信号完整性分析---关于眼图测量的方法和仪器选型
----力科 汪进进原稿 OPPO 高桥 学习整理
您知道吗？ 眼图的历史可以追溯到大约47年前。在力科于2002年发明基于连续比特位的方法来测量眼图之前，1962年-2002的40年间，眼图的测量是基于采样示波器的传统方法。
您相信吗？在长期的培训和技术支持工作中，我们发现很少有工程师能完整地准确地理解眼图的测量原理。很多工程师们往往满足于各种标准权威机构提供的测量向导，Step by Step，满足于用“万能”的Signal test软件测量出来的眼图给出的Pass or Fail结论。这种对于Signal test的迷恋甚至使有些工程师忘记了眼图是可以作为一项重要的调试工具的。
在我2004年来力科面试前，我也从来没有听说过眼图。 那天面试时，老板反复强调力科在眼图测量方面的优势，但我不知所云。 之后我Google“眼图”，看到网络上有限的几篇文章，但仍不知所云。刚刚我再次Google“眼图”，仍然没有找到哪怕一篇文章讲透了眼图测量。网络上搜到的关于眼图的文字，出现频率最多的如下，表达得似乎非常地专业，但却在拒绝我们的阅读兴趣。
“在实际数字互连系统中，完全消除码间串扰是十分困难的，而码间串扰对误码率的影响目前尚无法找到数学上便于处理的统计规律，还不能进行准确计算。为了衡量基带传输系统的性能优劣，在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。
【如果将输入波形输入示波器的Y轴，并且当示波器的水平扫描周期和码元定时同步时，适当调整相位，使波形的中心对准取样时刻，在示波器上显示的图形很象人的眼睛，因此被称为眼图（Eye Map）。】
二进制信号传输时的眼图只有一只“眼睛”，当传输三元码时，会显示两只“眼睛”。眼图是由各段码元波形叠加而成的，眼图中央的垂直线表示最佳抽样时刻，位于两峰值中间的水平线是判决门限电平。在无码间串扰和噪声的理想情况下，波形无失真，每个码元将重叠在一起，最终在示波器上看到的是迹线又细又清晰的“眼睛”，“眼”开启得最大。当有码间串扰时，波形失真，码元不完全重合，眼图的迹线就会不清晰，引起“眼”部分闭合。若再加上噪声的影响，则使眼图的线条变得模糊，“眼”开启得小了，因此，“眼”张开的
大小表示了失真的程度，反映了码间串扰的强弱。由此可知，眼图能直观地表明码间串扰和噪声的影响，可评价一个基带传输系统性能的优劣。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。 通常眼图可以用下图所示的图形来描述，由此图可以看出：
（1）眼图张开的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样再生的时间间隔。显然，最佳抽样时刻应选在眼睛张开最大的时刻。
（2）眼图斜边的斜率，表示系统对定时抖动（或误差）的灵敏度，斜率越大，系统对定时抖动越敏感。
图一 眼图及主要参数
（3）眼图左（右）角阴影部分的水平宽度表示信号零点的变化范围，称为零点失真量，在许多接收设备中，定时信息是由信号零点位置来提取的，对于这种设备零点失真量很重要。(4）在抽样时刻，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量。
（5）在抽样时刻上、下两阴影区间隔的一半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判段。
（6）横轴对应判决门限电平。 ”
一、串行数据的背景知识
串行信号种类繁多，在图二所示的有PCI Express, Rapid IO,DVI,SATA,USB,SDH,XAUI，等，其实现在的流行总线还远不止这些。每年都出来一些新流行的串行总线。这些总线差不多都由一个权威机构来定义该总线的信号标准和测试规范，这些机构成员多是由来自于不同公司的专家兼职担任。当然，关于PC的串行总线差不多由Intel来领导。图三所示某基于Intel Chipset的笔记本电脑的框架图中的各种总线,除了DDR和FSB是并行数据之外,其它
都是串行数据了。这些权威机构除了定义规范，当然也会有一些利益博弈。所以有新的利益集团(这是一个中性的词)策划推广的时候就可能有新的总线规范出台，这就象3G有三种标准一样。 你方唱罢我登场，搞得下游厂商手忙脚乱。
图二 串行数据的整体特点
串行数据总线越来越多，权威机构定义的测试规范也纷繁芜杂，我一直觉得该将这么多的权威机构统一为一个权威机构，就叫“串行总线国际工程师协会”好了，如果力科最先发起并领导这个协会，然后定义一系列的串行信号测试规范中都只推荐力科示波器，那么亲爱的朋友们，这个Day Dream的最终结果是什么？ 示波器行业也许会重新大洗牌。人们总相信权威机构推荐的，譬如我们平时用牙膏等都会相信“中华医学会”之类的推荐.
信号速率不断加倍再加倍，2004年我刚到力科的时候，主流的串行信号速率在PC行业是2.5Gb/s，在通信行业是3.125Gb/s，如今，PC行业已Double到5Gb/s，通信行业已Double到6.25Gb/s，而且PC行业的8Gb/s，通信行业的12.5Gb/s似乎已指日可待。速率越来越高，并行数据必然要让位于串行数据。串行数据传输的典型结构框图如图三所示，“万变不离其宗” ，都是“两根差分线”。
相比于并行数据，串行数据的优点是：
1，信号线的数量减少；
2，消除了并行数据之间传输的延迟问题；
3，因为时钟是嵌入到数据中的，数据和时钟之间的传输延迟也同样消除了；
4，传输线的PCB设计也更容易些；
5，信号完整性测试也更容易。
图三某笔记本电脑架构示意图
串行数据的测试点包括了芯片的发送端和接收端等不同节点。描述串行数据的常用单位是波特率和UI，譬如3.125Gb/s表示为每秒传送的数据比特位是3.125G比特(bit)，对应的一个单位间隔（1UI）表示为一个比特位的宽度是波特率的倒数，1UI=1/（3.125Gb/s）=320ps。现在比较常见的串行信号码形是NRZ码。正电平表示”1”，负电平表示“0”。图四所示是示波器捕获到的一组串行信号，虚线之间的时间间隔代表了一个UI，图中对应的码型是101100101010001。
图四 串行信号实例
二、眼图的一些基本概念
2.1 “什么是眼图？”
“眼图就是象眼睛一样形状的图形。” 眼图是用余辉方式累积叠加显示采集到的串行信号的比特位的结果，叠加后的图形形状看起来和眼睛很像，故名眼图。眼图上通常显示的是1.25UI的时间窗口。眼睛的形状各种各样，眼图的形状也各种各样。通过眼图的形状特点可以快速地判断信号的质量。图八的眼图非常漂亮，这可能是用采样示波器测量的眼图。
图五 眼图定义
图六的眼图有“双眼皮”，可判断出信号可能有串扰或预（去）加重。
图六 “双眼皮”眼图
由于眼图是用一张图形就完整地表征了串行信号的比特位信息，所以成为了衡量信号质量的最重要工具，眼图测量有时就叫“信号质量测试（Signal Quality Test, SQ Test）”。
图七的眼图“眼睛里布满血丝”，这表明信号质量太差，可能是测试方法有错误，也可能是PCB布线有明显错误。
图七 “眼睛布满血丝”的眼图
此外，眼图测量的结果是合格还是不合格，其判断依据通常是相对于“模板（Mask）”而言的。模板规定了串行信号“1”电平的容限，“0”电平的容限，上升时间、下降时间的容限。所以眼图测量有时又被称为“模板测试（Mask Test）”。模板的形状也各种各样，通常的NRZ信号的模板如图五和图八蓝色部分所示。在串行数据传输的不同节点和不同速率,眼图的模板是不一样的，所以在选择模板时要注意具体的子模板类型。（如HDMI的1080P和720P的模板就不同） 如果用发送端的模板来作为接收端眼图模板，可能会一直碰模板。但像以太网信号、E1/T1的信号，不是NRZ码形，其模板比较特别。当有比特位碰到模板时，我们就认为信号质量不好，需要调试电路。有的产品要求100%不能碰模板，有的产品是允许碰模板的次数在一定的概率以内。（有趣的是，眼图85%通过模板的产品，功能测试往往是没有问题的，譬如我在用的电脑网口总是测试不能通过，但我上网一直没有问题。 这让很多公司觉得不用买示波器做信号完整性测试以一样可以做出好产品来，至于山寨版的，更不会去买示波器测眼图了。）示波器中有测量参数可自动统计出碰到模板的次数。此外，根据“侵犯”模板的位置就能知道信号的哪方面有问题从而指导调试。如图九表明信
号的问题主要是下降沿太缓，图十表明1电平和0电平有“塌陷”，可能是ISI问题导致的。
图八 最漂亮的“眼睛”
图九 下降沿碰到模板的眼图，信号的问题主要是下降沿太缓
图十 “1”电平和“0”电平有“塌陷”的模板，可能是ISI问题导致的
2.2眼图相关的眼图参数
眼图相关的眼图参数有很多，如眼高、眼宽、眼幅度、眼交叉比、“1”电平，“0”电平，消光比，Q因子，平均功率等。图十一表示幅度相关的测量参数的定义。 “1”电平和“0”电平表示选取眼图中间的20% UI部分向垂直轴投影做直方图，直方图的中心值分别为“1”电平和“0”电平。眼幅度表示“1”电平减去“0”电平。上下直方图的3sigm 之差表示眼高。图十二、十三、十四，十五表示了其它一些眼图参数的定义，一目了然，在此不再一一描述。不过，有经验的工程师知道，在眼图形象很糟糕的时候，眼图参数测试的结果显得很不准确。这时候，建议您可以用力科的自定义眼高测量方法来测量，如图十六所示。
图十一 眼图参数定义----总图
图十二 眼图参数定义 ---0和1的能量直方图
图十三 眼图参数定义----SNR、BER和ER
图十四 眼图参数定义------眼宽Ewdth直方图和眼交叉比
图十五 眼图参数定义 -----上升时间和下降时间直方图
图十六 自定义眼高测量方法
三、眼图测量方法和原理
之前谈到，眼图测量方法有两种：2002年以前的传统眼图测量方法和2002年之后力科发明的现代眼图测量方法。传统眼图测量方法可以用两个英文关键词来表示：“Triggered Eye”和“Single-Bit Eye”。 现代眼图测量方法用另外两个英文关键词来表示：“Continuous-Bit Eye ”和“Single-Shot Eye”。
传统眼图测量方法用中文来理解是八个字：“同步触发+叠加显示”；
现代眼图测量方法用中文来理解也是八个字：“同步切割+叠加显示”。
两种方法的差别就四个字：传统的是用触发的方法，现代的是用切割的方法。“同步”是准确测量眼图的关键，传统方法和现代方法同步的方法是不一样的。“叠加显示” 就是用模拟余辉的方法不断累积显示。
传统的眼图方法就是同步触发一次，然后叠加一次。每触发一次，眼图上增加了一个UI，每个UI的数据是相对于触发点排列的，因此是“Single-Bit Eye”,每触发一次眼图上只增加了一个比特位。图十七形象表示了这种方法形成眼图的过程。
图十七 传统眼图测量方法的原理
传统方法的第一个缺点就是效率太低。对于现在的高速信号如PCI-Express Gen2，PCI-SIG要求测量1百万个UI的眼图，用传统方法就需要触发1百万次，这可能需要几个小时才能测量完。
第二个缺点是，由于每次触发只能叠加一个UI,形成1百万个UI的眼图就需要触发1百万次，这样不断触发的过程中必然将示波器本身的触发抖动也引入到了眼图上。对于
2.5GBbps以上的高速信号，这种触发抖动是不可忽略的。
如何同步触发，也就是说如何使每个UI的数据相对于触发点排列？也有两种方法：一种方法是在被测电路板上找到和串行数据同步的时钟，将此时钟引到示波器作为触发源，时钟的边沿作为触发的条件；
另外一种方法是将被测的串行信号同时输入到示波器的输入通道和硬件时钟恢复电路(CDR)通道，硬件CDR恢复出串行数据里内嵌的时钟作为触发源。这种同步方法引入了CDR 抖动，这是传统方法的第三个缺点。此外，硬件CDR只能侦测连续串行信号才能工作正常，如果被测信号不是连续的，譬如两段连续比特位之间有一段低电平，硬件CDR就不能恢复出正确的时钟。另外，传统方法的工作原理决定了它不能对间歇性的串行信号做眼图，不能对保存的波形做眼图，不能对运算后的波形做眼图，这限制了应用范围。这是传统方
法的第四个缺点。
力科于2002年发明的现代方法形成眼图的原理如图十八所示。示波器首先捕获一组连续比特位的信号，然后用软件PLL方法恢复出时钟，最后利用恢复出的时钟和捕获到的信号按比特位切割，切割一次，叠加一次，最终将捕获到的一组数据的每个比特位都叠加到了眼图上。在力科的示波器中，恢复出的时钟可以单独输出来另作它用。
图十八 现代眼图测量方法的原理
软件PLL方法恢复时钟代替了传统方法中的硬件CDR方法是一大进步。我们需要对软件PLL的工作原理深入理解。关于软件PLL，我们将另文介绍。
如果一次捕获了1百万UI的PCI-E Gen2的数据，那么用这种方法基于力科的第四代示波器可以在1-2秒内形成眼图，因此，这种方法形成眼图的效率非常高，这是现代方法的第一个优点。此外，该方法通过触发一次捕获的大量数据就能形成大量数据的眼图，触发抖动约等于零，这是该方法的第二个优点。由于是用软件PLL方法，因此时钟恢复抖动也为零，这是该方法的第三个优点。该方法可以对局部放大之后的波形做眼图，可以对历史保存的波形做眼图，可以有一些高级眼图分析功能，如眼图失败定位跟踪功能，ISOBer功能等，这是该方法的第四个优点。
图十九所示清楚表示了现代方法对于非连续性的信号做眼图的优势。传统的方法无法分离出发射数据和接收数据，但用现代的方法则能隔离出发射和接收数据。在实际应用中这种非连续性的信号比较常见，如处于实际工作模式下的PON信号，就是突发的一帧一帧的
数据。
图十九 现代眼图方法的优势——对局部放大之后的波形做眼图
四、力科示波器在眼图测量方面的特点和优势
自2002年力科发明创新的眼图测量方法以来,力科一直在眼图测量方面保持了绝对领先优势。 力科的串行数据分析仪SDA系列成为测量眼图的首选工具。现在总结力科公司在眼图测量方面的特点和优势如下：
1，眼图测量是衡量高速信号质量的最常用方法。力科是业界最先采用软件恢复时种的方法来形成眼图的，而现在这种方法已成为眼图测量的行业标准。也就是说，力科定义了眼图测量的新标准。
前面已详细比较了两种方法的优缺点。图二十这张图片是用力科示波器和其它品牌示波器测试相同信号的对比。用传统方法引入的触发抖动和CDR抖动带来了150ps的峰-峰值误差,这是不能忽略的误差。在力科的示波器中保留了用硬件时钟形成图的功能，但已几乎没有工程师再喜欢用这种传统的方法了。
图二十 现代方法和传统方法测量眼图的差别
2,力科示波器的眼图测量操作界面非常的简洁快速, 而且不需要利用第三方面软件，眼图的测试结果显示在示波器显示界面上，不需要打开第三个窗口。
在关于示波器的第三方调查报告中，易于操作常作为使用者对理想示波器的期待的首项。 “Although ease-of-use means different things to different people.”,但稍微有一点点公正之心的人都会同意这个结论：力科示波器的操作界面是最清晰简洁的，最容易上手的，眼图测量更是最方便的。
图五是力科SDA操作界面。 一级菜单，一目了然的操作步骤。第一步点击选择信号源，第二步选择信号类型，第三步查找比特率，第四步点击眼图出来了。如果PLL不是Golden PLL，多一次点击PLL设置的操作。 第一步、第二步、第三步在第一次进入测试界面设置完成后，随后不用再重复设置。所以在持续测试过程中，通常每次只需要点一键“Mask Tes”就产生了眼图。更是可以在点击“Summary”之后，同时产生了眼图、浴盆曲线、抖动趋势图、抖动直方图、各种抖动测量参数等,如图二十一所示，何其方便哉！
图二十一 力科SDA 眼图测试操作步骤
在一次面对面的PK中，客户要求同时测量眼图和抖动参数，我们一秒钟操作完之后，
大家开始观看T公司的AE在操作，只见鼠标飞速点击上百次，结果等了整整几分钟后还不见结果出来（也有可能那天是操作上出现了失误）。 一级又一级深埋的菜单，呼啦啦弹出一个又一个的窗口。图二十二就是那次PK的时候D公司点击上百次鼠标之后的结果。但显然和力科的图片相比，缺少了抖动测量参数。 这些参数去哪里了？为什么没有显示出来？因为D公司的示波器测试眼图的窗口和眼图参数的窗口是两个窗口，不能同时保存起来，除非是接上键盘按PrintScreen键。为了完成眼图测量，D公司的示波器总共需要有四个窗口——操作设置窗口，眼图结果显示窗口，测量参数窗口，示波器自身的窗口。
除了窗口多以外，D公司的眼图测量操作真的有那么复杂吗？是的，但也未必，如果你是D公司示波器的Fans，你已经知道如何飞速地点击鼠标，可能你也不会觉得复杂，但对于初学者，其操作怎一个“烦”字了得！第一次我们在培训中和D公司的示波器亲密接触，我和我的同事们都像遇到一个刺猬一样无从下手，最后都只得利用其操作向导的方式（如图二十三所示）来执行，但这种向导方式必须要设置七步，每一步至少要点击两次鼠标。操作到第七步时如果发现第一步设置不对，要重新点击六次回到第一步。但如果第三步时发现被测信号不是标准的总线信号，这个向导似乎不能用来测试普通的串行信号。（可能有更简便的操作步骤，我仅提供的是我两次测试的体验感受，不对之处，请指正。）第一次操作了D 的眼图测量之后激起了我对它的操作步骤的强烈兴趣，我下载了RT-EYE软件包的操作手册，在操作手册的第66页，有图九所示的操作说明示意图。
图二十一 一键操作，信息
大全
图二十二 D公司的资深工程师点击上百次鼠标之后的结果，但测量参数结果不见了
图二十三 D公司示波器眼图测量操作步骤
仅此一图便可见其操作之繁琐了，难怪D公司的AE不太愿意去教会工程师们去用他们的眼图测量功能， D公司的眼图软件是基于外挂的Java程序开发的，操作的繁琐和界面的复杂是由该基因决定的。
图二十三 引自RT-EYE软件包操作手册
3, 力科示波器测量眼图的速度快，不管当前捕获的数据样本数是400Kpts，还是10Mpts，都能一次利用所有的这些数据形成眼图。
信号速率越来越高，眼图测量中要求包含的UI样本数越来越多，为使自己对产品的硬件性能放心，很多工程师喜欢连续测量眼图累计几百万的UI来观察有没有碰到模板。如果您有这种冲动，希望测试很多样本下的眼图，D公司的工程师们会以专业地口吻告诉你，不必要这样做，因为XX协会没有规定测试这么多样本。图二十一显示力科示波器捕获了4Mpts 的采样点，对应的一次测量了494.046K个UI的眼图。图二十四显示力科示波器捕获了
50Mpts的采样点，一次性测量了18.73449M个UI的眼图。力科示波器做10Mpts采样点的PCI-E G1眼图需要1-2秒钟，但D公司的示波器需要6分钟（360秒）。力科示波器做20Mpts 采样点的PCI-E G1眼图，需要2-3秒钟，D公司的示波器通常这时候会死机。 以上数据来自于本人实测。但D公司在演示眼图测量时，您不会觉得很慢，反而觉得很快。为什么？您注意到图二十二的左上图有一个标识UIs:8000:574996; Total:8000：574996了吗？ 这表示D示波器这时捕获了574996个UI，但只截取了其中的8000个来做眼图。如果您要测量100万个UI的眼图，D的这个标识数字会不断增加，8000-16000-24000-32000,一路涨到1000000，数字要翻转125次，整个过程历时大约20分钟，如果当时示波器的状态不好，可能会导致死机。估计等您先去喝一杯咖啡就可以翻转完成。股票每天也都只样翻转就好了?
图二十四 一次捕获测量18.73449M个UI的眼图
在图二十五中，我们看到D公司自己声明的软件限制，稍懂英语的朋友可以阅读一下这个限制的含义。其核心意思是这个软件太消耗计算资源了，用的时候要小心一点;如果要去除存储深度的限制，您需要创建一个文本文件来解除限制。在那次PK大战中，D公司坚持要以测量8K个UI来和我们比较测量494K个UI的速度，但坚持不同意解除这个限制——不解除限制，测量一次8K个UI就不再翻转数字了，停在8000个，股票一次涨停了! 后来D公司另外一个软件包DPOJET可以在菜单中解除这个限制，如图二十六所示，“Enable high performance eye rendering”，选中这个之后就可以不断翻转了。 如果您的测试需求是要测量8K个UI,请注意在测量前设置这个界面。这个设置隐藏在"Jitter & Eye Analysis"菜单列表下的"Preferences"子菜单的"Measurement"子菜单中。我的美国同事给我讲的一个故事是："when I pointed this out to a customer, the manager of the engineering group basically threw out 3 months worth of serial data measurements done by his team using the Tek DPOJET and asked them to do it all over again." 这个客户将之前用DPOJET 测试了三个月的数据全部作废了,重新再测试一遍！您需要检查一下您之前用D公司示波器测试眼图时是否注意到了这一点。
图二十五 D公司示自己出具的软件提示信息
图二十六 D示波器解除限制的菜单设置
4, 力科示波器可以方便地自定义模板测试
通信行业中通常有一些串行总线是比较独特的，暂时还没有类似于PCI-SIG的权威组织来定义标准，芯片厂家会在芯片手册中定义模板的Spec，用户需要根据这些Spec自定义模板，如现在流行的CRP II，MDDI等都需要自定义模板。力科示波器可以非常方便地自定义模板。用户可用免费的Poly mask软件图形化设计或用免费的Masks Database Editor数据库编辑器数字化设计。图二十七给出了自定义眼图的详细步骤。
图二十七自定义模板的步骤
5,力科示波器具有眼图模板故障定位功能，能追踪到眼图中碰到模板的数据比特位。这个功能对于调试是非常有意义的。
模板失败定位跟踪功能就是将每个碰到模板的比特位用列表显示出来，并可将每一个
现在的高速电路设计已经达到GHz的水平，高速PCB设计要求从三维设计理论出发对过孔、封装和布线进行综合设计来解决信号完整性问题。高速PCB设计要求中国工程师必须具备电磁场的理论基础，必须懂得利用麦克斯韦尔方程来分析PCB设计过程中遇到的电磁场问题。目前，Ansoft公司的仿真工具能够从三维场求解的角度出发，对PCB设计的信号完整性问题进行动态仿真。 (一)Ansoft公司的仿真工具 现在的高速电路设计已经达到GHz的水平，高速PCB设计要求从三维设计理论出发对过孔、封装和布线进行综合设计来解决信号完整性问题。高速PCB设计要求中国工程师必须具备电磁场的理论基础，必须懂得利用麦克斯韦尔方程来分析PCB设计过程中遇到的电磁场问题。目前，Ansoft公司的仿真工具能够从三维场求解的角度出发，对PCB设计的信号完整性问题进行动态仿真。 Ansoft的信号完整性工具采用一个仿真可解决全部设计问题： SIwave是一种创新的工具，它尤其适于解决现在高速PCB和复杂IC封装中普遍存在的电源输送和信号完整性问题。 该工具采用基于混合、全波及有限元技术的新颖方法，它允许工程师们特性化同步开关噪声、电源散射和地散射、谐振、反射以及引线条和电源/地平面之间的耦合。该工具采用一个仿真方案解决整个设计问题，缩短了设计时间。 它可分析复杂的线路设计，该设计由多重、任意形状的电源和接地层，以及任何数量的过孔和信号引线条构成。仿真结果采用先进的3D图形方式显示，它还可产生等效电路模型，使商业用户能够长期采用全波技术，而不必一定使用专有仿真器。 (二)SPECCTRAQuest Cadence的工具采用Sun的电源层分析模块： Cadence Design Systems的SpecctraQuest PCB信号完整性套件中的电源完整性模块据称能让工程师在高速PCB设计中更好地控制电源层分析和共模EMI。 该产品是由一份与Sun Microsystems公司签署的开发协议而来的，Sun最初研制该项技术是为了解决母板上的电源问题。 有了这种新模块，用户就可根据系统要求来算出电源层的目标阻抗；然后基于板上的器件考虑去耦合要求，Shah表示，向导程序能帮助用户确定其设计所要求的去耦合电容的数目和类型；选择一组去耦合电容并放置在板上之后，用户就可运行一个仿真程序，通过分析结果来发现问题所在。 SPECCTRAQuest是CADENCE公司提供的高速系统板级设计工具，通过它可以控制与PCB layout相应的限制条件。在SPECCTRAQuest菜单下集成了一下工具： （1）SigXplorer可以进行走线拓扑结构的编辑。可在工具中定义和控制延时、特性阻抗、驱动和负载的类型和数量、拓扑结构以及终端负载的类型等等。可在PCB详细设计前使用此工具，对互连线的不同情况进行仿真，把仿真结果存为拓扑结构模板，在后期详细设计中应用这些模板进行设计。 （2）DF/Signoise工具是信号仿真分析工具，可提供复杂的信号延时和信号畸变分析、IBIS 模型库的设置开发功能。SigNoise是SPECCTRAQUEST SI Expert和SQ Signal Explorer Expert进行分析仿真的仿真引擎，利用SigNoise可以进行反射、串扰、SSN、EMI、源同步及系统级的仿真。 （3）DF/EMC工具——EMC分析控制工具。 （4）DF/Thermax——热分析控制工具。 SPECCTRAQuest中的理想高速PCB设计流程： 由上所示，通过模型的验证、预布局布线的space分析、通过floorplan制定拓朴规则、由规
实验12 眼图观察测量实验 一、实验目的 1.学会观察眼图及其分析方法，调整传输滤波器特性。 二、实验仪器 1. 眼图观察电路（底板右下侧） 2． 时钟与基带数据发生模块，位号：G 3． 噪声模块，位号E 4． 100M双踪示波器1台 三、实验原理 在整个通信系统中，通常利用眼图方法估计和改善（通过调整）传输系统性能。 我们知道，在实际的通信系统中，数字信号经过非理想的传输系统必定要产生畸变，也会引入噪声和干扰，也就是说，总是在不同程度上存在码间串扰。在码间串扰和噪声同时存在情况下，系统性能很难进行定量的分析，常常甚至得不到近似结果。为了便于评价实际系统的性能，常用观察眼图进行分析。 眼图可以直观地估价系统的码间干扰和噪声的影响，是一种常用的测试手段。 什么是眼图? 所谓“眼图”，就是由解调后经过接收滤波器输出的基带信号，以码元时钟作为同步信号，基带信号一个或少数码元周期反复扫描在示波器屏幕上显示的波形称为眼图。干扰和失真所产生的传输畸变，可以在眼图上清楚地显示出来。因为对于二进制信号波形，它很像人的眼睛故称眼图。 在图12-1中画出两个无噪声的波形和相应的“眼图”，一个无失真，另一个有失真(码间串扰)。 图12-1中可以看出，眼图是由虚线分段的接收码元波形叠加组成的。眼图中央的垂直线表示取样时刻。当波形没有失真时，眼图是一只“完全张开”的眼睛。在取样时刻，所有可能的取样值仅有两个：+1或-1。当波形有失真时，“眼睛”部分闭合，取样时刻信号取值就分布在小于+1或大于-1附近。这样，保证
正确判决所容许的噪声电平就减小了。换言之，在随机噪声的功率给定时，将使误码率增加。“眼睛”张开的大小就表明失真的严重程度。 为便于说明眼图和系统性能的关系，我们将它简化成图12-2的形状。 由此图可以看出：(1)最佳取样时刻应选择在眼睛张开最大的时刻；(2)眼睛闭合的速率，即眼图斜边的斜率，表示系统对定时误差灵敏的程度，斜边愈陡，对定位误差愈敏感； (3)在取样时刻上，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量； (4)在取样时刻上，上下两阴影区的间隔垂直距离之半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决；(5) 阴影区与横轴相交的区间表示零点位置变动范围，它对于从信号平均零点位置提取定时信息的解调器有重要影响。实验室理想状态下的眼图如图12-3 所示。 衡量眼图质量的几个重要参数有： 1．眼图开启度(U-2Δ U)/U 指在最佳抽样点处眼图幅度“张开”的程度。无畸变眼图的开启度应为100%。
一、实验名称 微弱信号的检测提取及分析方法 二、实验目的 1．了解随机信号分析理论如何在实践中应用 2．了解随机信号自身的特性，包括均值、方差、相关函数、频谱及功率谱密度等 3．掌握随机信号的检测及分析方法 三、实验原理 1．随机信号的分析方法 在信号与系统中，我们把信号分为确知信号和随机信号。其中随机信号无确定的变化规律，需要用统计特新进行分析。这里我们引入随机过程的概念，所谓随机过程就是随机变量的集合，每个随机变量都是随机过程的一个取样序列。 随机过程的统计特性一般采用随机过程的分布函数和概率密度来描述，他们能够对随机过程作完整的描述。但由于在实践中难以求得，在工程技术中，一般采用描述随机过程的主要平均统计特性的几个函数，包括均值、方差、相关函数、频谱及功率谱密度等来描述它们。本实验中算法都是一种估算法，条件是N要足够大。 2．微弱随机信号的检测及提取方法 因为噪声总会影响信号检测的结果，所以信号检测是信号处理的重要内容之一，低信噪比下的信号检测是目前检测领域的热点，而强噪声背景下的微弱信号提取又是信号检测的难点。 噪声主要来自于检测系统本身的电子电路和系统外空间高频电磁场干扰等，通常从以下两种不同途径来解决 ①降低系统的噪声，使被测信号功率大于噪声功率。 ②采用相关接受技术，可以保证在信号功率小于噪声功率的情况下，人能检测出信号。 对微弱信号的检测与提取有很多方法，常用的方法有：自相关检测法、多重自相法、双谱估计理论及算法、时域方法、小波算法等。 对微弱信号检测与提取有很多方法，本实验采用多重自相关法。 多重自相关法是在传统自相关检测法的基础上，对信号的自相关函数再多次做自相关。即令： 式中，是和的叠加；是和的叠加。对比两式，尽管两者信号的幅度和相位不同，但频率却没有变化。信号经过相关运算后增加了信噪比，但其改变程度是有限的，因而限制了检测微弱信号的能力。多重相关法将 当作x（t），重复自相关函数检测方法步骤，自相关的次数越多，信噪比提高的越多，因此可检测出强噪声中的微弱信号。
科研训练 设计题目：高速数字信号的信号完整性分析专业班级：科技0701 姓名：张忠凯 班内序号：18 指导教师：梁猛 地点：三号实验楼236 时间：2010.9.14~2010.11. 16 电子科学与技术教研室
摘要： 在高速数字系统设计中，信号完整性（SI）问题非常重要的问题，如高时钟频率和快速边沿设计。本文提出了影响信号完整性的因素,并提出了解决电路板中信号完整性问题的方法。 关键词：高速数字电路；信号完整性；信号反射；串扰 引言： 随着电子行业的发展，高速设计在整个电子设计领域所占的比例越来越大，100 MHz 以上的系统已随处可见，采用CS(线焊芯片级BGA)、FG(线焊脚距密集化BGA)、FF(倒装芯片小间距BGA)、BF(倒装芯片BGA)、BG(标准BGA)等各种BGA封装的器件大量涌现，这些体积小、引脚数已达数百甚至上千的封装形式已越来越多地应用到各类高速、超高速电子系统中。 从IC芯片的封装来看，芯片体积越来越小、引脚数越来越多；这就带来了一个问题，即电子设计的体积减小导致电路的布局布线密度变大，同时信号的上升沿触发速度还在提高，从而使得如何处理高速信号问题成为限制设计水平的关键因素。随着电子系统中逻辑复杂度和时钟频率的迅速提高，信号边沿不断变陡，印刷电路板的线迹互连和板层特性对系统电气性能的影响也越发重要。对于低频设计，线迹互连和板层的影响可以不考虑，但当频率超过50 MHz时，互连关系必须考虑，而在评定系统性能时还必须考虑印刷电路板板材的电参数。因此，高速系统的设计必须面对互连延迟引起的时序问题以及串扰、传输线效应等信号完整性问题。 1．信号完整性的概念： 信号完整性是指信号未受到损伤的一种状态，良好的信号完整性是指在需要时信号仍然能以正确的时序和电压电平值做出响应。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。 2．信号完整性问题的分析： 高速不是就频率的高低来说的，而是由信号的边沿速度决定的，一般认为上升时间小于4倍信号传输延迟时可视为高速信号。信号完整性问题的起因是由于不断缩小的上升和下降时间。假如信号的上升沿和下降沿变化比较缓慢，则电路结构和元器件所造成的影响不大，可以忽略。 当信号的上升沿和下降沿变化加快时，整个电路则会转化为传输线问题，即电路的延迟、反射等问题；当电路中有大的电流涌动时会引起地弹,如大量芯片的输出同时开启时,将有一个较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过,芯片封装与电源平面的电感和电阻会引发电源噪声,这样会在真正的地平面( 0 V)上产生电压的波动和变化,犹如从地面弹回电路的信号一样；通常表现为在一根信号线上有信号通过时,在上与之
在高速数字系统中，由于脉冲上升/下降时间通常在10到几百p秒，当受到诸如内连、传输时延和电源噪声等因素的影响，从而造成脉冲信号失真的现象； 在自然界中，存在着各种各样频率的微波和电磁干扰源，可能由于很小的差异导致高速系统设计的失败；在电子产品向高密和高速电路设计方向发展的今天，解决一系列信号完整性的问题，成为当前每一个电子设计者所必须面对的问题。业界通常会采用在PCB制板前期，通过信号完整性分析工具尽可能将设计风险降到最低，从而也大大促进了EDA设计工具的发展…… 信号完整性（Signal Integrity，简称SI）问题是指高速数字电路中，脉冲形状畸变而引发的信号失真问题，通常由传输线不阻抗匹配产生的问题。而影响阻抗匹配的因素包括信号源的架构、输出阻抗(output impedance)、走线的特性阻抗、负载端的特性、走线的拓朴(topology)架构等。解决的方式可以采用端接(termination)与调整走线拓朴的策略。 信号完整性问题通常不是由某个单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同作用的结果。信号完整性问题主要表现形式包括信号反射、信号振铃、地弹、串扰等； 1，Altium Designer信号完整性分析（机理、模型、功能） 在Altium Designer设计环境下，您既可以在原理图又可以在PCB编辑器内实现信号完整性分析，并且能以波形的方式在图形界面下给出反射和串扰的分析结果。 Altium Designer的信号完整性分析采用IC器件的IBIS模型，通过对版图内信号线路的阻抗计算，得到信号响应和失真等仿真数据来检查设计信号的可靠性。Altium Designer的信号完整性分析工具可以支持包括差分对信号在内的高速电路信号完整性分析功能。 Altium Designer仿真参数通过一个简单直观的对话框进行配置，通过使用集成的波形观察仪，实现图形显示仿真结果，而且波形观察仪可以同时显示多个仿真数据图像。并且可以直接在标绘的波形上进行测量，输出结果数据还可供进一步分析之用。 Altium Designer提供的集成器件库包含了大量的的器件IBIS模型，用户可以对器件添加器件的IBIS模型，也可以从外部导入与器件相关联的IBIS模型，选择从器件厂商那里得到的IBIS 模型。 Altium Designer的SI功能包含了布线前（即原理图设计阶段）及布线后（PCB版图设计阶段）两部分SI分析功能；采用成熟的传输线计算方法，以及I/O缓冲宏模型进行仿真。 基于快速反射和串扰模型，信号完整性分析器使用完全可靠的算法，从而能够产生出准确的仿真结果。布线前的阻抗特征计算和信号反射的信号完整性分析，用户可以在原理图环境下运行SI仿真功能，对电路潜在的信号完整性问题进行分析，如阻抗不匹配等因素。 更全面的信号完整性分析是在布线后PCB版图上完成的，它不仅能对传输线阻抗、信号反射和信号间串扰等多种设计中存在的信号完整性问题以图形的方式进行分析，而且还能利用规则检查发现信号完整性问题，同时，Altium Designer还提供一些有效的终端选项，来帮助您选择最好的解决方案。 2，分析设置需求 在PCB编辑环境下进行信号完整性分析。 为了得到精确的结果，在运行信号完整性分析之前需要完成以下步骤：
本科实验报告实验名称：随机信号分析实验
实验一 随机序列的产生及数字特征估计 一、实验目的 1、学习和掌握随机数的产生方法。 2、实现随机序列的数字特征估计。 二、实验原理 1、随机数的产生 随机数指的是各种不同分布随机变量的抽样序列（样本值序列）。进行随机信号仿真分析时，需要模拟产生各种分布的随机数。 在计算机仿真时，通常利用数学方法产生随机数，这种随机数称为伪随机数。伪随机数是按照一定的计算公式产生的，这个公式称为随机数发生器。伪随机数本质上不是随机的，而且存在周期性，但是如果计算公式选择适当，所产生的数据看似随机的，与真正的随机数具有相近的统计特性，可以作为随机数使用。 (0，1)均匀分布随机数是最最基本、最简单的随机数。(0，1)均匀分布指的是在[0，1]区间上的均匀分布，即 U(0，1)。实际应用中有许多现成的随机数发生器可以用于产生(0，1)均匀分布随机数，通常采用的方法为线性同余法，公式如下： )(m od ,110N ky y y n n -= N y x n n /= 序列{}n x 为产生的(0，1)均匀分布随机数。 下面给出了上式的3组常用参数： 1、10 N 10,k 7==，周期7 510≈?； 2、（IBM 随机数发生器）31 16 N 2,k 23,==+周期8 510≈?； 3、（ran0）31 5 N 21,k 7,=-=周期9 210≈?； 由均匀分布随机数，可以利用反函数构造出任意分布的随机数。 定理 1.1 若随机变量 X 具有连续分布函数F X (x)，而R 为(0,1)均匀分布随机变量，则有 )(1R F X x -= 由这一定理可知，分布函数为F X (x)的随机数可以由(0,1)均匀分布随机数按上式进行变
信号完整性分析基础系列之一 ——关于眼图测量（上） 汪进进美国力科公司深圳代表处 内容提要：本文将从作者习惯的无厘头漫话风格起篇，从四个方面介绍了眼图测量的相关知识：一、串行数据的背景知识; 二、眼图的基本概念; 三、眼图测量方法; 四、力科示波器在眼图测量方面的特点和优势。全分为上、下两篇。上篇包括一、二部分。下篇包括三、四部分。 您知道吗？眼图的历史可以追溯到大约47年前。在力科于2002年发明基 于连续比特位的方法来测量眼图之前，1962年-2002的40年间，眼图的测量是基 于采样示波器的传统方法。 您相信吗？在长期的培训和技术支持工作中，我们发现很少有工程师能完整地准确地理解眼图的测量原理。很多工程师们往往满足于各种标准权威机构提供的测量向导，Step by Step，满足于用“万能”的Sigtest软件测量出来的眼图给出的Pass or Fail结论。这种对于Sigtest的迷恋甚至使有些工程师忘记了眼图是 可以作为一项重要的调试工具的。 在我2004年来力科面试前，我也从来没有听说过眼图。那天面试时，老板反复强调力科在眼图测量方面的优势，但我不知所云。之后我Google“眼图”， 看到网络上有限的几篇文章，但仍不知所云。刚刚我再次Google“眼图”，仍然 没有找到哪怕一篇文章讲透了眼图测量。 网络上搜到的关于眼图的文字，出现频率最多的如下，表达得似乎非常地专业，但却在拒绝我们的阅读兴趣。 “在实际数字互连系统中，完全消除码间串扰是十分困难的，而码间串扰 对误码率的影响目前尚无法找到数学上便于处理的统计规律，还不能进行准确计算。为了衡量基带传输系统的性能优劣，在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。 如果将输入波形输入示波器的Y轴，并且当示波器的水平扫描周期和码元 定时同步时，适当调整相位，使波形的中心对准取样时刻，在示波器上显示的图形很象人的眼睛，因此被称为眼图（Eye Map）。 二进制信号传输时的眼图只有一只“眼睛”，当传输三元码时，会显示两 只“眼睛”。眼图是由各段码元波形叠加而成的，眼图中央的垂直线表示最佳抽样时刻，位于两峰值中间的水平线是判决门限电平。 在无码间串扰和噪声的理想情况下，波形无失真，每个码元将重叠在一起，最终在示波器上看到的是迹线又细又清晰的“眼睛”，“眼”开启得最大。当有码
于博士信号完整性分析入门 于争 博士 https://www.doczj.com/doc/bc11990699.html, for more information,please refer to https://www.doczj.com/doc/bc11990699.html, 电设计网欢迎您
什么是信号完整性? 如果你发现，以前低速时代积累的设计经验现在似乎都不灵了，同样的设计，以前没问题，可是现在却无法工作，那么恭喜你，你碰到了硬件设计中最核心的问题：信号完整性。早一天遇到，对你来说是好事。 在过去的低速时代，电平跳变时信号上升时间较长，通常几个ns。器件间的互连线不至于影响电路的功能，没必要关心信号完整性问题。但在今天的高速时代，随着IC输出开关速度的提高，很多都在皮秒级，不管信号周期如何，几乎所有设计都遇到了信号完整性问题。另外，对低功耗追求使得内核电压越来越低，1.2v内核电压已经很常见了。因此系统能容忍的噪声余量越来越小，这也使得信号完整性问题更加突出。 广义上讲，信号完整性是指在电路设计中互连线引起的所有问题，它主要研究互连线的电气特性参数与数字信号的电压电流波形相互作用后，如何影响到产品性能的问题。主要表现在对时序的影响、信号振铃、信号反射、近端串扰、远端串扰、开关噪声、非单调性、地弹、电源反弹、衰减、容性负载、电磁辐射、电磁干扰等。 信号完整性问题的根源在于信号上升时间的减小。即使布线拓扑结构没有变化，如果采用了信号上升时间很小的IC芯片，现有设计也将处于临界状态或者停止工作。 下面谈谈几种常见的信号完整性问题。 反射： 图1显示了信号反射引起的波形畸变。看起来就像振铃，拿出你制作的电路板，测一测各种信号，比如时钟输出或是高速数据线输出，看看是不是存在这种波形。如果有，那么你该对信号完整性问题有个感性的认识了，对，这就是一种信号完整性问题。 很多硬件工程师都会在时钟输出信号上串接一个小电阻，至于为什么，他们中很多人都说不清楚，他们会说，很多成熟设计上都有，照着做的。或许你知道，可是确实很多人说不清这个小小电阻的作用，包括很多有了三四年经验的硬件工程师，很惊讶么?可这确实是事实，我碰到过很多。其实这个小电阻的作用就是为了解决信号反射问题。而且随着电阻的加大，振铃会消失，但你会发现信号上升沿不再那么陡峭了。这个解决方法叫阻抗匹配，奥，对了，一定要注意阻抗匹配，阻抗在信号完整性问题中占据着极其重要的
实验四 光纤通信系统测量中的眼图分析方法测试实验 一、实验目的 1、了解眼图的形成过程 2、掌握光纤通信系统中眼图的测试方法 二、实验仪器 1、ZYE4301F 型光纤通信原理实验箱1台 2、20MHz 模拟双踪示波器1台 3、万用表1台 三、实验原理 眼图是衡量数字光纤通信系统数据传输特性的简单而又有效的方法。眼图可以在时域中测量，并且可以用示波器直观的显示出来。图1是测量眼图的系统框图。测量时，将“伪随机码发生器”输出的伪随机码加在被测数字光纤通信系统的输入端，该被测系统的输出端接至示波器的垂直输入，用位定时信号（由伪随机码发生器提供）作外同步，在示波器水平输入用数据频率进行触发扫描。这样，在示波器的屏幕上就可以显示出被测系统的眼图。 伪随机脉冲序列是由n 比特长，2n 种不同组合所构成的序列。例如，由n=2比特长的4种不同有 组合、n=3比特长的8种不同的组合、n=4比特长16种不同的组合组成，直到伪随机码发生器所规定的极限值为止，在产生这个极限值以后，数据序列就开始重复，但它用作为测试的数据信号，则具有随机性。如图2所示的眼图，是由3比特长8种组合码叠加而成，示波器上显示的眼图就是这种叠加的结果。 分析眼图图形，可以知道被测系统的性能，下面用图3所示的形状规则的眼图进行分析： 1、当眼开度 V V V ?-为最大时刻，则是对接收到的信号进行判决的最佳时刻，无码间干扰、信号无畸变时的眼开度为100％。 2、由于码间干扰，信号畸变使眼开度减小，眼皮厚度V V ?增加，无畸变眼图的眼皮厚度应该等于零。 图1眼图的测试系统
3、系统无畸变眼图交叉点发散角b T T ?应该等于零。 4、系统信道的任何非线性都将使眼图出现不对称，无畸变眼图的正、负极性不对称度- +-++-V V V V 应该等 于零。 5、系统的定时抖动（也称为边缘抖动或相位失真）是由光收端机的噪声和光纤中的脉冲失真产生的，如果在“可对信号进行判决的时间间隔T b ”的正中对信号进行判决，那么在阈值电平处的失真量ΔT 就表示抖动的大小。因此，系统的定时抖动用下式计算： 定时抖动＝ %100??Tb T
基带信眼图实验m精编 b仿真 文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]
数字基带信号的眼图实验——m a t l a b 仿真 一、实验目的 1、掌握无码间干扰传输的基本条件和原理，掌握基带升余弦滚降系统的实现方法； 2、通过观察眼图来分析码间干扰对系统性能的影响，并观察在输入相同码率的NRZ 基带信号下，不同滤波器带宽对输出信号码间干扰大小的影响程度； 3、熟悉MATLAB 语言编程。 二、实验预习要求 1、复习《数字通信原理》第七章节——奈奎斯特第一准则内容； 2、复习《数字通信原理》第七章节——数字基带信号码型内容； 3、认真阅读本实验内容，熟悉实验步骤。 三、实验原理和电路说明 1、基带传输特性 基带系统的分析模型如图3-1所示，要获得良好的基带传输系统，就应该 图3-1 基带系统的分析模型 抑制码间干扰。设输入的基带信号为()n s n a t nT δ-∑，s T 为基带信号的码元周期， 则经过基带传输系统后的输出码元为()n s n a h t nT -∑。其中 1 ()()2j t h t H e d ωωωπ +∞ -∞ = ? （3-1） 理论上要达到无码间干扰，依照奈奎斯特第一准则，基带传输系统在时域应满足： 10()0,s k h kT k =?=? ? ， 为其他整数 (3-2) 频域应满足：
()0,s s T T H πωωω? ≤?=? ?? ，其他 (3-3) 图3-2 理想基带传输特性 此时频带利用率为2/Baud Hz ,这是在抽样值无失真条件下，所能达到的最高频率利用率。 由于理想的低通滤波器不容易实现，而且时域波形的拖尾衰减太慢，因此 在得不到严格定时时，码间干扰就可能较大。在一般情况下，只要满足： 222(),s i s s s s i H H H H T T T T T ππ π π ωωωωω?????? +=-+++=≤ ? ? ???? ?? ? ∑ (3-4) 基带信号就可实现无码间干扰传输。这种滤波器克服了拖尾太慢的问题。 从实际的滤波器的实现来考虑，采用具有升余弦频谱特性()H ω时是适宜 的。 (1)(1)1sin (),2(1)()1,0(1) 0,s s s s s s T T T T H T T ππαπαωωαπαωωπαω???-+--≤≤??? ??? ?-? =≤≤?? ?+>? ?? (3-5) 这里α称为滚降系数，01α≤≤。 所对应的其冲激响应为： ()222sin cos() ()14s s s s t T t T h t t t T T παππα= - (3-6)
《随机信号分析》实验报告二 班级： 学号： 姓名：
实验二高斯噪声的产生和性能测试 １．实验目的 （1）掌握加入高斯噪声的随机混合信号的分析方法。 （2）研究随机过程的均值、相关函数、协方差函数和方差。 ⒉实验原理 （1）利用随机过程的积分统计特性，给出随机过程的均值、相关函数、协方差函数和方差。 （2）随机信号均值、方差、相关函数的计算公式，以及相应的图形。 ⒊实验报告要求 （1）简述实验目的及实验原理。 （2）采用幅度为1，频率为25HZ的正弦信号错误!未找到引用源。为原信号，在其中加入均值为2，方差为0.04的高斯噪声得到混合随机信号X(t)。 试求随机过程 的均值、相关函数、协方差函数和方差。用MATLAB进行仿真，给出测试的随机过程的均值、相关函数、协方差函数和方差图形，与计算的结果作比较，并加以解释。 （3）分别给出原信号与混合信号的概率密度和概率分布曲线，并以图形形式分别给出原信号与混合信号均值、方差、相关函数的对比。 （4）读入任意一幅彩色图像，在该图像中加入均值为0，方差为0.01的高斯噪声，请给出加噪声前、后的图像。 （5）读入一副wav格式的音频文件，在该音频中加入均值为2，方差为0.04的高斯噪声，得到混合随机信号X(t)，请给出混合信号X(t)的均值、相关函数、协方差函数和方差，频谱及功率谱密度图形。 4、源程序及功能注释 （2）源程序： clear all; clc; t=0:320; %t=0:320 x=sin(2*pi*t/25); %x=sin(2*p1*t/25) x1=wgn(1,321,0); %产生一个一行32列的高斯白噪声矩阵，输出的噪声强度为0dbw
实验六 数字基带信号的眼图实验 一、实验目的 1、掌握无码间干扰传输的基本条件和原理，掌握基带升余弦滚降系统的实现方法； 2、通过观察眼图来分析码间干扰对系统性能的影响，并观察在输入相同码率的NRZ 基带信号下，不同滤波器带宽对输出信号码间干扰大小的影响程度； 3、熟悉MATLAB 语言编程。 二、实验原理和电路说明 1、基带传输特性 基带系统的分析模型如图3-1所示，要获得良好的基带传输系统，就应该 图3-1 基带系统的分析模型 抑制码间干扰。设输入的基带信号为()n s n a t nT δ-∑，s T 为基带信号的码元周期，则经过 基带传输系统后的输出码元为 ()n s n a h t nT -∑。其中 1()()2j t h t H e d ωωωπ +∞ -∞ = ? （3-1） 理论上要达到无码间干扰，依照奈奎斯特第一准则，基带传输系统在时域应满足： 10()0,s k h kT k =?=? ? ， 为其他整数 (3-2) 频域应满足： ()0,s s T T H πωωω? ≤ ?=? ?? ，其他 (3-3)
图3-2 理想基带传输特性 此时频带利用率为2/Baud Hz ,这是在抽样值无失真条件下，所能达到的最高频率利用率。 由于理想的低通滤波器不容易实现，而且时域波形的拖尾衰减太慢，因此在得不到严格 定时时，码间干扰就可能较大。在一般情况下，只要满足： 222(),s i s s s s i H H H H T T T T T ππ π π ωωωωω?????? +=-+++=≤ ? ? ??????? ∑ (3-4) 基带信号就可实现无码间干扰传输。这种滤波器克服了拖尾太慢的问题。 从实际的滤波器的实现来考虑，采用具有升余弦频谱特性()H ω时是适宜的。 (1)(1)1sin (),2(1)()1,0(1) 0,s s s s s s T T T T H T T ππαπαωωαπαωωπαω???-+--≤≤??? ??? ?-? =≤≤?? ?+>? ?? (3-5) 这里α称为滚降系数，01α≤≤。 所对应的其冲激响应为： ()222sin cos()()14s s s s t T t T h t t t T T παππα= - (3-6) 此时频带利用率降为2/(1)Baud/Hz α+，这同样是在抽样值无失真条件下，所能达到的最 高频率利用率。换言之，若输入码元速率' 1/s s R T >，则该基带传输系统输出码元会产生码
眼图观测 实验目的 1、掌握眼图观测的方法。 2、掌握相关眼图的测量方法。 实验模块 1、通信原理0 号模块一块 2、通信原理11号模块一块 3、示波器一台 实验原理 在实际系统中，完全消除码间串扰是十分困难的，而码间串扰对误码率的影响目前尚无法找到数学上便于处理的统计规律，还不能进行准确计算。为了衡量基带传输系统的性能优劣，在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。 如果将输入波形输入示波器的Y轴，并且当示波器的水平扫描周期和码元定时同步时，在示波器上显示的图形很象人的眼睛，因此被称为眼图。二进制信号传输时的眼图只有一只“眼睛”，当传输三元码时，会显示两只“眼睛”。眼图是由各段码元波形叠加而成的，眼图中央的垂直线表示最佳抽样时刻，位于两峰值中间的水平线是判决门限电平。 图23-1 眼图的一般描述 在无码间串扰和噪声的理想情况下，波形无失真，“眼”开启得最大。当有码间串扰时，波形失真，引起“眼”部分闭合。若再加上噪声的影响，则使眼图的线条变得模糊，“眼”开启得小了，因此，“眼”张开的大小表示了失真的程度。由此可知，眼图能直观地表明码间串扰和噪声的影响，可评价一个基带传输系统性能的优劣。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。通常眼图可以用图7.6所示的图形来描述。由此图可以看出： 1）眼图张开的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样再生的时间间隔。显然，最佳抽样时刻应选在眼睛张开最大的时刻。 2）眼图斜边的斜率，表示系统对定时抖动（或误差）的灵敏度，斜边越陡，系统对定时抖动越敏感。 3）眼图左（右）角阴影部分的水平宽度表示信号零点的变化范围，称为零点失真量，在许多接收设备中，定时信息是由信号零点位置来提取的，对于这种设备零点失真量很重要。 4）在抽样时刻，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量。
随机信号分析 实验报告 目录 随机信号分析 (1) 实验报告 (1) 理想白噪声和带限白噪声的产生与测试 (2) 一、摘要 (2) 二、实验的背景与目的 (2) 背景： (2) 实验目的: (2) 三、实验原理 (3) 四、实验的设计与结果 (4) 实验设计: (4) 实验结果: (5) 五、实验结论 (12) 六、参考文献 (13) 七、附件 (13) 1
理想白噪声和带限白噪声的产生与测试一、摘要 本文通过利用MATLAB软件仿真来对理想白噪声和带限白噪声进行研究。理想白噪声通过低通滤波器和带通滤波器分别得到低通带限白噪声和帯通带限白噪声。在仿真的过程中我们利用MATLAB工具箱中自带的一些函数来对理想白噪声和带限白噪声的均值、均方值、方差、功率谱密度、自相关函数、频谱以及概率密度进行研究，对对它们进行比较分析并讨论其物理意义。 关键词：理想白噪声带限白噪声均值均方值方差功率谱密度自相关函数、频谱以及概率密度 二、实验的背景与目的 背景： 在词典中噪声有两种定义：定义1：干扰人们休息、学习和工作的声音，引起人的心理和生理变化。定义2：不同频率、不同强度无规则地组合在一起的声音。如电噪声、机械噪声，可引伸为任何不希望有的干扰。第一种定义是人们在日常生活中可以感知的，从感性上很容易理解。而第二种定义则相对抽象一些，大部分应用于机械工程当中。在这一学期的好几门课程中我们都从不同的方面接触到噪声，如何的利用噪声，把噪声的危害减到最小是一个很热门的话题。为了加深对噪声的认识与了解，为后面的学习与工作做准备，我们对噪声进行了一些研究与测试。 实验目的: 了解理想白噪声和带限白噪声的基本概念并能够区分它们，掌握用MATLAB 或c/c++软件仿真和分析理想白噪声和带限白噪声的方法，掌握理想白噪声和带限白噪声的性质。
数字基带信号的眼图实验——matlab 仿真 一、实验目的 1、掌握无码间干扰传输的基本条件和原理，掌握基带升余弦滚降系统的实现方法； 2、通过观察眼图来分析码间干扰对系统性能的影响，并观察在输入相同码率的NRZ 基带信号下，不同滤波器带宽对输出信间干扰大小的影响程度； 3、熟悉MATLAB 语言编程。 二、实验预习要求 1、复习《数字通信原理》第七章7.1节——奈奎斯特第一准则容； 2、复习《数字通信原理》第七章7.2节——数字基带信型容； 3、认真阅读本实验容，熟悉实验步骤。 三、实验原理和电路说明 1、基带传输特性 基带系统的分析模型如图3-1所示，要获得良好的基带传输系统，就应该 图3-1 基带系统的分析模型 抑制码间干扰。设输入的基带信号为 ()n s n a t nT δ-∑，s T 为基带信号的码元周期，则经过基带传输系统后的输出码元为()n s n a h t nT -∑。其中 1()()2j t h t H e d ωωωπ+∞-∞=? （3-1） 理论上要达到无码间干扰，依照奈奎斯特第一准则，基带传输系统在时域应满足： 10()0,s k h kT k =?=?? ，为其他整数 (3-2) 频域应满足：
()0,s s T T H πωωω?≤?=??? ，其他 (3-3) 图3-2 理想基带传输特性 此时频带利用率为2/Baud Hz ,这是在抽样值无失真条件下，所能达到的最高频率利用率。 由于理想的低通滤波器不容易实现，而且时域波形的拖尾衰减太慢，因此在得不到严格定时时，码间干扰就可能较大。在一般情况下，只要满足： 222(),s i s s s s i H H H H T T T T T ππππ ωωωωω??????+=-+++=≤ ? ? ???????∑ (3-4) 基带信号就可实现无码间干扰传输。这种滤波器克服了拖尾太慢的问题。 从实际的滤波器的实现来考虑，采用具有升余弦频谱特性()H ω时是适宜的。 (1)(1)1sin (),2(1)()1,0(1)0,s s s s s s T T T T H T T ππαπαωωαπαωωπαω???-+--≤≤???????-?=≤≤???+>??? (3-5) 这里α称为滚降系数，01α≤≤。 所对应的其冲激响应为： ()222sin cos()()14s s s s t T t T h t t t T T παππα=- (3-6)
信号完整性背景 信号完整性问题引起人们的注意，最早起源于一次奇怪的设计失败现象。当时，美国硅谷一家著名的影像探测系统制造商早在7 年前就已经成功设计、制造并上市的产品，却在最近从生产线下线的产品中出现了问题，新产品无法正常运行，这是个20MHz 的系统设计，似乎无须考虑高速设计方面的问题，更为让产品设计工程师们困惑的是新产品没有任何设计上的修改，甚至采用的元器件型号也与原始设计的要求一致，唯一的区别是 IC 制造技术的进步，新采购的电子元器件实现了小型化、快速化。新的器件工艺技术使得新生产的每一个芯片都成为高速器件，也正是这些高速器件应用中的信号完整性问题导致了系统的失败。随着集成电路(IC)开关速度的提高，信号的上升和下降时间迅速缩减，不管信号频率如何，系统都将成为高速系统并且会出现各种各样的信号完整性问题。在高速PCB 系统设计方面信号完整性问题主要体现为：工作频率的提高和信号上升/下降时间的缩短，会使系统的时序余量减小甚至出现时序方面的问题；传输线效应导致信号在传输过程中的噪声容限、单调性甚至逻辑错误；信号间的串扰随着信号沿的时间减少而加剧；以及当信号沿的时间接近0.5ns 及以下时，电源系统的稳定性下降和出现电磁干扰问题。
信号完整性含义 信号完整性(Signal Integrity)简称SI，指信号从驱动端沿传输线到达接收端后波形的完整程度。即信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达IC，则该电路具有较好的信号完整性。反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。从广义上讲，信号完整性问题指的是在高速产品中由互连线引起的所有问题，主要表现为五个方面:
随机信号分析实验报告 ——基于MATLAB语言 姓名： _ 班级： _ 学号： 专业：
目录 实验一随机序列的产生及数字特征估计 (2) 实验目的 (2) 实验原理 (2) 实验内容及实验结果 (3) 实验小结 (6) 实验二随机过程的模拟与数字特征 (7) 实验目的 (7) 实验原理 (7) 实验内容及实验结果 (8) 实验小结 (11) 实验三随机过程通过线性系统的分析 (12) 实验目的 (12) 实验原理 (12) 实验内容及实验结果 (13) 实验小结 (17) 实验四窄带随机过程的产生及其性能测试 (18) 实验目的 (18) 实验原理 (18) 实验内容及实验结果 (18) 实验小结 (23) 实验总结 (23)
实验一随机序列的产生及数字特征估计 实验目的 1.学习和掌握随机数的产生方法。 2.实现随机序列的数字特征估计。 实验原理 1.随机数的产生 随机数指的是各种不同分布随机变量的抽样序列（样本值序列）。进行随机信号仿真分析时，需要模拟产生各种分布的随机数。 在计算机仿真时，通常利用数学方法产生随机数，这种随机数称为伪随机数。伪随机数是按照一定的计算公式产生的，这个公式称为随机数发生器。伪随机数本质上不是随机的，而且存在周期性，但是如果计算公式选择适当，所产生的数据看似随机的，与真正的随机数具有相近的统计特性，可以作为随机数使用。 (0,1)均匀分布随机数是最最基本、最简单的随机数。(0,1)均匀分布指的是在[0,1]区间上的均匀分布， U(0,1)。即实际应用中有许多现成的随机数发生器可以用于产生(0,1)均匀分布随机数，通常采用的方法为线性同余法，公式如下： y0=1，y n=ky n(mod N) ? x n=y n N 序列{x n}为产生的(0,1)均匀分布随机数。 定理1.1若随机变量X 具有连续分布函数F x(x)，而R 为(0,1)均匀分布随机变量，则有 X=F x?1(R) 2.MATLAB中产生随机序列的函数 (1)(0,1)均匀分布的随机序列函数：rand 用法：x = rand(m,n) 功能：产生m×n 的均匀分布随机数矩阵。 (2)正态分布的随机序列 函数：randn 用法：x = randn(m,n) 功能：产生m×n 的标准正态分布随机数矩阵。 如果要产生服从N(μ,σ2)分布的随机序列，则可以由标准正态随机序列产生。 (3)其他分布的随机序列 分布函数分布函数 二项分布binornd 指数分布exprnd 泊松分布poissrnd 正态分布normrnd 离散均匀分布unidrnd 瑞利分布raylrnd 均匀分布unifrnd X2分布chi2rnd 3.随机序列的数字特征估计 对于遍历过程，可以通过随机序列的一条样本函数来获得该过程的统计特征。这里我们假定随机序列X(n)为遍历过程，样本函数为x(n)，其中n=0,1,2,……N-1。那么，
信号完整性分析基础系列之一_——关于眼图测量(全) 您知道吗？眼图的历史可以追溯到大约47年前。在力科于2002年发明基于连续比特位的方法来测量眼图之前，1962年-2002的40年间，眼图的测量是基于采样示波器的传统方法。 您相信吗？在长期的培训和技术支持工作中，我们发现很少有工程师能完整地准确地理解眼图的测量原理。很多工程师们往往满足于各种标准权威机构提供的测量向导，Step by Step，满足于用“万能”的Sigtest软件测量出来的眼图给出的Pass or Fail结论。这种对于Sigtest 的迷恋甚至使有些工程师忘记了眼图是可以作为一项重要的调试工具的。 在我2004年来力科面试前，我也从来没有听说过眼图。那天面试时，老板反复强调力科在眼图测量方面的优势，但我不知所云。之后我Google“眼图”，看到网络上有限的几篇文章，但仍不知所云。刚刚我再次Google“眼图”，仍然没有找到哪怕一篇文章讲透了眼图测量。 网络上搜到的关于眼图的文字，出现频率最多的如下，表达得似乎非常地专业，但却在拒绝我们的阅读兴趣。 “在实际数字互连系统中，完全消除码间串扰是十分困难的，而码间串扰对误码率的影响目前尚无法找到数学上便于处理的统计规律，还不能进行准确计算。为了衡量基带传输系统的性能优劣，在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。 如果将输入波形输入示波器的Y轴，并且当示波器的水平扫描周期和码元定时同步时，适当调整相位，使波形的中心对准取样时刻，在示波器上显示的图形很象人的眼睛，因此被称为眼图（Eye Map）。 二进制信号传输时的眼图只有一只“眼睛”，当传输三元码时，会显示两只“眼睛”。眼图是由各段码元波形叠加而成的，眼图中央的垂直线表示最佳抽样时刻，位于两峰值中间的水平线是判决门限电平。 在无码间串扰和噪声的理想情况下，波形无失真，每个码元将重叠在一起，最终在示波器上看到的是迹线又细又清晰的“眼睛”，“眼”开启得最大。当有码间串扰时，波形失真，码元不完全重合，眼图的迹线就会不清晰，引起“眼”部分闭合。若再加上噪声的影响，则使眼图的线条变得模糊，“眼”开启得小了，因此，“眼”张开的大小表示了失真的程度，反映了码间串扰的强弱。由此可知，眼图能直观地表明码间串扰和噪声的影响，可评价一个基带传输系统性能的优劣。另外也可以用此图形对接收滤波器的特性加以调整，以减小码间串扰和改善系统的传输性能。通常眼图可以用下图所示的图形来描述，由此图可以看出：（1）眼图张开的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样再生的时间间隔。显然，最佳抽样时刻应选在眼睛张开最大的时刻。 （2）眼图斜边的斜率，表示系统对定时抖动（或误差）的灵敏度，斜率越大，系统对定时抖动越敏感。