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引言
7 r% h0 _) S1 _( B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]。
. Y: ?8 S& H5 `1 t2 M \) `' K7 Z2 V1 Z7 w; f
光學(xué)車載以太網(wǎng)的興起
, n: Q. @, X9 g1 J2 a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:
6 x- C. @: t! x; T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。
+ t! c9 K3 z i+ V[/ol]
* l$ G3 p* I) ?( B
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+ \0 ?5 X9 A' \) I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。
- a- r; l0 q* S s, n
, V( V! {7 b, N+ c3 Y/ K$ q9 S車載光學(xué)以太網(wǎng)的應(yīng)用
! @ v, T8 ?# F' `$ ]/ F光學(xué)以太網(wǎng)在現(xiàn)代車輛架構(gòu)中有許多應(yīng)用:
2 M. O; O* k2 b: p& j: {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(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)。) Q9 p5 j6 z/ C
[/ol]) ^5 k; t) Q9 T" e3 d2 a# Q
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+ I* p! H0 @/ n0 ]+ G% ]$ b4 c% K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)。
A, \( S" [; a4 `" d
& e" G! N" L( B+ l$ B0 aMulti-gigabit汽車以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
) U; G \# `2 M( U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:: D4 A9 U9 {$ e2 W
物理層實(shí)現(xiàn):& ] _9 Y8 r0 j- }
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: E, _ @/ |' J& u# Y8 b: H
6 T. j- X) {3 C+ r* M7 I+ @1 ` r9 Z
性能特征:# p5 C+ Y5 V o* T: W8 `9 C& K
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°C1 Q& S1 r% `/ I
) }) x' v# U# [; N- t: `' N
符合標(biāo)準(zhǔn):
; z# f3 }, x/ zIEEE 802.3bv for 1000BASE-RH PHYVDE 0885-763ISO 21111AEC-Q100 Grade 2認(rèn)證
% F3 @4 O. N+ g
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2 C* ]9 O3 A6 Y* _( o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)。0 s I' h3 K( S+ [* ^% h
+ }- c8 M8 c4 j+ U* x
車載光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展5 h; L6 \; N9 Y0 r
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:3 |, {/ m- Z9 A. v5 p7 y
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
+ M' }7 G; J) U; I
* H+ y5 U8 W# ^" f. |" [ H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。. X" U$ A% Y/ b; t4 w% c0 a
; b5 i- P0 C. j8 ~0 m- Q+ E7 a! ^% x* b/ n$ g; [
PIC Studio:統(tǒng)一的設(shè)計(jì)和仿真解決方案' J) v/ t" g5 C' ~, C
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(jí)到芯片級(jí)再到系統(tǒng)級(jí)的全流程。
: k7 b n+ a5 J c3 q' U; W" H/ X# w% q# h+ H' W
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: V5 s5 C3 c: B B" d, M
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。 z& m) Y0 J+ `# `" s1 | L
5 B, z. M: K! _/ s' |PIC Studio的主要組件9 _/ c6 n2 \8 y, A8 x
1.pSim Plus:系統(tǒng)級(jí)仿真器
3 O" i) l! e5 |1 j- K" M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算法和相干或長距離光纖傳輸仿真的支持) O0 J9 g# `& E7 |; ^5 V! ^
' S5 @5 W' K. t6 G# I; r* R& H, q
2.pSim:鏈路仿真器
: I0 M: h, ~7 }7 Q" S* w硅基光電子芯片鏈路仿真器
/ K; Z) X" Q5 F+ o3 i支持多模、雙向和多通道的鏈路級(jí)驗(yàn)證$ [1 j# y& I; k) I
頻域和時(shí)域仿真驗(yàn)證
# |2 C0 l" s/ {- b( j電子/光子信號(hào)處理5 c, J" Q" L) @: j& d- X
電子/光子示波器、功率計(jì)和頻譜分析& x2 N) Q" w: f* k
眼圖分析器: P* D2 t- A7 j# r- [
支持Python3標(biāo)準(zhǔn)語言自定義器件庫. I3 a% s: R; q: B* l
開放對(duì)接第三方Spice仿真器) I* o' Z/ ~8 ^# w) f0 w
2 H" E, r6 w" n3. pLogic:原理圖工具
& ?, `: p; v, i$ I z原理圖驅(qū)動(dòng)pSim仿真以及SDL入口
) [+ C! n7 m4 M* ?- V1 m元件參數(shù)控制
, ~7 p7 A7 b7 ~% U智能化的光子鏈路繞線控制% x- H- t6 t+ D
電子金屬繞線控制
& ?0 ^! B/ N% y, C原理圖與版圖之間的交叉查找
" W! n- e( t; s- H% h
% k# |& p+ l, o! x5 ^7 `/ m( E4. Advanced SDL:原理圖驅(qū)動(dòng)版圖工具
" E2 F; n* N( k( E: L, X1 W原理圖驅(qū)動(dòng)生成Python3繪版代碼
8 G' M( B+ g. i- o( h! Z支持前仿真和后仿真功能! k* u" v7 j; h; r A* B: M: F- W) X
) ^ V! t9 ]3 B0 D( q& M9 B5 b( B0 d& \
5. PhotoCAD:版圖工具
0 k ?* q8 E7 r/ U# c$ C4 t7 p# F+ GPython3代碼環(huán)境
3 ^- b9 M a/ ~( s5 _7 a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
' I) Q; m: P! O! z版圖生成速度為同類軟件10倍+ c% V7 j+ e5 ^1 X8 N" s
支持智能化的光子鏈路自動(dòng)布線
7 A" l ]* W$ t. R& r8 \' @+ n波導(dǎo)型態(tài)的過渡轉(zhuǎn)換: I/ v/ H! \* k! l; r3 w
支持版圖器件定義仿真模型并進(jìn)行版圖仿真
- Q3 A: ^* G- e- t/ h電子金屬鏈接支持) a: H7 `4 L8 j8 t$ U. F
電子/光子集成支持
# ]4 @: L3 a, V/ @% [! b
" v+ O1 Q. N. l% E6 V1 N$ V0 k6. pMaxwell:求解器
* T; d. @- C. R5 Z; kRCWA/FDTD5 k+ X: l5 s# P/ I4 B
兼容第三方無源求解器(如ANSYS Lumerical FDTD、MO FDTD、Comsol)) k$ M5 |4 g$ E
兼容第三方TCAD(如Silvaco/ANSYS Lumerical Charge)0 T( E X% [! u3 R# D
, t& y$ C+ I; d! |& H" o$ E; J
PIC Studio中的Fab PDK支持
_/ Y4 e5 d6 Q# H) k8 p. _" H0 f9 u. PPIC Studio為各種晶圓廠工藝設(shè)計(jì)套件(PDK)提供全面支持:
2 M6 X7 @) I; Y0 V8 i已發(fā)布PDK:SITRI、IMECAS、SilTerra(可通過逍遙科技官網(wǎng)獲取)# _, j/ _6 s4 z7 @
即將支持:2024年將公布1-2個(gè)Pilots和2個(gè)Fabs
- t$ F& U. C1 T- O# y' j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! Y# z$ x8 Y+ A% E# M1 r: H; f( U
! V5 C3 l9 ^" x; E. D n" j2 |* F* b& E- J
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)。9 M2 H. @0 p0 G: g' H! B
; Y( s, ]% D( O" ?" N
PhotoCAD:先進(jìn)的版圖設(shè)計(jì)軟件* V5 X2 u7 R+ i
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):
* O- E5 N+ e3 f. w7 n" d簡單的PDK設(shè)置
0 b4 R/ ]1 r; K元件設(shè)計(jì)階段速度提高3倍8 S% |- ?" n0 H1 Y
鏈路設(shè)計(jì)階段速度提高10倍
6 S# o+ ]) e; g- z3 Y版圖驅(qū)動(dòng)的光電芯片設(shè)計(jì)流程
' ^ b3 m5 ~7 ]5 }+ u2 R7 y. q6 W支持設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)以確保版圖質(zhì)量
+ k( e+ M0 m3 E6 B! p3 ?+ A" f7 Q/ A/ d
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圖5:PhotoCAD界面的截圖,展示其版圖設(shè)計(jì)能力和速度提升。2 `' v* {+ y' |8 U; g+ \% C$ h, N
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# v# w$ Z0 R, q1 K' ^4 m
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)。9 e( M: y3 i5 P3 ~
" y# R$ d3 J& x. _9 d6 ~4 J
Fab PDK緊湊模型支持
, P# L7 t3 g( z9 r4 v: kPIC 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。
; g" e( A' v0 ^7 M% b4 @+ q/ P[/ol]& Q8 g0 o! e; }/ F( g. d4 d# P
; ^ X' o, L$ E0 Q7 p3 p$ F7 n8 a
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+ W# @! K3 n% O, L0 ^3 P) a- S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。; i. x& n! R( t9 C, l" J& p
6 P/ B1 j1 C; v; H; I6 h
Advanced SDL:LVS檢查的智能助手 `3 p) ^2 u, e9 x `0 ^* @
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:. g1 V% o' Q1 u; x
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
* O' h0 p) R; g4 U+ u' d) h _% m+ H5 U8 [( S$ _
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7 v/ N+ y |+ E6 v
圖8:說明Advanced SDL工作流程的圖表,從原理圖到版圖生成。
6 p- X7 b) [/ }7 P g1 ]# @- i+ Y4 w9 @' {1 f
pSim/pSim Plus:片上、片間和系統(tǒng)級(jí)仿真
. ~* E7 S9 o) T7 t: YpSim和pSim Plus為光電子集成芯片提供全面的仿真能力:
1 i. Z6 w j7 i& I; m( C) f$ h1 }pSim(光電芯片鏈路仿真軟件):
! D8 D6 a& w% U) K4 S" H6 L: D0 m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)語言自定義器件庫! f1 m8 H* x$ D* D( U, H& l
0 ]6 @5 g0 x5 m" V, PpSim Plus(光通信系統(tǒng)級(jí)鏈路仿真):5 R" @2 ] N' I0 y6 j+ c; P
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$ a6 R, U) W* o& Q8 Z; Z% }# E. W
1 @; [3 N( ?" g# t! E
# j" `5 O+ k/ A. x
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0 s( y; P: ^& p( J) C
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。- O$ O7 ]) r. R0 M2 u: j
/ I. N7 O- f% c
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* w- Z8 g7 P0 K$ A; \
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。: Z9 C: h; g. D' M/ `* n
" g: W# B% p2 N
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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長距離光纖傳輸。9 x0 s o7 C3 K9 w$ g+ ^
- N' Z2 u0 X& }" L1 x
結(jié)論和未來展望
. v: U* p9 n9 D) U$ i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)。3 m0 n1 w; M$ X @6 H0 P
# O. b+ X$ Y" s" ]5 ^( u9 l, W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。
$ Y2 R& f& Y/ g8 {$ }1 O+ T- r+ ]7 Y# z" g0 c) _' M
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)。/ o9 ? \$ B& K" X0 Z
% a! t5 h* K/ O, p% a1 \
$ R2 ]% v* r4 o! u5 w
參考文獻(xiàn)0 |2 s3 b! D+ \ _8 d7 u& E
"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.
( a% j B% K: G$ z" ^/ Z
0 [8 d; c5 ]" l3 U/ p; ?9 t5 N
. }( W, p5 }) j1 W
8 a. Q: b! }8 G- m0 T% Y2 ]- END -6 z! n. X' I0 F, F, j# }( O
; H9 m: U" q, i9 o, n- o! P
軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用,PIC Studio都可提升您的工作效能。
+ o) F0 D1 k( T8 m點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請' C% V2 Q" A2 _) E
* k0 Q: M2 }& O! j
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9 X% j6 u3 Q, T' N$ [+ T; Z+ W8 @. L5 J0 v( S3 j
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^% c9 A+ H+ {) r) [ _2 ~+ l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(duì)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)。2 L6 f! l+ b5 a! g
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