La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica1 Il PROBLEMA DELLE INTERCONNESSIONI NELLELETTRONICA ATTUALE E FUTURA COLLEGAMENTI.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica1 Il PROBLEMA DELLE INTERCONNESSIONI NELLELETTRONICA ATTUALE E FUTURA COLLEGAMENTI."— Transcript della presentazione:

1 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica1 Il PROBLEMA DELLE INTERCONNESSIONI NELLELETTRONICA ATTUALE E FUTURA COLLEGAMENTI A FIBRE OTTICHE PER GLI ESPERIMENTI DI LHC

2 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica2 Il concetto della trasmissione ottica Sistema di principio di trasmissione ottica ModulatorAmplifierDetector Light Source Connector Light Sensor Transmitter Reciver Electricity Light Glass Fibre

3 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica3 Spettro delle comunicazioni ottiche

4 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica4 Vantaggi della trasmissione in fibra ottica basse perdite di trasmissione banda di trasmissione molto grande immunità al rumore elettromagnetico basso costo ingombro e peso ridotto materiale resistente e flessibile maggiore sicurezza (risulta bassissimo il segnale che va allesterno del cavo)

5 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica5 Limitazioni unione tra due cavi raggio di curvatura richiede la conversione elettro-ottica possibili interferenze delle radiazioni gamma provenienti dallo spazio. Su alcuni tipi di materiale possono provocare emissione di luce o alterazione del colore della fibra, provocando un aumento del rumore e dellattenuazione. (in condizioni normali sono poco influenti)

6 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica6 Che cosa è una fibra ottica è una guida donda dielettrica cilindrica, formata da un core e da un cladding linterfaccia tra core e cladding realizza uno specchio perfetto in grado di confinare i raggi allinterno del core. Dimensioni tipiche: diametro core da 9 a 65.5µm diametro cladding 125µm n 1 = n 2 = n=0.001÷0.01 Materiale: core in Silica (S i O 2 ) cladding Silica drogata

7 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica7 Profilo dellindice di rifrazione Ogni modo si propaga su un percorso geometrico diverso. Il modo che compie il percorso più lungo lo fa principalmente in un mezzo più veloce. Il profilo dellindice ha una forma tale da realizzare lannullamento delle differenze temporali tra i modi. Il numero di modi che si propagano dipende dal diametro del core. Se il diametro del core è comparabile con λ si propaga un solo modo. Nella propagazione multimodo esistono infiniti raggi che incidono nella faccia della fibra con angoli diversi, ciascun raggio incidente viene detto modo.

8 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica8 Dispersione Modale Si ha principalmente nelle fibre multimodo. E causata dalla differenza dei percorsi dei vari modi allinterno del core. n2 n1 Velocità effettiva in direzione dellasse Leffetto della dispersione è lallargamento dellimpulso luminoso. Questo limita la minima distanza temporale tra due impulsi luminosi, ossia il massimo numero di bit/s. Tenendo conto del Goos-Hänchen shift, la velocità dogni modo è leggermente maggiore di quella geometrica, dato che una parte del percorso avviene in direzione quasi orizzontale e in un mezzo più veloce del core. Per ridurre la dispersione modale in una fibra multimodo si realizza un profilo dellindice a gradiente. La massima differenza di tempo riguarda il modo corrispondente allangolo critico e quello in direzione orizzontale. Apertura Numerica

9 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica9 Dispersione Cromatica o del Materiale Deriva dalla variazione dindice con la lunghezza donda, risulta significativa per portanti ottiche con ampie bande di modulazione o di scarsa monocromaticità (sorgenti a LED). Differenza temporale delle lunghezze donda Landamento della dispersione è crescente con λ e si annulla, per la silica, intorno a 1300nm. λ=1300nm è interessante poiché, nella curva di attenuazione, ha un minimo. È utilizzata per comunicazioni a grande distanza. Dispersione

10 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica10 ATTENUAZIONE Espressa per comodità in unità logaritmiche (dB/Km). Determina la massima distanza copribile senza ripetitori. Perdite per microcurvature, provocate da piccole irregolarità alla superficie della fibra o allinterfaccia core- cladding. Diffusione di Rayleigh. Disomogeneità nellindice di rifrazione. Impurezze risonanti. Molecole estranee incorporate nella fibra, tipicamente radicali OH -, che provocano picchi di assorbimento. Assorbimento UV. La coda di assorbimento, anche se di poco, si estende nel vicino infrarosso. Assorbimento IR. È significativo solo per lunghezze donda >1400nm. Determina la massima lunghezza donda impiegabile con le fibre in silice (1700nm). Può essere rappresentata come un polinomio

11 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica11 Curve tipiche dattenuazione

12 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica12 Mezzi a confronto

13 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica13 Tecniche di giunzione La criticità nella giunzione è legata alle dimensioni della fibra (dellordine di qualche μm). La giunzione tra 2 fibre può essere realizzata mediante : -- giunti a fusione (perdita circa 0.05dB) -- giunti meccanici -- connettori meccanici (perdita circa 0.2dB) Cause di perdite dei giunti -- perdite estrinseche causate da fattori legati alla giunzione -- perdite intrinseche causate da proprietà legate alla costruzione delle fibre. Il controllo dellallineamento del solo mantello esterno può non essere sufficiente.

14 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica14 Trasmissione WDM (Wavelenght Division Multiplexing) Per aumentare la capacità della fibra si usa la tecnica della multiplazione a divisione di λ. Allinterno della finestra trasmissiva della fibra si trasmettono numerosi canali a diversa lunghezza donda. λ1 λ2 λ3 λ4 Il parametro fondamentale è rappresentato dalla spaziatura Δλ tra i canali ottici. Le normative prevedono che la spaziatura sia un multiplo di 0.4nm (50GHz). Δλ più piccoli permettono una maggiore capacità trasmissione. Vi è però un limite tecnologico dei Mux/DeMux. Attualmente la banda di trasmissione digitale arriva a 10÷20Gb/s, nei laboratori si è arrivati fino a 100Gb/s. Considerato che per un canale telefonico occorrono 64Kb/s, il numero di canali telefonici su una singola fibra è, rispettivamente, 156K÷312K e 1.5M. La multiplazione permette di avere circa 132canali indipendenti.

15 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica15 Connettori per fibre ottiche Alcuni tipi più comuni di connettori ottici SC FC LC ST MPO Connector Type Insertion Loss (MM) Insertion Loss (SM) Return Loss SC0.25 dB0.2 dB40 dB FC0.25 dB0.2 dB40 dB ST0.25 dB0.2 dB40 dB LC0.15 dB0.17 dB40 dB MPO0.50 dB0.75 dB40 dB Il tipo di accoppiamento ricalca in genere quello dei connettori per radiofrequenza (BNC, SMA) e può essere classificato in accoppiamento: -- a vite -- a baionetta -- a scatto

16 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica16 Link ottici in LHCb Calorimeters system BOLOGNA

17 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica17 Link ottici in LHCb Specifiche principali -- distanza del collegamento circa 80m -- Data rate, 1.28Gb/s -- basso BER (Bit Error Rate) Fiber Optical 1.6 Gb/s GOL Serializer Optical Transmitter MHz Transmitter board Data In Clock Low jitter 40 MHz 80 meters Optical Receiver TLK2501 Deserializer De-Mux & Synch MHz MHz Data Out Crystal Oscillator 80MHz Clock 40 MHz Receiver board Schema a blocchi di un canale ottico

18 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica18 Mezzanine Verranno realizzate due schede mezzanine di trasmissione, una a singolo canale ed una a 12 canali, da distribuire ai vari gruppi della collaborazione. Bologna realizzerà inoltre la scheda di Selection Crate con 28 Rx e 3 Tx inglobati nel PCB. La densità di canali non permette in questo caso ladozione delle mezzanine.

19 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica19 Scelte: Serializzatore GOL (Gigabit Optical Link), sviluppato al CERN per vari esperimenti. In LHC il clock distribuito dal TTC (Timing Trigger and Control), ha un jitter > 100ps p-p non idoneo per realizzare valori di BER accettabili. Per ridurre il jitter, al CERN, hanno sviluppato un filtro realizzato con un chip QPLL (Quartz crystal based Phase Locked Loop). Multi protocollo: G-Link e Gigabit Ethernet (8B/10B). Tollerante alle radiazioni. Rate: Fast 1.6Gbit/s (32 bit data 40MHz), Slow 0.8Gbit/s (16 bit data 40MHz). PLL interno per la sintesi del clock. Interfacce per il controllo e lo status: JTAG e I 2 C. Driver: Laser driver e 50Ω line driver. Alimentazione +2.5V (400mW). Packege: 144 pin fpBGA (13x13mm). Richiede il ckock con jitter <100ps p-p.

20 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica20 Scelte: De-Serializzatore TLK2501 transceiver, Texas Insrtument Protocollo: Gigabit Ethernet (8B/10B). Rate: Fast 1.5Gbit/s to 2.5Gbit/s (16 bit data 75MHz to 125MHz). PLL interno per la sintesi del clock Richiede il ckock con jitter <40ps p-p. Interfaccia seriale di tipo differenziale. Alimentazione +2.5V (360mW). Packege: 64 pin VQFP (Power PAD), (12x12mm).

21 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica21 Scelte: LASER -- Nel singolo canale è utilizzato il diodo laser ULM TN-USMBOP della ULM Photonics, 5 Gb/s a 850nm con connettore SMA (economico rispetto ai moduli). Le caratteristiche del laser possono variare da laser a laser e in qualche caso con la temperatura e linvecchiamento. La corrente di monitor, ottenuta dal foto diodo interno, permette di realizzare la retroazione e mantenere il livello di potenza ottica.

22 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica22 Scelte: Optical Transmitter -- Optical Transmitter/Receiver: FTRJ transceiver, Finisar Gbit/s Fibre Channel Standard 2x5 pin SFF 850nm VCSEL laser trasmier Connettore LC duplex Supporta la trasmissione fino a 300m con fibra ottica 50/125µm multimodale Alimentazione +3.3V, dissipazione circa 750mW. -- Optical Receiver: HFBR-722BP, Parallel Fiber Optic Modules, Agilent 12 canali indipendenti 2.5 Gbit/s per canale Standard SNAP12 850nm VCSEL laser trasmier Connettore MPO Supporta la trasmissione fino a 300m con fibra ottica 50/125µm multimodale 500MHzKm Alimentazione +3.3V, dissipazione circa 2.25W. Nelle versioni finali -- sarà utilizzato lequivalente ZL60101 della Zarlink (ingombro).

23 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica23 Scelte: Cavo La scelta del cavo è vincolata dai dispositivi di conversione elettro- ottica. Nella scelta si sono considerati i parametri: -- distanza; -- data rate; -- costo del singolo canale. Risultano idonei: -- multimodale nm -- 50/125µm

24 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica24 Prototipo TX - RX

25 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica25 Test, metodo del pattern generator BERT (Bit Error Rate Test) implementato su FPGA Xilinx. Fiber Optical 1.6 Gb/s Transmitter board 80 meters DG2040 Tektronix 40MHz Receiver board SDA 5000 Lecroy BERT Xilinix FPGA VME Control Crystal Oscillator 80MHz I pattern da 32 bit generati in modo pseudo-random, trasmessi e ricevuti dal link ottico sono confrontati da una logica di controllo. La stima del BER è da: Un sistema trasmissivo può essere definito error-free se presenta un BER di circa ÷ Per misurare un tasso di errore di 10 -N è ragionevole prendere in considerazione almeno 10 N 1.6Gb/s BER= BER test x625ps=62.500s=17,36 ore Il BER è un indicatore che misura la qualità trasmissiva del sistema di comunicazione

26 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica26 Test, metodo del diagramma ad occhio Oscilloscopio Lecroy SDA5000 Scopo: verificare che il BER di circa sia possibile. Condizione: Il calcolo del jitter e quindi lapertura dellocchio è effettuato considerando una deviazione standard corrispondente al BER da verificare, nellipotesi di distribuzione Gaussiana. Es. 0.43UI Da Data Sheet Es. 0.40UI Conclusione: il valore di BER è verificato. Jitter sul clock

27 Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica27 Test


Scaricare ppt "Bologna, 6 Maggio 2004 Ignazio Lax INFN Bologna Centro di Elettronica1 Il PROBLEMA DELLE INTERCONNESSIONI NELLELETTRONICA ATTUALE E FUTURA COLLEGAMENTI."

Presentazioni simili


Annunci Google