高速线缆仿真解决方案

随着5G时代的到来，高速线缆已经成为系统中必不可少的一部分。线缆的设计由原来的只是完成物理连接的目的，朝着高性能、高可靠性、小型化、多样化、高精度、低成本等方向发展。有没有什么办法可以快速建立线缆模型并评估线缆的信号质量？有没有一种可靠的方法，能够快速获取线缆与连接器对于整个系统的影响，从而分析评估系统性能？如何分析在加工过程中，工艺偏差带来的信号质量问题？

高速线缆市场概况

近年来，全球电线电缆产品向以中国为主的亚太地区转移，中国电线电缆行业市场规模迅速壮大。数据显示，2015-2019年我国电线电缆销售收入总体呈增长态势，2019年电线电缆销售收入达1.4万亿元，同比增长21.70%。随着电线电缆行业规模将不断增加，国内电线电缆市场发展前景广阔。

电线电缆应用十分广泛，是信息和电力传输的纽带，是其他产业的配套行业，已经广泛应用在人们的生产和生活当中，关系到科技的发展，人类的进步，市场容量大。中国的电线电缆行业经过近20年的发展，产值过万亿并且成功超过美国，成为全球产值第一的产业。随着国家十四五战略的实施以及5G时代的来临，新一代信息产业的发展，新能源汽车以及智慧城市的打造，智慧生活的来临，必然给电线电缆行业带来潜在的市场空间，这就需要我们对于使用的高速线缆进行更加深入的研究和设计。

图1：2015~2019年电线电缆行业销售收入及增速（单位：万亿元，%）

（来源：前瞻产业研究院整理）

高速线缆仿真面临的挑战

高速线缆种类增加

随着技术的发展，高速线缆的种类在不断增多。针对不同类型的高速线缆，在设计的时候，首先需要能够进行快速建模。无论是支持多种不同类型的线缆还是支持同种线缆的不同物理参数，手工建模都是十分繁琐的。这不但要求设计者熟悉线缆的相关物理参数，还要熟悉各种线缆的结构。在建模时如果能有一种方法能快速建立不同的线缆模型，同时能够利用参数化设置线缆的物理参数，就能快速提升线缆建模效率，并且减少手工建模带来的误差。

线缆需要在系统中协同仿真

如果只是线缆的仿真结果正确，并不能保证线缆在系统中的性能也满足需求。互连链路上任何一个环节的故障都可能影响整个系统工作的效率以及稳定性，对于测试人员需要花费更多的成本去发现问题、定位问题、分析问题、解决问题。这就需要在仿真的同时，能够考虑到连接器、PCB等多个系统的模块，进行协同设计。如果有一种方法将链路中多个组成部分进行快速级联协同仿真，就可以更好的保证整个系统的可靠性。

加工偏差对设计带来的影响

仿真能够相对准确的预见到系统设计中的信号影响，但是在加工过程中，往往会有一些加工偏差，这样的偏差对设计带来的影响是不可预见的，这就需要我们能在一定的限度内，把这些偏差带来的影响考虑进去，给与一定的冗余量，这样才能保证系统的可靠性。在设计中，将线缆的物理量参数进行细微调整，需要花费大量建模时间。如果能够快速调整建模，可以加速设计，减少工作量。

综上所述，在高速线缆的设计中我们将面临“高速线缆种类增加，线缆需要在系统中协同设计，加工偏差对设计带来的影响”等诸多挑战。接下来，我们将为您介绍芯和高速线缆解决方案是如何解决上述难题的。

芯和半导体高速线缆仿真解决方案

高速线缆设计在仿真的初期，需要能够快速根据物理参数建立相应的模型。在双轴线缆、同轴线缆、双绞线等模型中，要针对外层胶皮厚度、线缆长度、铜芯直径、介质厚度等物理参数做出不同的设计。在高速设计中，这些物理量所带来的电磁效应不可忽略。在后期仿真时，线缆也要与连接器、PCB等做联合仿真，这样才能保证高速系统中信号的可靠性。芯和半导体提供了一整套关于高速线缆仿真的解决方案（见图2），包含线缆建模与仿真、高速链路协同仿真。软件通过自动化的仿真流程，为工程师提供了更大的灵活性。

图2：芯和线缆仿真工具CableExpert仿真流程与链路工具ChannelExpert仿真流程

高速线缆的无源结构建模仿真

设计者可以借助芯和线缆仿真工具CableExpert内置的线缆模板（如双轴线缆、同轴线缆、双绞线、LVDS等）（见图3），快速选择需要的线缆类型。线缆模板均以参数化的建模方式呈现（见图4），方便了设计者以精确的参数进行建模，既节省了时间，又防止手动建模中出现的误差。在CableExpert中，设计者能够方便快捷的进行叠层和材料的设置，并能够自动添加端口，为整个建模和仿真流程提供了极大的便利性。

图3：支持线缆的种类

图4：参数化建模

线缆在系统中的协同仿真

设计者可以通过芯和高速链路工具ChannelExpert，将线缆、连接器、PCB等系统内的各个部分进行协同仿真，将S参数结果进行快速级联（如图5）。对于测试人员可以减少花费在检测中的时间，并能够快速得到整个链路中信号的质量。这样才能保证线缆在整个系统中的可靠性。

图5：ChannelExpert中进行链路协同仿真

不同加工偏差的设计

设计者可以在CableExpert中，将相应的参数进行调整，以应对加工过程中带来的一些加工偏差，这样的偏差往往是不可预见的，这就需要我们把这些偏差带来的影响考虑进去，在仿真过程中给与一定的冗余量，这样才能保证系统的可靠性。快速的参数化建模不但减少了手动建模的误差，也可以让设计者在对比不同的结果时，选取最合适的参数。

图6：PE直径分别为25mil、35mil、45mil参数仿真结果对比

总结

本文介绍了高速线缆设计中面临的多种挑战，即高速线缆种类的增加、线缆需要在系统中协同仿真、加工偏差对设计带来的影响。芯和半导体针对这些挑战，推出了高效高速线缆仿真解决方案：借助芯和半导体自主产权的CableExpert、ChannelExpert等软件工具，帮助设计者实现高速线缆的无源结构建模仿真，线缆在系统中的协同仿真、不同加工偏差的设计。帮助设计者优化设计方案，规避潜在的风险，缩短了产品开发周期。

责编：Johnson Zhang