Distribution d’horloge pour DAQ: Précisions ultimes

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 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.

Contact : Daniel Charlet (LAL) 

Pour tout demande de renseignement complémentaire n’hésitez pas à nous contacter en cliquant sur l’image ci-dessous et compléter le formulaire

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