混雜型高速數(shù)據(jù)傳輸線纜性能測(cè)試

鄧彬偉，楊東旭

(1湖北理工學(xué)院 光谷北斗國(guó)際學(xué)院，湖北 黃石 435003;2中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理學(xué)院，安徽 合肥 230026;3南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué) 物理系，德克薩斯州 達(dá)拉斯 75205)

混雜型高速數(shù)據(jù)傳輸線纜性能測(cè)試

鄧彬偉1,3，楊東旭2,3

(1湖北理工學(xué)院 光谷北斗國(guó)際學(xué)院，湖北 黃石 435003;2中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理學(xué)院，安徽 合肥 230026;3南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué) 物理系，德克薩斯州 達(dá)拉斯 75205)

在LHC ATLAS實(shí)驗(yàn)Phase-I升級(jí)中，需要同時(shí)具有耐輻照、超細(xì)及高速傳輸能力的電子數(shù)據(jù)傳輸線。針對(duì)美國(guó)加利福利亞大學(xué)給出的混雜型高速電子數(shù)據(jù)傳輸線纜，設(shè)計(jì)了測(cè)試方法和方案，通過(guò)不同編碼下通信速率測(cè)試、TID測(cè)試、眼圖測(cè)試獲得線纜通信性能數(shù)據(jù)，表明此線纜具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力，旨在為線纜設(shè)計(jì)和選擇提供支持。

傳輸線；混雜型線纜；高速數(shù)據(jù)傳輸；超細(xì)；ATLAS

ATLAS探測(cè)器是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)的七大探測(cè)器之一，ATLAS液氬量能器是其重要組成部分[1]。為了在升級(jí)后更嚴(yán)苛的LHC實(shí)驗(yàn)環(huán)境中發(fā)揮ATLAS譜儀最大的物理潛能，在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上利用LHC二期長(zhǎng)停機(jī)LS2期間對(duì)其進(jìn)行Phase-I提升，以應(yīng)對(duì)LHC更高對(duì)撞能級(jí)下超高亮度指標(biāo)以及更海量堆積事件的篩選等帶來(lái)的一系列難題[2]。

由于ATLAS Phase-I升級(jí)中通信線纜在保證通信速率等前提下對(duì)線纜粗細(xì)有限制，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，如果僅采用超細(xì) 7 m Twinax線纜無(wú)法達(dá)到5 Gbps通信速率要求;如果采用7 m TWP 28AWG則過(guò)粗不符合系統(tǒng)尺寸要求。美國(guó)加利福利亞大學(xué)J.Shanhinian等于2015年提出了針對(duì)ATLAS 2018 Phase-I升級(jí)高帶寬傳輸需要的混雜電纜解決方案。應(yīng)要求對(duì)1 m TWP 28AWG 加6 m Twinax組成的7 m混雜型高速數(shù)據(jù)傳輸線進(jìn)行測(cè)試設(shè)計(jì)與研究；分別基于Kintex 7 FPGA 產(chǎn)生1 G、1.5 G、2 G、2.5 G、3 G、4.8 G、5.12 G等多種傳輸速率，通過(guò)PRBS7、帶預(yù)加重PRBS7、8B10B[3]、帶預(yù)加重8B10B 4種編碼與信號(hào)方式對(duì)線纜進(jìn)行誤碼率測(cè)試；通過(guò)DSA72004高速示波器觀察不同傳速率和編碼信號(hào)方式下的眼圖[4]；同時(shí)通過(guò)LeCroy公司的Wave Expert 100 Hz采樣示波器對(duì)線纜端進(jìn)行TDR測(cè)試[5]。采用以上3類測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，得出了測(cè)試與分析結(jié)果，給出了4種不同傳輸編碼與信號(hào)處理下線纜的傳輸特性,為線纜的選擇與進(jìn)一步改進(jìn)提供了支持。

1 混雜型高速線纜提出的背景

TWP 線纜即雙絞線，根據(jù)美國(guó)線纜標(biāo)準(zhǔn)，TWP由AWG參數(shù)來(lái)描述其線纜粗細(xì)及相關(guān)性能，如AWG28 其線的外徑為0.32 mm, 電阻227 Ω/km；AWG24其外徑為0.511 mm,電阻89.4 Ω/km。通過(guò)加利福利亞大學(xué)J.Shahinian等研究表明，在5 Gbps帶寬下1 m以上TWP線纜無(wú)法傳輸。TWinax線纜即雙同軸電纜，由于其成本效率高已成為現(xiàn)代短距離高速差分信號(hào)應(yīng)用的線纜。加利福利亞大學(xué)J.Shahinian等初步測(cè)試表明TWinax AWG 28可傳輸帶寬達(dá)6.22 Gbps。因此根據(jù)ATLAS對(duì)線纜總長(zhǎng)7 m的要求給出了混雜型線纜，并由南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)光電子實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步測(cè)試相關(guān)性能，以便改進(jìn)與選擇。

2 混雜型線纜結(jié)構(gòu)

混雜型高速線纜由6 m長(zhǎng)的Twinax線纜與1 m長(zhǎng)的TWP線纜構(gòu)成。由于需要把線纜通過(guò)SMA線連到開發(fā)板與示波器上進(jìn)行測(cè)試，采用手工連接后帶SMA線的信號(hào)線電阻為2.5 Ω/km，地線電阻4.2 Ω/km。其帶SMA線的混雜型線纜照片如圖1所示。圖1中粗黑線是6 m長(zhǎng)的Twinax線纜，金色細(xì)線是1 m長(zhǎng)的TWP線纜，藍(lán)色膠帶木塊部分是Twinax與TWP連接處，白色膠帶木塊是線纜與6 cm SMA線相連處，6 cm SMA線是10 Gbps SMA線。

圖1 帶SMA線的混雜型線纜照片

3 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

測(cè)試方案分為誤碼率測(cè)試、眼圖測(cè)試與TDR測(cè)試。

1)誤碼率是通信傳輸中最基本的性能測(cè)試指標(biāo)之一?；祀s型線纜測(cè)試通過(guò)在Kintex 7 FPGA中設(shè)計(jì)偽隨機(jī)序列PRBS7、8B10B及預(yù)加重功能的組合實(shí)現(xiàn)對(duì)線纜的誤碼率情況的全面測(cè)試和對(duì)編碼通信的性能分析。

2)眼圖測(cè)試，通過(guò)獲取編碼信號(hào)在混雜型線纜傳輸后的眼圖來(lái)分析其線纜傳輸性能。眼圖測(cè)試采用KC705 Kintex 7 FPGA開發(fā)評(píng)估板和DSA72004 示波器，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的PRBS7、帶預(yù)加重PRBS7、8B10B、帶預(yù)加重的8B10B編碼固件在DSA72004示波器不同傳輸速率下測(cè)量眼圖眼張開大小來(lái)分析混雜型線纜傳輸性能。

3)TDR測(cè)試技術(shù)，即時(shí)域反射計(jì)技術(shù)，使用階躍信號(hào)發(fā)生儀和示波器，在被測(cè)傳輸線上發(fā)送一個(gè)快速的上升沿，在特定的點(diǎn)用示波器觀察反射電壓波形[6]。

4 測(cè)試

4.1 誤碼率測(cè)試

誤碼率測(cè)試采用的硬件是Xilinx公司的KC705開發(fā)評(píng)估板，數(shù)據(jù)模式采用PRBS7和8B10B編碼，信號(hào)使用帶預(yù)加重與不帶預(yù)加重2種。自行設(shè)計(jì)的FPGA固件因不同傳輸率需要不同的GTX配置，因而不同傳輸率的誤碼率測(cè)試分別有各自固件。帶預(yù)加重8B10B誤碼率測(cè)試方框圖如圖2所示。根據(jù)8B10B編碼規(guī)則設(shè)計(jì)8B10B編碼器，將8B10B編碼送入Kintex 7GTX 串行器，在其IP core的源代碼接口上配置預(yù)加重參數(shù)，然后通過(guò)SMA線纜連回Kintex 7 GTX RX高速接收口，內(nèi)部固件解串行器對(duì)串行數(shù)據(jù)進(jìn)行解串行為并行；通過(guò)8B10B解碼器解碼，對(duì)解碼數(shù)據(jù)通過(guò)設(shè)計(jì)的誤碼率測(cè)試器模塊測(cè)試誤碼率，如果有差錯(cuò)相應(yīng)誤碼數(shù)會(huì)通過(guò)USB上傳到Chipscope上。誤碼率測(cè)試PC機(jī)上Chipscope截圖如圖3所示，實(shí)物照片如圖4所示。不同通信速率下帶預(yù)加重8B10B編碼的混雜線纜的誤碼率測(cè)試結(jié)果見表1。

圖2 帶預(yù)加重8B10B誤碼率測(cè)試方框圖

圖3 PC機(jī)上Chipscope截圖

圖4 誤碼率測(cè)試實(shí)物照片表1 不同通信速率下帶預(yù)加重8B10B編碼 的混雜線纜誤碼率測(cè)試結(jié)果

RawRateRunTimeErrorBER1Gbps3h20min02.26E-132.5Gbps1h03.00E-132.6Gbps1h03.05E-133.2Gbps1h50min02.68E-134.8Gbps1h40min09.13E-145.0Gbps1h01.55E-135.12Gbps30min187933745.47E-6

表1測(cè)試結(jié)果表明，帶預(yù)加重8B10B編碼下混雜型線纜最高可以工作在5.0 Gbps的傳輸速率下。

4.2 眼圖測(cè)試

眼圖測(cè)試在誤碼率測(cè)試條件基礎(chǔ)上，增加了DSA72004數(shù)字示波器，DSA72004帶寬高達(dá)20 GHz，可以可靠地測(cè)繪Gbps傳輸率的信號(hào)眼圖,測(cè)試混雜型線纜眼圖的實(shí)物圖如圖5所示。KC705評(píng)估板上外接由Si5338時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生的GTX參考時(shí)鐘，混雜線纜通過(guò)SMA口接入KC705,產(chǎn)生的編碼信息通過(guò)混雜線纜及差分盒接到示波器的CH2通道上，CH1通道接的是觸發(fā)時(shí)鐘線。

1 Gbps 4種模式下混雜型線纜的眼圖如圖6所示，眼圖張開高度統(tǒng)計(jì)見表2，不同編碼下傳輸速率與眼圖眼張開高度關(guān)系圖如圖7所示。

圖5 眼圖測(cè)試實(shí)物圖

圖6 1 Gbps 4種模式下混雜型線纜的眼圖表2 眼圖張開高度統(tǒng)計(jì)表

眼圖張開高度/mVPRBS7PRBS7-PRE8b10b8b10bPRE.1Gbps3083653754091.5Gbps1972812613032Gbps751871292252.5Gbps0103351313.0Gbps0370119

圖7 不同編碼下傳輸速率與眼圖眼張開高度關(guān)系圖

由表2和圖6可以得出，帶預(yù)加重的8B10B模式明顯好于其他3種模式。實(shí)際在誤碼率測(cè)試中，帶預(yù)加重的8B10B模式8B10B可以工作在高達(dá)5 Gpbs的傳輸速率下而其誤碼率小于10E-13。

4.3 TDR測(cè)試

采用LeCroy公司的Wave Expert 100 Hz等效時(shí)間采樣示波器作為TDR測(cè)試儀。根據(jù)混雜性線纜結(jié)構(gòu)，分為2部分測(cè)試，一個(gè)是稱為正向測(cè)試，即1 m TWP靠近TDR測(cè)試儀；另一個(gè)稱為反向測(cè)試，即6 m Twinax線纜通過(guò)1 m SMA線(為便于接到TDR儀上)接到TDR測(cè)試儀上。TDR測(cè)試連接圖如圖8所示。

圖8 TDR測(cè)試連接圖

1)正向測(cè)試。

正向測(cè)試中，每通過(guò)1 m銅線延時(shí)5 ns,SMA頭測(cè)得延時(shí)200 ps,因此到達(dá)6 m Twinax 連接末端處的往返時(shí)間(RTT)為(1.06*5+0.2+6*5)*2=71 ns。正向測(cè)試TDR圖如圖9所示，從圖9(a)中可以看到在6 m Twinax 連接末端處反射系數(shù)為9.7%；從圖9(b)中可以看到1 m TWP連接末端處(RTT可知是81 ns)，此處的反射系數(shù)為8.8%。

圖9 正向測(cè)試TDR圖

2)反向測(cè)試。

反向測(cè)試中，1 s SMA線有5 ns延時(shí)，SMA頭有200 ps延時(shí)，所以1.06 m SMA連同SMA頭往返時(shí)間(RTT)為(5.3+0.2)*2=11 ns，1 m TWP線RTT為10 ns,因此到1 m TWP連接末端處時(shí)間為21 ns。反向測(cè)試TDR圖如圖10所示，在1 m TWP連接末端處發(fā)生反射，通過(guò)測(cè)量反射系數(shù)為17%；而再通過(guò)6 mTWinax線后，可知需要6*5*2+21=81 ns時(shí)間，6 m Twinax 連接末端處反射系數(shù)趨近于0。

圖10 反向測(cè)試TDR圖

混雜型線纜TDR差分測(cè)試得到的反射系數(shù)較低，在反向測(cè)試連接時(shí)，在Twinax線纜末端反射系數(shù)甚至趨近于零，說(shuō)明混雜型線纜在TDR測(cè)試上效果較好。

5 測(cè)試結(jié)果與結(jié)論

通過(guò)對(duì)混雜型線纜進(jìn)行誤碼率測(cè)試、眼圖測(cè)試及TDR測(cè)試，結(jié)果表明此混雜性線纜能夠工作在最高達(dá)5.0 Gbps的傳輸速率下。在2種不同線纜連接處通過(guò)機(jī)械連接有希望進(jìn)一步降低接觸電阻、減少信號(hào)干擾、降低反射系數(shù)、提高傳輸能力。

[1] Myers Stephen.The large hadron collider 2008-2013[J].International Journal of Modern Physics A,2013,28(28):245-247.

[2] 胡雪野.ATLAS液氬量能器一期升級(jí)前端觸發(fā)電子學(xué)原型系統(tǒng)研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

[3] Fukuda S,Kojima Y,Shimpuku Y,et al.8/10 modulation codes for digital magnetic recording[J].IEEE Transactions on Magnetics,1986,22(5):1194-1196.

[4] 吳柏昆,賈涵陽(yáng),余文志,等.基于STM32高速誤碼測(cè)試儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015(9):31-34.

[5] 徐錦,何斌,廖玲,等.基于TDC的電纜長(zhǎng)度測(cè)試系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2013(9):84-85.

[6] 董俊平,曹平,王軍.時(shí)域反射測(cè)試技術(shù)在基坑變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].城市勘測(cè)，2011(3)：164-166.

(責(zé)任編輯 吳鴻霞)

Performance Test of Hybrid Cable with High-speed Data Transmission

DengBinwei1,3,YangDongxu2,3

(1Optics Valley Beidou International School,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2School of Physical Sciences,University of Science and Technology of China,Hefei Anhui 230026;3Department of Physics,Southern Methodist University,Dallas TX,USA 75275)

The super-fine,radiation-resistant and high-speed electronic data transmission cable is needed in the LHC ATLAS experiment Phase-I upgrade.Hybrid cable scheme of constructed by One meter TWP and six meters Twinax Cable proposed by University of California is introduced.Test and calibration scheme are proposed for the hybrid cable.The data communication rate test,TID test and Eye diagram under different coding and signal fashions are applied into the hybrid cable measurement in order to obtain its performance.The test result shows high-speed data can be transferred by the hybrid cable and the scheme can guide cable design and selection.

transmission line;hybrid cable;high-speed electronic data transmission;super-fine;ATLAS

2016-08-11

湖北理工學(xué)院校級(jí)科研重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：16xjz04A)。

鄧彬偉，副教授，博士，研究方向:高速數(shù)據(jù)傳輸。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.06.002

TM93

A

2095-4565(2016)06-0006-05