【導(dǎo)讀】隨著5G時代的到來，高速線纜已經(jīng)成為系統(tǒng)中必不可少的一部分。線纜的設(shè)計由原來的只是完成物理連接的目的，朝著高性能、高可靠性、小型化、多樣化、高精度、低成本等方向發(fā)展。有沒有什么辦法可以快速建立線纜模型并評估線纜的信號質(zhì)量？有沒有一種可靠的方法，能夠快速獲取線纜與連接器對于整個系統(tǒng)的影響，從而分析評估系統(tǒng)性能？如何分析在加工過程中，工藝偏差帶來的信號質(zhì)量問題？
高速線纜市場概況
近年來，全球電線電纜產(chǎn)品向以中國為主的亞太地區(qū)轉(zhuǎn)移，中國電線電纜行業(yè)市場規(guī)模迅速壯大。數(shù)據(jù)顯示，2015-2019年我國電線電纜銷售收入總體呈增長態(tài)勢，2019年電線電纜銷售收入達1.4萬億元，同比增長21.70%。隨著電線電纜行業(yè)規(guī)模將不斷增加，國內(nèi)電線電纜市場發(fā)展前景廣闊。
電線電纜應(yīng)用十分廣泛，是信息和電力傳輸?shù)募~帶，是其他產(chǎn)業(yè)的配套行業(yè)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在人們的生產(chǎn)和生活當中，關(guān)系到科技的發(fā)展，人類的進步，市場容量大。中國的電線電纜行業(yè)經(jīng)過近20年的發(fā)展，產(chǎn)值過萬億并且成功超過美國，成為全球產(chǎn)值第一的產(chǎn)業(yè)。隨著國家十四五戰(zhàn)略的實施以及 5G 時代的來臨，新一代信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新能源汽車以及智慧城市的打造，智慧生活的來臨，必然給電線電纜行業(yè)帶來潛在的市場空間，這就需要我們對于使用的高速線纜進行更加深入的研究和設(shè)計。
圖1 2015-2019年電線電纜行業(yè)銷售收入及增速（單位：萬億元，%）
（來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理）
高速線纜仿真面臨的挑戰(zhàn)
1 高速線纜種類增加
隨著技術(shù)的發(fā)展，高速線纜的種類在不斷增多。針對不同類型的高速線纜，在設(shè)計的時候，首先需要能夠進行快速建模。無論是支持多種不同類型的線纜還是支持同種線纜的不同物理參數(shù)，手工建模都是十分繁瑣的。這不但要求設(shè)計者熟悉線纜的相關(guān)物理參數(shù)，還要熟悉各種線纜的結(jié)構(gòu)。在建模時如果能有一種方法能快速建立不同的線纜模型，同時能夠利用參數(shù)化設(shè)置線纜的物理參數(shù)，就能快速提升線纜建模效率，并且減少手工建模帶來的誤差。
2 線纜需要在系統(tǒng)中協(xié)同仿真
如果只是線纜的仿真結(jié)果正確，并不能保證線纜在系統(tǒng)中的性能也滿足需求。互連鏈路上任何一個環(huán)節(jié)的故障都可能影響整個系統(tǒng)工作的效率以及穩(wěn)定性，對于測試人員需要花費更多的成本去發(fā)現(xiàn)問題、定位問題、分析問題、解決問題。這就需要在仿真的同時，能夠考慮到連接器、PCB等多個系統(tǒng)的模塊，進行協(xié)同設(shè)計。如果有一種方法將鏈路中多個組成部分進行快速級聯(lián)協(xié)同仿真，就可以更好的保證整個系統(tǒng)的可靠性。
3 加工偏差對設(shè)計帶來的影響
仿真能夠相對準確的預(yù)見到系統(tǒng)設(shè)計中的信號影響，但是在加工過程中，往往會有一些加工偏差，這樣的偏差對設(shè)計帶來的影響是不可預(yù)見的，這就需要我們能在一定的限度內(nèi)，把這些偏差帶來的影響考慮進去，給與一定的冗余量，這樣才能保證系統(tǒng)的可靠性。在設(shè)計中，將線纜的物理量參數(shù)進行細微調(diào)整，需要花費大量建模時間。如果能夠快速調(diào)整建模，可以加速設(shè)計，減少工作量。
綜上所述，在高速線纜的設(shè)計中我們將面臨“高速線纜種類增加，線纜需要在系統(tǒng)中協(xié)同設(shè)計，加工偏差對設(shè)計帶來的影響”等諸多挑戰(zhàn)。接下來，我們將為您介紹芯和高速線纜解決方案是如何解決上述難題的。
芯和半導(dǎo)體高速線纜仿真解決方案
高速線纜設(shè)計在仿真的初期，需要能夠快速根據(jù)物理參數(shù)建立相應(yīng)的模型。在雙軸線纜、同軸線纜、雙絞線等模型中，要針對外層膠皮厚度、線纜長度、銅芯直徑、介質(zhì)厚度等物理參數(shù)做出不同的設(shè)計。在高速設(shè)計中，這些物理量所帶來的電磁效應(yīng)不可忽略。在后期仿真時，線纜也要與連接器、PCB等做聯(lián)合仿真，這樣才能保證高速系統(tǒng)中信號的可靠性。芯和半導(dǎo)體提供了一整套關(guān)于高速線纜仿真的解決方案（見圖2），包含線纜建模與仿真、高速鏈路協(xié)同仿真。軟件通過自動化的仿真流程，為工程師提供了更大的靈活性。
圖2 芯和線纜仿真工具CableExpert 仿真流程與鏈路工具ChannelExpert仿真流程
1 高速線纜的無源結(jié)構(gòu)建模仿真
設(shè)計者可以借助芯和線纜仿真工具CableExpert內(nèi)置的線纜模板（如雙軸線纜、同軸線纜、雙絞線、LVDS等）（見圖3），快速選擇需要的線纜類型。線纜模板均以參數(shù)化的建模方式呈現(xiàn)（見圖4），方便了設(shè)計者以精確的參數(shù)進行建模，既節(jié)省了時間，又防止手動建模中出現(xiàn)的誤差。在CableExpert中，設(shè)計者能夠方便快捷的進行疊層和材料的設(shè)置，并能夠自動添加端口，為整個建模和仿真流程提供了極大的便利性。
圖3 支持線纜的種類
圖4 參數(shù)化建設(shè)
2 線纜在系統(tǒng)中的協(xié)同仿真
設(shè)計者可以通過芯和高速鏈路工具ChannelExpert，將線纜、連接器、PCB等系統(tǒng)內(nèi)的各個部分進行協(xié)同仿真，將S參數(shù)結(jié)果進行快速級聯(lián)（如圖5）。對于測試人員可以減少花費在檢測中的時間，并能夠快速得到整個鏈路中信號的質(zhì)量。這樣才能保證線纜在整個系統(tǒng)中的可靠性。
圖5 ChannelExpert中進行鏈路協(xié)同仿真
3 不同加工偏差的設(shè)計
設(shè)計者可以在CableExpert中，將相應(yīng)的參數(shù)進行調(diào)整，以應(yīng)對加工過程中帶來的一些加工偏差，這樣的偏差往往是不可預(yù)見的，這就需要我們把這些偏差帶來的影響考慮進去，在仿真過程中給與一定的冗余量，這樣才能保證系統(tǒng)的可靠性。快速的參數(shù)化建模不但減少了手動建模的誤差，也可以讓設(shè)計者在對比不同的結(jié)果時，選取最合適的參數(shù)。
圖6 PE致敬分別為25mil、35mil、45mil參數(shù)仿真結(jié)果對比
總結(jié)
本文介紹了高速線纜設(shè)計中面臨的多種挑戰(zhàn)，即高速線纜種類的增加、線纜需要在系統(tǒng)中協(xié)同仿真、加工偏差對設(shè)計帶來的影響。芯和半導(dǎo)體針對這些挑戰(zhàn)，推出了高效高速線纜仿真解決方案：借助芯和半導(dǎo)體自主產(chǎn)權(quán)的CableExpert、ChannelExpert等軟件工具，幫助設(shè)計者實現(xiàn)高速線纜的無源結(jié)構(gòu)建模仿真，線纜在系統(tǒng)中的協(xié)同仿真、不同加工偏差的設(shè)計。幫助設(shè)計者優(yōu)化設(shè)計方案，規(guī)避潛在的風(fēng)險，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。
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