周順滿， 劉蘇杰

（上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

直波接收機是半主動雷達導(dǎo)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(xiàn)中制導(dǎo)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(huán)境條件下降低編碼檢測對直波鎖相環(huán)的影響；消除多個頻率碼間的串?dāng)_和每個頻率碼前后碼元之間的干擾；確保編碼檢測系統(tǒng)和直波接收機的正常截獲。然而，在某樣機的常溫調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)同一調(diào)頻碼的前后碼元之間出現(xiàn)串?dāng)_時，表現(xiàn)為前后解碼脈沖連在一起，無法區(qū)分，在低溫狀態(tài)下，靈敏度點的碼元檢測出現(xiàn)漏碼。反復(fù)試驗表明，上述問題的出現(xiàn)是由于現(xiàn)有樣機的電路參數(shù)選取不當(dāng)所致，需要從系統(tǒng)角度對編碼檢測電路的設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化。

本文采用ADS軟件對編碼檢測系統(tǒng)的所有電路進行了建模，對上述問題進行仿真分析，復(fù)現(xiàn)了實驗現(xiàn)象。

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

1 直波編碼檢測系統(tǒng)建模

直波接收機編碼檢測系統(tǒng)采用帶混頻環(huán)節(jié)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(xù)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(jīng)過環(huán)路濾波器后，送給VCO，改變混頻器的輸入，實現(xiàn)鎖相環(huán)路的閉合。在環(huán)路鎖定后，對比相器輸出的信號進行濾波和碼元解調(diào)，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(tǒng)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(guān)的部分，頂層電路模型如圖2所示。

圖1 直波編碼檢測系統(tǒng)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(huán)路比相功能；

c）X3完成對碼元的解調(diào)；

d）X4是環(huán)路濾波電路，主要形成環(huán)路誤差信號和指令解調(diào)信號；

e）X5完成直波環(huán)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(tǒng)故障的仿真復(fù)現(xiàn)

在樣機調(diào)試過程中，當(dāng)直波編碼檢測系統(tǒng)的輸入信號為強信號時，出現(xiàn)解碼輸出信號前后碼元的串?dāng)_，甚至變成一條直線。而編碼檢測系統(tǒng)的技術(shù)指標要求是實現(xiàn)解碼脈沖在各種情況下都滿足占空比在規(guī)定范圍內(nèi)。

對圖2建立的仿真模型進行仿真，結(jié)果如圖3所示。

圖3（a）是編碼檢測系統(tǒng)的輸出信號，圖3（b）是經(jīng)過調(diào)制信息濾波器（圖1中A 點指令解調(diào)濾波輸出信號波形），這些仿真波形與工程樣機調(diào)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(luò)，在減小過程中的最小值Min太大，碼元解調(diào)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?dāng)_超出了系統(tǒng)對編碼的技術(shù)指標，即占空比太大。該系統(tǒng)的設(shè)計需要在理論上將Min值減小到0，并適當(dāng)調(diào)整判別門限的相關(guān)電路參數(shù)。

3 系統(tǒng)集成和優(yōu)化

圖3 改進前的直波編碼檢測系統(tǒng)仿真結(jié)果

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

ISIGHT 軟件通過修改netlist.log文件中相關(guān)的電路參數(shù)，先后驅(qū)動ADS仿真模型、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換軟件模塊、MATLAB 數(shù)據(jù)后處理模型運行并仿真輸出目標參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)果。ISIGHT 根據(jù)Output.txt中目標參數(shù)的變化情況和算法策略，自動更改netlist.log中的相關(guān)參數(shù)，從而實現(xiàn)電路參數(shù)的自動優(yōu)化，直至找到滿足要求的電路參數(shù)為止。

圖4 編碼檢測仿真系統(tǒng)集成優(yōu)化框圖

3.1 編碼檢測系統(tǒng)集成

完成直波編碼檢測ADS 模型、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型、MATLAB數(shù)據(jù)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(tǒng)集成優(yōu)化框圖

具體步驟如下：

a）在①的窗口中，創(chuàng)建任務(wù)ZBdecode.desc；

b）在②的窗口中，創(chuàng)建ADS模型、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型、MATLAB數(shù)據(jù)后處理模型的子任務(wù)；

c）在③的窗口中，建立netlist.log文件的變量驅(qū)動文件，并完成文件中的電阻、電容、濾波參數(shù)等變量的提取；

d）在②的窗口中，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件自動驅(qū)動，將ADS仿真輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成MATLAB可識別的數(shù)據(jù)格式；

e）在④的窗口中，建立解碼后處理模型ZBdecode.m 的驅(qū)動，對ADS仿真結(jié)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(tǒng)優(yōu)化

完成系統(tǒng)集成后，對系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化。優(yōu)化算法設(shè)置為：連續(xù)二次規(guī)劃法（Sequential Quadratic Programming– NLPQL）和多 導(dǎo) 遺 傳 算 法（Multi-Island Genetic Algorithm），如圖6所示。

圖6 優(yōu)化算法設(shè)計

完成上述相關(guān)的優(yōu)化設(shè)置后，啟動ISIGHT軟件進行優(yōu)化。優(yōu)化過程以解碼脈沖寬度符合任務(wù)書要求為優(yōu)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(shù)進行調(diào)整，完成優(yōu)化任務(wù)。

優(yōu)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(tài)碼元脈沖占空比為49.9%。

4 試驗

為驗證優(yōu)化結(jié)果，將直波編碼檢測系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)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(yōu)化后的解碼脈沖波形

圖8 優(yōu)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(yōu)化前（ch2）、后（ch1）碼濾波器輸出信號，圖中可以看出優(yōu)化后的波形畸變小，較好的恢復(fù)了編碼信號的包絡(luò)形狀。優(yōu)化過程中，優(yōu)化了編碼檢測濾波器的參數(shù)，改變了濾波器的延遲，優(yōu)化后的編碼檢測系統(tǒng)具有更短的延遲。

上述電路參數(shù)的仿真優(yōu)化結(jié)果直接應(yīng)用于實際樣機研制，優(yōu)化后的電路參數(shù)合理，實現(xiàn)了解碼電路模塊的即裝即用。直波接收機的環(huán)境試驗表明，在大動態(tài)范圍輸入、高溫、低溫等多種條件下，直波編碼系統(tǒng)工作正常，徹底解決了前后碼元串?dāng)_問題。

5 結(jié)束語

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

優(yōu)化后的參數(shù)，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(tài)等極端條件下，提取出攜帶有無線電修正指令的調(diào)頻信號，從設(shè)計上消除多個頻率碼間的串?dāng)_和每個頻率碼前后碼元之間的干擾，確保了碼元檢測的質(zhì)量，為照射雷達與導(dǎo)引頭之間的可靠通訊奠定了堅實的基礎(chǔ)。這種集成優(yōu)化的設(shè)計方法，為電路設(shè)計中的參數(shù)優(yōu)化提供了較好的技術(shù)途徑。

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

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

［5］ 劉蘇杰.集成優(yōu)化技術(shù)在差分對管建模中的應(yīng)用［J］.制導(dǎo)與引信，2010，31（2）：4-8.