1、基于精简White Rabbit原理的LHAASO WCDA时钟系统原型设计,商林峰核探测与核电子学国家重点实验室中国科学技术大学近代物理系2012.3.8,主要内容,LHAASO WCDA简介LHAASO WCDA电子学系统结构White Rabbit原理简介时钟原型系统设计测试小结与下一步工作安排,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,2,LHAASO 简介,3,Large High Altitude Air Shower Observatory 大型高海拔空气簇射观测站KM2A (1km2 array ): - ED(electron detectors,电子探测器) -
2、MD(muon detectors, 缪子探测器)SCDA (shower core detector array)簇射中芯探测器阵列WFCA (wide field Cherenkov array)广角契伦科夫望远镜阵列WCDA (water Cherenkov detector array)水契伦科夫探测器阵列,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,LHAASO WCDA简介,4,9万平方米，22阵列的4个子探测器 150米150米4.5米 5米5米格子 3600路PMT(Photo MultiplierTube),电子学系统指标需求,2018/9/29,核探测与核电子学国家
3、重点实验室,WCDA读出电子学结构布局,传统方式：后端数字化数字化集中后端 探测器信号通过电缆传输到机房 需前放，提高信噪比 限制：模拟信号传输距离不能很长长距离模拟信号传输衰减 幅度衰减，前沿变缓 高带宽电缆：成本高 数字化精度降低LHAASO特点： 长距离（100米） 大动态范围 高时间精度,5,长基线中微子实验100米高宽带电缆RG58传输PMT模拟信号衰减影响,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,WCDA读出电子学结构布局,WCDA采用方式：前端数字化 数字化分布前端 数字结果通过电缆/光纤汇总到机房 不需要前放优点： 摆脱对模拟信号传输的苛刻要求，这种方案从前端到后方
4、传输的是数字信号难点： 保证各前端电子学通道时钟的同步和高精度,6,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,时钟同步设计指标,1.对单个时钟通道：时钟抖动100ps 2.对多个时钟通道：时钟偏差100ps,7,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,常用时钟协议的时间精度,现有的主要时间频率同步技术：（1）基于广播技术的卫星导航技术 GPS，伽利略，GLONASS（2）基于物理层的传输 同步光纤系统/同步数字系统 （SONET/SDH）， 同步以太网（SyncE）（3）基于数据链路层和网络层的分配系统 网络时间协议（NTP）， 基于IEEE-1588 的高精度时间协议（
5、PTP）,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,8,参考原理： White Rabbit,White Rabbit project SyncE + PTPv2 Physical layer sync (clock recovery) Sub-ns accuracy up to 1000 nodes 10km fiber transmission,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,9,参考 White Rabbit Specification：Draft for Comments,White Rabbit原理,DMTD:Dual Mixer Time Differ
6、ence,2018/9/29,10,核探测与核电子学国家重点实验室,White Rabbit的精简,White Rabbit,采用同步以太网，协议复杂多级开关网络，引入透明时钟概念，操作复杂DMTD输出采用counter计数,White Rabbit的精简,采用普通串并转换芯片，协议简单星形网络，光纤传输采用点对点形式DMTD输出采用FPGA-based TDC测量，精确度高,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,11,LHAASO WCDA时钟原型系统示意图,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,12,时钟源板设计,提供精确时钟给整个电子学系统时钟必须与全球时间同
7、步,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,13,时钟发送与接收模块,接收模块使用SerDes恢复时钟作为本级的系统时钟发送模块: 相位测量（DMTD， FPGA TDC）接收模块：基于FPGA DCM的动态移相,14,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,时钟发送板与时钟接收板设计,时钟发送板与时钟接收板结合起来设计 两者区别： 发送板SerDes发送时钟使用系统时钟 接收板SerDes发送时钟使用恢复时钟 8个光传输通道 4个通道采用外接SerDes DS92LV16 4个通道采用FPGA内部GTX,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,15,时钟源
8、板及时钟发送模块时钟性能测试,测试方案：1. 测试铷时钟源的输出信号质量2. 测试时钟源板，时钟发送板的系统时钟性能,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,16,测试实物照片图,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,17,时钟源板,时钟发送板,时钟接收板,铷时钟源,铷时钟源输出时钟信号,周期：99.99945nsJitter: 112.44ps,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,18,时钟源板，时钟发送板时钟性能测试,Channel1（黄）：时钟源板系统时钟 周期：24.99971ns jitter: 11.27psChannel2 （红）：时钟发
9、送板1系统时钟 周期：24.99965ns jitter: 18.95psChannel3 （蓝）：时钟发送板2系统时钟 周期：24.99954ns jitter: 11.29ps,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,19,时钟接收模块时钟性能测试,测试方案： 1. 两通道分别接100，200米光纤，测试时钟相位调节前后的接收模块恢复系统时钟FEE_CLK的相位差 2. 保持测试条件不变，多次测量，观测相位差的稳定性 3. 保持测试条件不变，观测FEE_CLK相位差随温度变化的影响,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,20,时钟接收模块时钟性能测试,未调节时相位
10、差,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,21,Channel2 （红）：时钟发送板系统时钟Channel3 （蓝）：时钟接收模块1系统时钟FEE_CLK1Channel4 （绿）：时钟接收模块2系统时钟FEE_CLK2FEE_CLK1与FEE_CLK2相位差为8.334ns,时钟接收模块时钟性能测试,调节后相位差,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,22,Channel2 （红）：时钟发送板系统时钟Channel3 （蓝）：时钟接收模块1系统时钟FEE_CLK1Channel4 （绿）：时钟接收模块2系统时钟FEE_CLK2FEE_CLK1与FEE_CLK2相位
11、差为244.53ps （未调节为8.334ns),时钟接收模块时钟相位差稳定性测试,平均值：271.16ps最大相位漂移 50.52ps,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,23,测试方法： 重复加载发送接收板的逻辑，测试性能稳定性,温度调节装置,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,24,200米光纤,100米光纤,温度对测试的影响,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,25,光纤温度系数35ps/(km)， 对于测试所用200米光纤最大温漂应在262.5ps动态调节后相位漂移：54.32ps,测试方法：200米光纤放入高温试验箱，改变温度，100
12、米光纤室内常温条件下,示波器测量得到的时钟偏差超过100ps的解释,将两个SMA TP测试点输入同一时钟信号通过示波器观察，发现测试结果存在237.86ps的相位差考虑之前测试的200多ps的相位差是不是因为TP路径以及示波器通道连接同轴电缆的差异造成,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,26,示波器测量得到的时钟偏差超过100ps的解释,Channel3 （蓝）：时钟接收模块1系统时钟FEE_CLK1经过DMTD放大后的波形Channel4 （绿）：时钟接收模块2系统时钟FEE_CLK2经过DMTD放大后的波形这幅图中对应未放大前的使用示波器直接测量FEE_CLK1和FEE_
13、CLK2的时钟歪斜为268.19ps已知DMTD放大系数为：279由DMTD原理可以反推得到FEE_CLK1和FEE_CLK2之间的实际的clock skew为：9.975ns/279 = 35.75ps测量值与实际值之间存在268.19ps-35.75ps = 232.44ps的误差,小结与下一步工作安排,小结：基于精简的White Rabbit方案设计的时钟原型系统，很好的实现了LHAASO WCDA系统时钟需求，验证了原理的可行性通过动态调整，实现了温漂自动补偿功能下一步工作：完善时钟原型系统设计完成所有通道调试继续完备时钟原型系统电子学系统性能测试,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,28,谢谢！,2018/9/29,核探测与核电子学国家重点实验室,29,
