Implementação e Avaliação de Métodos de Filtragem Digital em FPGA para Simulação de Pulsos em Calorimetria de Altas Energias

Abstract

O aumento significativo da taxa de eventos e das condições de empilhamento de sinais previstas para a Fase II do Large Hadron Collider impõe novos desafios aos sistemas de leitura de experimentos de física de altas energias. Esses desafios exigem soluções digitais que ofereçam maior robustez numérica, flexibilidade de projeto e compatibilidade com restrições de hardware. Nesse contexto, o foco principal deste trabalho é o desenvolvimento de um simulador de pulsos digitais projetado especificamente para reproduzir as condições da Fase II, permitindo gerar sinais representativos do regime de alta luminosidade de forma controlada e reprodutível. Isso possibilita uma análise sistemática do processamento digital sob efeitos de empilhamento de sinais e ruído. O estágio de conformação de sinais da eletrônica de front-end do calorímetro de telhas (TileCal) do experimento ATLAS experiment desempenha papel fundamental na qualidade da reconstrução de energia e na mitigação de ruído eletrônico. O trabalho também propõe e compara diferentes métodos de filtragem digital aplicados ao sinal do calorímetro, com foco em arquiteturas implementáveis em FPGA e adequadas ao cenário de alta luminosidade. Os métodos analisados incluem: * filtro IIR convencional com coeficientes quantizados; * método lattice; * implementação em ponto flutuante baseada no padrão IEEE. Cada abordagem apresenta 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 avaliadas quanto à estabilidade, erro de quantização e consumo de recursos lógicos. Os resultados mostram que a implementação em ponto flutuante oferece maior precisão e robustez numérica, eliminando efeitos associados à quantização de coeficientes e estados internos, embora exija mais recursos computacionais. O método lattice apresentou maior tolerância à quantização em comparação ao filtro IIR convencional, com comportamento mais previsível em relação à estabilidade, ao custo de aumento moderado de lógica. Já o filtro IIR convencional destacou-se pela simplicidade de implementação e menor consumo de recursos, sendo uma alternativa viável em cenários com restrições severas de hardware. Conclui-se que não existe uma solução universalmente ótima: a escolha do método de filtragem depende diretamente dos requisitos de precisão, estabilidade e disponibilidade de recursos computacionais. Os resultados fornecem subsídios importantes para o projeto de sistemas de filtragem digital aplicados à eletrônica de leitura do TileCal em cenários de alta taxa de eventos.