在太空通信設備設計界，有一個老大難問題：如何在高度複雜的產品開發中實現高效協作？德國頂尖衛星通信設備製造商TESAT用實際行動給出了令人驚豔的答案。
這家擁有60年太空技術經驗的公司，面臨著設計週期縮短、產品複雜度提升的雙重挑戰。他們的解決方案是引入西門子的Xpedition設計工具，徹底重塑了電子系統開發流程。通過實現多學科團隊即時協作、並行設計，TESAT不僅將工程生產力提升了20%，還將因設計錯誤導致的品質成本降低了35%。關鍵在於他們如何重新定義了設計協作！
TESAT
TESAT是衛星通信酬載領域的市場領導者，同時也是激光通信技術的領導者。目前，軌道上超過一半的通信衛星均配備了TESAT的設備。
總部地址：德國巴克南（Backnang）
產品：HyperLynx SI/PI/Thermal、Xpedition Enterprise
產業領域：航空航天與國防
“我們能夠實現目標設計時間，這得益於Xpedition所提供的原理圖、約束條件與佈局功能支援的廣泛並行工程。“— Dominik Vogel，TESAT印刷電路板設計工程師
西門子Xpedition流程縮短設計時間並確保設計品質
在過去六十年中，TESAT（空中巴士集團的一個獨立子公司）在通信衛星酬載設備的製造方面積累了深厚的專業知識，成為通信酬載和激光通信領域的市場領導者。
TESAT總部位於德國巴克南（Backnang），約有1,000名員工，他們已參與超過700個太空項目的系統和設備的開發、組裝、整合和測試。TESAT的產品已被部署到超過30,000台軌道設備中，累計運行時間超過6.5億小時。作為太空市場的資深參與者，TESAT與全球幾乎所有衛星製造商都建立了深厚的業務關係。
與許多其他行業一樣，太空通信正在迅速發展變化。通信衛星領域需要具備更高功能性和整合密度的產品，同時降低成本並加快上市時間。這要求設計週期更短，並在太空中引入商用現成零件（COTS）。
因此，TESAT電子系統工程團隊面臨的持續挑戰是如何在保證設計品質的同時，以最少的迭代將產品推向市場。為了在設計更複雜的產品時實現這些目標，TESAT的開發與設計團隊（包括方法與流程開發與設計的Bastian Diehm和印刷電路板設計工程師Dominik Vogel）採用了西門子EDA（隸屬於西門子數位工業軟體）提供的Xpedition™軟體流程。
TESAT採用了一套西門子系統設計工具，包括Xpedition Enterprise、HyperLynx™軟體和NX™，以減少設計迭代、管理變體、支援協作、促進並行工程，並數位化改造電子系統的設計與製造流程。
Xpedition產品系列對並行設計的優越支援以及其整合的開發資料庫，使得設計迭代更加快速，而其整合的約束條件管理與HyperLynx驗證則確保了設計的正確性。最終的解決方案大幅縮短了TESAT在高密度太空設計方面的設計時間。
推出高速印刷電路板（PCBs）
由於 TESAT 產品大多數包含一個或多個由其自家製造的印刷電路板（PCBs），擁有 200 人的研發與設計部門是其成功的關鍵。他們的主要電子系統重點在於用於數據通信產品的高密度互連（HDI）PCB，這些PCB通常為高速、阻抗控制的電路板，採用低電壓差分信號（LVDS）和串行器/解串器（SERDES）主導的布局，並使用球柵陣列（BGA）和陶瓷柱柵陣列（CCGA）封裝。
TESAT 的傳統設計包括應用於高功率放大器和離子推進的 PCB，主要專注於高壓電路板。他們的射頻基板基於低溫共燒陶瓷（LTCC）和 PCB 技術（如 MEGTRON7N），適用於高頻應用。他們的設計涵蓋剛柔混合印刷電路板（最高支持 10 層剛性層與 3 層柔性層）及具備熱機械應力補償功能的 PCB 板（採用陶瓷和鉬插入件）。這些電路板尺寸範圍可達 450 x 280 毫米，支持最高 24 層，單板元件數量多達 4,000 個，AC/DC 電壓高達 20kV，射頻頻率最高 40 GHz，數據速率可達 10 GBit/s。
為了成功實現快速上市並將迭代循環降至最低，TESAT 需要先進的EDA（電子設計自動化）工具，以幫助他們管理變體和約束，並實現多學科團隊的高效協作。
TESAT 擁有多樣化的產品系列，每個系列又有許多變體。管理這些變體加劇了降低重設計次數的緊迫性，重設計通常源於電氣設計更改、元件替換以及全面測試等原因。此外，這樣的廣泛產品組合還涉及到完整的設計領域，對多學科團隊協作提出了更高要求。根據產品需求，這種異構領域的組合涵蓋了 PCB（原理圖與布局）、機械、射頻、製造以及軟件團隊。此外，作為客戶提供子系統的供應商，系統集成或系統級團隊可能也會參與其中。
Xpedition 為多學科設計團隊提供精準支持
在近期的一個項目中，TESAT 團隊首次全面使用 Xpedition 工具套件設計了一款全新激光通信終端，用於衛星星座系統。這款高度集成且極為複雜的產品需要頂尖的工程技術，特別是在系統集成方面。此外，作為一個尖端設計項目，它必須快速上市以贏得競爭優勢。這項目成為充分發揮 Xpedition 新功能的一個良好試金石。
“高密度集成設計的層面尤其令人興奮，”Diehm 回憶道。“對我們以及整個航天領域而言，這款終端的集成密度非常高，且設計極其複雜——多達 20 層，包含 3,500 個數字元件。我認為，這種集成度與複雜性在航天業務背景下相當引人注目。”
多學科協作
應對這種集成度與複雜性，得益於 Xpedition 對多學科協作的支持。Diehm 提到：“在首次迭代中，我們使用了 Xpedition EDM 的審查功能。在原理圖審查中，設計師可以直接在網頁瀏覽器中做筆記，而開發人員也可以直接在瀏覽器中進行審查和標註，然後標記為完成。這一切都因為它集成於 Xpedition EDM 系統中，所有內容都在同一個瀏覽器內，隨時隨地都可以訪問，無需發送郵件或文件。Xpedition 工具確實幫助我們實現了前所未有的多學科協作水準。”
對 TESAT 的設計和生產團隊而言，在客戶項目中，這種對電子設備和系統的持續管理變得越來越重要。設計與製造流程的數字化轉型需要連續且集中的數據管理，從而實現統一、實時且可共享的設計和庫數據來源——Diehm 和 Vogel 所稱的“單一真實數據來源”（single source of truth）。單一真實數據來源能夠保持數據完整性並加速迭代。
“對我們而言，非常重要的一點是擁有真正的單一真實數據來源，”Vogel 表示。“過去我們遇到的問題在於不同數據來源雖顯示相同內容，但卻存在不一致。對我而言，這場數字化轉型中最重要的部分之一就是它的無縫性。這完全消除了因某人忘記發郵件或複製錯誤內容而導致的失誤可能性。”
Vogel 繼續道：“Xpedition EDM 幫助我們提高了設計信息的可用性和可追溯性。它使我們更容易找到一個項目及其所有文件並將它們整合在一起。”
除此之外，Xpedition 還支持 PCB 和機械設計的協作，讓雙方能夠同步推進、快速迭代。
“在西門子 NX 機械工具中反覆進行的設計檢查，也幫助我們將設計迭代次數降到最低。”Vogel 補充道。
並行工程
相較於過去工具迫使設計流程必須依序進行——從原理圖到布局再到設計，Xpedition 支持並行工程，使原理圖設計與布局開發能同時進行，大幅縮短了從原理圖輸入到製造數據釋放的開發時間。
在該項目中，所有 PCB 的布局均使用 Xpedition 完成。Xpedition 對於原理圖與布局之間的協作與數據共享的支持尤為重要，因為儘管 TESAT 通常是一名設計師負責布局，另一名設計師負責原理圖，但在某些設計中可能會有多名原理圖設計師和一名布局設計師共同協作，無論哪種情況，都必須實現同步工作。
“通過 Xpedition 的原理圖、約束和布局功能支持的並行工程，我們能夠實現預定的設計時間目標，”Vogel 報告道。“Xpedition 的自動布線功能在布局階段節省了大量時間。我們現在正嘗試利用更多 Xpedition 提供的新功能與新可能性。”
“隨著新產品的推出及項目計劃的更加緊湊，我們不得不在原理圖仍在不斷演進時就開始進行布局設計，”Vogel 指出。“我們通常從將原理圖中完成的部分先放入布局開始，隨後隨著越來越多元件被加入，原理圖與布局會同時演進。Xpedition 讓布局與原理圖設計的同步進行比過去更加直觀，更加協作，也更加並行化。”
可重用電路與約束的管理
對於某些設計，TESAT 可能有多達 50 種變體。TESAT 許多產品中廣泛的設計重用，尤其是從一代產品到下一代產品，讓變體管理變得尤為重要。因此，TESAT 利用 Xpedition 的功能來管理各團隊間變體數據的重用。
“對於新一代產品，我們有時會重用現有功能。特別是當同一電路在一塊 PCB 中被頻繁使用時，能夠複製某部分電路並正確實例化五到七次是一個非常出色的 Xpedition 功能，”Diehm 表示。
Xpedition 的約束管理器還幫助減少了工程與設計團隊之間的迭代循環，縮短了開發時間。這部分得益於單一真實數據來源（single source of truth）的存在，通過數字化方式進行即時溝通，而非依賴電子郵件或團隊會議。
“過去，我們在使用舊工具時只能設置少量的約束，”Diehm 回憶道。“現在，我們可以在約束管理器中包含所有的約束。由於這些內容完全數字化且集成於單一工具中，原理圖開發人員可以隨時查看設計進度，並在必要時進行更改；因此，我們的迭代次數減少了許多。”
“通過使用約束管理器，工程與設計部門之間的溝通得到改善，因誤解導致的不良品質成本也降低了，”Vogel 補充道。
此外，Xpedition EDM 的庫管理功能不僅使元件庫中各元素的映射變得更加簡單，還提升了設計品質。
“與我們之前的工具相比，庫管理器進行了更多的檢查，並且使用起來更直觀。不需要手動編輯文本文件來進行映射，庫管理器讓我們能以圖形化方式完成，這簡單多了，”Vogel 繼續道。“此外，Xpedition EDM 庫管理器的檢查更加全面，因此能在 PCB 完成並送往製造之前發現更多錯誤。這樣，我們能夠通過庫管理保證正確性，或通過設計保證正確性。”
設計過程中的驗證
在開發新型激光通信終端的過程中，TESAT 遇到的一項頑固挑戰來自於其某個使用第二代 DDR4 記憶體的 PCB。透過 Xpedition 支援的信號完整性分析、電氣分析、熱分析及輻射分析，並結合並行工程的方法，他們迅速解決了這一挑戰，避免了設計重修，並提高了設計質量。
“讓 DDR4 記憶體在 PCB 上運行達標確實是一項挑戰，”Vogel 回憶道。“我們使用了 HyperLynx 的信號完整性分析進行模擬，並在設計階段進行了檢查。這在我們舊工具中是無法實現的。HyperLynx 幫助我們在第一次設計迭代中就滿足了所有要求。”
“我們還在項目流程中進行了輻射分析，”Diehm 解釋道。“輻射專家確保原理圖能夠考量到輻射因素。這也是並行工程的一個典型案例，因為分析師並非僅在最後階段為客戶準備輻射文檔時才介入，而是從原理圖的演進階段就參與其中，幫助尋找最耐輻射的電路方案。”
“電氣和熱模擬有助於減少重設計次數，”Diehm 補充道。“通過逐步進行電氣和熱模擬伴隨的開發流程，我們進一步加快了開發速度，同時減少了開發迴圈。”
TESAT 的成果
綜上所述，Xpedition 的設計流程通過其並行設計功能和集成資料庫，實現了更快速的設計迭代，而其約束管理功能則保證了設計的正確性。因此，TESAT 在其高密度航天設計項目中顯著縮短了設計時間。
“在開發我們的新型激光通信終端時，我們發現品質得到提升，從測試板到飛行模型之間的設計變更減少，並且避免設計錯誤使得設計質量更高，”Vogel 報告道。
TESAT 還成功滿足了差分模式延遲的嚴格要求，並完成了緊湊的項目計劃。由於設計效率的提升，工程產能也有所提高——換句話說，他們在相同時間內完成了更多的設計。
“Xpedition 工具幫助我們實現了舊解決方案無法完成的多項任務，包括簡單且快速的差分對布線、通過 ODB+ 集成製造數據、詳細的約束定義，以及工程和 PCB 設計部門之間的迭代，”Diehm 總結道。“工具整合——從原理圖輸入、布局、HDL 定義到射頻設計——在我們的設計流程中也非常有用。”
TESAT 擁有一套內部生產錯誤追踪系統，也用於追踪與工程和設計問題相關的錯誤。該系統顯示，由於使用 Xpedition 解決方案，PCB 設計的質量得到了改進，從錯誤追踪系統中發現的問題減少可以證明這一點。不過，TESAT 對於 Xpedition 工具的某些功能仍處於評估和引入階段，因此尚無精確的效率提升或成本下降數據。以下總結中的部分成果仍屬“預期”，但已實現與預期的成果都令人印象深刻。
Xpedition 為 TESAT 帶來的業務效益
工程與設計生產力提高 20%
因原理圖和布局數據錯誤導致的品質成本降低 35%
因數據處理錯誤和更好的版本管理導致的品質成本降低 25%（預期）
更高效的溝通帶來的生產力提升 30%（預期）
因庫信息不一致導致的品質成本降低 25%（預期）
“我們已經向其他對這一流程感興趣的人推薦，僅 Xpedition EDM 本身在可追溯性和協作功能方面就具備很大的價值，而其集成的設計資料庫對於並行工程來說是一個巨大的提升，”Vogel 分享道。
“但我們對 Xpedition 工具的探索還只是進行到一半，”Diehm 表示。“在許多領域，我們已經看到，使用這個工具能為我們提供更多的功能。我們對於將這些功能應用於未來的產品感到非常期待。例如，在協作功能方面，我從我們的工程師那裡聽到的反饋是，‘這真的很酷，我之前不知道我們有這樣的功能！’”
“在我們的每月核心用戶會議上，我們討論工具的使用情況，包括整個 Xpedition 工具套件，大家對這些新功能都充滿熱情，”Diehm 繼續說道。“就像我提到的，EDM 網頁客戶端的協作功能是一個非常受歡迎的亮點，大家都非常熱衷並迫不及待地想使用。此外，與設計檢查相關的功能也得到了社群的高度評價。”
憑藉這些優勢以及激發的熱情，Xpedition 流程在 TESAT 的推廣前景顯而易見。在西門子提供的卓越支持下，通過在線培訓、對問題的快速響應以及 Siemens 支援中心的幫助，Xpedition 必定會在 TESAT 迎來長期且成功的發展道路。
面臨的挑戰
滿足對更高功能性與更高密度的需求，同時降低成本
加速產品上市，並將迭代次數降至最低
改善多學科團隊協作
提升庫管理、變體管理與約束管理能力
成功的關鍵
縮短開發週期
有效管理設計變體
支援協作與並行工程
成果
工程生產力提升 20%
原理圖與布局數據錯誤成本降低 35%
縮短開發時間並減少設計迭代次數
保證設計正確性
提高設計信息的可用性與可追溯性
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