信号完整性分析基础之六--直方图在抖动分析中的应用
信号完整性分析基础之六--直方图在抖动分析中的应用
直方图（Histogram）也叫柱状图，它是用一系列宽度相等、高度不等的长方形表示数据的图，如图1(a)所示，长方形的宽度表示数据范围的间隔，长方
形的高度表示在给定间隔内的数据数量。
在统计学上这是很常用的用来表示样
本各组概率分布的一种直观的图表。
如果样本容量取得足够大，分组的间隔取
得足够小，柱状的直方图就会变成曲线图（图1 b）。
这条较为平滑的曲线就是样本总体的密度曲线。
它揭示了样本的分布规律。
图1 什么是直方图直方图描绘了数据或者参数值在一个确定范围内出现的概率（如图2），直观的显示了
参数的波动状态。
在用示波器对波形参数进行测量时，我们可以利用直方图，
根据测量结果的统计分析确定产品的一些关键指标，通过大量数据样本的数值
范围和分布情况可以验证产品的性能和质量并识别和诊断一些间歇性的问题。
尤其是对于随机事件（如噪声或抖动）的了解，它是一个很好的工具。
由于在
抖动分析中所有信号均包含有随机成分的抖动，因此必须采用统计的手段来分
析和检定抖动，而直方图就是最常用的统计分析工具，所以说直方图是抖动分
析的基础。
图2 如何得到直方图2 如何得到直方图描述直方图的主要参数有平
均值（mean）、标准偏差（standard deviation）、样本峰-峰值和样本总量。
力科示波器包含了所有这些统计参数。
图3 示波器中的直方图与直方图参数3 示波
器中的直方图与直方图参数平均值是测得所有值的算术平均，表示测量值的最
佳估算结果，即图3 中的mean。
标准偏差是测量值偏离平均值的平均量，常用σ表示。
它决定了直方图的胖瘦，标准偏差越大，离散程度越大，图形
就越胖。
在力科示波器中用mean±sdev 表示直方图的标准偏差，如果
平均值为0，则标准偏差等于参数的均方根值（rms）。
直方图曲线描绘了某个
概率分布的概率密度函数（PDF），在数学模型中求这个概率密度函数定积分，。
第12章 信号完整性分析
• 信号基值（Signal Base Value）规则 • 信号基值与信号高电平是相对应的，它定义了线路上信号在低电平状 态下所允许的最大稳定电压值，也即是信号的最大基值，系统默认单 位是伏特，如图所示。
• 飞升时间的上升沿（Flight Time-Rising Edge）规则 • 飞升时间的上升沿定义了信号上升边沿允许的最大飞行时间，也即是 信号上升边沿到达信号设定值的50%时所需的时间，系统默认单位是 秒，如图所示。
• 信号下冲的上升沿（Undershoot-Rising Edge）规则 • 信号下冲的上升沿与信号下冲的下降沿是相对应的，它定义了信号上升边沿允许的 最大下冲值，也即信号上升沿上低于信号上位值的阻尼振荡，系统默认单位是伏特， 如图所示。
• 阻抗约束（Impedance）规则 • 阻抗约束定义了电路板上所允许的电阻的最大和最小值，系统默认单 位是欧姆。阻抗和导体的几何外观以及电导率，导体外的绝缘层材料 以及电路板的几何物理分布，也即导体间在Z平面域的距离相关。上 述的绝缘层材料包括板的基本材料、多层间的绝缘层以及焊接材料等。 • 信号高电平（Signal Top Value）规则 • 信号高电平定义了线路上信号在高电平状态下所允许的最小稳定电压 值，也即是信号上位值的最小电压，系统默认单位是伏特，如图所示。
5．“Period Time”：设置激励信号的周期。 设置激励信号的时间参数，在输入数值的同时，要注意添加时间单位， 以免设置出错。 • 信号过冲的下降沿（Overshoot-Falling Edge）规则 • 信号过冲的下降沿定义了信号下降边沿允许的最大过冲位，也即信号 下降沿上低于信号基值的最大阻尼振荡，系统默认单位是伏特，如图 所示。 • 信号过冲的上升沿（Overshoot-Rising Edge）规则 • 信号过冲的上升沿与信号过冲的下降沿是相对应的，它定义了信号上 升边沿允许的最大过冲值，也即信号上升沿上高于信号上位值的最大 阻尼振荡，系统默认单位是伏特，如图所示。 • 信号下冲的下降沿（Undershoot-Falling Edge）规则 • 信号下冲与信号过冲略有区别。信号下冲的下降沿定义了信号下降边 沿允许的最大下冲值，也即信号下降沿上高于信号基值的阻尼振荡， 系统默认单位是伏特，如图所示。
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for more information,please refer to 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。
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。
25. 信号传输中的时延抖动如何解决？
25. 信号传输中的时延抖动如何解决？25、信号传输中的时延抖动如何解决？在当今数字化的时代，信号传输扮演着至关重要的角色。
无论是我们日常的语音通话、视频会议，还是各种数据的传输，都依赖于稳定高效的信号传输。
然而，在这个过程中，时延抖动问题常常成为影响传输质量的一个关键因素。
那么，什么是时延抖动呢？简单来说，时延抖动指的是数据包在网络中传输时，到达接收端的时间间隔不是固定的，而是存在变化。
这种变化会导致接收端在处理数据时出现问题，比如音频的卡顿、视频的画面不连续等，严重影响用户体验。
造成时延抖动的原因是多种多样的。
网络拥塞就是其中一个常见的因素。
当网络中的数据流量过大，超过了网络的承载能力，数据包就会在路由器和交换机中排队等待处理，从而导致传输时间的变化。
不同的网络路径和传输介质也会引起时延抖动。
比如，通过卫星链路传输信号时，由于信号传播距离长，容易受到天气等因素的影响，从而产生较大的时延抖动。
为了解决信号传输中的时延抖动问题，我们可以采取多种方法。
首先，使用缓存技术是一种常见的应对策略。
在接收端设置适当大小的缓存区，当数据包到达时先存储在缓存中，然后按照固定的速率取出进行处理。
这样可以在一定程度上平滑时延的变化。
然而，缓存也不能设置得过大，否则会增加数据的处理延迟。
流量整形和拥塞控制机制也是重要的手段。
通过对发送端的数据流量进行控制，使其按照网络的承载能力进行发送，避免造成网络拥塞。
同时，网络中的路由器和交换机也可以采用拥塞控制算法，比如 TCP的拥塞控制机制，根据网络的拥塞情况调整数据包的发送速率。
另外，选择合适的传输协议也能有助于解决时延抖动问题。
例如，实时传输协议（RTP）通常用于实时多媒体数据的传输，它具有处理时延抖动的机制。
RTP 协议会在数据包中添加时间戳信息，接收端可以根据这些时间戳来对数据包进行重新排序和播放，从而减少时延抖动的影响。
在网络架构方面，优化网络拓扑结构和采用高质量的网络设备也能起到积极的作用。
通过眼图和BER测试分析高速串行链路的信号质量(完整版)
通过眼图和BER测试分析高速串行链路的信号质量作者：zeeshawn shameem MAXIN应用工程师无论是连接客户端路由器的千兆以太网接口，还是输出到显示器的低电压差分高清视频信号，在高速串行链路上获得无误码数据是一个巨大挑战。
从用户角度看，衡量数字通信系统的基本指标是误码率（BER），它从统计学角度提供了一个评估整体系统失真度的指标，但有效的BER测试非常复杂，是一件成本极其高昂的工作。
BER测试对于用户很有用，但对工程师查找出错原因毫无帮助。
眼图对于数字通信/网络工程师而言已经成为不可或缺的工具，特别是在数字示波器商用化以后。
眼图相对于BER测试的显著优势是能够发现问题的根源并进行改善。
眼图测试早期使用模拟示波器时，工程师利用不同的输入信号描述抖动变化。
目前的数字示波器增加了附加功能可完成这一测试。
Tektronix的CSA8000可以设置采样时间长度，产生时间抖动和幅度变化的直方图，列出每个参数的统计数据，如均值、中值和方差。
简而言之，它能提供足够的数据估算BER，CSA8000提供的规一化统计数据为高斯函数。
对于没有时序抖动的通道来说，每个间隔采样值的跳变点发生在同一时刻。
但是，由于存在抖动，跳变点会发生变化（图1）。
抖动包括随机性抖动（RJ）和确定性抖动（DJ）。
随机性抖动没有限制，可以用高斯随机变量描述。
产生确定性抖动的原因有很多，而且是有限的。
图1直方图是对总体抖动（TJ）的测量，它是随机性抖动和确定性抖动之和（TJ = RJ + DJ）。
可以采用不同技术分离抖动的随机成分，也可以部分地估算BER。
估算BER时要考虑随机抖动和确定抖动。
但是，利用眼图无法达到BER的测试精度，不能完全取代B ER测试。
利用眼图估计BER张开的眼图说明数据失码率较低，系统运行正常。
所以，理想眼图每次触发的采样值的跳变点发生在同一时刻。
功能上，可以用理想的脉冲描述这些要求（图2）。
随机抖动会导致跳变点随时间变化，可以用随机变量表示。
信号完整性测试PPT课件
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2020/5/30
测试能帮我们做些什么？
▪ 验证
–验证我们的硬件设计是否符合设计要求 –验证我们的信号质量是否达到设计要求：波形，时序，电源 –验证仿真结果和实测结果的一致性：波形，时序，电源 –验证模型的准确性
▪ 调试
–调试的目的：发现问题，解决问题 –问题是否是硬件设计的问题？ –问题是否是器件的原因：驱动能力？模型？ –问题是否是布局布线的问题：拓扑？端接？阻抗？走线长度？串扰？
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2020/5/30
均衡和预加重的测试
软件实现均衡:
张开眼图进行显示 (示波 器作为接收端)
让设计人员看到接收端内 部的信号波形情况
我们可以使用80SJNB软件 分析均衡后的信号
针对已知PRBS码型自动获 得 Taps 值
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2020/5/30
抖动、眼图和浴盆曲线
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2020/5/30
抖动、噪声和误码原因分析
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2020/5/30
当前高速芯片接收端都使用了均衡
在发送端是一个 “OPEN”的眼睛
在接收端是一个“CLOSE” 的眼睛
Tx + +
path
--
++
--
path
++
path
--
怎么去测试这个眼图？
++
Rcv
EQUALIZER
--
▪ 我不想在这点去测试信号，因 为我想知道通道对信号的影响
▪ 但是如果我在这点进行测试… …我发现眼图是闭合的
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2020/5/30
探头的选择——等效负载举例
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图讲信号完整性
信号完整性基础信号完整性问题过冲（overshoot/undershoot)振铃(ringing/ring back)非单调性(non-monotonic)码间串扰（ISI）同步开关噪声（SSN）噪声余量(noise margin)串扰(crosstalk)信号完整性（Signal Integrity）主要包括以下几方面问题：1.过冲（Overshoot/Undershoot)一般IC对于过冲的高度和宽度的容忍度都有指标。
因为过冲会使IC内部的ESD防护二极管导通，通常电流有100mA左右。
信号长期的过冲会使IC器件降质，并是电源噪声和EMI的来源之一。
2. 振铃（Ringing/Ring Back）振铃会使信号的threshold域值模糊，而且容易引起EMI。
3.非单调性(Non-monotonic)电平上升过程中的平台会产生非单调性，这有可能对电路有危害，特别是针对异步信号如：Reset、Clock等会有影响。
4. 码间串扰（ISI）主要是针对高速串行信号。
其产生的本质是前一个波形还没有进入稳态，另外也有可能是传输线对不同频率衰减不同所造成的。
一般通过眼图来观察，方法是输入一伪随机码，观察输出眼图。
5. 同步开关噪声（SSN）同步开关噪声会使单根静止的信号线上出现毛刺?V，另外还会影响输入电平的判断。
SSN的另一种现象是SSO（同步开关输出），这会使得传输线的特性如阻抗、延时等特性发生改变。
6. 噪声裕量（Noise Margin）控制噪声余量的目的是防止外界干扰，用于克服仿真没有分析到的一些次要因素。
一般对于TTL信号应留有200~300mV的余量。
7. 串扰（Crosstalk）串扰主要有线间串扰、回路串扰、通过平面串扰（常见于数模混合电路）三种形式。
通常示波器所观察到的数字信号。
图中为各相关的信号完整性参数：•Overshoot、Undershoot指信号的过冲。
•Ringback 指信号的振铃。
信号完整性分析教程signal_Integrity
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信号完整性分析定义
信号完整性是指信号在信号线上的质量。信号具有良好的信号完整性 是指当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值。具体主要包括 串扰、反射、过冲与下冲、振荡、信号延迟等。
反射(reflection)
反射和我们所熟悉的光经过不连续的介质时都会有部分能量反 射回来一样，就是信号在传输线上的回波现象。在高速的PCB中导线必 须等效为传输线，按照传输线理论，如果源端与负载端具有相同的阻抗， 反射就不会发生了。如果反射信号很强，叠加在原信号上，很可能改变 逻辑状态，导致接收数据错误。一般布线的几何形状、不正确的线端接、 布线策略、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素均会导致此类 反射。
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串扰分析
串扰是由电磁耦合形成的，耦合分为容性耦合和感性耦合两种。容性耦 合是由于干扰源（Aggressor）上的电压变化在被干扰对象（Victim）上引 起感应电流从而导致的电磁干扰，而感性耦合则是由于干扰源上的电流变化 产生的磁场在被干扰对象上引起感应电压从而导致的电磁干扰。因此，信号 在通过一导体时会在相邻的导体上引起两类不同的噪声信号：容性耦合信号 与感性耦合信号。
过冲(overshoot)和下冲(undershoot)
过冲是由于电路切换速度过快以及上面提到的反射所引起的信号 跳变，也就是信号第一个峰值超过了峰值或谷值的设定电压。下冲是指 下一个谷值或峰值。过分的过冲能够引起保护二极管工作，导致过早地 失效，严重的还会损坏器件。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误。 它们可以通过增加适当端接予以减少或消除。
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传输线理论
1.什么时候必须作为传输线考虑？ 简单的说，传输线是由两条有一定长度的导线组成。如信号在走线上的传 输时间大于电平跳变上升/下降时间的一半，则该走线判定为传输线。 2.传输线的定义 传输线由两个具有一定长度的导体组成，一个导体用来发送信号，另一个 用来接收信号(切记“回路”取代“地”的概念)。 3.传输线模型 传输线模型段由串联电阻和电感、并联电容组成 。
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）。
信号完整性基础之十-总体抖动的算法
信号完整性分析基础系列之十——理解串行数据测试中的总体抖动算法张昌骏 美国力科公司深圳代表处在高速串行数据的测试中，抖动的测试非常重要。
在串行数据的抖动测试中，抖动定义为信号的边沿与其参考时钟之间的偏差。
对于抖动测量值的量化，通常有抖动的峰峰值和有效值这两个参数。
不过，抖动的峰峰值随着测量时间的增加，测量值不断变大，不能将抖动值与误码率直接联系起来，所以对于抖动测试，抖动的峰峰值并不是一个理想的指标来很衡量器件和系统的性能。
总体抖动（Total Jitter ，简称Tj ）为某误码率（Bit Error Ratio ，简称BER ）下抖动的峰峰值，在很多串行数据的规范中通常需要测量误码率为的Tj ，简写为Tj@BER=10e-12。
对于BER 小于10e-8的Tj 的测量，通常只有误码率测试仪BERT 可以直接测量到。
对于示波器，假设该高速信号为2.5Gbps 的PCIe ，单个bit 的时长为Unit interval = 400ps ，假设示波器采样率为20G 采样率，则1个bit 上包括了400ps/50ps = 8个采样点，一次分析1M 个bit 需要8M 的存储深度，如果要测量10个比特的抖动，需要让示波器在8M 的存储深度下扫描100次，由于示波器在8Mpts 时计算抖动已经很耗时，重复100次的测试时间会非常长。
所以示波器测量小于的误码率时的总体抖动必须通过某些算法来估算Tj 。
1210−81210−图1：TIE 抖动图示与抖动概率密度函数（PDF ）基于示波器求解抖动的算法通常在三个领域观察和分析，即时域、频域、统计域。
比如TIE track 即为TIE 抖动在时域的函数；在频域分析抖动的频谱，可以计算周期性抖动Pj 和随机抖动Rj ；TIE 直方图、Tj 的概率密度函数（Probability Density Function ，简称PDF ）是在统计域来分析抖动。
对于总体抖动的计算，通常从统计域分析，即分析抖动的直方图、概率密度函数PDF 和累计分布函数（Cumulative Distribution Function ，简称CDF ）。