用于江门中微子实验的超五类电缆测试系统的研究与设计

摘要

继大亚湾中微子实验成功测量中微子混合角θ13后，江门中微子实验(Jiangmen Underground Neutrino Observation，JUNO)作为中微子实验的八大方案之一也被提上了日程，它将用于研究下一个中微子的热点和重点问题——中微子质量顺序。JUNO电子学系统中，需要一种合适的电缆连接水下的电子学盒子和水上的后端电子学部分。为了验证几种不同防水结构的超五类电缆的电气性能好坏，本文设计了用于江门中微子实验的超五类电缆测试系统。首先研究了在常压、变化水压和恒定水压等不同实验环境中，几种不同类型的电缆的时钟抖动(Jitter)、阻抗连续性、近端串扰(NEXT)、误码率、传输带宽等电气性能的表现。经过分析选出一种类型的电缆作为该电子学部分的连接电缆设计选型的参考，同时基于日后对该部分使用的电缆在安装后，需要测试和判别电缆的传输性能是否受到损坏，防止JUNO实验使用到不合格电缆。在本研究中设计了用于江门中微子的超五类电缆测试系统。该系统的研究包括硬件的设计和制作以及软件部分的上位机程序的功能实现等，完成可对电缆进行125MHz时钟传输，时钟抖动、误码和网络性能等电气性能的测试功能。整个研究工作完成了硬件上电缆测试板的原理图设计、PCB设计和元器件焊接，以及ISE和Iperf上位机程序的编写。整个测试系统也包括使用的带有FPGA子板的可编程的性能，通过FMC连接到该电缆测试板上，信号通信由JTAG（Joint Test Action Group;联合测试工作组）向电缆测试板加载Verilog上位机程序实现，可通过LabVIEW监测由测试板CDR（时钟数据恢复）所存恢复的某通道电缆测试结果，也可通过示波器和ChipScope监测传输信号。经测试该电缆测试系统具备对电缆125MHz时钟信号传输、串扰、误码和网络性能等测试功能。