phased array feed signal transport and ......2011/06/28  · wp2‐030.050.010‐ssdd‐003 revision...

12
WP2030.050.010SSDD003 Revision : 1 PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND NETWORKS CONCEPT DESCRIPTION FOR THE SKA Document number .............................................................. WP2030.050.010SSDD003 Revision ........................................................................................................................... 1 Author ..................................................................................................................... CSIRO Date ................................................................................................................. 20110613 Status ............................................................................................... Approved for release Name Designation Affiliation Date Signature Submitted by: S. Amy CSIRO 20110613 Accepted by: Approved by: R.McCool SPDO 20110613

Upload: others

Post on 20-Jul-2020

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND ......2011/06/28  · WP2‐030.050.010‐SSDD‐003 Revision : 1 PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND NETWORKS CONCEPT DESCRIPTION FOR THE

    WP2‐030.050.010‐SSDD‐003     Revision : 1 

 

     

PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND NETWORKS CONCEPT DESCRIPTION FOR THE SKA 

Document number .............................................................. WP2‐030.050.010‐SSDD‐003Revision ........................................................................................................................... 1Author ..................................................................................................................... CSIRODate ................................................................................................................. 2011‐06‐13Status ............................................................................................... Approved for release 

  

Name  Designation  Affiliation  Date  Signature 

Submitted by: 

S. Amy    CSIRO  2011‐06‐13   

Accepted by: 

         

         

Approved by: 

R.McCool    SPDO  2011‐06‐13 

 

Page 2: PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND ......2011/06/28  · WP2‐030.050.010‐SSDD‐003 Revision : 1 PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND NETWORKS CONCEPT DESCRIPTION FOR THE

       Revision

  Error! Reference source not found.  

 

 

DOCUMENT HISTORY Revision  Date Of Issue  Engineering Change  

Number 

Comments 

A  2011‐03‐17  ‐  First draft release  

B  2011‐06‐13    Sent to SPDO for publication 

C  2011‐06‐13    Signed, approved and number added 

  

DOCUMENT SOFTWARE   Package  Version  Filename 

Wordprocessor  MsWord  Word 2003   

Block diagrams       

Other       

  

ORGANISATION DETAILS Name   

Physical/Postal  Address 

 

Fax.   Website   

 

Page 3: PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND ......2011/06/28  · WP2‐030.050.010‐SSDD‐003 Revision : 1 PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND NETWORKS CONCEPT DESCRIPTION FOR THE

       Revision

  

TABLE OF CONTENTS 

1 INTRODUCTION ............................................................................................. 5 1.1 Purpose of the document ...................................................................................................... 5 1.2 Scope of the document ......................................................................................................... 5

2 SYSTEM CONTEXT FOR PHASED ARRAY FEEDS ....................................................... 5 2.1 SKA Hierarchy ........................................................................................................................ 5 2.2 Role of PAFs in the SKA .......................................................................................................... 7 2.3 First Draft Interface Description ............................................................................................ 8

3 TARGET REQUIREMENTS AND FUNCTIONALITY ...................................................... 8 3.1 Functional Requirements ...................................................................................................... 8

4 FIRST DRAFT DESCRIPTION OF THE PAF DESIGN .................................................... 8

5 TECHNICAL PROGRESS TO DATE ......................................................................... 9

6 FIRST DRAFT POWER REQUIREMENTS ................................................................ 9

7 FIRST DRAFT RELIABILITY CONSIDERATIONS ....................................................... 10

8 IMPACT OF EXTENSIBILITY TO AIP AND SKA2 .................................................... 10

9 FIRST DRAFT COST REPORT ........................................................................... 10 9.1 Description of the procurement method ............................................................................ 11 9.2 Sensitivity Analysis of Cost estimates .................................................................................. 11

10 FIRST DRAFT RISK ANALYSIS ....................................................................... 11

11 PLANNING FOR THE NEXT PHASE ................................................................... 11 11.1 Identification of gaps and areas of further work ................................................................. 11 11.2 Strategy to proceed to the next phase ................................................................................ 11

12 REFERENCES ........................................................................................... 12    

  Error! Reference source not found.  

 

Page 4: PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND ......2011/06/28  · WP2‐030.050.010‐SSDD‐003 Revision : 1 PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND NETWORKS CONCEPT DESCRIPTION FOR THE

       Revision

 

LIST OF FIGURES  

Figure 1: Wide‐Band Direct Sampling PAF Receiver Assembly in the SKA Sub‐System Hierarchy ......... 6 Figure 2: RFoF PAF Receiver Assembly in the SKA Sub‐System Hierarchy .............................................. 6 Figure 3: Integrated IQ Mixer PAF Receiver Assembly in the SKA Sub‐System Hierarchy ...................... 7 Figure 4: PAF Concept Design Options .................................................................................................... 7     

LIST OF TABLES  

Table 1: Approxmate Data Rates and FIbre Count ................................................................................. 8 Table 2: Common Transceiver Power Consumption and Operating Temperature Range ................... 10 Table 3: Cost Comparison of 10Gbit/s Ethernet Transceivers .............................................................. 10     

LIST OF ABREVIATIONS 

AIP.............................. .. Advanced Instrumentation Programme

CoDR.......................... .. Concept Design review

SKA ............................... Square Kilometre Array

SPDO ............................ SKA Program Development Office

STaN............................ . Signal Transport and Networks

SKA1............................ . SKA Phase 1

SKA2............................ . SKA Phase 2

 

  Error! Reference source not found.  

 

Page 5: PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND ......2011/06/28  · WP2‐030.050.010‐SSDD‐003 Revision : 1 PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND NETWORKS CONCEPT DESCRIPTION FOR THE

       Revision

 

1 Introduction 

1.1 Purpose of the document 

This  document  outlines  the  data  transport  and  network  design  concepts  for  Phased Array  Feeds (PAFs).   Much  of  the  information  used  in  this  document  is  covered  in  detail  in  the  supporting documentation developed by the PAFSKA group and will be presented in detail at the Dish CoDR to be held in July 2011.  Many  aspects  of  these  designs  are  under  active  development  by  the  PAFSKA  partners,  including CSIRO.   Some of the  information presented here, has been extracted  from draft documents under development by the PAFSKA group.  This document takes a high‐level snapshot view of the data transport requirements as at June 2011.  

1.2 Scope of the document 

The data and signal transport requirements for three possible PAF receiver designs:  

• wide‐band direct sampling, • RF over Fibre (RFoF), • integrated IQ mixers. 

 The  context  within  the  STaN  domain  is  restricted  to  the  provision  of  the  physical  network infrastructure (e.g. fibre cabling, termination) and the digital data transport.  In the case of RFoF, it is envisaged  that STaN would have an advisory  role but as  the electronics would need  to be highly integrated into the PAF design, the PAF group would take a lead role in this aspect.   

2 System Context for Phased Array Feeds 

2.1 SKA Hierarchy 

This  concept  is applicable  for where PAF  receivers are  implemented as part of  the SKA dish  feed array.   The  SKA  sub‐system hierarchy  for  three PAF  receiver designs  are presented  in  the  figures below. 

  Error! Reference source not found.  

 

Page 6: PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND ......2011/06/28  · WP2‐030.050.010‐SSDD‐003 Revision : 1 PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND NETWORKS CONCEPT DESCRIPTION FOR THE

       Revision

 Figure 1: Wide‐Band Direct Sampling PAF Receiver Assembly in the SKA Sub‐System Hierarchy 

            

 Figure 2: RFoF PAF Receiver Assembly in the SKA Sub‐System Hierarchy 

  

  Error! Reference source not found.  

 

Page 7: PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND ......2011/06/28  · WP2‐030.050.010‐SSDD‐003 Revision : 1 PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND NETWORKS CONCEPT DESCRIPTION FOR THE

       Revision

 Figure 3: Integrated IQ Mixer PAF Receiver Assembly in the SKA Sub‐System Hierarchy 

  

2.2 Role of PAFs in the SKA 

The PAF receiver assembly includes the necessary analogue and digital signal processing to present digital data streams to the correlator that represent a number of PAF beam‐formed beams.  As noted above, there are a number of PAF Receiver Assembly concepts which require different data transport  requirements.    The  relationship  between  the  various  PAF  elements  are  summarised  in Figure 4.   

 Figure 4: PAF Concept Design Options 

  

  Error! Reference source not found.  

 

Page 8: PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND ......2011/06/28  · WP2‐030.050.010‐SSDD‐003 Revision : 1 PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND NETWORKS CONCEPT DESCRIPTION FOR THE

       Revision

2.3 First Draft Interface Description 

The  interface  of  various  PAF  Concept  design  with  the  STaN  domain  remains  uncertain  as development is underway on multiple different designs.  In some cases, multi‐mode or single mode fibre can be used.  It is strongly recommended that only standard single‐mode fibre be utilised as this is likely to provide the most  flexible  data  transport  physical  layer  regardless  of  the  technology  that  is  used.    It  is certainly the case that wider‐bandwidth and longer distance transmission can be achieved on single‐mode fibre if COTS networking hardware (e.g. transceivers) are used.  There is an additional advantage  in that a smaller range of spare components, such as patch  leads, feed‐through connectors, fibre pigtails etc need to be stocked along with less confusion for technical staff as to whether a particular connection uses multi‐ or single‐mode fibre.   

3 Target Requirements and Functionality 

3.1 Functional Requirements 

For the three concept design cases, the data rates are summarised in the table below (for a PAF with approximately 200 elements).  

Table 1: Approxmate Data Rates and FIbre Count     Data Rate  Fibre Count @ 10Gbit/s Direct‐Sample  3GS/s @ 8‐12bit  ~30Gbit/s  3 x 200 IQ Mixer  2 x 1.6GS/s @ 8bit  <30Gbit/s  3 x 200 RFoF  200 elements     

 The digital transmission component assumes the use of 10Gbit/s transceivers which are currently (in 2011)  the  “sweet‐spot”  in  terms  of  cost,  flexibility  and  performance.    In  addition,  no  passive multiplexing has been used.  It  is  important  to note  that, particularly  for  the RFoF  case,  the  fibre must be buried at a  suitable depth to minimise temperature related phase‐shifts.  Whilst this technology would preclude the use of other  fibre  installation methods  (e.g. overhead suspension systems) buried  fibre will be needed for the distribution of phase stable local oscillator reference signal(s).   

4 First Draft Description of the PAF Design 

For the two digital based systems, 10Gbit/s transmission has been used as a basis.  As the growth of the Internet increases, the demands for high‐bandwidth, per‐channel systems will continue to drive the cost of 10Gbit/s downwards and also  lead  to cheaper, higher‐bandwidth per‐channel systems.  Using fixed wavelengh DWDM transceivers  in the optical C‐band (centered around 1550nm) would realise 32 channels (100GHz spacing) that could be passively MUXed, significantly reducing the fibre core count. A recent development has been the  introduction of a fully‐tunable DWDM transceiver that can be tuned across the full C‐band at 50GHz spacing realising 80 channels on a single fibre pair.  

  Error! Reference source not found.  

 

Page 9: PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND ......2011/06/28  · WP2‐030.050.010‐SSDD‐003 Revision : 1 PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND NETWORKS CONCEPT DESCRIPTION FOR THE

       Revision

As of mid‐2011, 40Gbit/s and 100Gbit/s per wavelength long‐haul transmission systems are available from various vendors as commercially  supported products. However,  these are unsuitable  for  this application which distances are typically < 10km from receptor to processor.  There  is  active  development  of  40Gbit/s  and  100Gbit/s  ”pluggable”  transceiver modules,  again driven  by  the  networking  and  telecommunications  sector.    Significantly,  these  use  built‐in multplexiing/de‐multiplexiing  to  realise  the  total bandwidth  spread over a number  (typically  four) lower bit‐rate channels.  An example of 100Gbit/s transceiver development is demonstrated by the commercial availability of a 100Gbit/s C  Form‐factor Pluggable  (CFP) module which  is  an  industry  standard.   A CFP module capable of 100Gbit/s over 10km uses four wavelengths in the 1310nm band on single‐mode fibre.   

5 Technical progress to date 

Development work on a suitable RFoF system  is currently being undertaken at CASS as part of the ASKAP project.   Whilst RFoF systems have been around for many years, the relatively  in‐expensive systems used Vertical Cavity Surface Emitting Lasers operating which have been unsuitable for the required distance and signal to noise.  Recent work  has  concentrated  on  using  Direct  Feedback  Single Mode  Lasers  at  1310nm.    Early results appear encouraging with the required SNR, phase‐stability and distance being achieved.  However, this would require a single fibre for each analogue link along with associated termination and cable routing  issues.   Although, further development  is required,  leveraging  industry standards such as Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) would result  in a significant reduction  in fibre count.   The current COTS systems used for 1Gbit/s networking applications can support eight wavelengths, each separated by 20nm over a single fibre pair (although in this application only uni‐directional  transmission  is  required).    More  recent  passive  multiplexing  systems  has  seen  the introduction of an eight wavelength passive system using standard DWDM transceivers at 10Gbit/s.   

6 First Draft Power Requirements 

 This  is a difficult parameter to quantify at this early stage of the concept design.    Indicative power consumption  and  operating  temperature  range  for  a  given  transceiver  type  is  detailed  in  the following table.  

  Error! Reference source not found.  

 

Page 10: PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND ......2011/06/28  · WP2‐030.050.010‐SSDD‐003 Revision : 1 PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND NETWORKS CONCEPT DESCRIPTION FOR THE

       Revision

Table 2: Common Transceiver Power Consumption and Operating Temperature Range   Maximum Power 

Consumption (W) Operating Temperature 

Range (°C) 10Gbit/s LR transceiver (SFP+)  1  0 – 70 10Gbit/s DWDM transceiver (XFP)  3.5  0 – 70 100Gbit/s LR transceiver (CFP)  24  0 – 70   

7 First Draft Reliability Considerations 

Using  industry standard fibre along with COTS components would provide similar reliability to that achieved  in  the  telecommunications  transmission  systems.    Typically  these would provide well  in excess of 100000 hours MTBF.   

8 Impact of Extensibility to AIP and SKA2 

The impact of using PAFs on STaN is across two broad areas:  

• the quantity (and type) of fibre required, and • the selected transmission technology. 

 Regardless of the use of PAFs in either phase of the SKA or the AIP, these factors remain essentially constant with a multiplier required depending on the number of PAFs deployed (assuming that the distance from a PAF equipped antenna to data processor is no greater than 10km).   

9 First Draft Cost Report 

It is difficult if not impossible to undertake a full cost analysis at this early stage of the development of PAF‐based receiver technology for the SKA.  This is particularly true given the number of different designs currently under consideration.  However,  it  is worth  looking at the cost of 10Gbit/s COTS Ethernet transceivers at mid‐2011 prices (in AUD).  In the table below, the cost is given for vendor‐specific transceivers in small quantities (i.e. well  under  100  per  order).    A  comparison  of  the  cost  when  purchased  “branded”  transceivers directly  from  a  networking  vendor  (at  a  discount  level  that  is  realistic)  and  third‐party  100% compatible devices are shown.  

Table 3: Cost Comparison of 10Gbit/s Ethernet Transceivers   Vendor Price (including 

discount) Third‐Party Supplier Price 

10Gbit/s LR transceiver (SFP+)  $1011  $455 10Gbit/s  DWDM  fixed  wavelength transceiver (X2) 

$5062 $2190 (40km reach) $3142 (80km reach) 

10Gbit/s  DWDM  fully‐tunable  (80 channels) transceiver (XFP) 

$5189  Unavailable 

   

  Error! Reference source not found.  

 

Page 11: PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND ......2011/06/28  · WP2‐030.050.010‐SSDD‐003 Revision : 1 PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND NETWORKS CONCEPT DESCRIPTION FOR THE

       Revision

9.1 Description of the procurement method 

Given  the  potential  quantities  involved,  a  direct  approach  to manufacturers  rather  than  vendors would be prudent.  Clearly, having the design finalised and quantities known will provide leverage to negotiate  with  suppliers  to  obtain  a  price‐point  the  project  can  sustain.    Taking  into  account exchange rates, import duties and the like will be necessary.  

9.2 Sensitivity Analysis of Cost estimates 

The discounts used in the above table are based on current levels that are provided to either CSIRO or AARNet for 1‐off/small number quantities.  It is likely the cost of 10Gbit/s transceivers will fall in the coming years as this technology begins to replace existing 1Gbit/s campus and enterprise backbones.   

10 First Draft Risk Analysis A formal risk analysis is difficult to complete at this concept design stage, particularly given the range of technologies being deployed.  Some areas that contain significant risk are:  

• RFoF:  stability of  the  fibre over  long distances even  for  the direct‐buried  case  taking  into account  both  short  and  long‐term  temperature  variations.    This  is  less  of  a  concern  for phase‐stable LO distribution given it is likely a round‐trip system is likely to be employed as a mitigation strategy. 

• The quantity of fibre required along with terminations and management of the cable plant is likely to be a significant cost. 

• Using COTS hardware appears to be the correct approach but the quantity of transceivers, related power and cooling needs to be carefully considered. 

  

11 Planning for the next phase  

11.1  Identification of gaps and areas of further work 

Given there are at least three PAF concept designs which differ in their data transfer requirements it is  too  uncertain  to  attempt  to  complete  the  costing model  or  risk  analysis.    These will  become clearer once further development work is undertaken with the PAFSKA group.  Further development work, which is underway, is needed before the RFoF system design is finalised.   

11.2  Strategy to proceed to the next phase 

Significant  further  design  work  along  with  laboratory  and  field  studies  are  required.    The  path forward in terms of the receiver technology may be clearer after the upcoming Dish CoDR to be held in July.  Field studies of RFoF over different distances with the fibre buried to different depths would also be helpful to determine the stability issues associated with this technology. 

  Error! Reference source not found.  

 

Page 12: PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND ......2011/06/28  · WP2‐030.050.010‐SSDD‐003 Revision : 1 PHASED ARRAY FEED SIGNAL TRANSPORT AND NETWORKS CONCEPT DESCRIPTION FOR THE

       Revision

  Error! Reference source not found.  

 

 

12 References The  following draft documents,  in preparation  for  the Dish CoDR, were used  in  the preparation of this report.  

• Concept Description PAF receiver with wide‐band direct sampling (19 May 2011), • Concept Description PAF receiver with integrated IQ mixers (06 June 2011), • Concept Description PAF receiver with RFoF (06 June 2011).