编码检测系统仿真与集成优化

周顺满， 刘苏杰

（上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

直波接收机是半主动雷达导引头的重要组成部分［1］，它不仅可以快速截获、锁定直波信号，还可以通过对直波信号的编码进行检测，实现中制导修正指令的接收功能。直波接收机的编码检测需要在大的输入条件以及各种恶劣环境条件下降低编码检测对直波锁相环的影响；消除多个频率码间的串扰和每个频率码前后码元之间的干扰；确保编码检测系统和直波接收机的正常截获。然而，在某样机的常温调试过程中发现，当同一调频码的前后码元之间出现串扰时，表现为前后解码脉冲连在一起，无法区分，在低温状态下，灵敏度点的码元检测出现漏码。反复试验表明，上述问题的出现是由于现有样机的电路参数选取不当所致，需要从系统角度对编码检测电路的设计参数进行优化。

本文采用ADS软件对编码检测系统的所有电路进行了建模，对上述问题进行仿真分析，复现了实验现象。

在此基础上，通过集成优化软件（ISIGHT）集成编码的电路模型，以电路模型中的关键参数为变量，以检测出的码元脉宽为目标，选择合适的优化方法，实现了电路参数的优化。研制结果表明，采用建模和优化设计仿真可以优化电路参数，提高了实物研制一次性设计成功率。

1 直波编码检测系统建模

直波接收机编码检测系统采用带混频环节的锁相接收体制，如图1所示。

混频器对直波天线接收的信号进行下变频，送给后续的中频放大电路进行放大，使输出信号大小满足比相器的输入幅度要求。该信号与中频基准信号进行相位比较，输出的相位差经过环路滤波器后，送给VCO，改变混频器的输入，实现锁相环路的闭合。在环路锁定后，对比相器输出的信号进行滤波和码元解调，形成编码检测信息［2］。

本文采用Agilent／ADS电路仿真软件（也可以采用Candence／PSPICE）对整个直波编码系统的样机实际电路进行了建模［3，4］，建模过程简化了与编码检测不相关的部分，顶层电路模型如图2所示。

图1 直波编码检测系统原理框图

图中，每一个模块是由一块电路板封装而成的模型：

a）X1是混频和VCO 电路，主要形成VCO信号，完成混频功能；

b）X2是放大及比相电路，主要完成对混频后的信号进行放大，并完成环路比相功能；

c）X3完成对码元的解调；

d）X4是环路滤波电路，主要形成环路误差信号和指令解调信号；

e）X5完成直波环路的逻辑控制，控制编码检测信号“bmjc＿out”输出与否。

图2 ADS软件建立的顶层电路模型

2 系统故障的仿真复现

在样机调试过程中，当直波编码检测系统的输入信号为强信号时，出现解码输出信号前后码元的串扰，甚至变成一条直线。而编码检测系统的技术指标要求是实现解码脉冲在各种情况下都满足占空比在规定范围内。

对图2建立的仿真模型进行仿真，结果如图3所示。

图3（a）是编码检测系统的输出信号，图3（b）是经过调制信息滤波器（图1中A 点指令解调滤波输出信号波形），这些仿真波形与工程样机调试中所看到的波形较好的吻合。

从图3中可以看出，A 点的波形包络，在减小过程中的最小值Min太大，码元解调电路的判别门限过高，最终使得bmjc＿out的解码脉冲前后码元的串扰超出了系统对编码的技术指标，即占空比太大。该系统的设计需要在理论上将Min值减小到0，并适当调整判别门限的相关电路参数。

3 系统集成和优化

图3 改进前的直波编码检测系统仿真结果

为解决上述问题，采用集成优化软件ISIGHT 驱动ADS电路仿真模型［5］。选择电路关键参数为变量，Min 值最小、编码检测占空比50%为最优目标，建立集成优化模型，完成电路性能的优化。集成优化过程如图4所示。

ISIGHT 软件通过修改netlist.log文件中相关的电路参数，先后驱动ADS仿真模型、数据格式转换软件模块、MATLAB 数据后处理模型运行并仿真输出目标参数的数据结果。ISIGHT 根据Output.txt中目标参数的变化情况和算法策略，自动更改netlist.log中的相关参数，从而实现电路参数的自动优化，直至找到满足要求的电路参数为止。

图4 编码检测仿真系统集成优化框图

3.1 编码检测系统集成

完成直波编码检测ADS 模型、数据转换模型、MATLAB数据后处理模型后，在ISIGHT 软件中建立集成模型，如图5所示。

图5 编码检测仿真系统集成优化框图

具体步骤如下：

a）在①的窗口中，创建任务ZBdecode.desc；

b）在②的窗口中，创建ADS模型、数据转换模型、MATLAB数据后处理模型的子任务；

c）在③的窗口中，建立netlist.log文件的变量驱动文件，并完成文件中的电阻、电容、滤波参数等变量的提取；

d）在②的窗口中，完成数据转换软件自动驱动，将ADS仿真输出数据转换成MATLAB可识别的数据格式；

e）在④的窗口中，建立解码后处理模型ZBdecode.m 的驱动，对ADS仿真结果进行分析，输出编码检测带宽DecodeWidth；

f）在⑤的窗口中，建立模型输出文件output.txt，并完成输出编码检测脉宽DecodeWidth 的提取。

3.2 系统优化

完成系统集成后，对系统内的设计参数进行优化。优化算法设置为：连续二次规划法（Sequential Quadratic Programming– NLPQL）和多 导 遗 传 算 法（Multi-Island Genetic Algorithm），如图6所示。

图6 优化算法设计

完成上述相关的优化设置后，启动ISIGHT软件进行优化。优化过程以解码脉冲宽度符合任务书要求为优化目标，对滤波电路、码元形成电路中的电容、电阻等器件的参数进行调整，完成优化任务。

优化后的滤波器输出波形如图7（b）所示，Min值基本趋近于0；解码脉冲波形如图7（b）所示，在常温状态码元脉冲占空比为49.9%。

4 试验

为验证优化结果，将直波编码检测系统参数优化前后的情况在同一块电路板上进行试验，图8为滤波器输出信号（A 点）的波形。

图7 优化后的解码脉冲波形

图8 优化前、后滤波器输出波形对比

该图采用双路示波器，同时显示优化前（ch2）、后（ch1）码滤波器输出信号，图中可以看出优化后的波形畸变小，较好的恢复了编码信号的包络形状。优化过程中，优化了编码检测滤波器的参数，改变了滤波器的延迟，优化后的编码检测系统具有更短的延迟。

上述电路参数的仿真优化结果直接应用于实际样机研制，优化后的电路参数合理，实现了解码电路模块的即装即用。直波接收机的环境试验表明，在大动态范围输入、高温、低温等多种条件下，直波编码系统工作正常，彻底解决了前后码元串扰问题。

5 结束语

本文通过对直波编码检测系统的建模与集成，以及对其电路参数进行仿真优化，获取了最优的电路参数，并得到了试验验证。

优化后的参数，彻底解决了工程样机中解码模块存在的实际问题；完成了在常温、高低温、大动态等极端条件下，提取出携带有无线电修正指令的调频信号，从设计上消除多个频率码间的串扰和每个频率码前后码元之间的干扰，确保了码元检测的质量，为照射雷达与导引头之间的可靠通讯奠定了坚实的基础。这种集成优化的设计方法，为电路设计中的参数优化提供了较好的技术途径。

［1］ 魏宗禄.直波锁相接收机的捕获和跟踪能力［J］.制导与引信，1992，（3）.

［2］ 张厥盛，郑继舜.锁相技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，1998.

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

［4］ 王辅春.电子电路CAD 软件使用指南［M］.北京：机械工业出版社，1998.

［5］ 刘苏杰.集成优化技术在差分对管建模中的应用［J］.制导与引信，2010，31（2）：4-8.