Simulation-Driven Virtual Prototyping of Smart Products

Jaehoon Kim、Smit Baua、Gopinath Gampala和Aniket Hegde，Altair Engineering, Troy, Mich.

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在现代智能产品设计中采用基于仿真驱动的虚拟样机技术，加快了产品研发速度，确保产品内在质量，完善开发中的决策过程，从而使智能产品更高效，质量和可靠性也更高。

过去几十年，由于4G LTE、5G、蓝牙（BT）和Wi-Fi等无线通信标准的发展，无线通信行业经历了巨大的创新和变革¹。新的快速制造技术的引入，使得产品在设计过程中需要考虑复杂的多学科因素。为提升产品的市场竞争力，需要提高产品的设计性能，同时降低开发成本，缩短上市时间。这些挑战可以通过仿真驱动的虚拟样机技术来解决，以减少物理样机测试次数^2-4。此外，在现代智能产品设计中，可以采用仿真驱动的虚拟样机技术加快产品开发速度，确保产品内在质量，进而完善研发进程中的决策过程。仿真驱动设计对于智能产品的完整性以及快速投放市场至关重要。

例如，图1显示了一个由扬声器、印刷电路板（PCB）、电气组件和机箱组成的智能音箱的开发过程。在该开发过程中，采用了三步仿真驱动的虚拟样机方法：1）PCB的设计、验证和分析；2）音箱机箱内PCB上的BT天线设计与集成；3）考虑相邻无线产品时，对智能音箱无线通信性能进行评估。

图1 智能音箱。

PCB设计

目前这一代的智能音箱通过无线方式接收音频信号，音频传输到音箱使用的最流行的射频标准之一是BT。智能音箱包括BT无线组件、充电电路、用于高质量音频输出的音频放大器、用户显示屏和带有存储器的主控制器，主控制器保证了与功能模块的可靠连接。对于一个高质量的智能音箱，必须考虑音频信号质量、BT天线性能以及来自其他无线信号的干扰影响。

图2是一个带有电子电路的六层PCB板，尺寸为106×137×0.7 mm。该电路板包含：音频放大器；用于存储无线信息的存储器，如配对细节、电池状态和智能应用等；用于充电或诊断的USB连接；充电和电源电路；用于无线连接的BT芯片和天线；以及LCD驱动器和显示模块，采用一个微控制器使所有部件的功能同步。

图2 装配好的PCB顶部（a）和底部（b）视图。

虽然定义系统功能的集成电路很重要，但确保系统可靠性的其他部件也同样重要。音频线的差分网络，控制器和存储器集成电路之间的连接（时钟线、地址线、命令控制线和数据线），USB到控制器的差分数据线以及BT模块的天线，对于系统质量和效率的要求至关重要。

验证和分析

音频线、USB线和内存线的布局必须精心设计以确保设备的可靠运行，需要使用验证和分析方法来确保设计的完整性。图3显示了用于验证和分析的PCB布局及布线，其中对差分音频线路和高速走线（例如USB接口和内存总线）进行验证和分析。使用基于规则检查的Altair PollEx PCB Verification模块对差分音频线的布局走线进行规则验证⁵；Altair PollEx PCB SI求解器评估了高速线路的布局布线以及其对收发数字信号波形和电压/时间余量的影响。除进行信号完整性（SI）分析外，还对PCB的热特性进行了分析。在设计的早期阶段进行热分析可以发现元件温度过高和电路板温度分布不均匀等问题。

图3 待验证和分析的PCB布局及布线。

因为差分线必须在特定的距离内紧密耦合，因此对0.5mm宽的差分音频线进行了评估，以获得差分对的间隔和耦合率。表1中，差分线的间隔(线与线的中心相距0.75mm)由线宽（0.5mm）和线路之间的间距（0.25mm）决定。通过考虑USB IC和连接器的结构，确定了耦合率标准需要大于80%。由验证求解器所得，两条线之间的最大间隔可达到0.893mm，此时耦合率为76.6%。参照表1，耦合标准没有得到满足。然而，代表音频线被接地层屏蔽程度的接地屏蔽率，符合大于80%的标准。这些结果对于验证音频线的布局布线是很有帮助的。

图4显示了USB数据线（D+/D-）和内存总线的特性，结果来自于PollEx的SI求解器模块。为了对USB进行研究，理想的数字信号从USB IC发出并被USB连接器接收，其中数字信号的脉冲宽度为2.08ns，数据速率为480Mbps，峰值电压为0.4V。图4a显示了接收信号的波形，根据图4a可得，接收信号有足够的电压余量来满足正常的USB操作，因为高阈值（0.3V）和低阈值（0.1V）的USB 2.0规格都可以得到满足⁶。同样，对控制器和伪静态随机存取存储器之间的存储器接口线进行了分析（图4b）。在此分析中，从PCB设计中选择了一条差分时钟线和一组地址线。假设控制器以133MHz的频率发送时钟信号，以256Mbps的数据速率发送地址信号。在存储器端口对眼图进行仿真。时钟信号用于作为评估接口线眼图结果的标准，其高、低阈值分别为1.3V和0.4V。此外，假定接口所需的建立时间和保持时间分别为2ns和1.5ns。接口线的眼图结果显示其具有足够的电压余量，说明接口线布局良好，可在控制器和存储器之间进行可靠的数据交换，且速率可达256Mbps。

图4 SI结果：USB线的接收信号（a）和内存总线的时钟线和地址线的眼图（b）。

为了检查主音频放大器的工作温度，对电路板进行了热分析，放大器的封装为四侧引脚扁平封装，室温下的额定功率为5W。图5显示了两种条件下的等温线：1）自然对流（图5a）；2）气流为5m/s的强制空气对流（图5b）。在自然对流的条件下，最高温度为85℃，是放大器正常工作所允许的最高温度。强制空气对流将温度从85℃降至59℃，从而提高了可靠性。

图5 自然对流(a)和强制通风(b)下的PCB表面热等值线。

天线设计与集成

天线设计的灵感来自Rashed和Tai提出的弯折线天线（MLA）⁷。将天线集成在PCB上，并放置于音箱总成内部，以确定最佳位置。将PCB放置在音箱内的不同位置并改变PCB的放置方向，利用3D高频电磁仿真工具Altair Feko仿真PCB上天线的电磁（EM）特性⁸。

弯折线天线可以增加表面电流路径，并减小天线的尺寸。MLA的谐振频率是弯折线单元间距和弯折线间距的函数，通过增加弯折线单元之间的间距可以降低谐振频率，反之亦然⁹。如图6所示，当频率为2.4GHz时，位于FR4基板上的MLA的反射系数幅度约为-17dB。图7为MLA集成在BT PCB上的模型图，MLA周围的元件会严重影响PCB的谐振特性（图8），因此需要一个匹配电路来恢复其性能。匹配电路由一个简单的LC网络组成，其中包括一个0.778pF的串联电容和一个53nH的并联电感，该匹配电路将谐振频率移回了BT的工作频段内。

音

图6 蓝牙MLA天线的|S₁₁|结果。

图7 MLA集成于BT PCB。

图8 集成于PCB的MLA的|S₁₁|结果。

机箱材料为巴尔杉树原木，相对介电常数1.3，机箱尺寸为355×305×450 mm。除PCB之外，机箱内部还包括冷却风扇、金属热交换器、声学端口和扬声器模块等。PCB的位置和方向受箱体内部间距、可安装位置和热效率的影响。考虑到这些物理限制条件，对音箱总成进行了完整的现场分析，分析过程中考虑了天线的不同位置和方向（图9）。位置1将天线放在音箱后壁附近，朝向外侧，即朝向背面。位置2和3将PCB安装在相同位置的后壁上，朝向内侧，天线分别指向上方和下方。位置4和5将PCB安装在组件之间，即位于自由空间中，朝向内侧并靠近后壁和前壁。分别计算这五个位置的MLA的反射系数。除1号位置外，所有其他位置处MLA的反射系数幅度均小于-10dB（图10）。图11所示的3D辐射方向图显示，位置2和位置3水平方向MLA几乎实现了全向覆盖，这正是BT具备良好性能所需要的。对位置2做进一步的分析，评估BT的无线覆盖结果以及音箱与Wi-Fi的共存情况。

图9 音箱机箱内的天线位置。1（a），2（b），3（c），4（d），5（e）。

图10 位置1到5的MLA天线|S₁₁|结果。

图11 位置2（a）、3（b）、4（c）、5（d）的总实际增益3D辐射方向图（dBi）。

无线覆盖和干扰

随着5G和物联网的兴起，包括音箱在内的智能家电成为大势所趋。这些智能设备使用了不同的连接标准，例如Wi-Fi、BT、LTE和ZigBee等，其中一些技术协议工作频段接近，因此可能会造成干扰¹⁰。例如，BT和Wi-Fi均工作在2.4GHz左右，因此BT会对Wi-Fi产生干扰从而降低其吞吐量，反之亦然。在设计阶段早期，可通过虚拟样机技术分析其干扰，以避免后期昂贵的返工。

使用Altair的无线传播和无线网络规划软件WinProp评估了一栋多层的居民楼中Wi-Fi对BT音箱的干扰影响⁸。为了准确分析，居民楼被详细建模，其中包括多层的厚墙、地板、楼梯、壁炉、橱柜、门、窗和屋顶（图12）等。BT音箱放置在客厅的某一角落，Wi-Fi路由器放置在相邻房间的角落（图12b）。假设音箱使用最新的BT5技术¹¹，Wi-Fi路由器使用802.11n标准¹²。

图12 多层室内结构（a）；显示路由器与BT音箱的室内结构切面（b）。

图11a显示BT音箱水平方向几乎实现全向覆盖。BT是一种基于数据包的协议，采用主干/分支结构，主站可以与一个微微网中的七个从站进行通信。对于这种基于CDMA的技术，单用户单载波支持的最大编码数是7。通过增强的数据速率传输模式，BT支持的上行（UL）和下行（DL）数据速率最大为3Mbps，因此吞吐量最大为21Mbps。然而，由于编码之间的非理想正交性，实际可达到的最大DL吞吐量仅为19Mbps（图13）。

图13 BT音箱可达到的最大DL吞吐量。

由于802.11n支持MIMO系统，因此分析了一个带有两根天线的路由器，即2×2的MIMO系统，其中每根天线携带一个数据流。路由器天线在2.4GHz的Wi-Fi频段上匹配良好（图14a）。对于MIMO系统，天线必须在载波频率上匹配良好，并且天线之间需要良好的隔离度，以避免流间干扰。图14a显示两根天线有良好的隔离度，约为25dB。描述天线相关性的更好的指标是包络相关系数（ECC），如图14b所示。对于MIMO应用，ECC为0.5时代表天线之间隔离度恰好满足需求，高于0.5则隔离度较差，0.3或更小的值代表隔离度较好。作为一种正交频分复用技术，802.11n使用时分双工，因此，可达到的最大吞吐量即为可达到的最大数据速率。图15显示，建模位置处的Wi-Fi接入点为室内的大部分区域提供了良好的覆盖。

图14 Wi-Fi路由器天线匹配与隔离度（a）和ECC（b）。

图15 使用802.11n可达到的最大Wi-Fi吞吐量，在室内的大部分区域有良好的覆盖。

Wi-Fi路由器工作在2412MHz的载波频率，而BT工作频率为2442MHz。两者无论在频率上还是室内的物理位置都非常接近。Wi-Fi频率可能会泄露到BT工作频段内，这会导致BT吞吐量下降，特别是靠近Wi-Fi路由器的区域（图16a）。Wi-Fi对BT的干扰可以通过BT模块的额外滤波来缓解。当Wi-Fi能量泄漏造成的干扰被额外衰减20dB时，BT吞吐量会得到改善，如图16b所示。

图16 Wi-Fi干扰对BT吞吐量的影响。Wi-Fi路由器附近的白色区域表明BT覆盖范围很小（a）。通过滤波，Wi-Fi能量泄漏得到衰减，覆盖范围得到改善（b）。

结论

在智能产品开发过程中，使用仿真驱动的虚拟样机技术将减少开发时间并确保产品的设计质量。这些技术在无线音箱的三个研发阶段得到了阐述：1）PCB布局布线，2）天线设计与集成，3）无线覆盖和干扰评估。仿真驱动虚拟样机技术发展使智能产品更高效并保证了更高的质量和可靠性。