FPGA-based multichannel electronics for Broadband Raman Spectroscopy

The main objective of this thesis is to present a 76-channel acquisition system for Broadband Raman Spectroscopy, based on FPGA. The acquisition employs the lock-in technique and a custom IC to enable a low noise operation and a parallel architecture for fast imaging. This work is conducted as part of the CRIMSON European project, coordinated by Prof. Dario Polli of the Physics Department of Politecnico di Milano and bases its design on the knowledge and experience acquired with a previously developed 32-channel system for Broadband Raman Spectroscopy. A broadband laser beam, containing the Raman information over a wide spectrum, is spatially diffused over two photodiode arrays so that each wavelength of the spectrum can be separately acquired by a specific element of the array and amplified with a custom multichannel lock-in amplifier. An FPGA-based Digital Signal Processing chain allows for offset cancellation by means of a 2-step demodulation technique and the dynamic adjustment of the lock-in bandwidth. The thesis also covers the hardware design of the system based on a motherboard and several modules PCBs to realize a highly space-optimized architecture. Particular emphasis is placed on the experimental results obtained with the 2-step demodulation technique by means of bench tests.

L'obiettivo principale di questa tesi è quello di presentare un sistema di acquisizione multicanale basato su FPGA per Spettroscopia Raman ad ampio spettro. L'acquisizione è basata sulla tecnica lock-in e su un circuito integrato custom che permettono una misura a basso rumore. L'architettura parallela permette un'acquisizione di immagini veloce. Questo lavoro è stato condotto come parte del progetto Europeo CRIMSON, coordinato dal Prof. Dario Polli del dipartimento di fisica del Politecnico di Milano e si basa su un sistema per Spettroscopia Raman a 32 canali precedentemente svilupato. Un laser ad ampio spettro, contenente le informazioni Raman a diverse lunghezze d'onda, è diffuso su due array di fotodiodi in modo da permettere un'acquisizione del segnale separata per ogni lunghezza d'onda e la relativa amplificazione tramite lock-in amplifier. Un sistema di DSP implementato su FPGA permette di eliminare l'offset nella misura grazie ad una tecnica di doppia demodulazione. La tesi descrive anche la progettazione dell'hardware del sistema, che si basa su una scheda madre e diversi moduli che realizzano un sistema altamente ottimizzato in termini di spazio. Viene inoltre data particolare enfasi alle misure sperimentali ottenute su banco per quanto riguarda la tecnica di doppia demodulazione.