WEOL03/pasj2015

SPring-8新規Bunch-by-Bunch Feedbackシステム
信号処理回路の開発
Development of a New Bunch-by-Bunch Feedback
Signal Processor at the SPring-8 Ring
小林 和生、中村 剛、正木 満博、藤田 貴弘
SPring-8/JASRI

2015/08/05

Kazuo KOBAYASHI / SPring-81

SPring-8 Bunch-by-Bunch Feedback System

BPM

RF Frequency: 508.58MHz
Harmonics: 2436
Revolution Period : 4.8μs

x(n-1) x(n)x(n) ∝
position × currentg2015/08/05

Storage Ring
light source
Kicker x4

Against unwanted beam
motion180˚hybridΔ

Attenuator

WEOL03/pasj2015

4ADCs127M
SPS

FPGA basedFeedback Signal
Processor
my(n) = ∑ ai x(n − i)i= 0FPGA :
FIR filter
1-turn delay
Gain Control

Kazuo KOBAYASHI / SPring-8

DAC
508M
SPSG2

Bunch-by-Bunch Feedback(BBF) Digital Signal Processor’s History
WEOL03/pasj2015

deployed

ADC

Sep.2003

AD9432
12bits/105MSPS

XC2V1000-4fg456 x 6(XC2V250-6fg456)

RDA012
12bits/1GSPSHUNT Eng.
HERON IO2V
+ digitized Multiplexer

2ndSep.2005

AD9433
12bits/125MSPS
Analog BW
750MHzXC2VP70-6FF1517 x 1

RDA012
12bits/1GSPS

Active service

3rdApr.2008″″

AD9735
12bits/600MSPS

Active service

Sep.2015-

ADS54RF63
12bits/550MSPS
Analog BW
2.3GHzXC7VX690T-2FFG1930 x2
XC6SLX75-2FGG676C x1

DAC3482
16bits/625MSPS

Development

1st4th2015/08/05

FPGA

Kazuo KOBAYASHI / SPring-8

DAC3

BBF Digital Signal Processor Block Diagram on active service
WEOL03/pasj2015

DDR

Cable delay(every 2ns)

Virtex-II Pro

4ns8ns2015/08/05

Kazuo KOBAYASHI / SPring-84

新規信号処理回路?

WEOL03/pasj2015

 現在運用中の回路は開発から10年以上が経過
 現回路に搭載の主要デバイス（ADC、FPGA、DAC）の入手が困難に
 予備機が用意できない、修理自体も困難
 現行のXilinxのFPGA開発ツールはもはや Virtex-II Proをサポートしない 最新のFPGAでは18 x 25の演算を250MHz以上のレートで実行可能(in case of Virtex-II pro, 18 x 18 with 127MHz)
 現行のFPGAには、基本機能以外を詰め込むリソースもない 現回路では新機能を持たせる余地がない
 500MSPS/12bits以上の性能を持つADCも入手可能に
 We decided to development of New Signal Processor

2015/08/05

Kazuo KOBAYASHI / SPring-85

新規信号処理回路の仕様
WEOL03/pasj2015

 300-tap以上のFIRフィルタ*← current system is 20 or 50-tap
 バンチ電流感応自動アッテネータ機能← current system ：別回路
 10psecステップのDAC出力位置調整← current system is just only 4 ns step リアルタイムチューン測定機能
 NCO（DDS）内蔵：チューン測定用信号発生器の統合
 出力の延伸機能： 大電流孤立バンチへの効率的なキック、長いキッカーの利用
 外部周回信号との同期、1-turn信号の発生と外部利用
 DC output signal: other purpose besides BBF e.g. for LLRF I/Q modulator control
 ビーム振動を検出し、内部で出力をOFF/ON/反転 ビームを失うことなく不安定性の成長、抑制の状況を観測 Ethernet I/F← current system is USB only
*WEP088
Key components of the New Signal Processor
ADC:
ADS54RF63: 12-bit / 550MSPS / 2.3GHz Input Bandwidth /Latency: 3.5 Clock cycles
FPGA : Two Virtex-7 & One Virtex-6
XC7VX690T: 3600 DSP Slices, for main feedback loop, signal processing
XC6SLX75: I/F to peripherals & boot sequence
DAC:
DAC3482: 16-bit(as 12-bit) / 2ch / 625MSPS
2015/08/05

Kazuo KOBAYASHI / SPring-87Filling modes in SPring-8

WEOL03/pasj2015

Total 2436 bucket, Storage current = 100mA

mode# of bunches
train

singlethybridtrain

singletCurrent
ratio:
singlet/trainAtt. (dB)
train

0.05

multi

2015/08/05

BunchCurrent (mA)singlet0D348

50.24 3.00

12.5

2032

E

168

26

0.38 1.40

3.02032F

174

120.46 1.60

3.52032G

168

530.28 1.00

3.62032H

924

10.10 5.00

50640

Kazuo KOBAYASHI / SPring-88

Filling mode H：11/29 fill + 5mA Singlet

WEOL03/pasj2015

singlet5.0mA11/29 fill. (925 bunches)train
95.0mA≈0.1mA

Gap ≈ 1.5 μsec

50倍のコントラスト
 トレイン部にADC入力レンジを合わせるとsingletで飽和
 SingletにADC入力レンジを合わせるとトレイン部でゲイン不足

2015/08/05

Kazuo KOBAYASHI / SPring-89SPring-8 Bunch-by-Bunch Feedback System

BPM

RF Frequency: 508.58MHz
Harmonics: 2436
Revolution Period : 4.8μsx(n-1) x(n)x(n) ∝position × currentg
2015/08/05

Storage Ring
light source
KickerAgainst unwanted beam
motion180˚hybridΔ

Attenuator

WEOL03/pasj2015

4ADCs127M
SPS

FPGA based
Feedback Signal
Processor
my(n) = ∑ ai x(n − i)i= 0FPGA :
FIR filter
1-turn delay
Gain Control

Kazuo KOBAYASHI / SPring-8

DAC
508M
SPSG10Current System for Hybrid Filling with Two Signal Processors
WEOL03/pasj2015

Storage Ring

High Resolution

High Efficiency
Kicker

BPM

SingletA

Bunch train

5 mA

0.1mA/bunch

B

A+B A-B

Kick Signal

Bunch Current
x Position

ADCADCFPGA
Bunch
Current=>
Attenuation

DigitalControl
AnalogControl
DAC

Bunch Current Sensitive Automatic Attenuator(SPring-8 Feedback Processor)
2015/08/05

Signal Divider

Signal Divider

ADC

Position( Fast Variable
Attenuator )Bunch Current
ADC

1/Bunch Current

12-bitADC
12-bitADC
12-bitADC
12-bitADC

FPGA
DigitalSignal
Processing( FIR filter )DAC
508MS/sSPring-8 Feedback Processor

Kazuo KOBAYASHI / SPring-8

11

Small gain

Power Divider

BunchCurrent
x Position

Large gain

A A-B

Gain

ADC

Gain

ADC

Gain

ADCGain

FIR
Filter

ADCGainKickADC

Gain

ADC

Gain

ADCGain

WEOL03/pasj2015

DAC

to Kicker

Selector

508MSPS

Anti. Chattering

ADC

Bunch current monitor

Bunch current

B A+B

Beam position monitor

2015/08/05

FPGAADCBBF Signal Processor
Kazuo KOBAYASHI / SPring-812

New Feedback Processor with Multiple ADCs and Bunch Current Monitor
for Hybrid Filling
WEOL03/pasj2015

New Feedback Processor

For monitor
Power Divider

508MS/s

Power Divider-9dB
Att &LPF ~20mA

Power Divider-3dB

Att &LPF~3mA
Att &LPF-9dB
Limiter-3dB
Limiter~1mA
Att~0.5mA
Att~0.05mA

Gain

ADC

Gain

FPGA

0dB
15dB

~7mA
Att &LPF

ADC

7dB
22dB

FIR filter
ADC

Gain
Position

17dB
32dB

ADC

Gain
Kick

23dB
32dB
43dB
46dB

ADC

ADC

toKicker

508MS/s

Gain

Gain

DAC

Selector

one
more
block

Bunch Current Monitor
BPM

A

A-B

B

A+B

2015/08/05

ADC

Average (FIR)
hysteresis for anti-chattering

Kazuo KOBAYASHI / SPring-8

13新規信号処理回路の仕様
WEOL03/pasj2015

 300-tap以上のFIRフィルタ← current system is 20 or 50-tap
 バンチ電流感応自動アッテネータ機能← current system ：別回路
 10psecステップのDAC出力位置調整← current system is just only 4 ns step リアルタイムチューン測定機能
 NCO（DDS）内蔵：チューン測定用信号発生器の統合
 出力の延伸機能： 大電流孤立バンチへの効率的なキック、長いキッカーの利用
 外部周回信号との同期、1-turn信号の発生と外部利用
 DC output signal: other purpose besides BBF e.g. for LLRF I/Q modulator control
 ビーム振動を検出し、内部で出力をOFF/ON/反転 ビームを失うことなく不安定性の成長、抑制の状況を観測 Ethernet I/F← current system is USB only
Key components of the New Signal Processor
ADC:
ADS54RF63: 12-bit / 550MSPS / 2.3GHz Input Bandwidth /Latency: 3.5 Clock cycles
FPGA : Two Virtex-7 & One Virtex-6
XC7VX690T: 3600 DSP Slices, for main feedback loop, signal processing
XC6SLX75: I/F to peripherals & boot sequence
DAC:
DAC3482: 16-bit(as 12-bit) / 2ch / 625MSPS
2015/08/05

Kazuo KOBAYASHI / SPring-8

15

New Feedback processor Block Diagram (2013 March)
WEOL03/pasj2015

 3枚の基板で構成、FMCコネクタで相互接続
FMC
HPCx2

DDR3
SO-DIMM

DDR3
SO-DIMM

DAC3482

ADS54RF63
12bitsx1112bits

FMC
HPCx2
LPCx112bits
FPGA1
XC7VX690T-2
FFG1930CFPGA2XC7VX690T-2
FFG1930Cx8(16ch)12bits~508MHz~508MHzFPGA1/2 configuration
Gigabit
Ethernet

XC6SLX75-2
FGG676C

SDLinkhttp://www.design-gateway.com/SDLink.html
2015/08/05

Kazuo KOBAYASHI / SPring-816

Gate-A 1-turn

Function block diagram

FPGA1

FPGA20DFIRGGMEMORY

7

D

1-turnStretcherD

Selector

MEMORY

1monitor

1turn

SW
1300tap

30tap

G

FIR

MEMORYOD

17-tapOD

310tap+D

57-tapOD

76stretcher
ADC ch.

D

current

G
MEMORY

SW3

NCO
SW
3Ext.-AD

GExt.-B
104O

Current

927-tap

Anti-chattering

8“0”D

07-tapSwitcherSW
2Position

WEOL03/pasj2015

SW5SW
5G81291011

ADC
DAC

D: delay, G: gain & polarity, O: offset
Gate-B
2015/08/05

Kazuo KOBAYASHI / SPring-8

17

WEOL03/pasj2015

2015/08/05

Kazuo KOBAYASHI / SPring-8

18

Through (input copy) responses / network analyzer
WEOL03/pasj2015

New(BBF-SIG-III)

Current

2561
Digital gain New one has +6dB gain by ADC input/DAC output circuitetc.
 Current one has -16dB gain by divide into 4 inputs/DAC
F.S. etc.
2015/08/05

Kazuo KOBAYASHI / SPring-8

Difference of each divider cable
length, individual differences of 4ADCs ...
(divide into 4 in case of currentprocessor)
19

BBF LOOPCurrent system

WEOL03/pasj2015

Power divider

BPM
180 deg. hybrid
780MHz LPF

BBF-SIG

Output voltage swing±0.3V

KickerBBF Signal
Processor
Pre. amplifier&K
Pre. amplifier R
250/500W P.A.

New system use BBF-SIG-III in place of current BBF signal processor
BPM
180 deg. hybrid
780MHz LPF

BBF-SIG-III
BBF Signal
Processor
Pre. amplifier

Output voltage swing±0.6V
w/o pre. Amplifier& phase shifter

Kicker

R&K
250/500W P.A.

 ユーザー運転のフィリングを用い、IDギャップを閉じ、TopUp運転を模擬。ビーム運転に問題のないことを確認。（2015年4月）
2nsec
2015/08/05

Kazuo KOBAYASHI / SPring-820

Tune measurement

BBF-SIG-III
WEOL03/pasj2015

BPM Δ

To kicker

FIR filter

ADC
ADC ±1.1V p-p

6.3msec / 30sec interval
Just 1 bunch

ADC

BPM signal

SG: swept sine wave
triggerfrequency : 228Kz  258KHz (0.096- - > 0.24)
sweep time:3msec
amplitude : 700mV rms (990mV)
Drive signal
70mV( 99mV)10mV( 14mV)5mV ( 7mV) - - >>ADC data Memory dump size
‘1’ => 1047552 x 1 /2436 = 430 turn‘3’ => 1047552 x 3 /2436 = 1290 turn|‘341’ : ~ 700msec

2015/08/05

DACPA

6.3msec

FFT:512pts

turnHorizontal tune = 0.14 @SPring-8

Kazuo KOBAYASHI / SPring-8

2121

Tune measurement
SG=700mVrmsでドライブした
時の隣接バンチの状態

ADC DNWEOL03/pasj2015-2

記録ターン数：1290（～6.2msec）
FFT：最初から1024個のデータを使用
Spectrogram：FFT256pts、overlap 250
Sweep：
tune=0.0960.24/3msec-1Target bunch 010

BPM ΔFFT:1024pts

Filling : multi bunch
Bunch
addressCurrent(mA)-2

0.058037-1

0.05910800.068455+10.074355+20.076927

2015/08/05

250

10+1--->turn+2
Kazuo KOBAYASHI / SPring-8

2222

Summary

WEOL03/pasj2015

BBF信号処理回路の後継機を開発
1. BBFとしての基本機能を確認 ユーザー運転に適用できることを確認
2. 新機能の確認
 BBFシステムとしての外付け回路の削減
a. 4分割入力不要
b. DAC出力調整（キック位置）フェーズシフタ不要、調整容易
c. DAC外付けアンプ不要
 チューン測定機能
a. 外部アドレス同期機能
b. 1バケットのみを使用したリアルタイム＆低デューティ測定
to Do
 バンチ電流自動感応型アッテネータ機能
 新回路に内蔵した機能を利用した不安定性の成長、抑制の観察（システム性能確認支援機能）
 制御系整備
 今年度後半には実際に配備できるまでに
2015/08/05

Kazuo KOBAYASHI / SPring-8

23

WEOL03/pasj2015

DAC
ADC
D-I/O

2015/08/05

Kazuo KOBAYASHI / SPring-824