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Questa tesi presenta la progettazione e l'implementazione del firmware Dynamic Acquisition Window (DAW) per Digital Pulse Processing (DPP) su FPGA in esperimenti di Fisica Nucleare. La DAW è sviluppata come una soluzione ibrida che integra i vantaggi delle tradizionali acquisizioni triggerate con le capacità dei moderni paradigmi Trigger-less e Streaming Readout (SRO), avendo l'obiettivo di superare le limitazioni associate alle finestre di acquisizione fisse negli esperimenti.
Il firmware DAW scritto in VHDL è progettato per affrontare la prevenzione di clipping accidentali e perdita di dati quando la durata dei segnali di scintillazione e ionizzazione supera la finestra di acquisizione preimpostata. I sistemi di acquisizione tradizionali potrebbero non riuscire a catturare l'intera estensione di impulsi più lunghi, portando a una ricostruzione incompleta dell'evento e alla successiva interpretazione errata dei processi fisici sottostanti. Al contrario, l'approccio DAW impiega un meccanismo di windowing adattivo che regola la finestra di acquisizione in tempo reale, assicurando che l'intero segnale venga catturato.
Un'innovazione chiave nel sistema DAW è la sua integrazione di tecniche di campionamento di pre-trigger e sotto-soglia. Il campionamento di pre-trigger consente al firmware di registrare i dati del segnale prima dell'impulso principale, fornendo un contesto essenziale per una ricostruzione accurata dell'evento. Nel frattempo, il campionamento sotto soglia fornisce tolleranza quando si esce dalla finestra di acquisizione. Insieme, questi metodi assicurano che il processo di acquisizione dati catturi dettagli critici che sono fondamentali per un'analisi approfondita degli eventi.
Un'altra caratteristica centrale del firmware DAW è la sua capacità di selezione degli eventi in modalità automatica per ogni canale. Incorporando algoritmi avanzati che determinano dinamicamente quando un evento deve essere registrato in base alle caratteristiche dell'impulso in arrivo, il sistema riduce significativamente la cattura di dati ridondanti o irrilevanti. Ciò non solo migliora l'efficienza complessiva del processo di acquisizione dati, ma riduce anche il sovraccarico di archiviazione implementando una forma di soppressione dello zero. In questo modo, il sistema DAW memorizza selettivamente solo le informazioni più pertinenti, promuovendo così un'elaborazione e un'analisi più efficienti dopo l'acquisizione.
Anche la stabilizzazione della baseline è una pietra miliare della progettazione DAW. Negli esperimenti ad alta velocità, le fluttuazioni della baseline dovute a variazioni di temperatura o altri fattori ambientali possono compromettere gravemente la precisione del trigger. Il firmware DAW traccia costantemente la baseline, assicurando che le soglie intelligenti rimangano sensibili alla deriva del segnale. Questo meccanismo di stabilizzazione assicura condizioni di trigger affidabili anche in condizioni sperimentali difficili, migliorando così la fedeltà del rilevamento degli eventi e l'analisi successiva.
Il risultato dimostrato dall'implementazione del firmware DAW rivela il suo potenziale per rivoluzionare l'acquisizione dati negli esperimenti di fisica nucleare. Regolando dinamicamente la finestra di acquisizione, impiegando il campionamento pre-trigger e sotto-soglia e assicurando la stabilizzazione della linea di base, il sistema DAW fornisce uno strumento versatile e potente per l'elaborazione digitale degli impulsi. Le strategie di progettazione e implementazione dettagliate in questa tesi sottolineano l'importanza dell'adattabilità nella fisica sperimentale moderna, aprendo la strada a soluzioni di acquisizione dati più resilienti e scalabili in ambienti sperimentali complessi e ad alta velocità.

This thesis presents the design and implementation of the Dynamic Acquisition Window (DAW) firmware for Digital Pulse Processing (DPP) on FPGA for Nuclear Physics experiments. The DAW is developed as a hybrid solution integrating advantages of traditional Triggered Acquisitions with the capabilities of modern Trigger-less and Streaming Readout (SRO) paradigms, aiming to overcome the limitations associated with fixed acquisition windows in real-time, high-throughput experimental environments.
The DAW firmware written in VHDL is designed to address the prevention of accidental clipping and data loss when the duration of scintillation and ionization signals exceeds the preset acquisition window. Traditional acquisition systems may fail to capture the full extent of longer pulses, leading to incomplete event reconstruction and subsequent misinterpretation of the underlying physics processes. In contrast, the DAW approach employs an adaptive windowing mechanism that adjusts the acquisition window in real time, ensuring that the entirety of the signal is captured.
A key innovation in the DAW system is its integration of pre-trigger and under-threshold sampling techniques. Pre-trigger sampling enables the firmware to record signal data prior to the leading pulse, providing essential context for accurate event reconstruction. Meanwhile, under-threshold sampling provides tolerance when exiting the acquisition window. Together, these methods ensure that the data acquisition process captures critical details that are pivotal for in-depth analysis of nuclear events.
Another central feature of the DAW firmware is its self-trigger event selection capability for each channel. By incorporating advanced algorithms that dynamically determine when an event should be recorded based on the characteristics of the incoming pulse, the system significantly minimizes the capture of redundant or irrelevant data. This not only enhances the overall efficiency of the data acquisition process but also reduces the storage overhead by implementing a form of zero suppression. In this manner, the DAW system selectively stores only the most pertinent information, thus promoting more efficient processing and analysis after acquisition.
Baseline stabilization is also a steppingstone of the DAW design. In high-rate experiments, fluctuations in the baseline due to temperature variations or other environmental factors can severely impair trigger accuracy. The DAW firmware constantly tracks the baseline level, ensuring that smart thresholds stay sensitive to signal drift. This stabilization mechanism ensures reliable trigger conditions even under challenging experimental conditions, thereby improving the fidelity of event detection and subsequent analysis.
The achievement demonstrated by implementing the DAW firmware reveals its potential to revolutionize data acquisition in Nuclear Physics experiments. By dynamically adjusting the acquisition window, employing pre-trigger and under-threshold sampling, and ensuring baseline stabilization, the DAW system delivers a versatile and powerful tool for Digital Pulse Processing. The design and implementation strategies detailed in this thesis underscore the importance of adaptability in modern experimental physics, paving the way for more resilient and scalable data acquisition solutions in complex, high-speed experimental environments.