[论文解读] FPGA-based low-cost synchronized fiber network for experimental setups in space

Tim Oberschulte, Thijs Wendrich+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2021

Advancements in PLL and VCO Technologies参考文献 13被引用 2

一句话总结

本文提出一种低成本、基于FPGA的光纤网络，采用塑料光纤实现树形拓扑网络中亚1 ns同步抖动，支持电气隔离并减轻重量。该系统使用自定义协议，基于150 MHz时钟实现8b/10b编码，数据速率高达40 Mbit/s，触发延迟差异的标准偏差小于100 ps，适用于对高时间精度和最小布线要求的太空和实验室实验。

ABSTRACT

Custom experiment setups in physics often require control electronics to execute actions and measurements on a small time scale. When further constraints limit the experiment's environment, for example when the experiment is inside a sounding rocket, conventional network systems will not suffice those constraints because of weight, heat or budget limitations. This paper proposes a network architecture with a time resolution of less than 1 ns over a pair of plastic fibers while using low-cost commercial hardware. The plastic fibers in comparison to copper fibers have a low weight and additionally can isolate parts of the setup galvanically. Data rates of 40 Mbit/s enable the network to transfer large amounts of measurements and configuration data over the network. Proof-of-concept implementations of network endpoints and switches on small FPGAs are analyzed in terms of synchronicity, data rate and resource usage. Using commercial parts the resolution of 1 ns is reached with a standard deviation of less than 100 ps. Compared to a copper wire implementation the weight is reduced by about one order of magnitude. With its low weight at a low cost, the network is useful in space or laboratory setups which require high time resolution.

研究动机与目标

• 解决空间飞行实验和微重力实验中对低抖动、电气隔离和轻量化通信的需求。
• 用单根光纤连接替代多根铜缆（时钟、数据、触发、地址），以减少重量、复杂性及布线挑战。
• 仅使用商用现成（COTS）FPGA和光纤，在成本与功耗受限的环境中实现亚1 ns时间分辨率。
• 在如BECCAL和MAIUS等空间任务中，实现远程设备（如固件更新）的高带宽可重构性。
• 设计一种可扩展、确定性的网络，适用于具有多个电气地或长距离信号隔离需求的实验室环境。

提出的方法

• 在中心主机（主控）与终端（从机）之间构建树形拓扑网络，使用塑料光纤实现双向通信（发送和接收光纤）。
• 采用基于150 MHz基准时钟的自定义协议与8b/10b编码，实现40 Mbit/s数据速率，每三个时钟周期传输一个数据位。
• 仅使用590 LUTs/每根光纤接口的FPGA端点与交换机设计，确保资源占用低，可在不同FPGA间轻松移植。
• 通过光纤单一路由时钟实现主从同步，接收端进行相位对齐与抖动抑制。
• 使用自定义应用层协议传输固件与配置数据，通过改变数据包大小测量有效数据速率。
• 使用英特尔MAX10 FPGA上的概念验证实现，结合商用光收发器与最长50 m的塑料光纤对系统进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在空间受限环境中，仅使用塑料光纤的低成本、COTS基FPGA网络能否实现亚1 ns时间抖动？
• RQ2 在实验装置中，单根光纤在在多根铜缆（时钟、数据、触发、地址）中能多大程度上实现替代，以减少重量与复杂性？
• RQ3 当网络在多跳场景（如主机→交换机→终端）中扩展时，其数据速率与抖动性能如何？
• RQ4 在仅使用少量逻辑单元的小型FPGA上实现同步、同步网络的资源开销有多大？
• RQ5 该网络能否在断电重启后维持确定性同步，并支持大容量固件传输以实现轨内重构？

主要发现

• 该网络实现小于1 ns的时间分辨率，标准偏差小于100 ps，证明仅使用商用组件即可实现亚纳秒级同步精度。
• 在传输大包（约918 kB）时，系统最大有效数据速率可达39.92 Mbit/s，相比小包显著降低了开销。
• FPGA实现中，每根光纤接口仅使用590 LUTs，8端口交换机使用6,438 LUTs，占同类SpaceFibre实现所需逻辑面积的不足10%。
• 网络将每条连接的线缆数量从3根减少至1根，与铜基系统相比，系统重量减少逾10倍。
• 通过光纤实现电气隔离，使系统适用于存在不同地电位的环境，如多房间实验室或空间站。
• 系统支持通过网络可靠地进行固件与配置更新，支持BECCAL等任务的在轨重编程。