シグナル インテグリティ

シグナル インテグリティとは

シグナル インテグリティとは、電気信号がソースから目的の送信先に伝送される場合の電気信号の品質を測定するものです。また、さまざまな外乱がある場合でも、信号が意図した形状とタイミング特性を維持する能力を指します。

シグナル インテグリティは、データ送受信が正確で信頼性が高く、ノイズ、歪み、反射などの望ましくない影響を受けないことを保証するため、極めて重要なものです。シグナル インテグリティが得られない場合、データ送受信時にエラーが発生し、システム障害や深刻な財務損失を引き起こす可能性があります。

適切なシグナル インテグリティを確保するため、エンジニアは MATLAB^® と Simulink^® を使用してシミュレーションを行い、さまざまな解析を実行します。このようなシミュレーションや解析は、システム実装前の発生しうる問題の検出に役立つため、作業時間の短縮と、リソースおよびコストの削減につながります。エンジニアは MATLAB を使用して、イコライゼーション システムを設計して検証し、信号の品質を最適化することもできます。

Role of Signal Integrity in System Design

主な要素は以下のとおりです。

• プリレイアウト解析: PCB レイアウト前に、高速のシリアルリンクとパラレルリンクの両方に対してシグナル インテグリティ解析を実行すると、設計の実装中に発生しうる問題の特定に役立ちます。
• ポストレイアウト検証: レイアウト後にシグナル インテグリティを検証することで、ルーティングや構成要素などさまざまな要因に基づく問題を特定できます。
• IBIS-AMI モデル: モデルを使用して、集積回路、メモリ、またはシステム間の高速で複雑なインターフェイスをシミュレーションします。
• シグナル インテグリティの可視化: 減衰、タイミングジッター、アイダイアグラムなどのメトリクスを使用して、信号の品質を測定し、信号の歪みに関する問題を特定します。

シグナル インテグリティ解析について、MathWorks は、アイダイアグラム、波形プロット、周波数スペクトル、アイ輪郭、歪みバジェット解析などを可視化しながら、システムのプリレイアウト解析からポストレイアウト検証まで一連の機能を提供する、Signal Integrity Toolbox™、SerDes Toolbox™、RF PCB Toolbox™、Mixed-Signal Blockset™ などのツールを提供しています。これらのツールには、データ通信システムや高速エレクトロニクスの問題を防止する包括的な手段が備わっています。

プリレイアウト解析

優れたシグナル インテグリティを達成するための重要な手順の 1 つは、プリレイアウト解析の実行です。この解析は通常、設計フェーズで行われ、潜在的な問題を特定し、エンジニアが設計を最適化するのに十分な情報を得たうえで意思決定できるようにすることを目的としています。

プリレイアウト解析を行うことで、エンジニアは設計サイクルの早い段階で潜在的な問題を特定して解決し、後に生じる設計改訂や設計変更によるコスト面の問題を軽減します。この解析は、設計者がシグナル インテグリティ向けに設計を最適化することにも役立ち、業界標準に準拠した、より堅牢性が高く信頼性の高い設計の実現につながります。

Real-World Applications

Pre-layout PCB signal integrity analysis is especially critical in industries and applications where high-speed, high-reliability communication is essential, such as:

• Data centers, where high-throughput servers rely on clean signal transmission across backplanes and interconnects
• Automotive electronics, where advanced driver-assistance systems (ADAS) and infotainment require robust high-speed communication
• High-speed memory interfaces such as DDR, LPDDR, and GDDR, where timing margins are tight and even minor distortions can cause data corruption

By integrating signal integrity simulation into the early design phase, you can ensure your systems meet performance targets and regulatory standards from the start.

Learn More About Pre-Layout Analysis

• Analyze Serial Links with Serial Link Designer
• Analyze Parallel Links with Parallel Link Designer

Post-Layout Verification for Ensuring PCB Signal Integrity

Post-layout verification involves reviewing the physical implementation of the design, including the actual PCB layout and routing, to ensure that it meets the expected signal integrity performance. The process involves using signal integrity simulation and analysis tools, such as Signal Integrity Toolbox™, to simulate the electrical behavior of the final design and identify any potential issues.

チャネル解析のための IBIS-AMI モデル

IBIS-AMI (I/O Buffer Information Specification–Algorithmic Modeling Interface) は、高速チャネルのプリレイアウト解析とポストレイアウト検証の両方に使用されるモデリング標準です。IBIS-AMI は、信号経路内の個々の構成要素の電気的特性を組み合わせて完全なチャネルモデルを形成し、エンジニアが複雑な高速デジタルシステムをより高い精度と効率でシミュレーションできるようにするものです。

IBIS-AMI (I/O Buffer Information Specification–Algorithmic Modeling Interface) is a modeling standard used for both pre-layout analysis and post-layout verification of high-speed channels. IBIS-AMI combines the electrical properties of individual components within a signal path to form a complete channel model, enabling you to simulate complex high-speed digital systems with greater accuracy and efficiency.

プリレイアウト解析とポストレイアウト解析の両方で IBIS-AMI モデルを使用することで、設計時間を最適化し、設計エラーのリスクを軽減し、高速デジタルシステムの全体的なパフォーマンス向上に役立ちます。ただし、正確で信頼性の高い IBIS-AMI モデルの作成は複雑で時間のかかるプロセスであり、技術的な専門知識や SerDes Toolbox などの専用ソフトウェアツールが必要になります。

Real-World Applications

Equalization and channel modeling are critical in systems where high-speed data must travel across complex or lossy media, such as:

• Data center interconnects, where long PCB traces and cables introduce significant signal loss
• High-speed memory interfaces such as DDR, LPDDR, and GDDR, where tight timing margins demand precise signal conditioning
• Automotive Ethernet and infotainment systems, where equalization ensures reliable communication over twisted pair cables

By integrating signal integrity simulation with equalization and channel modeling, you can design systems that meet performance targets even under challenging physical constraints.

Learn More About Equalization and Channel Modeling

• Design SerDes System and Export IBIS-AMI Model
• Model Floating-Tap Architectures in SerDes Systems
• Non-Linear CTLE Modeling
• Architectural 112G PAM4 ADC-Based SerDes Model

Compliance and Standards Verification in Signal Integrity Analysis

In the electronics industry, ensuring compliance with industry standards is a critical part of signal integrity analysis. As data rates increase and protocols become more complex, verifying that a design meets industry specifications is essential for data transmission reliability and product certification.

Using MATLAB^® and Simulink^®, you can perform automated compliance checks against a wide range of high-speed interface standards, including:

• PCI Express^® (PCIe)
• USB 3.x and USB4^®
• Optical Internetworking Forum (OIF) and IEEE 802.3 Ethernet
• DDR/LPDDR/GDDR memory interfaces
• Automotive Ethernet and MIPI^® standards

These tools enable you to simulate real-world operating conditions, generate eye diagrams, and evaluate jitter, noise margins, and BER to ensure that designs meet the required thresholds. This level of signal integrity simulation helps you identify and resolve issues before hardware testing, reducing the risk of costly redesigns or compliance failures.

Real-World Applications

Compliance verification is especially important in industries where interoperability and certification are mandatory, such as:

• Consumer electronics, where devices must pass USB compliance testing to reach the market
• Automotive systems, where Ethernet and MIPI interfaces must meet strict EMI and timing standards
• Enterprise networking and storage, where PCIe and high-speed memory interfaces must deliver consistent performance under heavy data loads

By integrating compliance verification into the high-speed digital design workflow, you can ensure that your products are not only functional but also standards compliant and ready for global deployment.

Learn More About Compliance and Standards Verification

• CEI-224G-MR Transmitter/Receiver IBIS-AMI Model
• CEI-224G-MR Compliance Kit
• PCIe 6.0 Transmitter/Receiver IBIS-AMI Model
• PCIe 6.0 Compliance Kit

Signal Integrity Analysis Metrics and Visualizations

In high-speed digital design, signals must remain intact during transmission to achieve good signal integrity performance. Commonly used metrics and visualizations include:

• Voltage margin: The voltage margin measures the difference between the amplitude of the signal and the signal’s noise margin. The voltage margin should be sufficiently high to ensure that the signal can be reliably demodulated at the receiver.
• Timing analysis: This metric involves calculating the signal’s rise and fall times, propagation delay, and jitter. You can use timing analysis to evaluate the design’s timing budget and ensure that the signal transitions within the required timing window.
• Jitter: Jitter is the variation in the signal’s timing over time. Jitter can result from a variety of sources, including signal distortion, crosstalk, power supply noise, and attenuation. You can use jitter histograms and eye diagrams to identify and analyze jitter in high-speed digital systems.
• Eye diagram: Eye diagrams are used to analyze the signal’s performance over time and identify potential signal integrity issues. They involve plotting a graph of the signal’s amplitude against time, usually in the form of a histogram. This visualization technique provides a comprehensive view of the signal’s behavior, including jitter, noise, and timing issues.
• Bit error rate: BER calculates the number of erroneous bits in a data stream. A high BER value indicates poor signal integrity performance. You can use BER to quantify the design’s signal integrity performance then optimize the design to reduce BER.
• Attenuation: Attenuation is a measure of signal loss over distance or time. High levels of attenuation can result in signal distortion and signal failure. You can use attenuation measurements to evaluate the signal’s performance and design transmission lines and circuits to minimize attenuation.
• Crosstalk: Crosstalk occurs when one signal’s electrical field induces noise into an adjacent signal. You can use crosstalk measurements to evaluate the level of interference between channels, calculate the crosstalk coupling coefficient, and identify design methods to reduce the crosstalk level.
• Time-domain reflectometry (TDR): TDR measures the impedance of a transmission line by comparing the signal’s output with the input signal reflected from the end of the line. This technique helps to locate impedance variations and signal integrity issues along transmission lines.
• Channel operating margin (COM): COM quantifies the design’s margin between the signal’s eye and the worst-case impairments. COM helps you evaluate the design’s signal integrity performance and identify areas for improvement.

シグナル インテグリティの可視化

高速デジタル設計で優れたシグナル インテグリティのパフォーマンスを実現するには、伝送中の信号を完全な状態に保つことが不可欠です。この評価を行うために、以下のようなさまざまなメトリクスや可視化を使用します。

• 電圧マージンでは、信号の振幅と信号のノイズマージンとの間の差を測定します。電圧マージンは、受信機で信号を復調するのに十分な高いレベルで確保する必要があります。
• タイミング解析には、信号の立ち上がり/立ち下がり時間、伝播遅延、ジッターの計算などがあります。エンジニアは、タイミング解析を使用して設計のタイミングバジェットを評価し、必要なタイミングウィンドウ内で信号が遷移することを確認します。
• ジッターとは、信号の時間的な揺らぎのことをいいます。ジッターは、信号の歪み、クロストーク、電源ノイズ、減衰など、さまざまな原因で発生します。エンジニアは、ジッターヒストグラムとアイダイアグラムを使用して、高速デジタルシステムのジッターを特定し、解析します。
• アイダイアグラムは、信号のパフォーマンスを経時的に解析し、シグナル インテグリティの潜在的な問題を特定するために使用されます。通常、ヒストグラムの形で、時間に対する信号の振幅のグラフをプロットします。この可視化手法により、ジッター、ノイズ、タイミングの問題など、信号の動作を包括的に確認できます。
• ビットエラーレート (BER) は、データストリームでエラーが発生したビットの数を計算します。BER 値が高い場合、シグナル インテグリティのパフォーマンスが低いことを示します。エンジニアは、BER を使用して設計のパフォーマンスを定量化し、設計を最適化します。
• 減衰は、距離または時間に対する信号損失の尺度です。減衰が大きいと、信号に歪みが生じたり、信号が途切れたりします。エンジニアは、減衰測定を使用して信号のパフォーマンスを評価し、減衰を最小化するよう伝送線路や回路を設計します。
• クロストークは、ある信号の電界からすぐ近くの信号にノイズが混入することで発生します。エンジニアは、クロストーク測定を使用してチャネル間の干渉レベルを評価し、クロストーク結合係数を計算し、クロストークレベルを低減する設計方法を特定します。
• 時間領域反射率測定法 (TDR) は、伝送線路のインピーダンスを測定するために用いられる解析手法です。TDR は、信号の出力と回線の終端から反射した入力信号を比較するものです。この手法は、伝送線路に沿ったインピーダンスの揺らぎやシグナル インテグリティの問題を発見するのに役立ちます。
• チャネル オペレーティング マージン (COM) は、信号アイと最悪の劣化要因との間の設計のマージンを定量化したものです。COM は、エンジニアが設計のシグナル インテグリティのパフォーマンスを評価し、改善を要する領域を特定するのに役立ちます。

Signal Integrity Analysis with MATLAB and Simulink

To proactively address these challenges, you can use MATLAB and Simulink for signal integrity analysis. By modeling and simulating entire systems, you can detect eye diagram closure, jitter, excessive bit error rates, and other potential issues before physical prototyping. This virtual testing enables you to design and verify equalization techniques, optimize high-speed links, and ensure overall signal quality, saving significant time and resources in the development cycle.

With MATLAB and Simulink products for signal integrity analysis, you can perform:

• Pre-layout analysis in high-speed designs: Identify and resolve potential signal integrity issues early through simulation and modeling before PCB layout begins.
• Post-layout verification: Validate real-world signal behavior and detect layout-induced problems using post-layout PCB signal integrity verification.
• Equalization and channel modeling: Design and simulate equalization strategies to mitigate signal distortion and maintain data integrity across lossy channels.
• Compliance and standards verification: Ensure your design meets industry standards such as PCIe, USB, and DDR through automated compliance testing and simulation.

Signal Integrity Toolbox, SerDes Toolbox, RF PCB Toolbox™, and Mixed-Signal Blockset™ provide features ranging from pre-layout analysis to post-layout verification of a system while producing visualizations such as eye diagrams, waveform plots, frequency spectra, eye contours, and skew budget analysis. These tools provide comprehensive means to prevent issues in data communication systems or high-speed electronics.

Learn More About Capabilities in MATLAB and Simulink

• Eye Diagram Measurements
• Jitter Measurements
• Multiple Edge Response
• Signal to Noise and Distortion Ratio