混杂型高速数据传输线缆性能测试

邓彬伟，杨东旭

(1湖北理工学院 光谷北斗国际学院，湖北 黄石 435003;2中国科学技术大学 物理学院，安徽 合肥 230026;3南卫理公会大学 物理系，德克萨斯州 达拉斯 75205)

混杂型高速数据传输线缆性能测试

邓彬伟1,3，杨东旭2,3

(1湖北理工学院 光谷北斗国际学院，湖北 黄石 435003;2中国科学技术大学 物理学院，安徽 合肥 230026;3南卫理公会大学 物理系，德克萨斯州 达拉斯 75205)

在LHC ATLAS实验Phase-I升级中，需要同时具有耐辐照、超细及高速传输能力的电子数据传输线。针对美国加利福利亚大学给出的混杂型高速电子数据传输线缆，设计了测试方法和方案，通过不同编码下通信速率测试、TID测试、眼图测试获得线缆通信性能数据，表明此线缆具有高速数据传输能力，旨在为线缆设计和选择提供支持。

传输线；混杂型线缆；高速数据传输；超细；ATLAS

ATLAS探测器是大型强子对撞机(LHC)的七大探测器之一，ATLAS液氩量能器是其重要组成部分[1]。为了在升级后更严苛的LHC实验环境中发挥ATLAS谱仪最大的物理潜能，在原有设计的基础上利用LHC二期长停机LS2期间对其进行Phase-I提升，以应对LHC更高对撞能级下超高亮度指标以及更海量堆积事件的筛选等带来的一系列难题[2]。

由于ATLAS Phase-I升级中通信线缆在保证通信速率等前提下对线缆粗细有限制，根据设计要求，如果仅采用超细 7 m Twinax线缆无法达到5 Gbps通信速率要求;如果采用7 m TWP 28AWG则过粗不符合系统尺寸要求。美国加利福利亚大学J.Shanhinian等于2015年提出了针对ATLAS 2018 Phase-I升级高带宽传输需要的混杂电缆解决方案。应要求对1 m TWP 28AWG 加6 m Twinax组成的7 m混杂型高速数据传输线进行测试设计与研究；分别基于Kintex 7 FPGA 产生1 G、1.5 G、2 G、2.5 G、3 G、4.8 G、5.12 G等多种传输速率，通过PRBS7、带预加重PRBS7、8B10B[3]、带预加重8B10B 4种编码与信号方式对线缆进行误码率测试；通过DSA72004高速示波器观察不同传速率和编码信号方式下的眼图[4]；同时通过LeCroy公司的Wave Expert 100 Hz采样示波器对线缆端进行TDR测试[5]。采用以上3类测试方法进行测试，得出了测试与分析结果，给出了4种不同传输编码与信号处理下线缆的传输特性,为线缆的选择与进一步改进提供了支持。

1 混杂型高速线缆提出的背景

TWP 线缆即双绞线，根据美国线缆标准，TWP由AWG参数来描述其线缆粗细及相关性能，如AWG28 其线的外径为0.32 mm, 电阻227 Ω/km；AWG24其外径为0.511 mm,电阻89.4 Ω/km。通过加利福利亚大学J.Shahinian等研究表明，在5 Gbps带宽下1 m以上TWP线缆无法传输。TWinax线缆即双同轴电缆，由于其成本效率高已成为现代短距离高速差分信号应用的线缆。加利福利亚大学J.Shahinian等初步测试表明TWinax AWG 28可传输带宽达6.22 Gbps。因此根据ATLAS对线缆总长7 m的要求给出了混杂型线缆，并由南卫理公会大学光电子实验室进一步测试相关性能，以便改进与选择。

2 混杂型线缆结构

混杂型高速线缆由6 m长的Twinax线缆与1 m长的TWP线缆构成。由于需要把线缆通过SMA线连到开发板与示波器上进行测试，采用手工连接后带SMA线的信号线电阻为2.5 Ω/km，地线电阻4.2 Ω/km。其带SMA线的混杂型线缆照片如图1所示。图1中粗黑线是6 m长的Twinax线缆，金色细线是1 m长的TWP线缆，蓝色胶带木块部分是Twinax与TWP连接处，白色胶带木块是线缆与6 cm SMA线相连处，6 cm SMA线是10 Gbps SMA线。

图1 带SMA线的混杂型线缆照片

3 测试方案设计

测试方案分为误码率测试、眼图测试与TDR测试。

1)误码率是通信传输中最基本的性能测试指标之一。混杂型线缆测试通过在Kintex 7 FPGA中设计伪随机序列PRBS7、8B10B及预加重功能的组合实现对线缆的误码率情况的全面测试和对编码通信的性能分析。

2)眼图测试，通过获取编码信号在混杂型线缆传输后的眼图来分析其线缆传输性能。眼图测试采用KC705 Kintex 7 FPGA开发评估板和DSA72004 示波器，通过自行设计的PRBS7、带预加重PRBS7、8B10B、带预加重的8B10B编码固件在DSA72004示波器不同传输速率下测量眼图眼张开大小来分析混杂型线缆传输性能。

3)TDR测试技术，即时域反射计技术，使用阶跃信号发生仪和示波器，在被测传输线上发送一个快速的上升沿，在特定的点用示波器观察反射电压波形[6]。

4 测试

4.1 误码率测试

误码率测试采用的硬件是Xilinx公司的KC705开发评估板，数据模式采用PRBS7和8B10B编码，信号使用带预加重与不带预加重2种。自行设计的FPGA固件因不同传输率需要不同的GTX配置，因而不同传输率的误码率测试分别有各自固件。带预加重8B10B误码率测试方框图如图2所示。根据8B10B编码规则设计8B10B编码器，将8B10B编码送入Kintex 7GTX 串行器，在其IP core的源代码接口上配置预加重参数，然后通过SMA线缆连回Kintex 7 GTX RX高速接收口，内部固件解串行器对串行数据进行解串行为并行；通过8B10B解码器解码，对解码数据通过设计的误码率测试器模块测试误码率，如果有差错相应误码数会通过USB上传到Chipscope上。误码率测试PC机上Chipscope截图如图3所示，实物照片如图4所示。不同通信速率下带预加重8B10B编码的混杂线缆的误码率测试结果见表1。

图2 带预加重8B10B误码率测试方框图

图3 PC机上Chipscope截图

图4 误码率测试实物照片表1 不同通信速率下带预加重8B10B编码 的混杂线缆误码率测试结果

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

表1测试结果表明，带预加重8B10B编码下混杂型线缆最高可以工作在5.0 Gbps的传输速率下。

4.2 眼图测试

眼图测试在误码率测试条件基础上，增加了DSA72004数字示波器，DSA72004带宽高达20 GHz，可以可靠地测绘Gbps传输率的信号眼图,测试混杂型线缆眼图的实物图如图5所示。KC705评估板上外接由Si5338时钟发生器产生的GTX参考时钟，混杂线缆通过SMA口接入KC705,产生的编码信息通过混杂线缆及差分盒接到示波器的CH2通道上，CH1通道接的是触发时钟线。

1 Gbps 4种模式下混杂型线缆的眼图如图6所示，眼图张开高度统计见表2，不同编码下传输速率与眼图眼张开高度关系图如图7所示。

图5 眼图测试实物图

图6 1 Gbps 4种模式下混杂型线缆的眼图表2 眼图张开高度统计表

眼图张开高度/mVPRBS7PRBS7-PRE8b10b8b10bPRE.1Gbps3083653754091.5Gbps1972812613032Gbps751871292252.5Gbps0103351313.0Gbps0370119

图7 不同编码下传输速率与眼图眼张开高度关系图

由表2和图6可以得出，带预加重的8B10B模式明显好于其他3种模式。实际在误码率测试中，带预加重的8B10B模式8B10B可以工作在高达5 Gpbs的传输速率下而其误码率小于10E-13。

4.3 TDR测试

采用LeCroy公司的Wave Expert 100 Hz等效时间采样示波器作为TDR测试仪。根据混杂性线缆结构，分为2部分测试，一个是称为正向测试，即1 m TWP靠近TDR测试仪；另一个称为反向测试，即6 m Twinax线缆通过1 m SMA线(为便于接到TDR仪上)接到TDR测试仪上。TDR测试连接图如图8所示。

图8 TDR测试连接图

1)正向测试。

正向测试中，每通过1 m铜线延时5 ns,SMA头测得延时200 ps,因此到达6 m Twinax 连接末端处的往返时间(RTT)为(1.06*5+0.2+6*5)*2=71 ns。正向测试TDR图如图9所示，从图9(a)中可以看到在6 m Twinax 连接末端处反射系数为9.7%；从图9(b)中可以看到1 m TWP连接末端处(RTT可知是81 ns)，此处的反射系数为8.8%。

图9 正向测试TDR图

2)反向测试。

反向测试中，1 s SMA线有5 ns延时，SMA头有200 ps延时，所以1.06 m SMA连同SMA头往返时间(RTT)为(5.3+0.2)*2=11 ns，1 m TWP线RTT为10 ns,因此到1 m TWP连接末端处时间为21 ns。反向测试TDR图如图10所示，在1 m TWP连接末端处发生反射，通过测量反射系数为17%；而再通过6 mTWinax线后，可知需要6*5*2+21=81 ns时间，6 m Twinax 连接末端处反射系数趋近于0。

图10 反向测试TDR图

混杂型线缆TDR差分测试得到的反射系数较低，在反向测试连接时，在Twinax线缆末端反射系数甚至趋近于零，说明混杂型线缆在TDR测试上效果较好。

5 测试结果与结论

通过对混杂型线缆进行误码率测试、眼图测试及TDR测试，结果表明此混杂性线缆能够工作在最高达5.0 Gbps的传输速率下。在2种不同线缆连接处通过机械连接有希望进一步降低接触电阻、减少信号干扰、降低反射系数、提高传输能力。

[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液氩量能器一期升级前端触发电子学原型系统研究[D].合肥：中国科学技术大学，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] 吴柏昆,贾涵阳,余文志,等.基于STM32高速误码测试仪设计与实现[J].仪表技术与传感器,2015(9):31-34.

[5] 徐锦,何斌,廖玲,等.基于TDC的电缆长度测试系统[J].仪表技术与传感器,2013(9):84-85.

[6] 董俊平,曹平,王军.时域反射测试技术在基坑变形监测中的应用[J].城市勘测，2011(3)：164-166.

(责任编辑 吴鸿霞)

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

湖北理工学院校级科研重点项目(项目编号：16xjz04A)。

邓彬伟，副教授，博士，研究方向:高速数据传输。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.06.002

TM93

A

2095-4565(2016)06-0006-05