車載光通信：PIC Studio全方位支持解析

逍遙設(shè)計自動化

引言
汽車行業(yè)正經(jīng)歷重大變革,向電動和混合動力推進系統(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)計和仿真平臺,支持先進汽車通信系統(tǒng)的開發(fā)[1]。

/ h) A$ ~3 q& O3 W! L$ H# d光學(xué)車載以太網(wǎng)的興起
) n& A( a* r' P: \, G) k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)具有幾個關(guān)鍵優(yōu)勢:
8 E' L0 A' z2 Y. n

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。
& [9 Z2 J3 J2 v[/ol]

9 m; X  W; U3 B+ M# w, o  }9 S

" }4 n& _, k# {$ w0 Y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
光學(xué)以太網(wǎng)在現(xiàn)代車輛架構(gòu)中有許多應(yīng)用:
- }% h7 \- a/ D- D

推進系統(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,消除危險的接地環(huán)路,并提供高噪聲抗擾度。

48V跳線啟動保護:防止跳線啟動過程中的電壓尖峰損壞。

電壓域間故障保護:在48V故障情況下保護12V系統(tǒng)。
  o0 K5 e7 e$ K[/ol]

/ w0 {5 b9 v, s, M: r
. P$ a% r3 x4 L) A7 u圖2:描述車載光學(xué)以太網(wǎng)各種應(yīng)用的圖示,包括推進系統(tǒng)噪聲隔離、電池管理系統(tǒng)、跳線啟動保護和電壓域間故障保護。

7 A; F5 A& n& ^" EMulti-gigabit汽車以太網(wǎng)技術(shù)標準
: @7 s6 w& c3 C# H* Z; m6 C+ x汽車行業(yè)制定了標準,以確保光學(xué)以太網(wǎng)系統(tǒng)的互操作性和性能。這些標準的主要特點包括:
物理層實現(xiàn):

16級脈沖幅度調(diào)制(PAM16)

多級余集編碼用于前向糾錯

Tomlinson-Harashima預(yù)編碼用于信道均衡

自適應(yīng)均衡
8 ]5 Z6 D/ g( w) O
3 q+ I+ |; Z9 \4 S/ ~+ K: D; I" e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
9 u( h8 A' ], l
符合標準:
* `8 @7 K2 f8 D. K- d; k

IEEE 802.3bv for 1000BASE-RH PHY

VDE 0885-763

ISO 21111

AEC-Q100 Grade 2認證
- L" U' E0 E$ I! F7 w" w
1 d2 I* [/ j9 {/ ~$ U% R
0 m; B4 Z" t! c3 o7 |
0 B" f' S, q% ~* Z4 Y
圖3:顯示Multi-gigabit車載以太網(wǎng)技術(shù)標準的圖表,包括物理層實現(xiàn)、性能特征和合規(guī)標準。

車載光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展
- ?- S, P7 z" s0 p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)

增強的車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

9 x7 x# a3 E! s1 V/ z( k3 Z這些進步將支持下一代車輛架構(gòu)和先進功能,進一步鞏固光學(xué)以太網(wǎng)在汽車通信系統(tǒng)中的作用。
( `* y  d! S& ?1 A$ F

% J- {% D. r( x! NPIC Studio:統(tǒng)一的設(shè)計和仿真解決方案
$ F6 X: c1 M; B* v8 c- b! W為了解決光學(xué)和光電系統(tǒng)的復(fù)雜設(shè)計挑戰(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。



圖4:PIC Studio統(tǒng)一設(shè)計和仿真解決方案概覽,展示了光電子集成芯片設(shè)計的各種工具及其相互連接。
; I+ N# d: o* |4 B- x
PIC Studio的主要組件
: F  ^; O- y4 p8 L) V& u1.pSim Plus:系統(tǒng)級仿真器

支持單模、多模、DSP、BER和TDECQ仿真

實現(xiàn)光電融合仿真

增強對DSP算法和相干或長距離光纖傳輸仿真的支持

7 a- t# B( ^1 H+ Q2.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證
" e# o% M: N7 v# f頻域和時域仿真驗證
+ X" T, e3 m- Z! f電子/光子信號處理
電子/光子示波器、功率計和頻譜分析
5 w3 J. @! d& `+ p, m/ w/ n眼圖分析器
支持Python3標準語言自定義器件庫
開放對接第三方Spice仿真器

) A7 @! D  d, K1 x2 q3. pLogic:原理圖工具
原理圖驅(qū)動pSim仿真以及SDL入口
0 w/ w3 E2 c6 y. M* I! U! H* t& v元件參數(shù)控制
智能化的光子鏈路繞線控制
. y6 J+ {( ?! F! s' ^6 k電子金屬繞線控制
2 h* K8 k; E. P* e原理圖與版圖之間的交叉查找
: q3 ^/ j6 Q) r4 t
4. Advanced SDL:原理圖驅(qū)動版圖工具
( y8 _' s7 v+ K2 T原理圖驅(qū)動生成Python3繪版代碼
8 p; f+ d& E, a支持前仿真和后仿真功能
* a( }+ |0 F/ x  \
5. PhotoCAD:版圖工具
Python3代碼環(huán)境
組件/鏈路版圖繪制,且復(fù)雜連接場景下不出現(xiàn)版圖錯位
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布線
波導(dǎo)型態(tài)的過渡轉(zhuǎn)換
* c9 n4 m2 C7 ^0 q. @支持版圖器件定義仿真模型并進行版圖仿真
' K3 [( x* V( q' G電子金屬鏈接支持
電子/光子集成支持

" g$ P, Y; T7 P6 s4 c6. pMaxwell:求解器
RCWA/FDTD
4 B! T, `: i; ~: B3 Z" Z兼容第三方無源求解器(如ANSYS Lumerical FDTD、MO FDTD、Comsol)
兼容第三方TCAD(如Silvaco/ANSYS Lumerical Charge)

1 I+ @" ]0 m! ]PIC Studio中的Fab PDK支持
PIC Studio為各種晶圓廠工藝設(shè)計套件(PDK)提供全面支持:
# a* s) V$ }. a; H9 D: M( U已發(fā)布PDK:SITRI、IMECAS、SilTerra(可通過逍遙科技官網(wǎng)獲取)
  f. |- L: @, Z+ V, N' S) v5 k即將支持:2024年將公布1-2個Pilots和2個Fabs
% s2 k# J5 y6 A$ |) ^. {. E自定義Fab支持:用戶可以導(dǎo)入工藝文件,自動生成相應(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)計者能夠在PIC Studio中快速實現(xiàn)任何晶圓廠的PDK數(shù)據(jù)。

" w1 v, k) ?9 Q7 {) `PhotoCAD:先進的版圖設(shè)計軟件
PhotoCAD是PIC Studio中的一款尖端版圖設(shè)計工具,解決了多個階段的設(shè)計挑戰(zhàn):
- \( H, R) S9 q) |簡單的PDK設(shè)置
元件設(shè)計階段速度提高3倍
鏈路設(shè)計階段速度提高10倍
9 D" f3 r. [) M0 E. L版圖驅(qū)動的光電芯片設(shè)計流程
支持設(shè)計規(guī)則檢查(DRC)以確保版圖質(zhì)量



. b2 m. L1 S, }* ^; Q  l圖5:PhotoCAD界面的截圖,展示其版圖設(shè)計能力和速度提升。

, e$ B2 N( e  u
圖6:PhotoCAD中DRC檢查的例子,突出顯示MZI陣列和解復(fù)用器版圖中的錯誤(紅色標記)。

$ V, M! s: D* ]0 vFab PDK緊湊模型支持
+ \( w# R+ q% n4 y, d( KPIC Studio支持構(gòu)建Fab PDK器件緊湊模型庫,為鏈路設(shè)計提供更真實的仿真結(jié)構(gòu):

允許在PhotoCAD布局后使用pSim鏈路仿真引擎進行后仿真,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確的器件性能數(shù)據(jù),幫助用戶更好地預(yù)測最終實驗結(jié)果。
1 f- I: P% y( O) G/ g[/ol]

: `7 u) R1 a% d8 ~1 b
$ U$ l/ Q+ X* K  [+ o* f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。

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

基于線路原理圖自動生成版圖

組件庫支持

可編程光電子技術(shù)能力

通過腳本進行組件放置和自動布線
% x  k! B& J6 j4 _2 @& S

: \6 K( Y' w* b1 q
: d7 x0 }' U2 V1 p0 @$ |; g( ^圖8:說明Advanced SDL工作流程的圖表,從原理圖到版圖生成。
, r1 j4 u: z, s5 T' }
pSim/pSim Plus:片上、片間和系統(tǒng)級仿真
) A' v, I- {8 o- f- X! {pSim和pSim Plus為光電子集成芯片提供全面的仿真能力:
* f5 N# b$ `' Z: ^( @% Y1 h2 xpSim(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證

頻域和時域仿真

電子/光子信號處理

支持Python3標準語言自定義器件庫

pSim Plus(光通信系統(tǒng)級鏈路仿真):
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支持用戶使用標準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)

多種信號調(diào)制格式(如mQAM、DP-QPSK)

信號誤碼率分析、TDECQ分析和星座圖繪制

RLCG電鏈路仿真



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

3 S3 j2 y& o, U1 B" H' A# p1 |
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。


) q, [- {( K% `1 _圖11:pSim Plus的高級仿真能力,包括驅(qū)動器線路仿真、TIA線路仿真、FFE信號均衡、TDECQ信號質(zhì)量評估、光纖NLS+PMD仿真和多通道WDM長距離光纖傳輸。
  Z" ^! d" k0 t! P
1 ~) L, P1 x% S結(jié)論和未來展望
; h$ B# n, G4 L5 n4 z/ I光學(xué)車載以太網(wǎng)為電動和混合動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)計和仿真,支持先進汽車通信系統(tǒng)的開發(fā)。

) e5 J8 v& g6 ^# {& P2 p0 Q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)和增強的車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用將進一步發(fā)展。PIC Studio具備支持這些進步的能力,為設(shè)計者提供創(chuàng)建下一代汽車通信系統(tǒng)所需的工具。
, ]# w7 Q+ ]) T2 `* N
/ ~$ _  T' r% ^" A通過利用PIC Studio等平臺,汽車工程師和設(shè)計者可以加快開發(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)。
) N3 x3 A* e" K2 `
1 k, ^$ f5 F, |8 [- \
參考文獻
"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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( L+ E7 f% D8 [關(guān)于我們：
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)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。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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