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NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 20061 PROPOSTA PER UNA RETE DI CONNESSIONE BIDIREZIONALE ASIMMETRICA AD ALTA VELOCITA IN CAVO COASSIALE PER.

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1 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze PROPOSTA PER UNA RETE DI CONNESSIONE BIDIREZIONALE ASIMMETRICA AD ALTA VELOCITA IN CAVO COASSIALE PER LA TORRE DI NEMO-F

2 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze DIMENSIONAMENTO DEI LINK Lelettronica 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 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.

3 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze DIMENSIONAMENTO DEL LINK PER I DATI Un primo tentativo potrebbe essere il seguente: PMT n Mb/s PMT n Mb/s PMT n Mb/s PMT n Mb/s Idrofono n Mb/s Idrofono n Mb/s Canale di controllo 5 Mb/s Rate totale, netta, di piano 135 Mb/s

4 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 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 lapparato. E ragionevole prevedere, per tutti e sedici i piani, una rate intorno a 200 Mb/s, che fornisce circa 12 Mb/s per piano.

5 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze DIMENSIONAMENTO DEI LINK 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 lirrinunciabile 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 m.

6 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 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

7 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze DIMENSIONAMENTO DEI LINK 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.

8 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze DIMENSIONAMENTO DEI LINK 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 allinterno 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.

9 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze HIGH RATE LINK (P HR =1.034 W) Data Out Data In Gb/s LMH0002 Line Driver 149mW LMH0034 Equalizer 208mW DS92LV18 18 bit SER/DES 677mW 18 bit Data In 18 bit Data Out MHz Clock In Clock Out

10 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze LOW RATE AND CLOCK LINK (P LR =0.614 W) Data Out Mb/s Data In LMH0034 Equalizer 208mW LMH0002 Line Driver 149mW DS92LV1021A 10 bit SER 92mW DS92LV1212A 10 bit DESER 99mW MK Clock Dejitter & Synthesis 66mW MHz Recovered Clock Dejittered Clock MHz MHz MHz Dejittered Clock Floor Clock High Rate Clock 10 bit Data In 10 bit Data Out

11 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze DAISY CHAIN NODE (P ND =2 W) FPGA Framer 8B/10B 16B/18B Encoder Decoder Data I/O SC I/O 330mW Data Out 196 Mb/s Data In Equalizer Line Driver 10 bit SER 92mW 10 bit DESER 99mW Clock Dejittering & Synthesis 66mW 10 bit Data In 10 bit Data Out Data Out Data In 1.31 Gb/s Line Driver Equalizer 18 bit SER/DES 677mW 18 bit Data In 18 bit Data Out 149 mW 208 mW 208 mW 149 mW 8/16 bit In 8/16 bit Out Clock In Clock Out Controls In Controls Out

12 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze TRASMISSIONE SU CAVO COASSIALE BELDEN 4281 a 480 Mb/s per 200 m

13 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze BELDEN 1694A

14 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze DIAGRAMMA AD OCCHIO PER BELDEN 1.5 Gb/s SENZA EQUALIZZAZIONE

15 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze DIAGRAMMA AD OCCHIO PER BELDEN 1.5 Gb/s CON EQUALIZZAZIONE

16 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 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 DINSERZIONE ALLA FREQUENZA DI ESERCIZIO E SULLA TRATTA DINTERESSE NON SUPERIORE AI 40 dB (perché è la massima compensazione che possono operare i circuiti di correzione)

17 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 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.

18 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 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 DINSERZIONE ED UNA IMPEDENZA CARATTERISTICA COMPLESSE E FUNZIONI DELLA FREQUENZA

19 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze Un buon modello della perdita dinserzione (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 FATTORI CHE CONDIZIONANO LA PROPAGAZIONE

20 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze CARATTERISTICHE DEI DIELETTRICI

21 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze CARATTERISTICHE DEI DIELETTRICI

22 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze EFFETTO PELLE IN CAVO COASSIALE DIELETTRICO RAME CHE PARTECIPA ALLA CONDUZIONE RAME CHE NON PARTECIPA ALLA CONDUZIONE Cavo in continua Cavo ad alta frequenza

23 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze FATTORI CHE CONDIZIONANO LA PROPAGAZIONE Con i materiali attuali e per le frequenze di nostro interesse, le perdite sono essenzialmente a carico dei conduttori e lunico modo per ridurle è aumentare le dimensioni del cavo.

24 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze FATTORI CHE CONDIZIONANO LA PROPAGAZIONE 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. Per ogni coppia vp,Ks, lespressione Z(z 0 ), 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 limpedenza caratteristica uguale a z opt

25 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze FATTORI CHE CONDIZIONANO LA PROPAGAZIONE

26 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze FATTORI CHE CONDIZIONANO LA PROPAGAZIONE Il prezzo che si paga usando cavi in pressione (dielettrico solido) ammonta al 45% di perdite in più.

27 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze Insertion Loss prevista per cavi lunghi 50 m, 100 m, GHz 150 m 50 m 100 m

28 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze CAVI (lunghi GHz ) A CONFRONTO K02253D02 SUCOFORM86-75FEP G02133D SUCOFORM141-75FEP G04133D 9209G05133D 9231 RG216U 9850 CAVI BELDEN CAVI HUBER-SUNHER

29 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze CAVI (lunghi GHz ) A CONFRONTO 8218 SUCOFORM141-75FEP G04133D 9209 G05133D 9231 RG216U 9850 CAVI BELDEN CAVI HUBER-SUNHER

30 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze K02253D02 SUCOFORM86-75FEP G02133D SUCOFORM141-75FEP G04133D 9209 G05133D 9231 RG216U 9850 CAVI BELDEN CAVI HUBER-SUNHER CAVI (lunghi GHz ) A CONFRONTO

31 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze K02253D02 SUCOFORM86-75FEP G02133D SUCOFORM141-75FEP G04133D 9209G05133D 9231 RG216U 9850 CAVI BELDEN CAVI HUBER-SUNHER CAVI (lunghi MHz ) A CONFRONTO

32 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 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 questultimo 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

33 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze CARATTERISTICHE CAVO BELDEN 9850 Cavo in PE solido : Diametro Jacket mm, Peso 19.5 Kg/100m

34 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze CAVO HUBER-SUNHER SUCOFORM FEP Cavo in PTFE solido : Diametro Jacket 4.1 mm, Peso 4.5 Kg/100m

35 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze CAVO SEMIRIGIDO MICRO-COAX UT

36 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze CARATTERISTICHE CAVO BELDEN 9850 Come si vede, lattenuazione è al bordo delle specifiche e nessun progetto può essere fatto senza margini di sicurezza

37 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze CARATTERISTICHE CAVO BELDEN dB di margine

38 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze CARATTERISTICHE CAVO HU-SU FEP 14 dB di margine

39 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze CONSIDERAZIONI SULLA DORSALE LUNGA 150 M La soluzione proposta è, purtroppo, irrealizzabile a causa dei margini troppo ristretti sullattenuazione di tratta ed a causa del diametro eccessivamente grande che dovrebbe assumere il cavo per assicurare unattenuazione intorno ai -30 dB. LIPOTESI DI DUE DAISY CHAIN LUNGHE 150m E IRREALIZZABILE

40 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 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.

41 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 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 FEP per i controlli ed il clock e quattro cavi per la potenza. Cavo coassiale BELDEN 9850 AWG 18. Diam. ext mm Cavo coassiale Hu-Su FEP AWG 27. Diam. ext. 4.1 mm Cavo in rame isolato AWG 10. Diam. ext. 3.0 mm, sez. rame 5 mm 2 Diam. Int. 23 mm

42 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 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 levidente complicazione delle doppie meccaniche, le due dorsali permetterebbero qualche semplificazione.

43 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze DOPPIA DORSALE DA 100m Cavo coassiale BELDEN 9850 AWG 18. Diam. ext mm Cavo coassiale Hu-Su FEP AWG 27. Diam. ext. 4.1 mm Cavo in rame isolato AWG 10. Diam. ext. 3.0 mm, sez. rame 5 mm 2 Con i cavi scelti, la struttura delle due dorsali in rame sarebbe quella qui rappresentata. Diam. Int mm

44 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze DOPPIA DORSALE (da 100m a 50 m) Se, provvisoriamente, si accettasse lidea 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 sullaltra, 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.

45 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 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 FEP 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

46 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze St. Patricks Backbone La 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 lelettronica necessaria allinterno di una delle due bentosfere posizionate ad ogni estremità dei bracci.

47 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze St. Patricks Backbone La realizzabilità di quanto proposto dipende da: volume dellelettronica da trasferire nella bentosfera potenza da dissipare allinterno della bentosfera connettore per entrare/uscire dalla bentosfera Si stima che: tutta lelettronica possa essere ospitata su singola scheda comodamente posizionabile nella bentosfera la potenza, comprensiva dellalimentatore primario e dei relativi controlli, possa essere minore di 7 W il connettore dovrà ospitare quattro connessioni coassiali; soluzione da studiare, ma possibile

48 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze DIMENSIONAMENTO DEL LINK PER I DATI Un secondo tentativo potrebbe essere il seguente: PMT n Mb/s PMT n Mb/s Idrofono n Mb/s Canale di controllo 2.5 Mb/s Rate totale, netta, di piano 67.5 Mb/s

49 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze DIMENSIONAMENTO DELLELETTRONICA DI VERTICE FIFO Managing FPGA Memory Module B M B Main Board Module 8 MB/s bus Copper Link Module Intelligent Power Supply, Fault Monitor, Crash Recovery & Primary Supply Slow Control SPI Analog Signal Front End 2 Modules A/D 200Ms/s 14 bit & 8 bit 100 ps TDC 1 Module A/D 200ks/s 24 bit Fast Data Managing Zero Skipping Data Formatting Time Stamping ……. FPGA 68Mb/s 1.3 Gb/s 200 Mb/s Copper Data Link & Clock Recovery Board Super visor Protocol Manager Data Encaps. Retiming Time Synthesis ……. 8 MB/s bus Consumo previsto della Benthos Manager Board circa 6 W 2 W 1 W0.5 W

50 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze St. Patricks Backbone Se 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 limpulsatore presente nellaltra adiacente. I convertitori A/D veloci sarebbero nelle immediate vicinanze dei PMT…e molto altro...

51 NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze St. Patricks 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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