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信号完整性分析及其在高速数字电路设计中的应用

信号完整性分析及其在高速数字电路设计中的应用
信号完整性分析及其在高速数字电路设计中的应用

高速数字信号的信号完整性分析

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

五款信号完整性仿真工具介绍

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

于博士信号完整性分析入门-初稿

于博士信号完整性分析入门 于争博士 https://www.doczj.com/doc/f93264160.html, 整理:runnphoenix

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

信号分析与处理答案第二版完整版

信号分析与处理答案第 二版 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】

第二章习题参考解答 求下列系统的阶跃响应和冲激响应。 (1) 解当激励为时,响应为,即: 由于方程简单,可利用迭代法求解: ,, …, 由此可归纳出的表达式: 利用阶跃响应和冲激响应的关系,可以求得阶跃响应: (2) 解 (a)求冲激响应 ,当时,。 特征方程,解得特征根为。所以: …(2.1.2.1) 通过原方程迭代知,,,代入式(2.1.2.1)中得:解得,代入式(2.1.2.1): …(2.1.2.2) 可验证满足式(2.1.2.2),所以: (b)求阶跃响应 通解为 特解形式为,,代入原方程有,即 完全解为 通过原方程迭代之,,由此可得 解得,。所以阶跃响应为: (3)

解 (4) 解 当t>0时,原方程变为:。 …(2.1.3.1) …(2.1.3.2) 将(2.1.3.1)、式代入原方程,比较两边的系数得: 阶跃响应: 求下列离散序列的卷积和。 (1) 解用表 格法求 解 (2) 解用表 格法求 解 (3) 和 如题图2.2.3所示 解用表 格法求 解

(4) 解 (5) 解 (6) 解参见右图。 当时: 当时: 当时: 当时: 当时: (7) , 解参见右图: 当时: 当时: 当时: 当时: 当时: (8) ,解参见右图

当时: 当时: 当时: 当时: (9) , 解 (10) , 解 或写作:

求下列连续信号的卷积。 (1) , 解参见右图: 当时: 当时: 当时: 当时: 当时: 当时: (2) 和如图2.3.2所示 解当时: 当时: 当时: 当时: 当时: (3) , 解 (4) , 解 (5) , 解参见右图。当时:当时: 当时:

高速电路中的信号完整性问题

高速电路中的信号完整性问题 许致火 (07级信号与信息处理 学号 307081002025) 1 信号完整性问题的提出 一般来讲,传统的低频电路设计对于电子工程师并不是多么复杂的工作。因为在低于30MHz的系统中并不要考虑传输线效应等问题,信号特性保持完好使得系统照常能正常工作。但是随着人们对高速实时信号处理的要求,高频信号对系统的设计带来很大的挑战。电子工程师不仅要考虑数字性能还得分析高速电路中各种效应对信号原来 面目影响的问题。 输入输出的信号受到传输线效应严重的影响是我们严峻的挑战 之一。在低频电路中频率响应对信号影响很小,除非是传输的媒介的长度非常长。然而伴随着频率的增加,高频效应就显而易见了。对于一根很短的导线也会受到诸如振玲、串扰、信号反射以及地弹的影响,这些问题严重地损害了信号的质量,也就是导致了信号完整性性能下降。 2 引起信号完整性的原因 2.1 传输线效应 众所周知,传输线是用于连接发送端与接收段的连接媒介。传统的比如电信的有线线缆能在相当长的距离范围内有效地传输信号。但是高速的数字传输系统中,即使对于PCB电路板上的走线也受到传输线效应的影响。如图1所示,对于不同高频频率的PCB板上的电压分布是不同的。 图 1 PCB在不同频率上的电压波动

因为低频电路可以看成是一个没有特性阻抗、电容与电感寄生效应的理想电路。高速电路中高低电平的快速切换使得电路上的走线要看成是阻抗、电容与电感的组合电路。其等效电路模型如图2所示。导线的阻抗是非常重要的概念,一旦传输路径上阻抗不匹配就会导致信号的质量下降。 图 2 传输线等效电路模型 由图2的模型可得电报方程: 2.2 阻抗不匹配情况 信号源输出阻抗(Zs)、传输线上的阻抗(Zo)以及负载的阻抗(ZL)不相等时,我们称该电流阻抗不匹配。也这是说信号源的能量没有被负载全部吸收,还有一部分能量被反射回信号源方向了。反射后又被信号源那端反射给负载,除了吸收一部分外,剩下的又被反射回去。这个过程一直持续,直到能量全部被负载吸收。这样就会出现过冲与下冲(Overshoot/Undershoot)、振铃(ring)、阶梯波形(Stair-step Waveform)现象,这些现象的产生导致信号出现错误。 当传输媒介的特性阻抗与负载终端匹配时,阻抗就匹配了。对于PCB板来说,我们可以选取合适的负载终端策略及谨慎地选择传输介

高速数字系统的信号完整性和辐射发射

高速数字系统的信号完整性和辐射发射目录: 1数字系统中的信号完整性和辐射发射概述 1.1电源和信号完整性 1.1.1电源分布网络 1.1.2信号分布网络 1.1.3噪声的限制和特征阻抗的设计 1.2辐射发射 1.2.1辐射发射源的定义 1.2.2辐射发射标准 1.2.3实际系统的辐射发射 1.3信号和逻辑器件 1.3.1过冲、下冲和稳定状态 1.3.2噪声抗扰度 1.3.3时序参数 1.3.4眼图 1.4数字系统的建模 1.4.1数学工具 1.4.2Spice-like电路仿真器 1.4.3全波数值工具 1.4.4专业仿真器 参考文献 2高速数字器件 2.1输入输出静态特性 2.1.1电流和电压规范 2.1.2TTL器件 2.1.3CMOS器件 2.1.4ECL器件 2.1.5LVDS器件 2.1.6逻辑器件的功率和逻辑电平 2.2动态特性:门的延迟、上升和下降时间 2.3驱动器和接收器的建模 2.3.1驱动器模型的种类 2.3.2驱动器的开关电流路径 2.3.3驱动器的非线性性能模型 2.3.4接收器的非线性性能建模 2.4输入/输出缓冲器信息规范(IBIS)模型 2.4.1IBIS模型结构 2.4.2IBIS模型和SPICE 参考文献 3电感 3.1环路电感 3.1.1耦合环路的电感 3.1.2细导线电路的电感

3.1.3两个耦合环路的等效电路 3.1.4具有一个参考返回导体的两个耦合导体的L矩阵 3.1.5三导体导线型传输线L的计算 3.1.6和频率相关的内部电感 3.2部分电感 3.2.1耦合环路的部分电感 3.2.2细导线分段的部分电感的通量面积 3.2.3分解成部分电感的环路电感 3.2.4部分自电感和部分互电感 3.2.5两个平行导体之间的电感 3.2.6由部分电感计算环路的电感矩阵 3.2.7与有限接地平面相关的部分电感 3.2.8解决PCB上的电感问题 3.3差模和共模电感 3.3.1差模电感 3.3.2共模电感 参考文献 4电容 4.1导体间的电容 4.1.1电容的定义 4.1.2具有参考返回导体的两耦合导体的部分电容和电容矩阵4.1.3具有参考返回导体的n个耦合导体的电容矩阵 4.2差模和共模电容 4.2.1差模电容 4.2.2共模电容 参考文献 5信号线上的反射 5.1互连线的电参数 5.1.1典型的互连线 5.1.2短互连线的等效电路 5.1.3无耗传输线 5.1.4使用部分电感建模传输线 5.2无耗传输线上的入射波和反射波 5.2.1阻性不连续 5.2.2容性不连续 5.2.3端接阻性负载的互连线上反射 5.2.4互连线的临界长度 5.2.5反射计算的梯格图 5.2.6无耗传输线的精确模型 5.2.7传输线电压的图解法 5.3信号分布的架构 5.3.1点到点结构 5.3.2星型结构 5.3.3链状结构

信号完整性分析基础系列之一——眼图测量

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

信号完整性高速互连综述

信号完整性中抖动、噪声研究和发展

信号完整性中抖动、噪声研究和发展 1 引言 随着现代电子产品的开发周期越来越短,工作频率越来越高,尺寸越来越小,产品结构越来越复杂,数字技术的发展日新月异。在20世纪90初,几十兆主 频的X86还是很新鲜的事物,而到如今,频率高达3GHZ的CPU已成为个人电脑的标准配置[1]。手机处理器在10年前ARM7主频还是20MHz,而到了现在2GHz、多核的手机处理器在移动设备上广泛的被应用。处理器遵循着摩尔定律开速的 发展,主频从数十MHz上升到现在的3GHz只用了20年的时间。而在数字产品中,随着工艺的不断改进提升,20前的制造工艺还是微米数量级,而现在已经 步入到了14纳米级工艺。 可见如今的数字电路设计中,芯片的趋势——处理速度越来越快,面积越 来越小,密度却越来越大。数字电路系统的信号速率、时钟频率和集成电路开 关速度[2]的持续增加。这在给广大用户带来更好体验,更便捷应用的同时,也给数字设计者提出了巨大的挑战[3]。信号完整性对于高速电路板和深亚微米(低于0.35微米)芯片设计都是需要考虑的问题[4]。以前在低速设计中可以应 用的方法,在高速电路设计中就编的举步维艰、寸步难行;理论上在设计方法 上应该是正确的,但在实践中却达不到理想的效果。这就涉及到了高速数字电 路设计的问题。I/O速度的提高使得链路总的可用最大抖动预算——单元区间(UI)必将相应的减小。而为了保证设计的整个链路系统有比较好的误码率, 面临的最大挑战就是降低抖动。特征尺寸减小带来的另一个严峻挑战就是功率 损耗和功率密度必须小于某一约束限度,或者说就是使用低功耗设计。 关于抖动的话题对于通信系统的合理设计变得越来越重要,如今,一个通 讯系统的时钟抖动已经成为了影响系统性能的基本限制。时钟抖动的范围与当 今高速串行总线紧密相关,并且数据连接在数字电路系统的设计中,对抖动的 严加控制是必须解决的问题。这是在这种情况下,抖动成为了高速数字通信系 统中,电路设计的一个基本指标。认识什么是抖动,如何描述抖动,成为配置 一个满足性能要求的高速数字系统必不可少的一步。

五款信号完整性仿真分析工具

SI 五款信号完整性仿真工具介绍 (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,An soft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: Slwave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 (二)SPECCTRAQuest Cade nee的工具采用Sun的电源层分析模块: Cade nee Design System 的SpeeetraQuest 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

于博士信号完整性分析入门(修改)

于博士信号完整性分析入门 于争 博士 https://www.doczj.com/doc/f93264160.html, for more information,please refer to https://www.doczj.com/doc/f93264160.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

高速信号与信号完整性分解

什么是高速数字信号? 高速数字信号由信号的边沿速度决定,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,而高频信号是针对信号频率而言的。高速电路涉及信号分析、传输线、模拟电路的知识。错误的概念是:8KHz帧信号为低速信号。多高的频率才算高速信号? 当信号的上升/下降沿时间< 3~6倍信号传输时间时,即认为是高速信号. 对于数字电路,关键是看信号的边沿陡峭程度,即信号的上升、下降时间,信号从10%上升到90%的时间小 于6倍导线延时,就是高速信号! 即使8KHz的方波信号,只要边沿足够陡峭,一样是高速信号,在布线时需要使用传输线理论。 信号完整性研究:什么是信号完整性? 时间:2009-03-11 20:18来源:sig007 作者:于博士点击:1813次 信号完整性主要是指信号在信号线上传输的质量,当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收芯片管脚时,该电路就有很好的信号完整性。当信号不能正常响应或者信号质量不能使系统长期稳定工作时,就出现了信号完整性问题,信号完整性主要表现在延迟、反射、串扰、时序、振荡等几个方面。一般认为,当系统工作在50MHz时,就会产生信号完整性问题,而随着系统和器件频率的不断攀升,信号完整性的问题也就愈发突出。元器件和PCB板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等 这些问题都会引起信号完整性问题,导致系统工作不稳定,甚至完全不能正常工作。 1、什么是信号完整性(Singnal Integrity)? 信号完整性(Singnal Integrity)是指一个信号在电路中产生正确的相应的能力。信号具有良好的信号完整性(Singnal Integrity)是指当在需要的时候,具有所必须达到的电压电平数值。主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。常见信号完整性问题及解决方法: 问题可能原因解决方法其他解决方法 过大的上冲终端阻抗不匹配终端端接使用上升时间缓慢的驱动源 直流电压电平不好线上负载过大以交流负载替换直流负载在接收端端接,重新布线或检查地平面

信号完整性分析基础系列之二十四

信号完整性分析基础系列之二十四——关于抖动(上) 美国力科公司深圳代表处汪进进 写在前面的话 抖动话题是示波器测量的最高境界,也是最风云变换的一个话题,这是因为抖动是示波器测量的诸多功能中最和“数学”相关的。玩数学似乎是需要一定境界的。 “力科示波器是怎么测量抖动的?”,“这台示波器抖动测量准不准?”,“时钟抖动和数据抖动测量方法为什么不一样?”,“总体抖动和峰峰值抖动有什么区别? ”,“余辉方法测量抖动不是最方便吗?”,“抖动和眼图,浴盆曲线之间是什么?”,…… 关于抖动的问题层出不穷。这么多年来,在完成了“关于触发(上)、(下)”和“关于眼图(上)、(下)”,“关于S参数(上)(下)”等三篇拙作后,我一直希望有一篇“关于抖动”的文章问世,但每每下笔又忐忑而止,怕有谬误遗毒。今天,当我鼓起勇气来写关于抖动的时候,我需要特别说明,这是未定稿,恳请斧正。 抖动和波形余辉的关系 有一种比较传统的测量抖动的方法,就是利用余辉来查看信号边沿的变化,然后再用光标测量变化的大小(如图1所示),后来更进了一步,可以利用示波器的“余辉直方图”和相关参数自动测量出余辉的变化范围,这样测量的结果就被称为“抖动”。这个方法是在示波器还没有“测量统计”功能之前的方法,但在90年代初力科发明了测量统计功能之后,这个方法就逐渐被淘汰了。 图1 传统的抖动测量方法 这种传统的方法有下面这些缺点:(1)总会引入触发抖动,因此测量的结果很不准确。(2)只能测量某种参数的抖动,譬如触发上升沿,测量下降沿的余辉变化,反应了宽度的抖动,触发上升沿,测量相邻的上升沿的余辉变化,反应了周期的抖动。显然还有很多类型的抖动特别是最重要的TIE抖动无法测量出来。(3)抖动产生的因果关系的信息也无从得知。 定义抖动的四个维度 和抖动相关的名词非常多:时钟抖动,数据抖动; 周期抖动,TIE抖动,相位抖动,cycle-cycle抖动; 峰峰值抖动(pk-pk jitter),有效值抖动(rms jitter);总体抖动(Tj),随机抖动(Rj),固有抖动(Dj);周期性抖动,DCD抖动,ISI抖动,数据相关性抖动; 定时抖动,基于误码率的抖动; 水平线以上的抖动和水平线以下的抖动…… 这些名词反应了定义抖动的不同维度。 回到“什么是抖动”的定义吧。其实抖动的定义一直没有统一,这可能也是因为需要表达清楚这个概念的维度比较多的原因。目前引用得比较多的定义是: Jitter is defined as the short-term variations of a digital signal’s significant instants from their ideal positions in time. 就是说抖动是信号在电平转换时,其边沿与理想位置之间的偏移量。如图2所示,红色的是表示理想信号,实际信号的边沿和红色信号边沿之间的偏差就是抖动。什么是“理想位置”,“理想位置”是怎么得到的?这是被问到后最不好回答的问题。

信号完整性与高速PCB设计课程报告pdf

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 信号完整性与高速P C B设 计课程报告 院系:航天学院 班级: 1021202 姓名:凌霄飞鸿 学号: 任课教师:老师 哈尔滨工业大学 2012年

信号完整性与高速PCB设计 任课老师:老师 凌霄飞鸿 1.课程概述与心得体会: 随着系统设计复杂性和集成度的大规模提高,电子系统设计师们正在从事100MHZ以上的电路设计,总线的工作频率也已经达到或者超过50MHZ,有的甚至超过100MHZ。目前约50% 的设计的时钟频率超过50MHz,将近20% 的设计主频超过120MHz。 当系统工作在50MHz时,将产生传输线效应和信号的完整性问题;而当系统时钟达到120MHz时,除非使用高速电路设计知识,否则基于传统方法设计的PCB将无法工作。因此,高速电路设计技术已经成为电子系统设计师必须采取的设计手段。只有通过使用高速电路设计师的设计技术,才能实现设计过程的可控性。 印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系,这里仅就PCB抗干扰设计的几项常用措施做一些说明。 1.电源线设计 根据印制线路板电流的大小,尽量加粗电源线宽度,减少环路电阻。同时,使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力。 2.地线设计 在电子产品设计中,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。电子产品中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点:(1)正确选择单点接地与多点接地 在低频电路中,信号的工作频率小于1MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地的方式。当信号工作频率大于10MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。当工作频率在1~10MHz时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的1/20,否则应采用多点接地法。 (2)数字地与模拟地分开。 电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。低频电路的地应尽量采用单点并联接地,实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地,地线应短而粗,高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。要尽量加大线性电路的接地面积。 (3)接地线应尽量加粗。 若接地线用很细的线条,则接地电位则随电流的变化而变化,致使电子产品的定时信号电平不稳,抗噪声性能降低。因此应将接地线尽量加粗,使它能通过三倍于印制电路板的允许电流。如有可能,接地线的宽度应大于3mm。 (4)接地线构成闭环路。 设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时,将接地线做成闭路可以明显地提高抗噪声能力。其原因在于:印制电路板上有很多集成电路元件,尤其遇

信号完整性分析基础之八——抖动的频域分析

在上两篇文章中,我们分别介绍了直方图(统计域分析)和抖动追踪(时域分析)在抖动分析中的应用。从抖动的直方图和抖动追踪波形上我们可以得到抖动的主要构成成分以及抖动参数的变化趋势。如需对抖动的构成做进一步的分析,还需要从频域角度去进一步分析抖动的跟踪波形。 抖动的频谱即是对抖动追踪(jitter track)波形做FFT运算。如下图1所示 为一个时钟周期测量参数的追踪、频谱分析步骤及效果,在抖动频谱图上可以清楚的看出某两个频率值点抖动比较大: 图1 抖动频谱 黄色为实际采集到的时钟波形(C1通道) P1测量C1通道时钟信号的时钟周期 F7函数对P1测量参数进行跟踪 F6对F7进行FFT分析 下图2所示为一典型的串行信号抖动追踪频谱图,从图中可看出各种抖动成分;DDj和Pj为窄带频谱(三角形谱或者谱线)但是DDj和Pj的区别是由于DDj是和码型相关的,其频率fDDJ一般会是数据位率的整数倍,如果Pj的频率fPJ正好等于fDDJ,那么从抖动的频谱图里面是很难将DDj和Pj精确的分开的,所以通常在抖动分解的过程中一般通过时域平均的方法来分解DDj;BUj主要由于串扰等因素引起的,一般分为两种,一种是窄带,但幅度较高,很显然这类BUJ也是很难和PJ区分开的,除非我们知道引起BUJ的源头,知道其频率,所以说我们在抖动测试时得到的PJ一般会包含这类BUJ(所以通常情况下对这类BUJ不加区分,直接算做PJ,而将BUJ分类为PJ和OBUJ,在之前的抖动分类文章中有提及);另外一类是宽带的BUJ(很多时候也叫OBUJ,other bounded uncorrelated jitter),幅度很小,基本会埋没到RJ中去,这类抖动很容易被误算作RJ,目前使用在示波器上的抖动分解软件只有Lecroy最近推出的SDAII(基于NQ-SCALE抖动分解理论)能够较好的将这类抖动从Rj中剥离出来;RJ是 宽带频谱,幅度很小。

高速数字电路设计与实现-Read

高速数字电路设计与实现 ?高速数字电路简介 ?信号完整性 ?电路的调试与测试 ?电路板级设计 1、高速数字电路简介 ?电磁继电器、电子管、晶体管、集成电路 ?空中飞线连接、单面敷铜板、双层电路板、多层电路板 ?从数字电路的发展来看,高速是电路发展的趋势 ?高速数字设计和低速数字设计相比最大差异在于无源元件的行为。这些无源元件包括导线、电路板、集成电路的封装和电路板上的过孔等等。 ?在低速电路中,无源电路元件仅有封装部分对电路造成部分的影响 ?在高速电路中,所有无源电路元件都影响电路的性能。 ?高速数字设计就是研究这些无源电路元件对电路造成的各种影响,如:对信号传输的影响(振铃和反射),信号间的相互作用(串扰),和自然界的相互作用(电磁干扰)等等 ?到底多高的速度才能称为高速? –目前还没有一个权威的频率界限,工程上一般认为超过30MHz就是高速电路,也有的人认为是25MHz 或50MHz。 –然而在高速电路的设计中,我们更关心的是信号的上升、下降时间。对于频率不高,但是边沿陡峭的信号仍然会存在某些高频信号的特性。 –由于频率较高的信号边沿必定很陡,所以通常把这二者混为一谈。 ?而在高速电路中,由于时钟速率的提高,电路中的连线不能够再被当作理想导线,应该看成是传输线, 电路通常需要用分布参数模型来分析 ?工程上一般认为,对于印刷电路板上的走线或点对点的电导线长度只要大于上升沿长度的1/6,电路就体现出分布参数特性。 2、信号完整性 ?由集成电路芯片构成的电子系统更是朝着大规模、小体积、高速度的方向发展的。 ?信号完整性(Signal Integrity,简称SI)是指在信号线上的信号质量,即实际传输信号与理想信号的一致

信号完整性分析

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:

信号完整性分析基础系列之一__关于眼图测量(全)

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。

语音信号分析与处理系统设计

语音信号分析与处理系统设计

语音信号分析与处理系统设计 摘要 语音信号处理是研究用数字信号处理技术和语音学知识对语音信号进行处理的新兴的学科,是目前发展最为迅速的信息科学研究领域的核心技术之一。通过语音传递信息是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信息形式。 Matlab语言是一种数据分析和处理功能十分强大的计算机应用软件,它可以将声音文件变换为离散的数据文件,然后利用其强大的矩阵运算能力处理数据,如数字滤波、傅里叶变换、时域和频域分析、声音回放以及各种图的呈现等,它的信号处理与分析工具箱为语音信号分析提供了十分丰富的功能函数,利用这些功能函数可以快捷而又方便地完成语音信号的处理和分析以及信号的可视化,使人机交互更加便捷。信号处理是Matlab重要应用的领域之一。 本设计针对现在大部分语音处理软件内容繁多、操作不便等问题,采用MATLAB7.0综合运用GUI界面设计、各种函数调用等来实现语音信号的变频、变幅、傅里叶变换及滤波,程序界面简练,操作简便,具有一定的实际应用意义。 最后,本文对语音信号处理的进一步发展方向提出了自己的看法。 关键字:Matlab;语音信号;傅里叶变换;信号处理;

目录 1 绪论 (1) 1.1课题背景及意义 (1) 1.2国内外研究现状 (1) 1. 3本课题的研究内容和方法 (2) 1.3.1 研究内容 (2) 1.3.2 运行环境 (2) 1.3.3 开发环境 (2) 2 语音信号处理的总体方案 (3) 2.1 系统基本概述 (3) 2.2 系统基本要求 (3) 2.3 系统框架及实现 (3) 2.4系统初步流程图 (4) 3 语音信号处理基本知识 (6) 3.1语音的录入与打开 (6) 3.2采样位数和采样频率 (6) 3.3时域信号的FFT分析 (6) 3.4数字滤波器设计原理 (7) 3.5倒谱的概念 (7) 4 语音信号处理实例分析 (8) 4.1图形用户界面设计 (8) 4.2信号的采集 (8) 4.3语音信号的处理设计 (8) 4.3.1 语音信号的提取 (8) 4.3.2 语音信号的调整 (10)

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