SIPI讯号仿真 SIPI讯号仿真高速产品为什么这么需要它？

发布日期：2025/11/27 SIPI信号仿真
发布单位：iST宜特

你的高速产品跑得快，但跑得稳吗？在 GHz 时代，每一条线都是潜在风险点。信号延时 10ps、阻抗偏差 1Ω，都会让产品在量产前突然失效。唯有依靠 SIPI 仿真，才能在设计阶段提前识别风险，确保产品顺利量产。

SIPI信号仿真

你的高速产品做过 SIPI 仿真吗？在低速系统中，仿真或许只是锦上添花的工具；但跨入高速传输时代，任何细微的信号失真或噪声，都可能是产品上市的隐形阻力。SIPI 仿真能在设计阶段预测并修正问题，从眼图、抖动到 PDN 阻抗一次掌握，让你不再后知后觉。

在现今数字高速设计的时代，「功能正常」早已不是设计成功的唯一标准。随着信号速率全面迈入 GHz 等级（如 PCIe Gen5/6、DDR5、USB4 等），任何微小的电气问题都可能成为潜藏风险，导致数据错误、系统不稳，甚至使产品无法顺利上市。

而最有效的预防方式，就是在设计流程中导入信号完整性（Signal Integrity Simulation，简称SI）和电源完整性（Power Integrity，简称PI）仿真测试，预先找出潜在问题，从根本提升设计的成功率与可靠性。

本篇宜特小学堂将带你了解为什么高速设计必须导入SIPI 仿真的十大关键，并分享具体的导入流程，让你的设计更稳定、更高效、更具竞争力，在问题发生前提早避开错误。（阅读更多：AI高速信号传输时代来临！宜特最新解决方案助您抢占市场先机）

一、SIPI 原理简介

SI信号完整性仿真（Signal Integrity Simulation，简称SI），是一项针对高速电路设计的预测性分析技术。透过准确建模与仿真工具，让我们在 PCB 尚未制作前，就能预测信号传输过程中的可能异常，并提早排除电气风险。它可预测并消除信号失真、干扰与反射；评估 jitter（抖动）、损耗、串音对系统稳定性的影响；确保信号在高速环境下具可解碼性与一致性。

而PI电源完整性仿真（Power Integrity，简称PI），则着重于电源分配网络（Power Distribution Network，简称PDN）的稳定性分析，确保电压供应平稳、噪声最小化。它能预测电源平面噪声、IR drop 与去耦电容配置效能，避免瞬态电压波动影响系统运作。

因此，在高速设计中，唯有同时掌握 SI 与 PI 两大面向，才能确保整体系统的稳定性与可靠性。
二、为何必须导入 SIPI 仿真？十大关键问答

以下我们将以问答方式，带你了解 SIPI 仿真如何从根本提升设计成功率，并在错误发生前就化解风险。

Q1：为什么高速电路容易出现信号反射？

当走线（trace）、过孔（via）或连接器（connector）产生阻抗不连续性时，信号会被反射回传，导致波形失真。这在高速环境中特别严重，可能造成 eye diagram 闭合或接收端错误判读。透过 SI 仿真（Signal Integrity Simulation），工程师能在设计阶段就精确预测反射位置，并修正阻抗匹配，确保信号稳定传输。

Q2：为什么两条高速走线靠太近会干扰？

当走线间距过小，信号会从一条线耦合到另一条，电磁场会互相耦合，产生串音干扰（Crosstalk）。这种「隐性干扰」会使数据错码或 BER 上升。仿真分析可帮我们看到这些「隐性干扰」，并提出最佳看到这些「隐性干扰」，并提出最佳间距与屏蔽建议，维持系统信号完整度。

Q3：信号长距离传输会衰减，怎么补偿？

高速信号会受到导体损耗（Conductor Loss）与介质损耗（Dielectric Loss）影响，造成波形振幅下降与眼图闭合。SIPI 仿真能协助设定适当的 trace 宽度、介质材质，并评估通道补偿技术（如 EQ、CTLE、DFE），确保信号保持清晰。

Q4：仿真真的能预测「眼图」吗？提早知道能否通过测试吗？

可以。眼图（Eye Diagram）是测试信号质量最直观的指针。透过仿真，我们能预测眼图开度（Eye height / width）是否足够，是否符合标准（如 USB4、PCIe Gen5），在测试前就能确认信号是否达标，大幅缩短排查周期。

Q5：如何确保时序准确、数据不延时？

在高速电路中，信号传输的延时与抖动会直接影响时序容差（setup/hold margin），导致数据错位。仿真可以精确预测每个通道的 delay、skew、jitter 等参数，帮助设计者在 layout 前就确保所有位都「准时抵达」。

Q6：差分信号的稳定性要怎么确保？

差分信号（Differential Signal）的对称性、耦合性、skew 都会影响其抗噪声能力与稳定性。SI 仿真可以量化skew、common-mode noise这些参数，确保差分对在极端条件下仍能稳定运作。

Q7：SIPI 仿真能帮助通过协议验证吗？

能。现代高速协议（如 PCIe、USB、DDR）都有严格的 SI 规范，包含 eye mask、Tx/Rx equalization、return loss 等。透过仿真，我们能在实验前预测是否通过协议要求，减少实验室反复修改与验证风险。

图一：依照Universal Serial Bus 3.2 Specification定义USB测试环境及观察点位置
(图片来源：Universal Serial Bus 3.2 Specification)

图二：定义Eye mask在TP4位置的合格范围
(来源： Universal Serial Bus 3.2 Specification)

Q8：仿真能帮我节省成本吗？

绝对可以。若在 PCB 制造后或实验室测试阶段才发现信号问题，返工成本往往是数倍甚至十倍以上。SIPI 仿真能在设计阶段即找出潜在风险，避免重工与时程延误，降低整体开发成本。

Q9：什么是 PDN 阻抗？为何会影响供电？

当 PDN（Power Distribution Network）阻抗过高，会产生 voltage ripple 与 IR drop，使高速接口如 SerDes / DDR5 不稳定。PI 仿真可分析 PDN 的阻抗频率响应，优化去耦电容配置、层迭设计，确保电源噪声被有效抑制。

Q10：如何预测供电瞬态与 IR Drop？

随着芯片切换频率与电流需求攀升，瞬态电流变化剧烈，容易造成电压下陷。
PI 仿真可预测不同负载条件下的 IR drop 与 transient response，提前修正 PDN 设计，避免供电不足导致 timing error 或系统不稳。
三、如何确认设计是否完善？ SIPI八大观测指标

(一)Eye Diagram（眼图)

眼图是把连续的数字波形迭在一起形成的图像，用来评估高速信号的稳定性与可靠性。它的形状会受到 jitter(抖动)、损耗、串音与反射等综合电气效应影响。在SIPI 仿真中，工程师可在实际制板前仿真眼图开度高度（Eye Height）与宽度（Eye Width），确认其是否满足如 PCIe Gen5/6、USB4、DDR5 等协议所定义的 eye mask 规范。眼图的开口大小，就是信号是否可被正确读取、能否通过合规验证的首要门坎。

图三：Eye Diagram眼图分析
(图片来源：宜特科技)

(二)Jitter（抖动）

简单来说，Jitter指的是信号在时间轴上出现的晃动或偏移。可分为随机性抖动（RJ）与确定性抖动（DJ）。在高速传输下，过多 jitter 会直接压缩系统的时序裕度（timing margin），使数据误码机率大增。透过仿真，我们可以找出 jitter 的来源（如电源噪声、反射或走线长度不一致）并提早修正，使设计具备更宽裕的容错空间。

图四：评估不同Jitter影响眼图的情形，左A为TX DJ : 0.01UI , RJ : 0UI，右图B为TX DJ : 0.05UI , RJ : 0.02UI 经过通道后RX端眼图，可藉由仿真条件调整判断Jitter及通道影响
(图片来源：宜特科技)

(三)Skew（时序偏移）

Skew 是多条信号因延时不一致而导致的时间差，尤其在差分信号对与多位并行传输中特别关键。若Skew 偏移过大，会影响数据同步与眼图开度的对准。透过仿真，可量化走线长度、走线对称性与信号 delay 差异，提供走线补偿、via 结构对称等设计建议，确保信号同步。

(四)Impedance（阻抗匹配）

阻抗控制是稳定信号传输的基础。若走线、过孔或连接器的阻抗不连续性，就会造成信号反射。仿真工具可进行 2D/3D 结构建模分析，协助工程师掌控 trace width、layer stack、高频材料选择，确保整体阻抗一致。

图五：走线TDR结果，可藉由Delay评估造成阻抗不匹配的位置，修改结构设计，改善信号反射问题。
(图片来源：宜特科技)

(五)S-Parameter（散射参数）

S-parameter 是频域分析的基本工具，用来分析信号在不同频率下的传输特性。常见指标如 S11（反射）、S21（传输）可用来评估通道的反射与插入损耗。SIPI 仿真中，利用 scattering matrix 模型能预测整体信道在不同频率下的传输效率，是验证能否满足协议规范（如 IL/RL mask）的基础依据。

S11( Return Loss) ，代表信号在发射端被反射回来的能量比率，是衡量阻抗不连续性的关键指标。当信号通过阻抗变化处（如过孔、连接器或 trace transition）时，就可能会产生反射。透过仿真，可协助我们预估反射行为并调整阻抗匹配设计，降低数据失真与干扰。

S21( Insertion Loss) ，则表示信号从输入端传到输出端时因介质与导体造成的衰减。损耗值愈大，信号强度下降愈快，导致 eye diagram 闭合。SIPI 仿真能在不同材料、走线长度与 routing 阻抗下测试 IL across frequency，协助选择低损耗材质或补偿设计，如加装 re-timer、调整 layer stack，确保高速信号仍能稳定传输。。

图六：S11可从结果图评估是否需要对于走线设计进行修改(一般规范会定义需小于特定dB值)。
(图片来源：宜特科技)

图七：S21可从结果是否over spec评估对于走线设计、长短、迭构或材料进行修改的必要性。
(图片来源：宜特科技)

(六)Crosstalk（串音）

当两条或多条信号线靠得太近，彼此的电场与磁场会互相耦合，造成近端（NEXT）与远程（FEXT）的串音干扰。仿真可帮助我们评估走线间距、层与层之间的影响，并优化走线设计（routing）、使用 guard trace（防护线）或 GND shielding（接地屏蔽）进行电气隔离，避免系统错误与 BER（Bit Error Rate，位错误率）增高。

图八：分别从频域及时域观察受干扰的信号线（Victim）受到的串音大小。左图A为频域结果，右图B为时域结果。黑、绿、蓝三条曲线分别代表不同干扰源（Aggressor）对Victim的影响情况。
(图片来源：宜特科技)

(七)BER（Bit Error Rate，位错误率）

BER 代表每传送多少位中可能出错几次，是量化系统整体稳定性的重要指标。SI仿真能在各种 jitter 与损耗条件下预测 BER 阶梯图，判断是否需加入FEC（Forward Error Correction／误码校正，简称FEC）或调整EQ（Equalization／均衡补偿策略，简称EQ），保证信号在极限条件下仍具可解碼性。保证信号在极限条件下仍具可解碼性。

(八)Equalization（均衡补偿）

为因应信号经过长距离与高损耗通道所产生的衰减与波形畸变，系统常会配置 TX 预加强（Pre-emphasis）、RX 均衡（CTLE、DFE）等补偿机制，能恢复波形。SIPI 仿真可测试不同 EQ 组合对眼图开度的改善幅度，帮助选出最佳组合，平衡效能与功耗，特别适用于高速背板与 connector-rich 设计。

图九：PCIe 发射端（TX）预设补偿设定（Preset），在 IC 发射端进行高频信号加强，可提前补偿通道中的高频损耗，让接收端波形更稳定。
(来源：PCI Express Base Specification, Rev. 4.0 Version 1.0)

图十：PCIe 接收端（RX）均衡设定中，CTLE 透过滤除低频、强化高频的方式修正信号失真，但可能同时放大高频噪声；DFE 则可进一步抑制噪声与干扰，改善 Crosstalk（串音）与 ISI（符际干扰）问题。
(来源：PCI Express Base Specification, Rev. 4.0 Version 1.0)
四、实施流程建议：从建模到验证，全面整合
为发挥 SIPI 仿真最大效益，宜特建议依照以下步骤实施：

建立模型库：搜集组件（如 IBIS/Spice 模型）、互连（S-parameter）与电源分配网络（PDN）数据，建立涵盖信号与电源的完整仿真数据库。

前期预仿真（Pre-sim）：分析关键路径的传输损耗、阻抗不连续性与拓扑设计，同时评估 PDN 的阻抗分布与去耦电容配置，确保电源稳定。

后期仿真（Post-sim）：导入实际 layout 进行完整仿真，验证眼图（Eye Diagram）、抖动（Jitter）、时序裕度（Timing Margin）及 PDN 噪声（Power Noise）等关键指标。

设计优化调整：根据仿真结果修正 stack-up、routing、terminations、去耦电容（Decoupling Cap）位置与数量等设计参数，平衡效能与成本。

实体测试比对：进行 Lab 实测，与仿真结果比对，并持续调整模型精度，确保SIPI的仿真准确度。