編碼檢測系統仿真與集成優化

周順滿， 劉蘇杰

（上海無線電設備研究所，上海200090）

0 引言

直波接收機是半主動雷達導引頭的重要組成部分［1］，它不僅可以快速截獲、鎖定直波信號，還可以通過對直波信號的編碼進行檢測，實現中制導修正指令的接收功能。直波接收機的編碼檢測需要在大的輸入條件以及各種惡劣環境條件下降低編碼檢測對直波鎖相環的影響；消除多個頻率碼間的串擾和每個頻率碼前后碼元之間的干擾；確保編碼檢測系統和直波接收機的正常截獲。然而，在某樣機的常溫調試過程中發現，當同一調頻碼的前后碼元之間出現串擾時，表現為前后解碼脈沖連在一起，無法區分，在低溫狀態下，靈敏度點的碼元檢測出現漏碼。反復試驗表明，上述問題的出現是由于現有樣機的電路參數選取不當所致，需要從系統角度對編碼檢測電路的設計參數進行優化。

本文采用ADS軟件對編碼檢測系統的所有電路進行了建模，對上述問題進行仿真分析，復現了實驗現象。

在此基礎上，通過集成優化軟件（ISIGHT）集成編碼的電路模型，以電路模型中的關鍵參數為變量，以檢測出的碼元脈寬為目標，選擇合適的優化方法，實現了電路參數的優化。研制結果表明，采用建模和優化設計仿真可以優化電路參數，提高了實物研制一次性設計成功率。

1 直波編碼檢測系統建模

直波接收機編碼檢測系統采用帶混頻環節的鎖相接收體制，如圖1所示。

混頻器對直波天線接收的信號進行下變頻，送給后續的中頻放大電路進行放大，使輸出信號大小滿足比相器的輸入幅度要求。該信號與中頻基準信號進行相位比較，輸出的相位差經過環路濾波器后，送給VCO，改變混頻器的輸入，實現鎖相環路的閉合。在環路鎖定后，對比相器輸出的信號進行濾波和碼元解調，形成編碼檢測信息［2］。

本文采用Agilent／ADS電路仿真軟件（也可以采用Candence／PSPICE）對整個直波編碼系統的樣機實際電路進行了建模［3，4］，建模過程簡化了與編碼檢測不相關的部分，頂層電路模型如圖2所示。

圖1 直波編碼檢測系統原理框圖

圖中，每一個模塊是由一塊電路板封裝而成的模型：

a）X1是混頻和VCO 電路，主要形成VCO信號，完成混頻功能；

b）X2是放大及比相電路，主要完成對混頻后的信號進行放大，并完成環路比相功能；

c）X3完成對碼元的解調；

d）X4是環路濾波電路，主要形成環路誤差信號和指令解調信號；

e）X5完成直波環路的邏輯控制，控制編碼檢測信號“bmjc＿out”輸出與否。

圖2 ADS軟件建立的頂層電路模型

2 系統故障的仿真復現

在樣機調試過程中，當直波編碼檢測系統的輸入信號為強信號時，出現解碼輸出信號前后碼元的串擾，甚至變成一條直線。而編碼檢測系統的技術指標要求是實現解碼脈沖在各種情況下都滿足占空比在規定范圍內。

對圖2建立的仿真模型進行仿真，結果如圖3所示。

圖3（a）是編碼檢測系統的輸出信號，圖3（b）是經過調制信息濾波器（圖1中A 點指令解調濾波輸出信號波形），這些仿真波形與工程樣機調試中所看到的波形較好的吻合。

從圖3中可以看出，A 點的波形包絡，在減小過程中的最小值Min太大，碼元解調電路的判別門限過高，最終使得bmjc＿out的解碼脈沖前后碼元的串擾超出了系統對編碼的技術指標，即占空比太大。該系統的設計需要在理論上將Min值減小到0，并適當調整判別門限的相關電路參數。

3 系統集成和優化

圖3 改進前的直波編碼檢測系統仿真結果

為解決上述問題，采用集成優化軟件ISIGHT 驅動ADS電路仿真模型［5］。選擇電路關鍵參數為變量，Min 值最小、編碼檢測占空比50%為最優目標，建立集成優化模型，完成電路性能的優化。集成優化過程如圖4所示。

ISIGHT 軟件通過修改netlist.log文件中相關的電路參數，先后驅動ADS仿真模型、數據格式轉換軟件模塊、MATLAB 數據后處理模型運行并仿真輸出目標參數的數據結果。ISIGHT 根據Output.txt中目標參數的變化情況和算法策略，自動更改netlist.log中的相關參數，從而實現電路參數的自動優化，直至找到滿足要求的電路參數為止。

圖4 編碼檢測仿真系統集成優化框圖

3.1 編碼檢測系統集成

完成直波編碼檢測ADS 模型、數據轉換模型、MATLAB數據后處理模型后，在ISIGHT 軟件中建立集成模型，如圖5所示。

圖5 編碼檢測仿真系統集成優化框圖

具體步驟如下：

a）在①的窗口中，創建任務ZBdecode.desc；

b）在②的窗口中，創建ADS模型、數據轉換模型、MATLAB數據后處理模型的子任務；

c）在③的窗口中，建立netlist.log文件的變量驅動文件，并完成文件中的電阻、電容、濾波參數等變量的提?。?/p>

d）在②的窗口中，完成數據轉換軟件自動驅動，將ADS仿真輸出數據轉換成MATLAB可識別的數據格式；

e）在④的窗口中，建立解碼后處理模型ZBdecode.m 的驅動，對ADS仿真結果進行分析，輸出編碼檢測帶寬DecodeWidth；

f）在⑤的窗口中，建立模型輸出文件output.txt，并完成輸出編碼檢測脈寬DecodeWidth 的提取。

3.2 系統優化

完成系統集成后，對系統內的設計參數進行優化。優化算法設置為：連續二次規劃法（Sequential Quadratic Programming– NLPQL）和多 導 遺 傳 算 法（Multi-Island Genetic Algorithm），如圖6所示。

圖6 優化算法設計

完成上述相關的優化設置后，啟動ISIGHT軟件進行優化。優化過程以解碼脈沖寬度符合任務書要求為優化目標，對濾波電路、碼元形成電路中的電容、電阻等器件的參數進行調整，完成優化任務。

優化后的濾波器輸出波形如圖7（b）所示，Min值基本趨近于0；解碼脈沖波形如圖7（b）所示，在常溫狀態碼元脈沖占空比為49.9%。

4 試驗

為驗證優化結果，將直波編碼檢測系統參數優化前后的情況在同一塊電路板上進行試驗，圖8為濾波器輸出信號（A 點）的波形。

圖7 優化后的解碼脈沖波形

圖8 優化前、后濾波器輸出波形對比

該圖采用雙路示波器，同時顯示優化前（ch2）、后（ch1）碼濾波器輸出信號，圖中可以看出優化后的波形畸變小，較好的恢復了編碼信號的包絡形狀。優化過程中，優化了編碼檢測濾波器的參數，改變了濾波器的延遲，優化后的編碼檢測系統具有更短的延遲。

上述電路參數的仿真優化結果直接應用于實際樣機研制，優化后的電路參數合理，實現了解碼電路模塊的即裝即用。直波接收機的環境試驗表明，在大動態范圍輸入、高溫、低溫等多種條件下，直波編碼系統工作正常，徹底解決了前后碼元串擾問題。

5 結束語

本文通過對直波編碼檢測系統的建模與集成，以及對其電路參數進行仿真優化，獲取了最優的電路參數，并得到了試驗驗證。

優化后的參數，徹底解決了工程樣機中解碼模塊存在的實際問題；完成了在常溫、高低溫、大動態等極端條件下，提取出攜帶有無線電修正指令的調頻信號，從設計上消除多個頻率碼間的串擾和每個頻率碼前后碼元之間的干擾，確保了碼元檢測的質量，為照射雷達與導引頭之間的可靠通訊奠定了堅實的基礎。這種集成優化的設計方法，為電路設計中的參數優化提供了較好的技術途徑。

［1］ 魏宗祿.直波鎖相接收機的捕獲和跟蹤能力［J］.制導與引信，1992，（3）.

［2］ 張厥盛，鄭繼舜.鎖相技術［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1998.

［3］ Agilent Technologies.Circuit Simulation［M］.USA：Agilent Technologies，2002.

［4］ 王輔春.電子電路CAD 軟件使用指南［M］.北京：機械工業出版社，1998.

［5］ 劉蘇杰.集成優化技術在差分對管建模中的應用［J］.制導與引信，2010，31（2）：4-8.