Auteur

Daniel Charlet

Article

Distribution d’horloge pour DAQ :
Précisions ultimes

 Distribution d’Horloge pour DAQ : précisions ultimes

Depuis 10 ans le LAL (Lab­o­ra­toire de l’Accélérateur Linéaire) est engagé dans un pro­jet de recherche et développe­ment en radio astronomie, autour de la car­togra­phie d’intensité. PAON4, un des volets de ce pro­jet, est un petit inter­féromètre radio en bande L déployé à l’Observatoire de Nan­cay ; Il s’agit d’un instru­ment de type mul­ti-récep­teur et large bande (500MHz).

Pour  l’observatoire de Nan­cay, une carte de numéri­sa­tion rapi­de de nou­velle généra­tion NEB­u­LA (NumEriseur à Bande Large pour l’Astronomie) est en cours de développe­ment et per­me­t­tra de répon­dre au cahi­er des charges ambitieux  de ce type d’instrument, mul­ti-récep­teurs à large bande (500 MHz) dis­tant de plusieurs cen­taines de mètres . Elle per­me­t­tra en out­re de pal­li­er aux dif­fi­cultés de trans­fert d’un sig­nal analogique sur de grandes dis­tances (plusieurs dizaines de Kilo­mètres), grâce à la pos­si­bil­ité de numéris­er le sig­nal au plus près de la source, directe­ment sur l’antenne dans notre cas.

La car­ac­téri­sa­tion tem­porelle de la carte est le fruit d’une col­lab­o­ra­tion avec le SYRTE (SYs­tèmes de Référence Temps Espace), un lab­o­ra­toire de l’observatoire de Paris spé­cial­isé dans métrolo­gie temps fréquence). Les pre­miers résul­tats obtenus sont extrême­ment promet­teurs et pla­cent le sys­tème au niveau de sta­bil­ité d’une hor­loge Rubid­i­um et ceci au bout de 125Km de fibre.

Pour répon­dre à la prob­lé­ma­tique de la syn­chro­ni­sa­tion sur une archi­tec­ture dis­tribuée, nous avons implé­men­té le pro­to­cole White Rab­bit, (voir fig­ure de principe du réseau Whit­eR­ab­bit ci-con­tre) dévelop­pé par le CERN, et nous l’avons fait évoluer en opti­misant le choix de cer­tains composants/nœud de l’architecture finale.

Cet arti­cle présente les résul­tats obtenus lors de la car­ac­téri­sa­tions de la chaine d’acquisition complète.

NEBULA est une carte au stan­dard xTCA dou­ble largeur, qui peut être insérée dans (châs­sis  ou fonc­tion­ner de manière autonome). Elle intè­gre un dou­ble ADC 8bits à 1GSPS (ADC08D1020). Un FPGA ARRIAV GT assure le séquence­ment de l’ADC, le trans­fert des don­nées ain­si que la ges­tion du pro­to­cole White Rab­bit. Le trans­fert des don­nées est assuré par 2 liens 10Gb en face avant ou en PCI express x4 gen3 dans un chassis.

L’initialisation ain­si que la con­fig­u­ra­tion de la carte sont assurées par un micro­processeur (ATMEGA128). La ges­tion des dif­férentes hor­loges, syn­chrones de l’horloge maîtresse, dis­tribué par le Whit­eR­ab­bit, fait appel à un mod­ule PLL jouant le rôle de « jit­ter clean­er » et syn­thé­tiseur (LMK04828). C’est une des mod­i­fi­ca­tions qui nous a per­mis d’améliorer les per­for­mances d’un nœud White Rab­bit en terme de sta­bil­ité et pré­ci­sion de la dis­tri­b­u­tion d’horloge

jusqu’à attein­dre 500 fem­to-sec­onde. Les trois fig­ures ci-dessous mon­trent la car­ac­téri­sa­tion de la con­ver­sion analogique-dig­i­tale asservie par l’horloge de référence et relue à tra­vers le lien optique White Rabbit.

Le savoir-faire acquis lors de la con­cep­tion de la carte NEBULA va être recon­duit dans le pro­to­type de la carte IDROGEN, un des mod­ules du pro­jet DAQGEN, un des pro­jets de R&D trans­verse ini­tié par l’IN2P3.

L’objectif de ce pro­jet est de fournir un « open hard­ware » réu­til­is­able par les élec­tron­i­ciens de l’institut en mutu­al­isant les développe­ments et en dif­fu­sant les exper­tis­es.

Les prin­ci­pales mod­i­fi­ca­tions entre la carte NEBULA et la carte IDROGEN por­tent sur :

  • Aug­men­ta­tion de puis­sance : Rem­place­ment du FPGA par cir­cuit ARRIA 10 (moins cher et plus performant) ;
  • Plus grande sou­p­lesse d’interfaçage :
  • Implan­ta­tion d’un mod­ule FMC en lieu et place de l’ADC ;
  • Implé­men­ta­tion de con­necteur RTM en face arrière pour assur­er la com­pat­i­bil­ité avec le stan­dard xTCA.4 ;
  • Aug­men­ta­tion de bande pas­sante : Les liens 20Gbs en face avant seront portés à 40Gbs.
  • Pos­si­bil­ité de con­fig­ur­er la carte en maître White Rab­bit afin d’étendre le réseau de dis­tri­b­u­tion de l’horloge de référence.

Les fig­ures ci-dessous décrivent les syn­op­tiques respec­tifs de la carte IDROGEN du pro­jet R&D Trans­verse DAQGEN et de la carte NEBULA.

Les fig­ures ci-dessous décrivent les syn­op­tiques de la carte IDROGEN issu du pro­jet R&D Trans­verse DAQGEN et de la carte NEBULA.