鄧彬偉，楊東旭

(1湖北理工學院 光谷北斗國際學院，湖北 黃石 435003;2中國科學技術大學 物理學院，安徽 合肥 230026;3南衛(wèi)理公會大學 物理系，德克薩斯州 達拉斯 75205)

混雜型高速數(shù)據(jù)傳輸線纜性能測試

鄧彬偉1,3，楊東旭2,3

(1湖北理工學院 光谷北斗國際學院，湖北 黃石 435003;2中國科學技術大學 物理學院，安徽 合肥 230026;3南衛(wèi)理公會大學 物理系，德克薩斯州 達拉斯 75205)

在LHC ATLAS實驗Phase-I升級中，需要同時具有耐輻照、超細及高速傳輸能力的電子數(shù)據(jù)傳輸線。針對美國加利福利亞大學給出的混雜型高速電子數(shù)據(jù)傳輸線纜，設計了測試方法和方案，通過不同編碼下通信速率測試、TID測試、眼圖測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，旨在為線纜設計和選擇提供支持。

傳輸線；混雜型線纜；高速數(shù)據(jù)傳輸；超細；ATLAS

ATLAS探測器是大型強子對撞機(LHC)的七大探測器之一，ATLAS液氬量能器是其重要組成部分[1]。為了在升級后更嚴苛的LHC實驗環(huán)境中發(fā)揮ATLAS譜儀最大的物理潛能，在原有設計的基礎上利用LHC二期長停機LS2期間對其進行Phase-I提升，以應對LHC更高對撞能級下超高亮度指標以及更海量堆積事件的篩選等帶來的一系列難題[2]。

由于ATLAS Phase-I升級中通信線纜在保證通信速率等前提下對線纜粗細有限制，根據(jù)設計要求，如果僅采用超細 7 m Twinax線纜無法達到5 Gbps通信速率要求;如果采用7 m TWP 28AWG則過粗不符合系統(tǒng)尺寸要求。美國加利福利亞大學J.Shanhinian等于2015年提出了針對ATLAS 2018 Phase-I升級高帶寬傳輸需要的混雜電纜解決方案。應要求對1 m TWP 28AWG 加6 m Twinax組成的7 m混雜型高速數(shù)據(jù)傳輸線進行測試設計與研究；分別基于Kintex 7 FPGA 產生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PRBS7、帶預加重PRBS7、8B10B[3]、帶預加重8B10B 4種編碼與信號方式對線纜進行誤碼率測試；通過DSA72004高速示波器觀察不同傳速率和編碼信號方式下的眼圖[4]；同時通過LeCroy公司的Wave Expert 100 Hz采樣示波器對線纜端進行TDR測試[5]。采用以上3類測試方法進行測試，得出了測試與分析結果，給出了4種不同傳輸編碼與信號處理下線纜的傳輸特性,為線纜的選擇與進一步改進提供了支持。

1 混雜型高速線纜提出的背景

TWP 線纜即雙絞線，根據(jù)美國線纜標準，TWP由AWG參數(shù)來描述其線纜粗細及相關性能，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。通過加利福利亞大學J.Shahinian等研究表明，在5 Gbps帶寬下1 m以上TWP線纜無法傳輸。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應用的線纜。加利福利亞大學J.Shahinian等初步測試表明TWinax AWG 28可傳輸帶寬達6.22 Gbps。因此根據(jù)ATLAS對線纜總長7 m的要求給出了混雜型線纜，并由南衛(wèi)理公會大學光電子實驗室進一步測試相關性能，以便改進與選擇。

2 混雜型線纜結構

混雜型高速線纜由6 m長的Twinax線纜與1 m長的TWP線纜構成。由于需要把線纜通過SMA線連到開發(fā)板與示波器上進行測試，采用手工連接后帶SMA線的信號線電阻為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長的Twinax線纜，金色細線是1 m長的TWP線纜，藍色膠帶木塊部分是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 測試方案設計

測試方案分為誤碼率測試、眼圖測試與TDR測試。

1)誤碼率是通信傳輸中最基本的性能測試指標之一?；祀s型線纜測試通過在Kintex 7 FPGA中設計偽隨機序列PRBS7、8B10B及預加重功能的組合實現(xiàn)對線纜的誤碼率情況的全面測試和對編碼通信的性能分析。

2)眼圖測試，通過獲取編碼信號在混雜型線纜傳輸后的眼圖來分析其線纜傳輸性能。眼圖測試采用KC705 Kintex 7 FPGA開發(fā)評估板和DSA72004 示波器，通過自行設計的PRBS7、帶預加重PRBS7、8B10B、帶預加重的8B10B編碼固件在DSA72004示波器不同傳輸速率下測量眼圖眼張開大小來分析混雜型線纜傳輸性能。

3)TDR測試技術，即時域反射計技術，使用階躍信號發(fā)生儀和示波器，在被測傳輸線上發(fā)送一個快速的上升沿，在特定的點用示波器觀察反射電壓波形[6]。

4 測試

4.1 誤碼率測試

誤碼率測試采用的硬件是Xilinx公司的KC705開發(fā)評估板，數(shù)據(jù)模式采用PRBS7和8B10B編碼，信號使用帶預加重與不帶預加重2種。自行設計的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試分別有各自固件。帶預加重8B10B誤碼率測試方框圖如圖2所示。根據(jù)8B10B編碼規(guī)則設計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加重參數(shù)，然后通過SMA線纜連回Kintex 7 GTX RX高速接收口，內部固件解串行器對串行數(shù)據(jù)進行解串行為并行；通過8B10B解碼器解碼，對解碼數(shù)據(jù)通過設計的誤碼率測試器模塊測試誤碼率，如果有差錯相應誤碼數(shù)會通過USB上傳到Chipscope上。誤碼率測試PC機上Chipscope截圖如圖3所示，實物照片如圖4所示。不同通信速率下帶預加重8B10B編碼的混雜線纜的誤碼率測試結果見表1。

圖2 帶預加重8B10B誤碼率測試方框圖

圖3 PC機上Chipscope截圖

圖4 誤碼率測試實物照片表1 不同通信速率下帶預加重8B10B編碼 的混雜線纜誤碼率測試結果

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

表1測試結果表明，帶預加重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 眼圖測試

眼圖測試在誤碼率測試條件基礎上，增加了DSA72004數(shù)字示波器，DSA72004帶寬高達20 GHz，可以可靠地測繪Gbps傳輸率的信號眼圖,測試混雜型線纜眼圖的實物圖如圖5所示。KC705評估板上外接由Si5338時鐘發(fā)生器產生的GTX參考時鐘，混雜線纜通過SMA口接入KC705,產生的編碼信息通過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)計見表2，不同編碼下傳輸速率與眼圖眼張開高度關系圖如圖7所示。

圖5 眼圖測試實物圖

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系圖

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

4.3 TDR測試

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

圖8 TDR測試連接圖

1)正向測試。

正向測試中，每通過1 m銅線延時5 ns,SMA頭測得延時200 ps,因此到達6 m Twinax 連接末端處的往返時間(RTT)為(1.06*5+0.2+6*5)*2=71 ns。正向測試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 正向測試TDR圖

2)反向測試。

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

圖10 反向測試TDR圖

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

5 測試結果與結論

通過對混雜型線纜進行誤碼率測試、眼圖測試及TDR測試，結果表明此混雜性線纜能夠工作在最高達5.0 Gbps的傳輸速率下。在2種不同線纜連接處通過機械連接有希望進一步降低接觸電阻、減少信號干擾、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前端觸發(fā)電子學原型系統(tǒng)研究[D].合肥：中國科學技術大學，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,余文志,等.基于STM32高速誤碼測試儀設計與實現(xiàn)[J].儀表技術與傳感器,2015(9):31-34.

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

[6] 董俊平,曹平,王軍.時域反射測試技術在基坑變形監(jiān)測中的應用[J].城市勘測，2011(3)：164-166.

(責任編輯 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

湖北理工學院校級科研重點項目(項目編號：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