Algorithme de traitement par FPGA de signaux provenant de détecteurs de particules

Pour la grande mise à jour du LHC au CERN, une nouvelle génération de scanners de faisceaux de particules est en cours de développement. Le système d’acquisition de ces scanners doit comprendre un algorithme de traitement de signaux paramétrable pour des données disponibles en mémoires externes à une FPGA. Les signaux proviennent de quatre détecteurs de particules et sont tout d’abord digitalisés à une fréquence de l’ordre de 500 MHz avec une résolution de 14 bits, pour être stockés dans des mémoires externes à la FPGA. À la fin de l’acquisition, l’algorithme doit réaliser un traitement sur ces données par du filtrage afin de corriger certaines limitations analogiques ainsi que réduire l’information au minimum nécessaire. En effet, l’architecture du système ne permet pas de transférer toutes ces données en un temps raisonnable et c’est pourquoi un traitement par FPGA est indispensable. L’objectif de ce travail de Bachelor était d’implémenter l’algorithme de filtrage dont il est question. Un des challenges principaux du développement fut d’effectuer le traitement des signaux sur plusieurs données en parallèle, car chaque canal que reçoit la FPGA contient quatre échantillons. Par conséquent, le système doit être en mesure d’appliquer le filtrage sur quatre canaux de quatre échantillons à chaque cycle, à une fréquence de 125MHz, ce qui a eu des conséquences sur les choix architecturaux des modules. Le projet comprend l’ensemble du processus d’implémentation, depuis la rédaction du code des descriptions synthétisables en VHDL et des bancs de tests en SystemVerilog, en passant par la simulation des modules avec des données réelles et aléatoires, jusqu’à la synthèse. Cette dernière a été effectuée avec une base Arria V, carte standardisée dans le groupe d’instrumentation du CERN. Les différents modules implémentés comprennent une médiane, une moyenne glissante, des convolutions à 2, 3 et 5 termes et un filtre leaky integrator. Ces blocs étant destinés à être chaînés, une application composée de plusieurs modules a été mise en place afin de valider le fonctionnement de l’algorithme de traitement.