一技術。

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根據公開資料，"他激晶體振蕩器"是俄S-300的 "中頻積累器"（ИПЧ-Интегратор Промежточной Частоты ）組合中的核心部件。它的任務就是完成"中頻相參積累"。下面試圖用科普語言（不是從數理的角度，所以不太嚴格）來解釋何謂中頻積累？何謂他激振蕩？最后介紹俄羅斯芯片最近一些新動向。希望廣大科普愛好者以及非電子專業的網友都能看懂，感興趣。說得不對的地方歡迎大家指正。

何謂中頻脈沖積累？

大家知道，雷達接收到的目標回波信號往往是極其微弱的，或者說回波的信號-噪聲比S/N值很低。雷達的主要任務首先是把回波從噪聲中提取出來。辦法是設法提高回波信號的信噪比，也就是說在提高信號電平的同時不提高噪聲的電平，或提高很少（否則信噪比不變，甚至更差）。雷達原理證明，如果將M個中頻脈沖回波進行相參積累，就可使信噪比（S/N）值提高到原來的M倍。M為積累的脈沖數。所謂相參積累就是同相相加，就是各中頻信號的相位必須一致。否則就會互相抵消一部分甚至全部。這一點讀者從物理概念就能理解。

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圖1的上面是雷達收到的一連串（假定我們一次處理M個）中頻脈沖回波Ud(t)。因為這些脈沖信號都來自同一穩定信號源（同一發射機），所以脈內中頻信號的相位關系是相參的，也就是說如果我們將*個脈沖延時MT（T為脈沖重復周期），第二個脈沖延時（M-1）T，.....第M個脈沖延時T；那么所有脈沖都將在第M+1脈沖處重疊；由于此時脈沖內中頻的相位都是一致的，所以將直接相加；相加后電壓幅度將提高M倍，或者說功率增加M^2倍。但噪聲增加不了那么多。因為噪聲是隨機過程，所以不是電壓相加，而是功率相加，最后噪聲功率將增加M倍。所以中頻積累結果，信噪比將提高M^2/M=M倍。這就是中頻脈沖積累的方法和過程。直至目前，中頻積累大多數就是用精密的延時線來完成的。

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大家可能知道（或至少聽說）現代先進雷達大都采用脈沖多普勒技術，其實脈沖多普勒是由中頻（或射頻）脈沖積累技術演變過來，二者是等效的。只是前者容易數字實現而得到廣泛應用（從數學家看，就是FFT快速傅立葉變換；可以用FPGA或DSP芯片來完成），后者難以數字實現，就逐漸被人們忽視。俄羅斯沒有高端芯片，他們不得不從模擬電路和微波電路中去挖掘潛力。

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何謂外激晶體振蕩器？

從原理上講，晶體振蕩器也好，他激晶振也好，都是一般的電子電路。但俄羅斯科技人員把它做成中頻積分器，用來實現中頻相參積累，就是個構思獨特的創新了。俄羅斯工程師創新地用較簡單的模擬電路-中頻積分器來實現中頻相參積累（理論上等效FFT）。這種中頻積分器實際上是一個外激晶體振蕩器，這種外激晶體振蕩器平時不振蕩，其自身諧振頻率就是石英晶體頻率fok；它應和雷達的中頻頻率fom一致。只要有中頻信號Ud(t)輸入，它就會被激勵而振蕩。振蕩頻率就是fok=fom。由于雷達的中頻信號是被脈沖調制的（見圖1的Ud(t)），在脈沖持續期間，晶振工作并作增幅振蕩。而在中頻脈沖間歇期間，晶振停止工作，但由于石英晶體的Q值非常高（高達10^5-10^6以上），輸出能維持在等幅振蕩值幾乎不變。待下一個脈沖到來時，晶振又被激勵，振蕩幅度再進一步增大。然后又維持在更高的等幅振蕩值。如此晶振輸出隨著脈沖不斷到來而不斷上升，這就實現了中頻脈沖積累。這種中頻積分器的主要性能指標（速度、精度等）可與數字積累比美。

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如果回波來自動目標時，中頻信號Ud(t)輸出的頻率將從fom變至fom+fd，此處fd就是表征動目標徑向速度的多普勒頻率。他激晶振的振蕩頻率也跟著變至fom+fd。也就是說他激晶振有跟蹤動目標多普勒頻率的能力。只要設計得當，跟蹤范圍能滿足系統的要求。圖2是他激振蕩器的輸出幅度特性（輸出幅度與多普勒頻率的關系）。圖中B為他激晶振輸出3dB帶寬；B值與石英晶體的Q值密切相關。

據報道，即使是俄羅斯的S-400、S-500仍保留不少分立元件構成的模擬電路和模塊。他們強調“繼承中漸進創新發展”道路。原型號的一些非關鍵部件，只要穩定可靠，就不要輕易更新換代。當然對關鍵部分，他們還是不惜花大力氣，不斷改進和更新。

對于模擬電路技術，我總認為國內尤其高校老師們有一些誤解；一是模擬電路已經落后，所以有的高校已經取消這門基礎課。二是模擬電路可靠性一定比數字電路差。實際上我認為，模擬電路作為一種基礎技術，在相當長一段時間內不會“窮途末路”。現在國內畢業大學生到單位工作后常常遇到大量模擬電路問題，而這些畢業生解決實際問題的能力太差，更不用說有所創新，有所發明了。

我國晶振專家馮金梅先生生前經研究分析后認為：這種他激晶振器我們*也能研發出；性能可完全和俄的產品相當；體積約可縮小一般；總經費也許只有數字式（譬如用FPGA芯片構成脈沖多普勒）的一半。

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俄羅斯芯片一些新動態

據俄媒報道，近年來俄在發展軍用芯片方面也取得一些成績。尤其是SoC(集成小系統)芯片，已推出的產品稱"貝加爾-T1"。它采用28nm芯片，1.2GHz主頻。俄方設計完后交我國臺灣省的臺積電生產，已可批量投產。有網友認為28nm芯片水平很低。但筆者曾在網文[3]中指出，軍用芯片不能完全和民用芯片比，因為軍用芯片的選用條件如體積，功耗等要比民用手機寬松得多。我在網文[1]中曾引用《簡氏防務年鑒》中的一句話"美國的F-35戰機，渾身上下都裝有芯片"。這句話也轉而被一些網站所引用，但據另一國外資料稱：像F-35這類第五代戰機上所用芯片，要求光刻精度不會高于20nm。但軍用芯片在環境使用條件方面的要求，如溫度范圍，抗震，抗輻射，壽命等方面，卻遠比民用嚴苛。不只是價高，而且禁運。現在美國也是從這個方面來卡我們。

據俄科普雜志《空天界》（Воздушно-космическийрубеж）報道，有人試驗將上述"他激振蕩器"等部件成功集成于貝加爾-T1芯片。當然石英晶體是必須有的。估計體積將進一步減小。但是否已用于現役武器，例如S-400和S-500系統，尚不得而知，但肯定是個發展方向。值得我們關注。

這些也告訴我們芯片國產化和自主可控，如果我們遇到了問題，我們確實應該去直面他，但是并不是一條路走到黑而是需要有創新，能夠換一個思維去解決問題，這樣的話或許我們在芯片這個領域會做出更好的成就。俄羅斯經驗給我們提供了很好的借鑒！

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