1、基于精簡White Rabbit原理的LHAASO WCDA時鐘系統(tǒng)原型設(shè)計(jì),商林峰核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系2012.3.8,主要內(nèi)容,LHAASO WCDA簡介LHAASO WCDA電子學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)White Rabbit原理簡介時鐘原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)測試小結(jié)與下一步工作安排,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2,LHAASO 簡介,3,Large High Altitude

2、Air Shower Observatory 大型高海拔空氣簇射觀測站KM2A (1km2 array ): -- ED(electron detectors,電子探測器) -- MD(muon detectors, 繆子探測器)SCDA (shower core detector array)簇射中芯探測器陣列WFCA (wide field Cherenkov array)廣角契倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列WCDA

3、 (water Cherenkov detector array)水契倫科夫探測器陣列,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,LHAASO WCDA簡介,4,9萬平方米，2×2陣列的4個子探測器? 150米×150米×4.5米? 5米×5米格子? 3600路PMT(Photo MultiplierTube),電子學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)需求,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)

4、實(shí)驗(yàn)室,WCDA讀出電子學(xué)結(jié)構(gòu)布局,傳統(tǒng)方式：后端數(shù)字化數(shù)字化集中后端 探測器信號通過電纜傳輸?shù)綑C(jī)房 需前放，提高信噪比 限制：模擬信號傳輸距離不能很長長距離模擬信號傳輸衰減 幅度衰減，前沿變緩 高帶寬電纜：成本高 數(shù)字化精度降低LHAASO特點(diǎn)： 長距離（>100米） 大動態(tài)范圍 高時間精度

5、,5,長基線中微子實(shí)驗(yàn)100米高寬帶電纜RG58傳輸PMT模擬信號衰減影響,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,WCDA讀出電子學(xué)結(jié)構(gòu)布局,WCDA采用方式：前端數(shù)字化 數(shù)字化分布前端 數(shù)字結(jié)果通過電纜/光纖匯總到機(jī)房 不需要前放優(yōu)點(diǎn)： 擺脫對模擬信號傳輸?shù)目量桃?，這種方案從前端到后方傳輸?shù)氖菙?shù)字信號難點(diǎn)： 保證各前端電子學(xué)通道時鐘的同步

6、和高精度,6,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,時鐘同步設(shè)計(jì)指標(biāo),1.對單個時鐘通道：時鐘抖動?100ps 2.對多個時鐘通道：時鐘偏差?100ps,7,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,常用時鐘協(xié)議的時間精度,現(xiàn)有的主要時間頻率同步技術(shù)：（1）基于廣播技術(shù)的衛(wèi)星導(dǎo)

7、航技術(shù) GPS，伽利略，GLONASS（2）基于物理層的傳輸 同步光纖系統(tǒng)/同步數(shù)字系統(tǒng) （SONET/SDH）， 同步以太網(wǎng)（SyncE）（3）基于數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的分配系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）， 基于IEEE-1588 的高精度時間協(xié)議（PTP）,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,8,參考原理： White

8、Rabbit,White Rabbit project SyncE + PTPv2 Physical layer sync (clock recovery) Sub-ns accuracy up to 1000 nodes 10km fiber transmission,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,9,參考

9、White Rabbit Specification：Draft for Comments,White Rabbit原理,DMTD:Dual Mixer Time Difference,2024/2/28,10,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,White Rabbit的精簡,White Rabbit,采用同步以太網(wǎng)，協(xié)議復(fù)雜多級開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，引入透明時鐘概念，操作復(fù)雜DMTD輸出采用counter計(jì)數(shù),White Rabbit的精

10、簡,采用普通串并轉(zhuǎn)換芯片，協(xié)議簡單星形網(wǎng)絡(luò)，光纖傳輸采用點(diǎn)對點(diǎn)形式DMTD輸出采用FPGA-based TDC測量，精確度高,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,11,LHAASO WCDA時鐘原型系統(tǒng)示意圖,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,12,時鐘源板設(shè)計(jì),提供精確時鐘給整個電子學(xué)系統(tǒng)時鐘必須與全球時間同步,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,13,,時鐘發(fā)送與接收模塊,

11、接收模塊使用SerDes恢復(fù)時鐘作為本級的系統(tǒng)時鐘發(fā)送模塊: 相位測量（DMTD， FPGA TDC）接收模塊：基于FPGA DCM的動態(tài)移相,14,,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,時鐘發(fā)送板與時鐘接收板設(shè)計(jì),時鐘發(fā)送板與時鐘接收板結(jié)合起來設(shè)計(jì) 兩者區(qū)別： 發(fā)送板SerDes發(fā)送時鐘使用系統(tǒng)時鐘 接收板SerDes發(fā)送時鐘使用恢復(fù)時鐘 8

12、個光傳輸通道 4個通道采用外接SerDes DS92LV16 4個通道采用FPGA內(nèi)部GTX,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,15,,時鐘源板及時鐘發(fā)送模塊時鐘性能測試,測試方案：1. 測試銣時鐘源的輸出信號質(zhì)量2. 測試時鐘源板，時鐘發(fā)送板的系統(tǒng)時鐘性能,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,16,測試實(shí)物照片圖,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,17,,,,時鐘

13、源板,時鐘發(fā)送板,時鐘接收板,,銣時鐘源,銣時鐘源輸出時鐘信號,周期：99.99945nsJitter: 112.44ps,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,18,時鐘源板，時鐘發(fā)送板時鐘性能測試,Channel1（黃）：時鐘源板系統(tǒng)時鐘 周期：24.99971ns jitter: 11.27psChannel2 （紅）：時鐘發(fā)送板1系統(tǒng)時鐘 周期：24.99965ns jitte

14、r: 18.95psChannel3 （藍(lán)）：時鐘發(fā)送板2系統(tǒng)時鐘 周期：24.99954ns jitter: 11.29ps,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,19,時鐘接收模塊時鐘性能測試,測試方案： 1. 兩通道分別接100，200米光纖，測試時鐘相位調(diào)節(jié)前后的接收模塊恢復(fù)系統(tǒng)時鐘FEE_CLK的相位差 2. 保持測試條件不變，多次測量，觀測相位差的穩(wěn)定性 3. 保持測試條件不變，觀測F

15、EE_CLK相位差隨溫度變化的影響,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,20,時鐘接收模塊時鐘性能測試,未調(diào)節(jié)時相位差,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,21,Channel2 （紅）：時鐘發(fā)送板系統(tǒng)時鐘Channel3 （藍(lán)）：時鐘接收模塊1系統(tǒng)時鐘FEE_CLK1Channel4 （綠）：時鐘接收模塊2系統(tǒng)時鐘FEE_CLK2FEE_CLK1與FEE_CLK2相位差為8.334ns,時鐘接收模

16、塊時鐘性能測試,調(diào)節(jié)后相位差,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,22,Channel2 （紅）：時鐘發(fā)送板系統(tǒng)時鐘Channel3 （藍(lán)）：時鐘接收模塊1系統(tǒng)時鐘FEE_CLK1Channel4 （綠）：時鐘接收模塊2系統(tǒng)時鐘FEE_CLK2FEE_CLK1與FEE_CLK2相位差為244.53ps （未調(diào)節(jié)為8.334ns),時鐘接收模塊時鐘相位差穩(wěn)定性測試,平均值：271.16ps最大相位漂移 50.52

17、ps,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,23,測試方法： 重復(fù)加載發(fā)送接收板的邏輯，測試性能穩(wěn)定性,溫度調(diào)節(jié)裝置,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,24,,,200米光纖,100米光纖,溫度對測試的影響,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,25,光纖溫度系數(shù)35ps/(km·℃)， 對于測試所用200米光纖最大溫漂應(yīng)在262.5ps動態(tài)調(diào)節(jié)后相位漂移：54.32ps,測試方

18、法：200米光纖放入高溫試驗(yàn)箱，改變溫度，100米光纖室內(nèi)常溫條件下,示波器測量得到的時鐘偏差超過100ps的解釋,將兩個SMA TP測試點(diǎn)輸入同一時鐘信號通過示波器觀察，發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果存在237.86ps的相位差考慮之前測試的200多ps的相位差是不是因?yàn)門P路徑以及示波器通道連接同軸電纜的差異造成,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,26,示波器測量得到的時鐘偏差超過100ps的解釋,,Channel3 （藍(lán)）：時鐘

19、接收模塊1系統(tǒng)時鐘FEE_CLK1經(jīng)過DMTD放大后的波形Channel4 （綠）：時鐘接收模塊2系統(tǒng)時鐘FEE_CLK2經(jīng)過DMTD放大后的波形這幅圖中對應(yīng)未放大前的使用示波器直接測量FEE_CLK1和FEE_CLK2的時鐘歪斜為268.19ps已知DMTD放大系數(shù)為：279由DMTD原理可以反推得到FEE_CLK1和FEE_CLK2之間的實(shí)際的clock skew為：9.975ns/279 = 35.75ps測量值與實(shí)際值

20、之間存在268.19ps-35.75ps = 232.44ps的誤差,小結(jié)與下一步工作安排,小結(jié)：基于精簡的White Rabbit方案設(shè)計(jì)的時鐘原型系統(tǒng)，很好的實(shí)現(xiàn)了LHAASO WCDA系統(tǒng)時鐘需求，驗(yàn)證了原理的可行性通過動態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了溫漂自動補(bǔ)償功能下一步工作：完善時鐘原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成所有通道調(diào)試?yán)^續(xù)完備時鐘原型系統(tǒng)電子學(xué)系統(tǒng)性能測試,2024/2/28,核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,28,謝謝！,2024/2/