引言
汽车行业正经历重大变革,向电动和混合动力推进系统转型。这一转变给传统铜缆网络带来了新的挑战,尤其是在电磁兼容性、电气隔离和可靠性方面。光学网络,特别是使用塑料光纤(POF)的网络,已成为解决这些挑战的理想方案。本文将探讨光学车载以太网的优势,并介绍PIC Studio,统一的光电子集成芯片设计和仿真平台,支持先进汽车通信系统的开发[1]。
光学车载以太网的兴起
随着车辆日益电气化和数字化连接,对高带宽、可靠和电磁兼容的车载网络的需求急剧增加。光学车载以太网比传统的铜基网络具有几个关键优势:
电磁兼容性(EMC):光纤对电磁干扰免疫,这在高电噪声环境中非常重要。
电气隔离:光学网络在系统之间提供完全隔离,提高安全性和可靠性。
可靠性:光纤电缆对汽车应用中常见的恶劣环境条件更具抵抗力。
安装简便:光纤比屏蔽铜缆更灵活,更易于布线。
成本效益:具有竞争力的制造和安装成本使光学网络成为一个有吸引力的选择。
高带宽:支持100 Mbps到10+ Gbps的数据速率,满足现代车辆不断增加的带宽需求。
图1:说明车载以太网优势的图表,包括EMC、电气隔离、可靠性、安装简便、成本效益和高带宽。
车载光学以太网的应用
光学以太网在现代车辆架构中有许多应用:
推进系统噪声隔离:隔离高功率电子控制单元(ECU)产生的电噪声,保护信息娱乐和高级驾驶辅助系统(ADAS)等敏感系统。
电池管理系统:在高压电池集群之间提供电气隔离,消除危险的接地环路,并提供高噪声抗扰度。
48V跳线启动保护:防止跳线启动过程中的电压尖峰损坏。
电压域间故障保护:在48V故障情况下保护12V系统。
图2:描述车载光学以太网各种应用的图示,包括推进系统噪声隔离、电池管理系统、跳线启动保护和电压域间故障保护。
Multi-gigabit汽车以太网技术标准
汽车行业制定了标准,以确保光学以太网系统的互操作性和性能。这些标准的主要特点包括:
物理层实现:
16级脉冲幅度调制(PAM16)
多级余集编码用于前向纠错
Tomlinson-Harashima预编码用于信道均衡
自适应均衡
性能特征:
数据速率:100 Mbps或1 Gbps
误码率(BER) < 10^-12
延迟 < 6.2 μs (对于1 Gbps)
工作温度范围:-40°C至+105°C
符合标准:
IEEE 802.3bv for 1000BASE-RH PHY
VDE 0885-763
ISO 21111
AEC-Q100 Grade 2认证
图3:显示Multi-gigabit车载以太网技术标准的图表,包括物理层实现、性能特征和合规标准。
车载光学网络的未来发展
车载网络领域在不断发展。光学网络的未来发展包括:
多千兆速度(2.5/5/10 Gbps)
集成光电子技术
增强的车载网络应用
这些进步将支持下一代车辆架构和先进功能,进一步巩固光学以太网在汽车通信系统中的作用。
PIC Studio:统一的设计和仿真解决方案
为了解决光学和光电系统的复杂设计挑战,需要专门的工具。由逍遥科技开发的PIC Studio提供了一套全面的光电子集成芯片设计和仿真套件,涵盖从元件级到芯片级再到系统级的全流程。
图4:PIC Studio统一设计和仿真解决方案概览,展示了光电子集成芯片设计的各种工具及其相互连接。
PIC Studio的主要组件
1.pSim Plus:系统级仿真器
支持单模、多模、DSP、BER和TDECQ仿真
实现光电融合仿真
增强对DSP算法和相干或长距离光纤传输仿真的支持
2.pSim:链路仿真器
硅基光电子芯片链路仿真器
支持多模、双向和多通道的链路级验证
频域和时域仿真验证
电子/光子信号处理
电子/光子示波器、功率计和频谱分析
眼图分析器
支持Python3标准语言自定义器件库
开放对接第三方Spice仿真器
3. pLogic:原理图工具
原理图驱动pSim仿真以及SDL入口
元件参数控制
智能化的光子链路绕线控制
电子金属绕线控制
原理图与版图之间的交叉查找
4. Advanced SDL:原理图驱动版图工具
原理图驱动生成Python3绘版代码
支持前仿真和后仿真功能
5. PhotoCAD:版图工具
Python3代码环境
组件/链路版图绘制,且复杂连接场景下不出现版图错位
版图生成速度为同类软件10倍
支持智能化的光子链路自动布线
波导型态的过渡转换
支持版图器件定义仿真模型并进行版图仿真
电子金属链接支持
电子/光子集成支持
6. pMaxwell:求解器
RCWA/FDTD
兼容第三方无源求解器(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为各种晶圆厂工艺设计套件(PDK)提供全面支持:
已发布PDK:SITRI、IMECAS、SilTerra(可通过逍遥科技官网获取)
即将支持:2024年将公布1-2个Pilots和2个Fabs
自定义Fab支持:用户可以导入工艺文件,自动生成相应的Fab工艺层、CAD层信息和波导模板
这种广泛的PDK支持使设计者能够在PIC Studio中快速实现任何晶圆厂的PDK数据。
PhotoCAD:先进的版图设计软件
PhotoCAD是PIC Studio中的一款尖端版图设计工具,解决了多个阶段的设计挑战:
简单的PDK设置
元件设计阶段速度提高3倍
链路设计阶段速度提高10倍
版图驱动的光电芯片设计流程
支持设计规则检查(DRC)以确保版图质量
图5:PhotoCAD界面的截图,展示其版图设计能力和速度提升。
图6:PhotoCAD中DRC检查的例子,突出显示MZI阵列和解复用器版图中的错误(红色标记)。
Fab PDK紧凑模型支持
PIC Studio支持构建Fab PDK器件紧凑模型库,为链路设计提供更真实的仿真结构:
允许在PhotoCAD布局后使用pSim链路仿真引擎进行后仿真,考虑波导布线中的相移和损耗。
与Fab测量数据结合构建的紧凑模型提供更准确的器件性能数据,帮助用户更好地预测最终实验结果。
图7:PIC Studio中基于理论的模型和基于测量的紧凑模型之间的比较。
Advanced SDL:LVS检查的智能助手
Advanced SDL(原理图驱动布局)是强大的工具,弥合了原理图设计和版图生成之间的差距:
基于线路原理图自动生成版图
组件库支持
可编程光电子技术能力
通过脚本进行组件放置和自动布线
图8:说明Advanced SDL工作流程的图表,从原理图到版图生成。
pSim/pSim Plus:片上、片间和系统级仿真
pSim和pSim Plus为光电子集成芯片提供全面的仿真能力:
pSim(光电芯片链路仿真软件):
硅基光电子芯片链路仿真器
多模、双向和多通道的链路级验证
频域和时域仿真
电子/光子信号处理
支持Python3标准语言自定义器件库
pSim Plus(光通信系统级链路仿真):
支持用户使用标准Python语言定义器件库
FEC/FFE等DSP算法支持
光纤模型中的非线性和PMD效应
多种信号调制格式(如mQAM、DP-QPSK)
信号误码率分析、TDECQ分析和星座图绘制
RLCG电链路仿真
图9:pSim仿真示例,包括无源环加载马赫-曾德干涉仪(MZI)滤波、微环滤波和MZ滤波。
图10:pSim Plus仿真示例,包括无源DEMUX滤波、NRZ微环发送模块和PAM4发送模块。
图11:pSim Plus的高级仿真能力,包括驱动器线路仿真、TIA线路仿真、FFE信号均衡、TDECQ信号质量评估、光纤NLS+PMD仿真和多通道WDM长距离光纤传输。
结论和未来展望
光学车载以太网为电动和混合动力车辆提供了理想的解决方案,提供高带宽、EMI抗扰性和电气隔离。PIC Studio提供了全面的工具,用于光电子集成芯片的设计和仿真,支持先进汽车通信系统的开发。
随着汽车行业的不断发展,可以预期multi-gigabit速度光学网络、集成光电子技术和增强的车载网络应用将进一步发展。PIC Studio具备支持这些进步的能力,为设计者提供创建下一代汽车通信系统所需的工具。
通过利用PIC Studio等平台,汽车工程师和设计者可以加快开发稳健、高性能的光学网络,为更安全、更高效、更互联的未来车辆奠定基础。
参考文献
"车载光纤通信创新：PIC Studio全方位支持解析," Latitude Design Automation, Chengdu, China, Rep. 09062024, Sep. 6, 2024.
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