PROPOSTA PER UNA RETE DI CONNESSIONE BIDIREZIONALE ASIMMETRICA AD ALTA VELOCITA’ IN CAVO COASSIALE PER LA TORRE DI NEMO-F M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

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

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 M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

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

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

DORSALE ATTUALE 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. M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

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

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

HIGH RATE LINK (PHR=1.034 W) DS92LV18 18 bit SER/DES 677mW LMH0034 Equalizer 208mW 18 bit Data In Data In DS92LV18 18 bit SER/DES 677mW Clock In 65.536 MHz 1.31072 Gb/s Clock Out 18 bit Data Out Data Out LMH0002 Line Driver 149mW M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

LOW RATE AND CLOCK LINK (PLR=0.614 W) Data Out 196.608 Mb/s Data In LMH0034 Equalizer 208mW LMH0002 Line Driver 149mW DS92LV1021A 10 bit SER 92mW DS92LV1212A 10 bit DESER 99mW MK206902 Clock Dejitter & Synthesis 66mW 16.384 MHz Recovered Clock Dejittered 65.536 MHz 4.096 MHz Dejittered Clock Floor Clock High Rate Clock 10 bit Data In 10 bit Data Out M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

DAISY CHAIN NODE (PND=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 DESER 99mW Clock Dejittering & Synthesis 66mW 10 bit Data In 10 bit Data Out 1.31 Gb/s 18 bit SER/DES 677mW 18 bit Data In 18 bit Data Out 149 mW 208 8/16 bit In 8/16 bit Out Clock In Clock Out Controls In Controls Out M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

TRASMISSIONE SU CAVO COASSIALE BELDEN 4281 a 480 Mb/s per 200 m M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

BELDEN 1694A M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

DIAGRAMMA AD OCCHIO PER BELDEN 1694A @ 1.5 Gb/s SENZA EQUALIZZAZIONE M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

DIAGRAMMA AD OCCHIO PER BELDEN 1694A @ 1.5 Gb/s CON EQUALIZZAZIONE M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

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

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

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 M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

FATTORI CHE CONDIZIONANO LA PROPAGAZIONE 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 M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

CARATTERISTICHE DEI DIELETTRICI M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

CARATTERISTICHE DEI DIELETTRICI M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

EFFETTO PELLE IN CAVO COASSIALE DIELETTRICO Cavo in continua Cavo ad alta frequenza RAME CHE PARTECIPA ALLA CONDUZIONE RAME CHE NON PARTECIPA ALLA CONDUZIONE M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

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 l’unico modo per ridurle è aumentare le dimensioni del cavo. M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

FATTORI CHE CONDIZIONANO LA PROPAGAZIONE Per ogni coppia “vp,Ks”, l’espressione Z(z0), esibisce un minimo in accordo con la soluzione della seguente equazione (funzione W di Lambert). 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 minimizzare le perdite in trasmissione sarebbe opportuno che il cavo avesse l’impedenza caratteristica uguale a zopt M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

FATTORI CHE CONDIZIONANO LA PROPAGAZIONE M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

FATTORI CHE CONDIZIONANO LA PROPAGAZIONE Il prezzo che si paga usando cavi in pressione (dielettrico solido) ammonta al 45% di perdite in più. M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

Insertion Loss prevista per cavi lunghi 50 m, 100 m, 150 m @ 1.3 GHz M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

CAVI (lunghi 150 m @ 1.3 GHz ) A CONFRONTO K02253D02 SUCOFORM86-75FEP G02133D05 8218 SUCOFORM141-75FEP G04133D 9209 G05133D 9231 RG216U 9850 CAVI BELDEN CAVI HUBER-SUNHER M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

CAVI (lunghi 100 m @ 1.3 GHz ) A CONFRONTO 8218 SUCOFORM141-75FEP G04133D 9209 G05133D 9231 RG216U 9850 CAVI BELDEN CAVI HUBER-SUNHER M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

CAVI (lunghi 50 m @ 1.3 GHz ) A CONFRONTO K02253D02 SUCOFORM86-75FEP G02133D05 8218 SUCOFORM141-75FEP G04133D 9209 G05133D 9231 RG216U 9850 CAVI BELDEN CAVI HUBER-SUNHER M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

CAVI (lunghi 150 m @ 200 MHz ) A CONFRONTO K02253D02 SUCOFORM86-75FEP G02133D05 8218 SUCOFORM141-75FEP G04133D 9209 G05133D 9231 RG216U 9850 CAVI BELDEN CAVI HUBER-SUNHER M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

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 M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

CARATTERISTICHE CAVO BELDEN 9850 Cavo in PE solido : Diametro Jacket 10.80 mm, Peso 19.5 Kg/100m M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

CAVO HUBER-SUNHER SUCOFORM 141-75 FEP Cavo in PTFE solido : Diametro Jacket 4.1 mm, Peso 4.5 Kg/100m M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

CAVO SEMIRIGIDO MICRO-COAX UT-141-75 M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

CARATTERISTICHE CAVO BELDEN 9850 Come si vede, l’attenuazione è al bordo delle specifiche e nessun progetto può essere fatto senza margini di sicurezza M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

CARATTERISTICHE CAVO BELDEN 9850 12 dB di margine M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

CARATTERISTICHE CAVO HU-SU 141-75FEP 14 dB di margine M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

CONSIDERAZIONI SULLA DORSALE LUNGA 150 M La 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 M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

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

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. Diam. Int. 23 mm 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 M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

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

Cavo coassiale Hu-Su 141-75FEP AWG 27. Diam. ext. 4.1 mm DOPPIA DORSALE DA 100m Con i cavi scelti, la struttura delle due dorsali in rame sarebbe quella qui rappresentata. Diam. Int. 14.5 mm 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 M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

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

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 M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

St. Patrick’s 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 l’elettronica necessaria all’interno di una delle due bentosfere posizionate ad ogni estremità dei bracci. M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

St. Patrick’s Backbone La 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 bentosfera Si 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 M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

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 M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

DIMENSIONAMENTO DELL’ELETTRONICA DI VERTICE Consumo previsto della Benthos Manager Board circa 6 W 2 W 1 W 0.5 W 0.5 W 2 W FIFO Managing FPGA Memory Module B M B Main Board 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 200ks/s 24 bit Fast Data Zero Skipping Formatting Time Stamping ……. 68Mb/s 1.3 Gb/s 200 Mb/s Link & Clock Recovery Board Super visor Protocol Manager Encaps. Retiming Synthesis M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

St. Patrick’s 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 l’impulsatore presente nell’altra adiacente. I convertitori A/D veloci sarebbero nelle immediate vicinanze dei PMT…e molto altro... M.Bonori, Fattibilità NEMO-F, Vacanze 2006

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