車載光通信：PIC Studio全方位支持解析

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
! ]  v6 W7 M# J3 \* S. z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,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)的開發(fā)[1]。
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6 o% O7 @; Z6 B4 {; n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:
& U* g& q4 X; o  d) y0 P  I5 `: I" ~

電磁兼容性(emc):光纖對電磁干擾免疫,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:光纖電纜對汽車應(yīng)用中常見的惡劣環(huán)境條件更具抵抗力。

安裝簡便:光纖比屏蔽銅纜更靈活,更易于布線。

成本效益:具有競爭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。
[/ol]



8 X- ^" s, N/ c% a( K7 X0 ~圖1:說明車載以太網(wǎng)優(yōu)勢的圖表,包括EMC、電氣隔離、可靠性、安裝簡便、成本效益和高帶寬。

車載光學(xué)以太網(wǎng)的應(yīng)用
' F  D: o8 I* |3 b, i$ {1 Z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)信息娛樂和高級駕駛輔助系統(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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+ l. }/ s' y: U2 g8 C7 s2 a

2 K3 h; a; ~4 c) H+ V2 |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)。
( v2 K; z7 }( ]: E" B2 `1 H
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:
8 V$ l# B6 X, I1 Q6 N! v0 p1 J5 a* n物理層實(shí)現(xiàn):
* v% L* k7 o7 F1 N$ P1 K

16級脈沖幅度調(diào)制(PAM16)

多級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
' v$ P/ V- l* f' E
: j' z) f3 `" ]: |5 y8 h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
* F4 u- Q7 ^) t- M. U9 \4 R
符合標(biāo)準(zhǔn):
& w0 d, }0 N, j

IEEE 802.3bv for 1000BASE-RH PHY

VDE 0885-763

ISO 21111

AEC-Q100 Grade 2認(rèn)證

2 L' W% |8 b( L5 H& `& I
4 E. r# b4 V3 N

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)的未來發(fā)展
9 W- K5 a$ b- @" j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。
# U9 g& H0 \) \5 w9 @  n) F5 G
# f0 D1 `5 k; b) y) Z- ~
PIC Studio:統(tǒng)一的設(shè)計(jì)和仿真解決方案
2 {1 d, A+ z3 x! i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,涵蓋從元件級到芯片級再到系統(tǒng)級的全流程。
- m) c+ b* k8 v* K: Y: D
, C: m7 E, x, c2 m  {' ?7 E
4 W. O' v! T. F3 T1 \6 z2 A
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。
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4 t5 J  b6 P- S, A+ }' qPIC Studio的主要組件
1.pSim Plus:系統(tǒng)級仿真器
  P! ~% h* }& [! v# F4 [+ ^: x8 @

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DSP算法和相干或長距離光纖傳輸仿真的支持
6 F( m1 \( X7 s& ]4 C+ Y0 Q0 B; z
. @" K- P9 c* h2.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
% E& @# L8 j# J支持Python3標(biāo)準(zhǔn)語言自定義器件庫
開放對接第三方Spice仿真器
2 ?$ D+ y8 w' {% M3 b# a+ v
6 e2 R  Y8 Q9 D  o3. pLogic:原理圖工具
原理圖驅(qū)動(dòng)pSim仿真以及SDL入口
, `: M8 ~6 Z8 R, ~6 s( l6 t7 y元件參數(shù)控制
4 Z1 l& m8 |: r1 {  N" }7 u智能化的光子鏈路繞線控制
電子金屬繞線控制
7 p( S6 R2 F2 `) O5 o原理圖與版圖之間的交叉查找
9 U/ m; X& @& ?3 s4 p
; l7 t! q3 J" c4 ^2 Y, r7 w4. 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
3 y9 I  I& E, x( e支持前仿真和后仿真功能

. @4 E9 R& ]% t) U7 H- A5. PhotoCAD:版圖工具
Python3代碼環(huán)境
0 W% Y! _# O0 ?組件/鏈路版圖繪制,且復(fù)雜連接場景下不出現(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)的過渡轉(zhuǎn)換
支持版圖器件定義仿真模型并進(jìn)行版圖仿真
6 K% r/ U1 a& i: N/ |+ @$ N電子金屬鏈接支持
3 z" I- H; ]4 d0 Q電子/光子集成支持
0 Q9 N& l. z9 w0 s0 l, ~
3 C, q6 W. R9 u, i# {6. pMaxwell:求解器
RCWA/FDTD
兼容第三方無源求解器(如ANSYS Lumerical FDTD、MO FDTD、Comsol)
2 X% O7 Z# j/ C6 j7 B& c3 d# @兼容第三方TCAD(如Silvaco/ANSYS Lumerical Charge)
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PIC Studio中的Fab PDK支持
; M' _5 ~7 P$ h) M% R2 S: |PIC Studio為各種晶圓廠工藝設(shè)計(jì)套件(PDK)提供全面支持:
: [  b' O; I' d  L7 r1 |, z; k已發(fā)布PDK:SITRI、IMECAS、SilTerra(可通過逍遙科技官網(wǎng)獲取)
$ }/ H: X' `0 X% H即將支持:2024年將公布1-2個(gè)Pilots和2個(gè)Fabs
! K$ [3 H* J% T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

2 |6 }: ]& C& i1 M+ U$ ^2 @# e3 H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)。
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# A* ^) j, e. S# e) W! a" APhotoCAD:先進(jìn)的版圖設(shè)計(jì)軟件
% k+ I! y& k2 ]- Q8 e; b# o7 ~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):
( ^$ `* W+ v! n9 |0 t4 {5 J簡單的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
' ~, h/ K, `) w; o- _支持設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)以確保版圖質(zhì)量
" p+ K; @5 R! Q8 ]


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

& `( y/ @% R7 T/ r  ?
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)。

1 E; _. j& ?, o8 VFab PDK緊湊模型支持
PIC Studio支持構(gòu)建Fab PDK器件緊湊模型庫,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)測最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
8 Y( D" X7 o/ i; j# {* }! S8 c[/ol]
9 N8 `* _6 J' w' [$ T

圖7:PIC Studio中基于理論的模型和基于測量的緊湊模型之間的比較。

; Y' i) L# W" I; h% zAdvanced SDL:LVS檢查的智能助手
7 j# m" Q2 e; u$ kAdvanced 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:
' D" v# k) `2 p7 u1 H% n: y

基于線路原理圖自動(dòng)生成版圖

組件庫支持

可編程光電子技術(shù)能力

通過腳本進(jìn)行組件放置和自動(dòng)布線

( @4 K* o' ~& R. [* t) v

( J0 R) m9 U7 i3 g圖8:說明Advanced SDL工作流程的圖表,從原理圖到版圖生成。

" G7 R  ]5 e* j2 tpSim/pSim Plus:片上、片間和系統(tǒng)級仿真
pSim和pSim Plus為光電子集成芯片提供全面的仿真能力:
# d. y: I4 J% ~7 h. t% NpSim(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)語言自定義器件庫
2 p& b+ R; t% Z6 a( \- P  x- s
; g* f0 r% q' x6 ?: f$ e) ]pSim Plus(光通信系統(tǒng)級鏈路仿真):

支持用戶使用標(biāo)準(zhǔn)Python語言定義器件庫

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

3 R4 v  `5 i# `' {8 ]

  q' E3 i* W- X5 k: Z! _( I圖9:pSim仿真示例,包括無源環(huán)加載馬赫-曾德干涉儀(MZI)濾波、微環(huán)濾波和MZ濾波。
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( J# j' q) N. ~5 W4 B圖10:pSim Plus仿真示例,包括無源DEMUX濾波、NRZ微環(huán)發(fā)送模塊和PAM4發(fā)送模塊。
# {& C" l3 \3 L4 Z& M

' @2 }% z5 Z& x3 C' r  l5 I圖11:pSim Plus的高級仿真能力,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)量評估、光纖NLS+PMD仿真和多通道WDM長距離光纖傳輸。

/ v( n8 D; L/ k8 i結(jié)論和未來展望
- ^; n2 |3 b' d  h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)的開發(fā)。
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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。
5 B7 r$ m6 s1 a' Y- O
! Q8 n; t0 T3 u通過利用PIC Studio等平臺(tái),汽車工程師和設(shè)計(jì)者可以加快開發(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)的未來車輛奠定基礎(chǔ)。

/ r; S6 @- }0 I7 X& {. g
參考文獻(xiàn)
, U0 @( G) Z, D: j) V"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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! X/ O. f, V6 y7 `# q) M/ n( u
9 m4 Q7 r3 P9 L" }3 j+ F3 Q轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！

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4 P( c+ K0 k$ K+ b
- m  ~" J# k/ D6 W7 b8 I" X  u; p關(guān)注我們

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深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

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