車載光通信：PIC Studio全方位支持解析

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化 · 發(fā)表于 2024-9-12 08:03:00

引言
汽車行業(yè)正經(jīng)歷重大變革,向電動(dòng)和混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。這一轉(zhuǎn)變給傳統(tǒng)銅纜網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),尤其是在電磁兼容性、電氣隔離和可靠性方面。光學(xué)網(wǎng)絡(luò),特別是使用塑料光纖(POF)的網(wǎng)絡(luò),已成為解決這些挑戰(zhàn)的理想方案。本文將探討光學(xué)車載以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì),并介紹PIC Studio,統(tǒng)一的光電子集成芯片設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái),支持先進(jìn)汽車通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[1]。

光學(xué)車載以太網(wǎng)的興起
隨著車輛日益電氣化和數(shù)字化連接,對(duì)高帶寬、可靠和電磁兼容的車載網(wǎng)絡(luò)的需求急劇增加。光學(xué)車載以太網(wǎng)比傳統(tǒng)的銅基網(wǎng)絡(luò)具有幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì):

電磁兼容性(emc):光纖對(duì)電磁干擾免疫,這在高電噪聲環(huán)境中非常重要。

電氣隔離:光學(xué)網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)之間提供完全隔離,提高安全性和可靠性。

可靠性:光纖電纜對(duì)汽車應(yīng)用中常見(jiàn)的惡劣環(huán)境條件更具抵抗力。

安裝簡(jiǎn)便:光纖比屏蔽銅纜更靈活,更易于布線。

成本效益:具有競(jìng)爭(zhēng)力的制造和安裝成本使光學(xué)網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)有吸引力的選擇。

高帶寬:支持100 Mbps到10+ Gbps的數(shù)據(jù)速率,滿足現(xiàn)代車輛不斷增加的帶寬需求。
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圖1:說(shuō)明車載以太網(wǎng)優(yōu)勢(shì)的圖表,包括EMC、電氣隔離、可靠性、安裝簡(jiǎn)便、成本效益和高帶寬。

車載光學(xué)以太網(wǎng)的應(yīng)用
光學(xué)以太網(wǎng)在現(xiàn)代車輛架構(gòu)中有許多應(yīng)用:

推進(jìn)系統(tǒng)噪聲隔離:隔離高功率電子控制單元(ECU)產(chǎn)生的電噪聲,保護(hù)信息娛樂(lè)和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)等敏感系統(tǒng)。

電池管理系統(tǒng):在高壓電池集群之間提供電氣隔離,消除危險(xiǎn)的接地環(huán)路,并提供高噪聲抗擾度。

48V跳線啟動(dòng)保護(hù):防止跳線啟動(dòng)過(guò)程中的電壓尖峰損壞。

電壓域間故障保護(hù):在48V故障情況下保護(hù)12V系統(tǒng)。
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圖2:描述車載光學(xué)以太網(wǎng)各種應(yīng)用的圖示,包括推進(jìn)系統(tǒng)噪聲隔離、電池管理系統(tǒng)、跳線啟動(dòng)保護(hù)和電壓域間故障保護(hù)。

Multi-gigabit汽車以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
汽車行業(yè)制定了標(biāo)準(zhǔn),以確保光學(xué)以太網(wǎng)系統(tǒng)的互操作性和性能。這些標(biāo)準(zhǔn)的主要特點(diǎn)包括:
物理層實(shí)現(xiàn):

16級(jí)脈沖幅度調(diào)制(PAM16)

多級(jí)余集編碼用于前向糾錯(cuò)

Tomlinson-Harashima預(yù)編碼用于信道均衡

自適應(yīng)均衡

性能特征:

數(shù)據(jù)速率:100 Mbps或1 Gbps

誤碼率(BER)

延遲

工作溫度范圍:-40°C至+105°C

符合標(biāo)準(zhǔn):

IEEE 802.3bv for 1000BASE-RH PHY

VDE 0885-763

ISO 21111

AEC-Q100 Grade 2認(rèn)證

圖3:顯示Multi-gigabit車載以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的圖表,包括物理層實(shí)現(xiàn)、性能特征和合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

車載光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展
車載網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域在不斷發(fā)展。光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展包括:

多千兆速度(2.5/5/10 Gbps)

集成光電子技術(shù)

增強(qiáng)的車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

這些進(jìn)步將支持下一代車輛架構(gòu)和先進(jìn)功能,進(jìn)一步鞏固光學(xué)以太網(wǎng)在汽車通信系統(tǒng)中的作用。

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PIC Studio:統(tǒng)一的設(shè)計(jì)和仿真解決方案
為了解決光學(xué)和光電系統(tǒng)的復(fù)雜設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),需要專門的工具。由逍遙科技開(kāi)發(fā)的PIC Studio提供了一套全面的光電子集成芯片設(shè)計(jì)和仿真套件,涵蓋從元件級(jí)到芯片級(jí)再到系統(tǒng)級(jí)的全流程。

圖4:PIC Studio統(tǒng)一設(shè)計(jì)和仿真解決方案概覽,展示了光電子集成芯片設(shè)計(jì)的各種工具及其相互連接。

PIC Studio的主要組件
1.pSim Plus:系統(tǒng)級(jí)仿真器

支持單模、多模、DSP、BER和TDECQ仿真

實(shí)現(xiàn)光電融合仿真

增強(qiáng)對(duì)DSP算法和相干或長(zhǎng)距離光纖傳輸仿真的支持

2.pSim:鏈路仿真器
硅基光電子芯片鏈路仿真器
支持多模、雙向和多通道的鏈路級(jí)驗(yàn)證
頻域和時(shí)域仿真驗(yàn)證
電子/光子信號(hào)處理
電子/光子示波器、功率計(jì)和頻譜分析
眼圖分析器
支持Python3標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言自定義器件庫(kù)
開(kāi)放對(duì)接第三方Spice仿真器

3. pLogic:原理圖工具
原理圖驅(qū)動(dòng)pSim仿真以及SDL入口
元件參數(shù)控制
智能化的光子鏈路繞線控制
電子金屬繞線控制
原理圖與版圖之間的交叉查找

4. Advanced SDL:原理圖驅(qū)動(dòng)版圖工具
原理圖驅(qū)動(dòng)生成Python3繪版代碼
支持前仿真和后仿真功能

5. PhotoCAD:版圖工具
Python3代碼環(huán)境
組件/鏈路版圖繪制,且復(fù)雜連接場(chǎng)景下不出現(xiàn)版圖錯(cuò)位
版圖生成速度為同類軟件10倍
支持智能化的光子鏈路自動(dòng)布線
波導(dǎo)型態(tài)的過(guò)渡轉(zhuǎn)換
支持版圖器件定義仿真模型并進(jìn)行版圖仿真
電子金屬鏈接支持
電子/光子集成支持

6. pMaxwell:求解器
RCWA/FDTD
兼容第三方無(wú)源求解器(如ANSYS Lumerical FDTD、MO FDTD、Comsol)
兼容第三方TCAD(如Silvaco/ANSYS Lumerical Charge)

PIC Studio中的Fab PDK支持
PIC Studio為各種晶圓廠工藝設(shè)計(jì)套件(PDK)提供全面支持:
已發(fā)布PDK:SITRI、IMECAS、SilTerra(可通過(guò)逍遙科技官網(wǎng)獲取)
即將支持:2024年將公布1-2個(gè)Pilots和2個(gè)Fabs
自定義Fab支持:用戶可以導(dǎo)入工藝文件,自動(dòng)生成相應(yīng)的Fab工藝層、CAD層信息和波導(dǎo)模板

這種廣泛的PDK支持使設(shè)計(jì)者能夠在PIC Studio中快速實(shí)現(xiàn)任何晶圓廠的PDK數(shù)據(jù)。

PhotoCAD:先進(jìn)的版圖設(shè)計(jì)軟件
PhotoCAD是PIC Studio中的一款尖端版圖設(shè)計(jì)工具,解決了多個(gè)階段的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn):
簡(jiǎn)單的PDK設(shè)置
元件設(shè)計(jì)階段速度提高3倍
鏈路設(shè)計(jì)階段速度提高10倍
版圖驅(qū)動(dòng)的光電芯片設(shè)計(jì)流程
支持設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)以確保版圖質(zhì)量

圖5:PhotoCAD界面的截圖,展示其版圖設(shè)計(jì)能力和速度提升。

圖6:PhotoCAD中DRC檢查的例子,突出顯示MZI陣列和解復(fù)用器版圖中的錯(cuò)誤(紅色標(biāo)記)。

Fab PDK緊湊模型支持
PIC Studio支持構(gòu)建Fab PDK器件緊湊模型庫(kù),為鏈路設(shè)計(jì)提供更真實(shí)的仿真結(jié)構(gòu):

允許在PhotoCAD布局后使用pSim鏈路仿真引擎進(jìn)行后仿真,考慮波導(dǎo)布線中的相移和損耗。

與Fab測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合構(gòu)建的緊湊模型提供更準(zhǔn)確的器件性能數(shù)據(jù),幫助用戶更好地預(yù)測(cè)最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
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圖7:PIC Studio中基于理論的模型和基于測(cè)量的緊湊模型之間的比較。

Advanced SDL:LVS檢查的智能助手
Advanced SDL(原理圖驅(qū)動(dòng)布局)是強(qiáng)大的工具,彌合了原理圖設(shè)計(jì)和版圖生成之間的差距:

基于線路原理圖自動(dòng)生成版圖

組件庫(kù)支持

可編程光電子技術(shù)能力

通過(guò)腳本進(jìn)行組件放置和自動(dòng)布線

圖8:說(shuō)明Advanced SDL工作流程的圖表,從原理圖到版圖生成。

pSim/pSim Plus:片上、片間和系統(tǒng)級(jí)仿真
pSim和pSim Plus為光電子集成芯片提供全面的仿真能力:
pSim(光電芯片鏈路仿真軟件):

硅基光電子芯片鏈路仿真器

多模、雙向和多通道的鏈路級(jí)驗(yàn)證

頻域和時(shí)域仿真

電子/光子信號(hào)處理

支持Python3標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言自定義器件庫(kù)

pSim Plus(光通信系統(tǒng)級(jí)鏈路仿真):

支持用戶使用標(biāo)準(zhǔn)Python語(yǔ)言定義器件庫(kù)

FEC/FFE等DSP算法支持

光纖模型中的非線性和PMD效應(yīng)

多種信號(hào)調(diào)制格式(如mQAM、DP-QPSK)

信號(hào)誤碼率分析、TDECQ分析和星座圖繪制

RLCG電鏈路仿真

圖9:pSim仿真示例,包括無(wú)源環(huán)加載馬赫-曾德干涉儀(MZI)濾波、微環(huán)濾波和MZ濾波。

圖10:pSim Plus仿真示例,包括無(wú)源DEMUX濾波、NRZ微環(huán)發(fā)送模塊和PAM4發(fā)送模塊。

圖11:pSim Plus的高級(jí)仿真能力,包括驅(qū)動(dòng)器線路仿真、TIA線路仿真、FFE信號(hào)均衡、TDECQ信號(hào)質(zhì)量評(píng)估、光纖NLS+PMD仿真和多通道WDM長(zhǎng)距離光纖傳輸。

結(jié)論和未來(lái)展望
光學(xué)車載以太網(wǎng)為電動(dòng)和混合動(dòng)力車輛提供了理想的解決方案,提供高帶寬、EMI抗擾性和電氣隔離。PIC Studio提供了全面的工具,用于光電子集成芯片的設(shè)計(jì)和仿真,支持先進(jìn)汽車通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展,可以預(yù)期multi-gigabit速度光學(xué)網(wǎng)絡(luò)、集成光電子技術(shù)和增強(qiáng)的車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用將進(jìn)一步發(fā)展。PIC Studio具備支持這些進(jìn)步的能力,為設(shè)計(jì)者提供創(chuàng)建下一代汽車通信系統(tǒng)所需的工具。

通過(guò)利用PIC Studio等平臺(tái),汽車工程師和設(shè)計(jì)者可以加快開(kāi)發(fā)穩(wěn)健、高性能的光學(xué)網(wǎng)絡(luò),為更安全、更高效、更互聯(lián)的未來(lái)車輛奠定基礎(chǔ)。
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參考文獻(xiàn)
"車載光纖通信創(chuàng)新：PIC Studio全方位支持解析," Latitude Design Automation, Chengdu, China, Rep. 09062024, Sep. 6, 2024.

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