Tecniche digitali avanzate per l'emulazione del rumore e la deriva della linea di base in spettroscopia ad alta risoluzione

The research activity described in this paper is a mixed analog/digital hardware system born from an inductive analysis of a possible application, for scientific purposes, in the area of the detection of radiation at high resolution and high efficiency. The study of radiation is nowadays an open field in continuous evolution that concerns practically all branches of science. The paradigm that has accompanied the entire period of study is the need to improve the operations of measurement of signals from any source of radiation. There isn’t, now, a system that allows us to develop read/processing hardware of such signals without the use of real radiation sources and radiation sensors. Therefore, developing such tools is expensive and, in its way, dangerous. From this lack came up with the idea of developing an emulation system of signals from radiation detectors; this required, first, the analysis of detection systems currently in use and then develop a system that will reproduce accurately and in a completely customizable way. This has led to the study of analog and digital high performance circuits, innovative computing architectures and optimized algorithms. My work has focused in the development of high-speed digital signal processing algorithms that require large computing capabilities, in particular the implementation of a spline interpolation at high speed and high up-sampling factor and filtering for the synthesis of flicker noise from white noise. To do this I first studied the system processing hardware available and then I implemented and tested the firmware necessary to carry out such operations.

L’attività di ricerca descritta in questo elaborato è un sistema hardware misto analogico/digitale nato da un’analisi induttiva di una possibile applicazione scientifica nel campo della rivelazione di radiazione ad alta risoluzione ed alta efficienza. Lo studio delle radiazioni è, oggigiorno, un campo aperto e in continua evoluzione che riguarda praticamente tutti i rami della scienza. Il paradigma che ha accompagnato l’intero periodo di studio è la necessità di migliorare le operazioni di misura dei segnali prodotti da qualsiasi sorgente di radiazione. Non esiste, ad oggi, un sistema che ci permette di sviluppare hardware di lettura/elaborazione di questo tipo di segnali senza l’ausilio di vere sorgenti di radiazione e veri sensori di radiazione. Perciò sviluppare strumenti di questo tipo è costoso e, a suo modo, pericoloso. Da questa mancanza è nata l’idea di sviluppare un sistema di emulazione di segnali provenienti da rivelatori di radiazione; ciò ha richiesto, dapprima, l’analisi dei sistemi di rivelazione attualmente in uso e, poi, lo sviluppo di un sistema che li riproducesse accuratamente e in maniera del tutto personalizzabile. Ciò ha portato allo studio di circuiti analogici e digitali ad elevate prestazioni, ad architetture di elaborazione innovative ed algoritmi di calcolo ottimizzati. La mia attività si è concentrata nello sviluppo di algoritmi di elaborazione di segnali digitali ad elevata velocità che richiedono grande capacità di calcolo, in particolare l’implementazione di un interpolatore spline ad alta velocità ed elevato fattore di up-sampling e un filtro per la sintesi di rumore flicker a partire da rumore bianco. Per fare ciò ho studiato prima il sistema hardware di elaborazione a disposizione e poi ho implementato e testato il firmware necessario a svolgere questo tipo di operazioni.