NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 20061 PROPOSTA PER UNA RETE DI CONNESSIONE...

M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006 1

NEMO-F

PROPOSTA PER UNA RETE DI CONNESSIONE BIDIREZIONALE

ASIMMETRICA AD ALTA VELOCITA’IN CAVO COASSIALE

PER LA TORRE DINEMO-F


NEMO-F

DIMENSIONAMENTO DEI LINK

L’elettronica attuale fu progettata per servire otto PMT più un canale di controllo e si ritenne che la banda associata ad un canale STM-1 (155 Mbs) fosse adeguata. Questa scelta previde per ogni PMT una rate di 16.64 Mb/s ed il link tra bentosfera e FCMB fu progettato con i medesimi requisiti. Il nuovo progetto, nei limiti del possibile, associa ad ogni PMT una larghezza di canale doppia rispetto alla precedente (la speranza è quella di usare convertitori A/D con dinamica superiore agli otto bit attuali), ma è pensato per servire quattro PMT due Idrofoni ed un canale di controllo.


NEMO-F

DIMENSIONAMENTO DEL LINK PER I DATI

Un primo tentativo potrebbe essere il seguente: PMT n0 1 30 Mb/s PMT n0 2 30 Mb/s PMT n0 3 30 Mb/s PMT n0 4 30 Mb/s Idrofono n0 1 5 Mb/s Idrofono n0 2 5 Mb/s Canale di controllo 5 Mb/s Rate totale, netta, di piano 135 Mb/s


NEMO-F

DIMENSIONAMENTO DEL LINK PER IL CLOCK & CONTROLLI

Per questo link non vi sono problemi di banda. Il suo compito è quello di fornire a tutta la torre sia le informazioni di controllo che, fondamentalmente, un clock uguale per tutto l’apparato. E’ ragionevole prevedere, per tutti e sedici i piani, una rate intorno a 200 Mb/s, che fornisce circa 12 Mb/s per piano.


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Con le richieste di banda appena viste, ogni torre esigerebbe un canale per i dati della capacità di 135 Mb/s · 16 = 2.16 Gb/s che diverrebbe circa 2.5 Gb/s includendo l’irrinunciabile overhead necessario in ogni canale di comunicazione. Spedire su rame questa rate, per alcune decine di metri, è attualmente impossibile, il limite attuale è circa 1.3 Gb/s. Adottando una doppia struttura a daisy chain la rate si dimezzerebbe a 1.25 Gb/s e la distanza da percorrere per connettere due nodi adiacenti sarebbe di circa 130-140 m.


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Due bracci consecutivi di una torre, distanti al centro 40m, definiscono un tetraedro isoscele i cui lati corti misurano 20 m, mentre quelli lunghi misurano 42.4 m. Nella configurazione attuale, per raggiungere i due centri di due bracci adiacenti è necessario percorrere 62.4 m mentre, per raggiungere due piani alterni è necessario percorrere circa 125 m.

DORSALE ATTUALE


NEMO-F


Con le specifiche scaturite dalle considerazioni precedenti si sono esaminati “tutti” i prodotti, adeguati, offerti dalle ditte: TEXAS, NATIONAL, CYPRESS, GENNUM, SEMTECH, ICS, MAXIM. I criteri sono stati: potenza dissipata, facilità di alimentazione, disponibilità di sistemi di sviluppo, tecnica consolidata. I risultati sono presentati nel seguito.


NEMO-F


Le frequenze che appariranno nelle trasparenze seguenti sono il frutto della mediazione tra: le richieste del progetto, le frequenze massime e minime gestibili dai chip scelti, le frequenze disponibili per i “pullable X-tal”, i moltiplicatori disponibili all’interno dei PLL, la possibilità di ricavare con moltiplicatori e divisori interi la frequenza di campionamento di 100 Msample/s, la compatibilità con i 125 s del “vecchio” progetto.


NEMO-F

HIGH RATE LINK (PHR=1.034 W)

Data Out

Data In

1.31072 Gb/s

LMH0002Line Driver

149mW

LMH0034Equalizer208mW

DS92LV1818 bit

SER/DES

677mW

18 bit Data In

18 bit Data Out

65.536 MHz

Clock In

Clock Out


NEMO-F

LOW RATE AND CLOCK LINK (PLR=0.614 W)

Data Out

196.608 Mb/s

Data In

LMH0034Equalizer208mW

LMH0002Line Driver

149mWDS92LV1021A

10 bit SER

92mW

DS92LV1212A10 bit DESER

99mW

MK206902Clock Dejitter& Synthesis

66mW

16.384 MHz

RecoveredClock

DejitteredClock16.384 MHz

65.536 MHz

4.096 MHz

Dejittered Clock

Floor Clock

High Rate Clock

10 bit Data In

10 bit Data Out


NEMO-F

DAISY CHAIN NODE (PND=2 W)

FPGA

Framer8B/10B

16B/18BEncoderDecoderData I/OSC I/O

330mW

Data Out

196 Mb/s

Data In

Equalizer

Line Driver10 bitSER

92mW

10 bitDESER99mW

ClockDejittering& Synthesis

66mW

10 bit Data In

10 bit Data Out

Data Out

Data In1.31 Gb/s

Line Driver

Equalizer

18 bitSER/DES677mW

18 bit Data In

18 bit Data Out

149mW

208mW

208mW

149mW

8/16 bit In

8/16 bit Out

Clock In

Clock Out

Controls In

Controls Out


NEMO-F

TRASMISSIONE SU CAVO COASSIALE BELDEN 4281 a 480 Mb/s per 200 m


NEMO-F

BELDEN 1694A


NEMO-F

DIAGRAMMA AD OCCHIO PER BELDEN 1694A @ 1.5 Gb/s SENZA EQUALIZZAZIONE


NEMO-F

DIAGRAMMA AD OCCHIO PER BELDEN 1694A@ 1.5 Gb/s CON EQUALIZZAZIONE


NEMO-F

CRITERI DI SCELTA DEI CAVI COASSIALI

• IMPEDENZA CARATTERISTICA DI 75 (perché questo è ciò che esigono i drivers)

• DIELETTRICO SOLIDO (per permettere il funzionamento in pressione)

• ALTA QUALITA’ PER LIMITARE LE PERDITE • PERDITA D’INSERZIONE ALLA FREQUENZA DI

ESERCIZIO E SULLA TRATTA D’INTERESSE NON SUPERIORE AI 40 dB (perché è la massima compensazione che possono operare i circuiti di correzione)


NEMO-F

CRITERI DI SCELTA DEI CAVI COASSIALI

Sono stati esaminati “tutti” i cavi coassiali prodotti dalle ditte: GORE, BELDEN, HUBER-SUNHER, COMAIR, TIMES MICROWAVE, MICRO-COAX e si è riscontrata una grande uniformità tra i prodotti, omogenei, offerti dalle varie ditte. In sostanza tutti i costruttori usano gli stessi ottimi materiali e le medesime accortezze costruttive ma non tutti offrono la stessa gamma di prodotti.


NEMO-F

FATTORI CHE CONDIZIONANO LA PROPAGAZIONE

• PERDITE NEI CONDUTTORI

• PERDITE NEL DIELETTRICO

• PERDITE RADIATIVE

LE PERDITE CITATE SONO TUTTE FUNZIONI DELLA FREQUENZA ED AUMENTANO CON QUESTA.

CIO’ COMPORTA UNA PERDITA D’INSERZIONE ED UNA IMPEDENZA CARATTERISTICA COMPLESSE E

FUNZIONI DELLA FREQUENZA


NEMO-F

Un buon modello della perdita d’inserzione (dB/100m) per un cavo coassiale, di lunghezza “m” (metri) ed alla frequenza “f” (MHz), con conduttore interno in rame e conduttore esterno in rame trattato, è il seguente:

Perdite in continua nel rame

Perdite per effetto pelle nel rame

Perdite nel dielettrico


Inslos f m( ) loss dc m( ) loss skin f m( ) loss die f m( )

loss skin f m( )m

100

Ka

D

D

d1

z0

f

loss dc m( ) 10 logm

100

Rc Rsz0

1

loss skin f m( )m

100

Ka

z0

1

d

Ks

D

f

loss die f m( )m

100Kb

f

vp


NEMO-F

CARATTERISTICHE DEI DIELETTRICI


NEMO-F

EFFETTO PELLE IN CAVO COASSIALE

DIELETTRICO

RAME CHE PARTECIPAALLA CONDUZIONE

RAME CHE NON PARTECIPAALLA CONDUZIONE

Cavo in continua

Cavo ad alta frequenza


NEMO-F


Con i materiali attuali e per le frequenze di nostro interesse, le perdite sono essenzialmente a carico dei conduttori e l’unico modo per ridurle è aumentare le dimensioni del cavo.

loss skin f m( )m

100

Ka

z0

1

d

Ks

D

f z0 138 vp logD

d

loss skin f m( )m

100

Ka

D

Ks 10

z0

138 vpz0

f Z z0 Ks 10

z0

138 vp

z0


NEMO-F


Z z0 Ks 10

z0

138 vp

z0

dove “Ks” è un coefficiente che riflette le proprietà dello schermo, tubo o calza o foglio e calza, rame o rame stagnato o argentato o altre combinazioni, mentre “vp” è la velocità di propagazione relativa a quella nel vuoto.

10

zopt

138 vp zopt

138 vpln 10( ) 1

Ks

Per ogni coppia “vp,Ks”, l’espressione Z(z0), esibisce un minimo

in accordo con la soluzione della seguente equazione (funzione W di Lambert).

Per minimizzare le perdite in trasmissione sarebbe opportuno che il cavo avesse l’impedenza caratteristica uguale a zopt


NEMO-F


10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 1500

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Confronto tra "Impedenze Ottime"

zo [ohm]

Z(z

o)

Cavo in polietilene solido, conduttore esterno in tubo, Zo ottima = 50 Ω

Cavo in schiuma di polietilene, conduttore esterno in calza stagnata, Zo ottima = 75 Ω

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 1500

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Confronto tra "Impedenze Ottime"

zo [ohm]

Z(z

o)

Cavo in polietilene solido, conduttore esterno in tubo, Zo ottima = 50 Ω

Cavo in schiuma di polietilene, conduttore esterno in calza stagnata, Zo ottima = 75 Ω


NEMO-F


10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 1500

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Confronto tra cavi

zo [ohm]

Z(z

o)

Cavo in schiuma di polietilene,

Cavo in polietilene solido

Zsolido 75( )

Zschiuma 75( )1.449

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 1500

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Confronto tra cavi

zo [ohm]

Z(z

o)

Cavo in schiuma di polietilene,

Cavo in polietilene solido

Zsolido 75( )

Zschiuma 75( )1.449

Il prezzo che si paga usando cavi in pressione (dielettrico solido) ammonta al 45% di perdite in più.


NEMO-F

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Insertion Loss vs Dielectric Diameter

Dielectric Diameter [mm]

Inse

rtio

n L

oss

[d

B]

Insertion Loss prevista per cavi lunghi 50 m, 100 m, 150 m @ 1.3 GHz

150 m

50 m

100 m


NEMO-F

CAVI (lunghi 150 m @ 1.3 GHz ) A CONFRONTO

1 2 3 4 5 6 7 8180

165

150

135

120

105

90

75

60

45

30



Inse

rtio

n L

oss

@ F

req.

1.3

GH

z, L

engh

t 150

m

K02253D02

SUCOFORM86-75FEP

G02133D05

8218

SUCOFORM141-75FEP

G04133D

9209 G05133D

9231RG216U

9850

CAVI BELDEN

CAVI HUBER-SUNHER


NEMO-F

1 2 3 4 5 6 7 880

70

60

50

40

30

20



Inse

rtio

n L

oss

@ F

req.

1.3

GH

z, L

engh

t 100

m


8218

SUCOFORM141-75FEP

G04133D

9209

G05133D

9231

RG216U

9850

CAVI BELDEN

CAVI HUBER-SUNHER


NEMO-F

1 2 3 4 5 6 7 860

50

40

30

20

10

0



Inse

rtio

n L

oss

@ F

req.

1.3

GH

z, L

engh

t 50

m

K02253D02

SUCOFORM86-75FEPG02133D05

8218

SUCOFORM141-75FEP

G04133D

9209G05133D

9231

RG216U

9850

CAVI BELDEN

CAVI HUBER-SUNHER



NEMO-F

1 2 3 4 5 6 7 870

60

50

40

30

20

10

0



Inse

rtio

n L

oss

@ F

req

. 20

0 M

Hz,

Len

ght 1

50 m

K02253D02

SUCOFORM86-75FEP

G02133D05

8218

SUCOFORM141-75FEPG04133D

9209 G05133D

9231

RG216U

9850

CAVI BELDEN

CAVI HUBER-SUNHER

CAVI (lunghi 150 m @ 200 MHz ) A CONFRONTO


NEMO-F

CAVI DISPONIBILI PER LE DORSALI

Dai diagrammi precedenti si ricava che otto cavi hanno le caratteristiche richieste per la dorsale lunga 50 m, quattro cavi sono disponibili per la dorsale lunga 100 m mentre un solo cavo ha le caratteristiche, raggiunte con fatica, per la dorsale lunga 150 m ed in quest’ultimo caso non sono stati rintracciati cavi migliori. Per la dorsale a 200 MHz (fino a 150 m) vi sono otto cavi disponibili .

Quattro ipotesi ragionevoli potrebbero essere: Dorsale da 50 m cavo Huber-Sunher SUCOFORM141-75FEP Dorsale da 100 m cavo Belden 9850 Dorsale da 150 m nessun cavo disponibile Dorsale a 200 MHz cavo Huber-Sunher SUCOFORM141-75FEP


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CARATTERISTICHE CAVO BELDEN 9850

Cavo in PE solido : Diametro Jacket 10.80 mm, Peso 19.5 Kg/100m


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CAVO HUBER-SUNHER SUCOFORM 141-75 FEP

Cavo in PTFE solido : Diametro Jacket 4.1 mm, Peso 4.5 Kg/100m


NEMO-F

CAVO SEMIRIGIDO MICRO-COAX UT-141-75


NEMO-F


0.1 1 10 100 1 103

1 104

60

50

40

30

20

10

0

BELDEN 9850 Insertion Loss @ 150 m

Freq. [MHz]

Inse

rtio

n L

oss

[dB

]

Come si vede, l’attenuazione è al bordo delle specifiche e nessun progetto può essere fatto senza margini di sicurezza


NEMO-F


0.1 1 10 100 1 103

1 104

60

50

40

30

20

10

0

BELDEN 9850 Insertion Loss @ 100 m

Freq. [MHz]

Inse

rtio

n L

oss

[dB

]

12 dB di margine


NEMO-F

CARATTERISTICHE CAVO HU-SU 141-75FEP

0.1 1 10 100 1 103

1 104

60

50

40

30

20

10

0

Hu-Su 141-75FEP Insertion Loss @ 50 m

Freq. [MHz]

Inse

rtion

Los

s [d

B]

14 dB di margine


NEMO-F

CONSIDERAZIONI SULLA DORSALE LUNGA 150 MLa soluzione proposta è, purtroppo, irrealizzabile a causa dei margini troppo ristretti sull’attenuazione di tratta ed a causa del diametro eccessivamente grande che dovrebbe assumere il cavo per assicurare un’attenuazione intorno ai -30 dB.

L’IPOTESI DI DUE DAISY CHAIN LUNGHE 150m E’

IRREALIZZABILE


NEMO-F

DORSALI A CONFRONTO(150 m vs 100 m)

Per consentire la soluzione con un cammino minore (100 m) sarebbe necessario spostare tutta la meccanica (con tutto il suo contenuto) nei pressi delle bentosfere rendendo, così, possibili i collegamenti, ma estremamente asimmetrica tutta la struttura.


NEMO-F

CONSIDERAZIONI SULLA DORSALE LUNGA 100 M

Con le ipotesi formulate, la dorsale sarebbe composta da due cavi Belden 9850 per le due daisy chain dei dati, da un cavo Hu-Su 141-75FEP per i controlli ed il clock e quattro cavi per la potenza.

Cavo coassiale BELDEN 9850 AWG 18. Diam. ext. 10.80 mm

Cavo coassiale Hu-Su 141-75FEP AWG 27. Diam. ext. 4.1 mm

Cavo in rame isolato AWG 10. Diam. ext. 3.0 mm, sez. rame 5 mm2

Diam. Int.23 mm


NEMO-F

CONSIDERAZIONI SULLA DORSALE LUNGA 100 M

Per risimmetrizzare il tutto si potrebbe pensare ad una doppia struttura con due meccaniche e due dorsali. A parte l’evidente complicazione delle doppie meccaniche, le due dorsali permetterebbero qualche semplificazione.


NEMO-F

DOPPIA DORSALE DA 100m

Cavo coassiale BELDEN 9850 AWG 18. Diam. ext. 10.80 mm

Cavo coassiale Hu-Su 141-75FEP AWG 27. Diam. ext. 4.1 mm

Cavo in rame isolato AWG 10. Diam. ext. 3.0 mm, sez. rame 5 mm2

Con i cavi scelti, la struttura delle due dorsali in rame sarebbe quella qui rappresentata.

Diam. Int.14.5 mm


NEMO-F

DOPPIA DORSALE (da 100m a 50 m)Se, provvisoriamente, si accettasse l’idea della doppia dorsale, sarebbe possibile una nuova distribuzione , a parità di banda, dei carichi trasmissivi. Anziché trasportare le informazioni associate ai quattro moduli ottici di tutti i piani pari, su una dorsale (distanza tra i nodi 100 m), e di tutti i dispari sull’altra, si potrebbero collegare tutte le coppie consecutive di moduli ottici, poste ai vertici di piani adiacenti (distanza tra i nodi 50 m), di tutti i piani.


NEMO-F

DORSALI A CONFRONTO (100 m vs 50 m)La riduzione del passo delle daisy chain da circa 100 m a circa 50 m comporta la possibilità di adottare il medesimo cavo (piccolo) Hu-Su 141-75FEP sia per la trasmissione a 1.3 GHz che per quella a 200 MHz semplificando considerevolmente le dorsali.

Diam. Int.8.5 mm

Dorsale singola da 100 m

Dorsale doppia da 50m


NEMO-F

St. Patrick’s BackboneLa soluzione a doppia elica prospettata avrebbe solo vantaggi se non richiedesse due moduli di controllo per piano; ogni modulo servirebbe metà delle utenze (due PMT ed un Idrofono).

Si potrebbe pensare di eliminare completamente le due meccaniche di piano e spostare tutta l’elettronica necessaria all’interno di una delle due bentosfere posizionate ad ogni estremità dei bracci.


NEMO-F

St. Patrick’s BackboneLa realizzabilità di quanto proposto dipende da: volume dell’elettronica da trasferire nella bentosfera potenza da dissipare all’interno della bentosfera connettore per entrare/uscire dalla bentosferaSi stima che: • tutta l’elettronica possa essere ospitata su singola scheda comodamente posizionabile nella bentosfera• la potenza, comprensiva dell’alimentatore primario e dei relativi controlli, possa essere minore di 7 W• il connettore dovrà ospitare quattro connessioni coassiali; soluzione da studiare, ma possibile


NEMO-F

DIMENSIONAMENTO DEL LINK PER I DATI

Un secondo tentativo potrebbe essere il seguente:

PMT n0 1 30 Mb/s PMT n0 2 30 Mb/s Idrofono n0 1 5 Mb/s Canale di controllo 2.5 Mb/s Rate totale, netta, di piano 67.5 Mb/s


NEMO-F

DIMENSIONAMENTO DELL’ELETTRONICA DI VERTICE

FIFOManaging

FPGA

MemoryModule

B M BMain Board

Module

8 MB/sbus

CopperLink Module

Intelligent Power Supply, Fault Monitor, Crash Recovery & Primary Supply

Slow Control SPI

Analog Signal Front End

2 ModulesA/D

200Ms/s14 bit

& 8 bit100 psTDC

1 ModuleA/D

200ks/s24 bit

FastData

ManagingZero

SkippingData

FormattingTime

Stamping…….FPGA

68Mb/s

1.3 Gb/s200 Mb/sCopper

DataLink

&Clock

Recovery

BoardSupervisor

ProtocolManager

DataEncaps.

RetimingTime

Synthesis…….

8 MB/sbus

Consumo previsto della Benthos Manager Board circa 6 W2 W 2 W1 W 0.5 W 0.5 W


NEMO-F

St. Patrick’s BackboneSe questa soluzione venisse adottata vi sarebbe un risparmio estremamente significativo sul costo della meccanica di piano e dei connettori. Tutti i cavi della dorsale sarebbero identici, corti e poco costosi. I circuiti di calibrazione temporale sarebbero alloggiati direttamente nella bentosfera e non sarebbe impensabile di “illuminare” un PMT con l’impulsatore presente nell’altra adiacente. I convertitori A/D veloci sarebbero nelle immediate vicinanze dei PMT…e molto altro...


NEMO-F

St. Patrick’s Backbone

Nel 1527, all'indomani del sacco di Roma, il Papa Clemente VII si rifugiò ad Orvieto. Per approvvigionare d'acqua la rocca dell'Albornoz, in caso di assedio portato da coalizioni europee nemiche, fece edificare il pozzo di San Patrizio, su progetto di Antonio da Sangallo il Giovane. Al suo interno, sono state realizzate due scalinate a doppia elica sovrapposte, così progettate per rendere più agevole il trasporto…. dell'acqua. Tale struttura è tuttora visitabile ed è un mirabile esempio di architettura rinascimentale.

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