【導讀】隨著5G時代的到來，高速線纜已經成為系統中必不可少的一部分。線纜的設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的影響，從而分析評估系統性能？如何分析在加工過程中，工藝偏差帶來的信號質量問題？
高速線纜市場概況
近年來，全球電線電纜產品向以中國為主的亞太地區轉移，中國電線電纜行業市場規模迅速壯大。數據顯示，2015-2019年我國電線電纜銷售收入總體呈增長態勢，2019年電線電纜銷售收入達1.4萬億元，同比增長21.70%。隨著電線電纜行業規模將不斷增加，國內電線電纜市場發展前景廣闊。
電線電纜應用十分廣泛，是信息和電力傳輸的紐帶，是其他產業的配套行業，已經廣泛應用在人們的生產和生活當中，關系到科技的發展，人類的進步，市場容量大。中國的電線電纜行業經過近20年的發展，產值過萬億并且成功超過美國，成為全球產值第一的產業。隨著國家十四五戰略的實施以及 5G 時代的來臨，新一代信息產業的發展，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計。
圖1 2015-2019年電線電纜行業銷售收入及增速（單位：萬億元，%）
（來源：前瞻產業研究院整理）
高速線纜仿真面臨的挑戰
1 高速線纜種類增加
隨著技術的發展，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，手工建模都是十分繁瑣的。這不但要求設計者熟悉線纜的相關物理參數，還要熟悉各種線纜的結構。在建模時如果能有一種方法能快速建立不同的線纜模型，同時能夠利用參數化設置線纜的物理參數，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 線纜需要在系統中協同仿真
如果只是線纜的仿真結果正確，并不能保證線纜在系統中的性能也滿足需求。互連鏈路上任何一個環節的故障都可能影響整個系統工作的效率以及穩定性，對于測試人員需要花費更多的成本去發現問題、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等多個系統的模塊，進行協同設計。如果有一種方法將鏈路中多個組成部分進行快速級聯協同仿真，就可以更好的保證整個系統的可靠性。
3 加工偏差對設計帶來的影響
仿真能夠相對準確的預見到系統設計中的信號影響，但是在加工過程中，往往會有一些加工偏差，這樣的偏差對設計帶來的影響是不可預見的，這就需要我們能在一定的限度內，把這些偏差帶來的影響考慮進去，給與一定的冗余量，這樣才能保證系統的可靠性。在設計中，將線纜的物理量參數進行細微調整，需要花費大量建模時間。如果能夠快速調整建模，可以加速設計，減少工作量。
綜上所述，在高速線纜的設計中我們將面臨“高速線纜種類增加，線纜需要在系統中協同設計，加工偏差對設計帶來的影響”等諸多挑戰。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。
芯和半導體高速線纜仿真解決方案
高速線纜設計在仿真的初期，需要能夠快速根據物理參數建立相應的模型。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、介質厚度等物理參數做出不同的設計。在高速設計中，這些物理量所帶來的電磁效應不可忽略。在后期仿真時，線纜也要與連接器、PCB等做聯合仿真，這樣才能保證高速系統中信號的可靠性。芯和半導體提供了一整套關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 高速線纜的無源結構建模仿真
設計者可以借助芯和線纜仿真工具CableExpert內置的線纜模板（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。線纜模板均以參數化的建模方式呈現（見圖4），方便了設計者以精確的參數進行建模，既節省了時間，又防止手動建模中出現的誤差。在CableExpert中，設計者能夠方便快捷的進行疊層和材料的設置，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 參數化建設
2 線纜在系統中的協同仿真
設計者可以通過芯和高速鏈路工具ChannelExpert，將線纜、連接器、PCB等系統內的各個部分進行協同仿真，將S參數結果進行快速級聯（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量。這樣才能保證線纜在整個系統中的可靠性。
圖5 ChannelExpert中進行鏈路協同仿真
3 不同加工偏差的設計
設計者可以在CableExpert中，將相應的參數進行調整，以應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，這樣才能保證系統的可靠性。快速的參數化建模不但減少了手動建模的誤差，也可以讓設計者在對比不同的結果時，選取最合適的參數。
圖6 PE致敬分別為25mil、35mil、45mil參數仿真結果對比
總結
本文介紹了高速線纜設計中面臨的多種挑戰，即高速線纜種類的增加、線纜需要在系統中協同仿真、加工偏差對設計帶來的影響。芯和半導體針對這些挑戰，推出了高效高速線纜仿真解決方案：借助芯和半導體自主產權的CableExpert、ChannelExpert等軟件工具，幫助設計者實現高速線纜的無源結構建模仿真，線纜在系統中的協同仿真、不同加工偏差的設計。幫助設計者優化設計方案，規避潛在的風險，縮短了產品開發周期。
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