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Clase: Dissertação
Título : Implementação e avaliação de métodos de filtragem digital em FPGA para simulação de pulsos em calorimetria de altas energias
Autor(es): Luna, Fábio Cardani
Orientador: Andrade Filho, Luciano Manhães de
Miembros Examinadores: Cerqueira, Augusto Santiago
Miembros Examinadores: Carvalho, Thiago Medeiros
Resumo: O aumento significativo da taxa de eventos e, consequentemente, das condições de empilhamento de sinais previstas para a Fase II do Large Hadron Collider impõe novos desafios aos sistemas de leitura dos experimentos de física de altas energias, demandando soluções digitais capazes de oferecer maior robustez numérica, flexibilidade de projeto e compatibilidade com as restrições de recursos de hardware. Nesse contexto, o ponto central deste trabalho é o desenvolvimento de um simulador de pulsos digitais concebido considerando explicitamente as condições desafiadoras da Fase II, com o objetivo de reproduzir, de forma controlada e reprodutível, sinais representativos do regime de alta luminosidade e, assim, viabilizar uma análise sistemática e consistente do processamento digital sob efeitos de empilhamento e ruído. O estágio de conformação de sinais, parte da eletrônica de front-end do Calorímetro de Telhas (TileCal) do Experimento ATLAS, assume papel central na qualidade da reconstrução de energia e na mitigação dos efeitos do ruído eletrônico. Este trabalho também propõe a implementação e a avaliação comparativa de diferentes métodos de filtragem digital aplicados ao sinal do Calorímetro, com foco em arquiteturas realizáveis em FPGA e adequadas às exigências operacionais do cenário de alta luminosidade. Os métodos investigados incluem o filtro IIR convencional com coeficientes quantizados, o método lattice e uma implementação em ponto flutuante baseada na representação IEEE, cada um apresentando características distintas em termos de complexidade de hardware, sensibilidade à quantização e comportamento numérico. As arquiteturas foram descritas em nível de circuito digital e implementadas em FPGA, sendo analisadas quanto à estabilidade, ao erro introduzido pela quantização e ao consumo de recursos lógicos. Os resultados obtidos evidenciam que a implementação em ponto flutuante oferece maior precisão e robustez numérica, uma vez que elimina os efeitos associados à quantização dos coeficientes e dos estados internos, embora implique em maior complexidade e utilização de recursos. O método lattice mostrou-se mais tolerante à quantização quando comparado ao IIR convencional, apresentando comportamento mais previsível em termos de estabilidade, ao custo de um aumento moderado de lógica. Por sua vez, o filtro IIR convencional destacou-se pela simplicidade de implementação e menor consumo de recursos, configurando-se como uma alternativa viável em cenários com restrições severas de hardware. Conclui-se que não existe uma solução única que seja ótima para todas as aplicações, sendo a escolha do método de filtragem diretamente dependente dos requisitos de precisão, estabilidade e disponibilidade de recursos computacionais, e que os resultados apresentados fornecem subsídios relevantes para o projeto de sistemas de filtragem digital aplicados à eletrônica de leitura do TileCal em condições de alta taxa.
Resumen : The significant increase in event rate and, consequently, in the signal pileup conditions expected for Phase II of the Large Hadron Collider imposes new challenges on the readout systems of high-energy physics experiments, demanding digital solutions capable of offering greater numerical robustness, design flexibility, and compatibility with hardware resource constraints. In this context, the central focus of this work is the development of a digital pulse simulator explicitly conceived for the challenging conditions of Phase II, with the aim of reproducing, in a controlled and reproducible manner, signals representative of the high-luminosity regime and thereby enabling a systematic and consistent analysis of digital processing under pileup and noise effects. The signal shaping stage, part of the front-end electronics of the Tile Calorimeter (TileCal) of the ATLAS Experiment, plays a central role in the quality of energy reconstruction and in the mitigation of electronic noise effects. This work also proposes the implementation and comparative evaluation of different digital filtering methods applied to the Calorimeter signal, with a focus on FPGA-realizable architectures suitable for the operational requirements of the high-luminosity scenario. The investigated methods include the conventional IIR filter with quantized coefficients, the lattice method, and a floating-point implementation based on the IEEE representation, each presenting distinct characteristics in terms of hardware complexity, quantization sensitivity, and numerical behavior. The architectures were described at the digital circuit level and implemented on FPGA, being analyzed with respect to stability, quantization-induced error, and logic resource consumption. The results obtained show that the floating-point implementation offers greater precision and numerical robustness, since it eliminates the effects associated with the quantization of coefficients and internal states, although it implies greater complexity and resource utilization. The lattice method proved more tolerant to quantization when compared to the conventional IIR, exhibiting more predictable behavior in terms of stability, at the cost of a moderate increase in logic usage. In turn, the conventional IIR filter stood out for its implementation simplicity and lower resource consumption, making it a viable alternative in scenarios with severe hardware constraints. It is concluded that there is no single solution that is optimal for all applications, and that the choice of filtering method is directly dependent on the requirements of precision, stability, and availability of computational resources; furthermore, the results presented provide relevant support for the design of digital filtering systems applied to the TileCal readout electronics under high-rate conditions.
Palabras clave : Processamento digital de sinais
Filtragem digital
FPGA
Digital signal processing
Digital filtering
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Idioma: por
País: Brasil
Editorial : Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Sigla de la Instituición: UFJF
Departamento: Faculdade de Engenharia
Programa: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Clase de Acesso: Acesso Aberto
Attribution-ShareAlike 3.0 Brazil
Licenças Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/br/
URI : https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/20491
Fecha de publicación : 13-mar-2026
Aparece en las colecciones: Mestrado em Engenharia Elétrica (Dissertações)



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