No description available.

Background: The irradiation of cancer patients with charged particles, mainly protons and carbon ions, has become an established method for the treatment of specific types of tumors. In comparison with the use of X-rays or gamma-rays, particle therapy has the advantage that the dose distribution in the patient can be precisely controlled. Tissue or organs lying near the tumor will be spared. A verification of the treatment plan with the actual dose deposition by means of a measurement can be done through range assessment of the particle beam. For this purpose, prompt gamma-rays are detected, which are emitted by the affected target volume during irradiation. Motivation: The detection of prompt gamma-rays is a task related to radiation detection and measurement. Nuclear applications in medicine can be found in particular for in vivo diagnosis. In that respect the spatially resolved measurement of gamma-rays is an essential technique for nuclear imaging, however, technical requirements of radiation measurement during particle therapy are much more challenging than those of classical applications. For this purpose, appropriate instruments beyond the state-of-the-art need to be developed and tested for detecting prompt gamma-rays. Hence the success of a method for range assessment of particle beams is largely determined by the implementation of electronics. In practice, this means that a suitable detector material with adapted readout electronics, signal and information processing, and data interface must be utilized to solve the challenges. Thus, the parameters of the system (e.g. segmentation, time or energy resolution) can be optimized depending on the method (e.g. slit camera, time-of-flight measurement or Compton camera). Regardless of the method, the detector system must have a high count rate capability and a large measuring range (>7 MeV). For a subsequent evaluation of a suitable method for imaging, the mentioned parameters may not be restricted by the electronics. Digital signal processing is predestined for multipurpose tasks, and, in terms of the demands made, the performance of such an implementation has to be determined. Materials and methods: In this study, the instrumentation of a detector system for prompt gamma-rays emitted during particle therapy is limited to the use of a cadmium zinc telluride (CdZnTe, CZT) semiconductor detector. The detector crystal is divided into an 8x8 pixel array by segmented electrodes. Analog and digital signal processing are exemplarily tested with this type of detector and aims for application of a Compton camera to range assessment. The electronics are implemented with commercial off-the-shelf (COTS) components. If applicable, functional units of the detector system were digitalized and implemented in a field-programmable gate array (FPGA). An efficient implementation of the algorithms in terms of timing and logic utilization is fundamental to the design of digital circuits. The measurement system is characterized with radioactive sources to determine the measurement dynamic range and resolution. Finally, the performance is examined in terms of the requirements of particle therapy with experiments at particle accelerators. Results: A detector system based on a CZT pixel detector has been developed and tested. Although the use of an application-specific integrated circuit is convenient, this approach was rejected because there was no circuit available which met the requirements. Instead, a multichannel, compact, and low-noise analog amplifier circuit with COTS components has been implemented. Finally, the 65 information channels of a detector are digitized, processed and visualized. An advanced digital signal processing transforms the traditional approaches of nuclear electronics in algorithms and digital filter structures for an FPGA. With regard to the characteristic signals (e.g. varying rise times, depth-dependent energy measurement) of a CZT pixel detector, it could be shown that digital pulse processing results in a very good energy resolution (~2% FWHM at 511 keV), as well as permits a time measurement in the range of some tens of nanoseconds. Furthermore, the experimental results have shown that the dynamic range of the detector system could be significantly improved compared to the existing prototype of the Compton camera (~10 keV..7 MeV). Even count rates of ~100 kcps in a high-energy beam could be ultimately processed with the CZT pixel detector. But this is merely a limit of the detector due to its volume, and not related to electronics. In addition, the versatility of digital signal processing has been demonstrated with other detector materials (e.g. CeBr3). With foresight on high data throughput in a distributed data acquisition from multiple detectors, a Gigabit Ethernet link has been implemented as data interface. Conclusions: To fully exploit the capabilities of a CZT pixel detector, a digital signal processing is absolutely necessary. A decisive advantage of the digital approach is the ease of use in a multichannel system. Thus with digitalization, a necessary step has been done to master the complexity of a Compton camera. Furthermore, the benchmark of technology shows that a CZT pixel detector withstands the requirements of measuring prompt gamma-rays during particle therapy. The previously used orthogonal strip detector must be replaced by the pixel detector in favor of increased efficiency and improved energy resolution. With the integration of the developed digital detector system into a Compton camera, it must be ultimately proven whether this method is applicable for range assessment in particle therapy. Even if another method is more convenient in a clinical environment due to practical considerations, the detector system of that method may benefit from the shown instrumentation of a digital signal processing system for nuclear applications. / Hintergrund: Die Bestrahlung von Krebspatienten mit geladenen Teilchen, vor allem Protonen oder Kohlenstoffionen, ist mittlerweile eine etablierte Methode zur Behandlung von speziellen Tumorarten. Im Vergleich mit der Anwendung von Röntgen- oder Gammastrahlen hat die Teilchentherapie den Vorteil, dass die Dosisverteilung im Patienten präziser gesteuert werden kann. Dadurch werden um den Tumor liegendes Gewebe oder Organe geschont. Die messtechnische Verifikation des Bestrahlungsplans mit der tatsächlichen Dosisdeposition kann über eine Reichweitenkontrolle des Teilchenstrahls erfolgen. Für diesen Zweck werden prompte Gammastrahlen detektiert, die während der Bestrahlung vom getroffenen Zielvolumen emittiert werden. Fragestellung: Die Detektion von prompten Gammastrahlen ist eine Aufgabenstellung der Strahlenmesstechnik. Strahlenanwendungen in der Medizintechnik finden sich insbesondere in der in-vivo Diagnostik. Dabei ist die räumlich aufgelöste Messung von Gammastrahlen bereits zentraler Bestandteil der nuklearmedizinischen Bildgebung, jedoch sind die technischen Anforderungen der Strahlendetektion während der Teilchentherapie im Vergleich mit klassischen Anwendungen weitaus anspruchsvoller. Über den Stand der Technik hinaus müssen für diesen Zweck geeignete Instrumente zur Erfassung der prompten Gammastrahlen entwickelt und erprobt werden. Die elektrotechnische Realisierung bestimmt maßgeblich den Erfolg eines Verfahrens zur Reichweitenkontrolle von Teilchenstrahlen. Konkret bedeutet dies, dass ein geeignetes Detektormaterial mit angepasster Ausleseelektronik, Signal- und Informationsverarbeitung sowie Datenschnittstelle zur Problemlösung eingesetzt werden muss. Damit können die Parameter des Systems (z. B. Segmentierung, Zeit- oder Energieauflösung) in Abhängigkeit der Methode (z.B. Schlitzkamera, Flugzeitmessung oder Compton-Kamera) optimiert werden. Unabhängig vom Verfahren muss das Detektorsystem eine hohe Ratenfestigkeit und einen großen Messbereich (>7 MeV) besitzen. Für die anschließende Evaluierung eines geeigneten Verfahrens zur Bildgebung dürfen die genannten Parameter durch die Elektronik nicht eingeschränkt werden. Eine digitale Signalverarbeitung ist für universelle Aufgaben prädestiniert und die Leistungsfähigkeit einer solchen Implementierung soll hinsichtlich der gestellten Anforderungen bestimmt werden. Material und Methode: Die Instrumentierung eines Detektorsystems für prompte Gammastrahlen beschränkt sich in dieser Arbeit auf die Anwendung eines Cadmiumzinktellurid (CdZnTe, CZT) Halbleiterdetektors. Der Detektorkristall ist durch segmentierte Elektroden in ein 8x8 Pixelarray geteilt. Die analoge und digitale Signalverarbeitung wird beispielhaft mit diesem Detektortyp erprobt und zielt auf die Anwendung zur Reichweitenkontrolle mit einer Compton-Kamera. Die Elektronik wird mit seriengefertigten integrierten Schaltkreisen umgesetzt. Soweit möglich, werden die Funktionseinheiten des Detektorsystems digitalisiert und in einem field-programmable gate array (FPGA) implementiert. Eine effiziente Umsetzung der Algorithmen in Bezug auf Zeitverhalten und Logikverbrauch ist grundlegend für den Entwurf der digitalen Schaltungen. Das Messsystem wird mit radioaktiven Prüfstrahlern hinsichtlich Messbereichsdynamik und Auflösung charakterisiert. Schließlich wird die Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Anforderungen der Teilchentherapie mit Experimenten am Teilchenbeschleuniger untersucht. Ergebnisse: Es wurde ein Detektorsystem auf Basis von CZT Pixeldetektoren entwickelt und erprobt. Obwohl der Einsatz einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zweckmäßig wäre, wurde dieser Ansatz zurückgewiesen, da kein verfügbarer Schaltkreis die Anforderungen erfüllte. Stattdessen wurde eine vielkanalige, kompakte und rauscharme analoge Verstärkerschaltung mit seriengefertigten integrierten Schaltkreisen aufgebaut. Letztendlich werden die 65 Informationskanäle eines Detektors digitalisiert, verarbeitet und visualisiert. Eine fortschrittliche digitale Signalverarbeitung überführt die traditionellen Ansätze der Nuklearelektronik in Algorithmen und digitale Filterstrukturen für einen FPGA. Es konnte gezeigt werden, dass die digitale Pulsverarbeitung in Bezug auf die charakteristischen Signale (u.a. variierende Anstiegszeiten, tiefenabhängige Energiemessung) eines CZT Pixeldetektors eine sehr gute Energieauflösung (~2% FWHM at 511 keV) sowie eine Zeitmessung im Bereich von einigen 10 ns ermöglicht. Weiterhin haben die experimentellen Ergebnisse gezeigt, dass der Dynamikbereich des Detektorsystems im Vergleich zum bestehenden Prototyp der Compton-Kamera deutlich verbessert werden konnte (~10 keV..7 MeV). Nach allem konnten auch Zählraten von >100 kcps in einem hochenergetischen Strahl mit dem CZT Pixeldetektor verarbeitet werden. Dies stellt aber lediglich eine Begrenzung des Detektors aufgrund seines Volumens, nicht jedoch der Elektronik, dar. Zudem wurde die Vielseitigkeit der digitalen Signalverarbeitung auch mit anderen Detektormaterialen (u.a. CeBr3) demonstriert. Mit Voraussicht auf einen hohen Datendurchsatz in einer verteilten Datenerfassung von mehreren Detektoren, wurde als Datenschnittstelle eine Gigabit Ethernet Verbindung implementiert. Schlussfolgerung: Um die Leistungsfähigkeit eines CZT Pixeldetektors vollständig auszunutzen, ist eine digitale Signalverarbeitung zwingend notwendig. Ein entscheidender Vorteil des digitalen Ansatzes ist die einfache Handhabbarkeit in einem vielkanaligen System. Mit der Digitalisierung wurde ein notwendiger Schritt getan, um die Komplexität einer Compton-Kamera beherrschbar zu machen. Weiterhin zeigt die Technologiebewertung, dass ein CZT Pixeldetektor den Anforderungen der Teilchentherapie für die Messung prompter Gammastrahlen stand hält. Der bisher eingesetzte Streifendetektor muss zugunsten einer gesteigerten Effizienz und verbesserter Energieauflösung durch den Pixeldetektor ersetzt werden. Mit der Integration des entwickelten digitalen Detektorsystems in eine Compton-Kamera muss abschließend geprüft werden, ob dieses Verfahren für die Reichweitenkontrolle in der Teilchentherapie anwendbar ist. Auch wenn sich herausstellt, dass ein anderes Verfahren unter klinischen Bedingungen praktikabler ist, so kann auch dieses Detektorsystem von der gezeigten Instrumentierung eines digitalen Signalverarbeitungssystems profitieren.

Η μεγάλη εξάπλωση των δικτύων που βασίζονται στο Internet Protocol (IP) , έδωσε την ευκαιρία για χρήση του Διαδικτύου για μετάδοση φωνής , μέσω της τεχνολογίας Voice over IP(VoIP) , έναντι των παραδοσιακών δημοσίων τηλεφωνικών δικτύων (PSTN) . Το Session Initiation Protocol είναι το πρωτόκολλο σηματοδοσίας , που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο συνόδων πολυμέσων , όπως κλήσεις φωνής ή βιντεοκλήσεις στα δίκτυα IP . Η χρησιμοποίηση του πρωτοκόλλου σε φορητές συσκευές , όπου η διαχείριση πόρων παίζει σπουδαίο ρόλο , δίνει το ερέθισμα για τη δημιουργία ειδικού υλικού που θα αποφορτίζει τον επεξεργαστή της συσκευής από τους απαιτητικούς ελέγχους που χρειάζονται για την δημιουργία μιας συνόδου . Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας παρουσιάζεται ένα σύστημα , υλοποιημένο σε FPGA , που προσομοιώνει έναν χρήστη SIP , κι έχει τη δυνατότητα να λαμβάνει , να επεξεργάζεται και να απαντά σε μηνύματα για την δημιουργία μια συνόδου . Στα κεφάλαια που ακολουθούν παρουσιάζεται η δομή του πρωτοκόλλου και τα χαρακτηριστικά του συστήματος που υλοποιήθηκε . Αρχικά παρουσιάζονται οι βασικές αρχές του πρωτοκόλλου και τα δομικά στοιχεία του . Έπειτα αναλύεται η δομή ενός SIP μηνύματος κι εξηγούνται οι λόγοι που κάνουν την αποθήκευσή του απαιτητική εργασία για την CPU . Έπειτα αναλύεται η βασική διαδικασία δημιουργίας συνόδου χρησιμοποιώντας ένα παράδειγμα . Το επόμενο μέρος αφιερώνεται στην αναλυτική περιγραφή του συστήματος που υλοποιήθηκε και την διαδικασία ελέγχου της ορθής λειτουργίας του . Τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα και συμπεράσματα της εργασίας . / The wide spread of networks based on Internet Protocol (IP), gave the opportunity for using the Internet for voice transmission , through Voice over IP (VoIP) technology, over traditional public telephone networks (PSTN). The Session Initiation Protocol is a signaling protocol , used to control multimedia sessions such as voice calls or video calls in IP networks. The use of this protocol in mobile devices , where resources management is very important ,is giving the stimulus for the creation of special hardware that offloads the CPU of demanding controls needed to create a session . As part of this thesis ,a system implemented on FPGA, which simulates a SIP user, and has the ability to receive, process and respond to messages to create a session , is presented. The following chapters present the structure of the protocol and the characteristics of the implemented system . Originally presented the basic principles of the Protocol and its structural elements . Thereafter the structure of a SIP message is analyzed , and the reasons that make storing a demanding work for the CPU , are explained. Then the basic process of creating a session is analyzed , using an example . The next part is devoted to a detailed description of the implemented system and the process of verifying the proper operation. Finally are presented the results and conclusions of the work .

Η παρούσα ειδική ερευνητική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του Διατμηματικού Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών Ειδίκευσης στην “Ηλεκτρονική και Επεξεργασία της Πληροφορίας” στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η σχεδίαση και ανάπτυξη ενός βασικού μικροϋπολογιστικού συστήματος με τη χρήση της VHDL και FPGAs. Το σύστημα βασίζεται σε μία επαυξημένη, σε δυνατότητες, εκδοχή της σχετικά απλής cpu του Carpinelli και ενσωματώνει τη δυνατότητα παράλληλης διασύνδεσης μίας σειράς περιφερειακών διατάξεων και υποκυκλωμάτων. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται πλήρως η σχεδίαση ενός τέτοιου συστήματος και μελετάται η δομή των επιμέρους δομικών στοιχείων που το απαρτίζουν. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η περιγραφή του μικροϋπολογιστικού συστήματος σε γλώσσα VHDL και η πλήρης εξομοίωσή του με τη βοήθεια του λογισμικού Quartus v7.2 της ALTERA. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζεται η υλοποίηση του μικροϋπολογιστικού συστήματος στην αναπτυξιακή πλατφόρμα DE2 της εταιρείας ALTERA. / This project objective is the design and development of an FPGA based microcomputer system in VHDL. The system is based on an enhanced version of Carpinelli’s relative simple cpu and is implemented with parallel input and output ports and interrupts. The first chapter presents the full design of such a system and study the structure of the individual components that compose it. The second chapter presents the implementation of the microcomputer system in VHDL and the simulation results using Quartus v7.2 software suite. The last chapter presents the implementation of the system in a FPGA using DE2 development board of ALTERA.

Τα ενσωματωμένα υπολογιστικά συστήματα έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο τα τελευταία χρόνια, όχι μόνο σε βιομηχανικές ή άλλες εξεζητημένες εφαρμογές αλλά και στην καθημερινότητα μας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η συγκεκριμένη τεχνολογία είναι φτηνότερη, ευέλικτη και λιγότερο ενεργοβόρος σε σχέση με τα αντίστοιχα ηλεκτρονικά κυκλώματα που χρησιμοποιούνταν παλιότερα. Η παρούσα διπλωματική εργασία περιγράφει αναλυτικά τη διαδικασία για τη σωστή ρύθμιση του συστήματος μας και την μεταγλώττιση (compilation) του πυρήνα του Linux προκειμένου να τρέχει χωρίς προβλήματα πάνω στην FPGA πλακέτα της Xilinx, Virtex 5. Σαν επεξεργαστή επιλέξαμε να χρησιμοποιήσουμε τον soft - core επεξεργαστή της Xilinx microblaze,προσθέτοντας σαν επιπλέον περιφερειακά την οθόνη TFT καθώς και την θύρα PS/2. Στη συνέχεια προκειμένου να καταδείξουμε τις δυνατότητες που έχει το σύστημα που “χτίσαμε”, εγκαταστήσαμε γραφικό περιβάλλον με ορισμένες εφαρμογές και εκτελούμε κρυπτογραφικές συναρτήσεις από το terminal του λειτουργικού μας. / The embedded computer systems have recently started to be present in a number of implementations, not only in the industrial setting but also in normal life applications. This is due to the fact that this particular technology is cheaper, more efficient and less power - consuming than its dedicated electronic counterparts. In this diploma thesis we will study the process for the proper configuration of our system and the compilation of Linux Kernel in order to have a completely functional embedded system on the Xilinx' s FPGA board, Virtex 5. We used the Microblaze soft - core processor and we added the TFT monitor and the PS/2 port as extra components to our system. Furthermore in order to present the capabilities of our system, we added the Nano - X graphical user interface and we run cryptographic algorithms through the terminal of the operating system.

Recent development in electronics for mobile devices has led to the decrease in sizes and cost of autonomous complex embedded systems such as satellites. It is now possible to build a satellite quicker and only for a fraction of previous costs by using Commercial Off The Shelf (COTS) components. Yet, there are some obstacles that need to be overcome before a successful small satellite can be designed. Among these are the radiation environment, thermal issues, the overall system complexity and tight schedules. This thesis addresses these issues and proposes an overall approach for designing small satellites’ electronics. This approach can be summarised in 6 recommendations: Keep it simple Use fast hardware iterations Do not use space grade components Use a single string design on the system level (no redundancy) Design with limited trust in the software Use simple, accessible and easy updatable documentation With respect to those recommendations an on board data processing system, the Processing Board, has been designed for the ICEYE-1 satellite. The ICEYE-1 satellite is a fully commercial Synthetic Aperture Radar (SAR) satellite that will be launched in December 2017. The designed board has been manufactured and verified during airborne test campaigns. / Nya elektronikutvecklingar för mobiltelefoner har lett till en minskning av storlek och kostnader för andra autonoma komplexa inbyggda system som t.ex. satelliter. Så kallade småsatelliter kan numera byggas snabbare och för endast en bråkdel av tidigare kostnader med hjälp av Commercial Off The Shelf (COTS) komponenter. Det finns dock vissa hinder som måste övervinnas om man vill designa en pålitligt fungerande småsatellit. Till dessa kan räknas strålningsmiljön, väl fungerande värmeledning, det totala systemets komplexitet samt snäva tidtabeller. Detta examensarbete behandlar dessa frågor och föreslår en övergripande strategi för att designa elektronik för småsatelliter. Detta tillvägagångssätt kan sammanfattas i 6 rekommendationer: Håll det enkelt Implementera snabba hårdvaruiterationer Använd inte rymdklassade komponenter Använd ingen redundans på systemnivå Designa med en begränsad tilltro på mjukvaran Dokumentera på ett enkelt, tillgängligt och lätt uppdateringsbart sätt Dessa rekommendationer har använts till att utveckla ett databehandlingssystem, kallat "Processing Board", till småsatelliten ICEYE-1. ICEYE-1 är en kommersiell Synthetic Aperture Radar (SAR) satellit som kommer att skjutas i omloppsbana i december 2017. Databehandlingssystemet i fråga har utvecklats och verifierats i samband med flygplansburna testkampanjer.

Background: The irradiation of cancer patients with charged particles, mainly protons and carbon ions, has become an established method for the treatment of specific types of tumors. In comparison with the use of X-rays or gamma-rays, particle therapy has the advantage that the dose distribution in the patient can be precisely controlled. Tissue or organs lying near the tumor will be spared. A verification of the treatment plan with the actual dose deposition by means of a measurement can be done through range assessment of the particle beam. For this purpose, prompt gamma-rays are detected, which are emitted by the affected target volume during irradiation. Motivation: The detection of prompt gamma-rays is a task related to radiation detection and measurement. Nuclear applications in medicine can be found in particular for in vivo diagnosis. In that respect the spatially resolved measurement of gamma-rays is an essential technique for nuclear imaging, however, technical requirements of radiation measurement during particle therapy are much more challenging than those of classical applications. For this purpose, appropriate instruments beyond the state-of-the-art need to be developed and tested for detecting prompt gamma-rays. Hence the success of a method for range assessment of particle beams is largely determined by the implementation of electronics. In practice, this means that a suitable detector material with adapted readout electronics, signal and information processing, and data interface must be utilized to solve the challenges. Thus, the parameters of the system (e.g. segmentation, time or energy resolution) can be optimized depending on the method (e.g. slit camera, time-of-flight measurement or Compton camera). Regardless of the method, the detector system must have a high count rate capability and a large measuring range (>7 MeV). For a subsequent evaluation of a suitable method for imaging, the mentioned parameters may not be restricted by the electronics. Digital signal processing is predestined for multipurpose tasks, and, in terms of the demands made, the performance of such an implementation has to be determined. Materials and methods: In this study, the instrumentation of a detector system for prompt gamma-rays emitted during particle therapy is limited to the use of a cadmium zinc telluride (CdZnTe, CZT) semiconductor detector. The detector crystal is divided into an 8x8 pixel array by segmented electrodes. Analog and digital signal processing are exemplarily tested with this type of detector and aims for application of a Compton camera to range assessment. The electronics are implemented with commercial off-the-shelf (COTS) components. If applicable, functional units of the detector system were digitalized and implemented in a field-programmable gate array (FPGA). An efficient implementation of the algorithms in terms of timing and logic utilization is fundamental to the design of digital circuits. The measurement system is characterized with radioactive sources to determine the measurement dynamic range and resolution. Finally, the performance is examined in terms of the requirements of particle therapy with experiments at particle accelerators. Results: A detector system based on a CZT pixel detector has been developed and tested. Although the use of an application-specific integrated circuit is convenient, this approach was rejected because there was no circuit available which met the requirements. Instead, a multichannel, compact, and low-noise analog amplifier circuit with COTS components has been implemented. Finally, the 65 information channels of a detector are digitized, processed and visualized. An advanced digital signal processing transforms the traditional approaches of nuclear electronics in algorithms and digital filter structures for an FPGA. With regard to the characteristic signals (e.g. varying rise times, depth-dependent energy measurement) of a CZT pixel detector, it could be shown that digital pulse processing results in a very good energy resolution (~2% FWHM at 511 keV), as well as permits a time measurement in the range of some tens of nanoseconds. Furthermore, the experimental results have shown that the dynamic range of the detector system could be significantly improved compared to the existing prototype of the Compton camera (~10 keV..7 MeV). Even count rates of ~100 kcps in a high-energy beam could be ultimately processed with the CZT pixel detector. But this is merely a limit of the detector due to its volume, and not related to electronics. In addition, the versatility of digital signal processing has been demonstrated with other detector materials (e.g. CeBr3). With foresight on high data throughput in a distributed data acquisition from multiple detectors, a Gigabit Ethernet link has been implemented as data interface. Conclusions: To fully exploit the capabilities of a CZT pixel detector, a digital signal processing is absolutely necessary. A decisive advantage of the digital approach is the ease of use in a multichannel system. Thus with digitalization, a necessary step has been done to master the complexity of a Compton camera. Furthermore, the benchmark of technology shows that a CZT pixel detector withstands the requirements of measuring prompt gamma-rays during particle therapy. The previously used orthogonal strip detector must be replaced by the pixel detector in favor of increased efficiency and improved energy resolution. With the integration of the developed digital detector system into a Compton camera, it must be ultimately proven whether this method is applicable for range assessment in particle therapy. Even if another method is more convenient in a clinical environment due to practical considerations, the detector system of that method may benefit from the shown instrumentation of a digital signal processing system for nuclear applications.:1. Introduction 1.1. Aim of this work 2. Analog front-end electronics 2.1. State-of-the-art 2.2. Basic design considerations 2.2.1. CZT detector assembly 2.2.2. Electrical characteristics of a CZT pixel detector 2.2.3. High voltage biasing and grounding 2.2.4. Signal formation in CZT detectors 2.2.5. Readout concepts 2.2.6. Operational amplifier 2.3. Circuit design of a charge-sensitive amplifier 2.3.1. Circuit analysis 2.3.2. Charge-to-voltage transfer function 2.3.3. Input coupling of the CSA 2.3.4. Noise 2.4. Implementation and Test 2.5. Results 2.5.1. Test pulse input 2.5.2. Pixel detector 2.6. Conclusion 3. Digital signal processing 3.1. Unfolding-synthesis technique 3.2. Digital deconvolution 3.2.1. Prior work 3.2.2. Discrete-time inverse amplifier transfer function 3.2.3. Application to measured signals 3.2.4. Implementation of a higher order IIR filter 3.2.5. Conclusion 3.3. Digital pulse synthesis 3.3.1. Prior work 3.3.2. FIR filter structures for FPGAs 3.3.3. Optimized fixed-point arithmetic 3.3.4. Conclusion 4. Data interface 4.1. State-of-the-art 4.2. Embedded Gigabit Ethernet protocol stack 4.3. Implementation 4.3.1. System overview 4.3.2. Media Access Control 4.3.3. Embedded protocol stack 4.3.4. Clock synchronization 4.4. Measurements and results 4.4.1. Throughput performance 4.4.2. Synchronization 4.4.3. Resource utilization 4.5. Conclusion 5. Experimental results 5.1. Digital pulse shapers 5.1.1. Spectroscopy application 5.1.2. Timing applications 5.2. Gamma-ray spectroscopy 5.2.1. Energy resolution of scintillation detectors 5.2.2. Energy resolution of a CZT pixel detector 5.3. Gamma-ray timing 5.3.1. Timing performance of scintillation detectors 5.3.2. Timing performance of CZT pixel detectors 5.4. Measurements with a particle beam 5.4.1. Bremsstrahlung Facility at ELBE 6. Discussion 7. Summary 8. Zusammenfassung / Hintergrund: Die Bestrahlung von Krebspatienten mit geladenen Teilchen, vor allem Protonen oder Kohlenstoffionen, ist mittlerweile eine etablierte Methode zur Behandlung von speziellen Tumorarten. Im Vergleich mit der Anwendung von Röntgen- oder Gammastrahlen hat die Teilchentherapie den Vorteil, dass die Dosisverteilung im Patienten präziser gesteuert werden kann. Dadurch werden um den Tumor liegendes Gewebe oder Organe geschont. Die messtechnische Verifikation des Bestrahlungsplans mit der tatsächlichen Dosisdeposition kann über eine Reichweitenkontrolle des Teilchenstrahls erfolgen. Für diesen Zweck werden prompte Gammastrahlen detektiert, die während der Bestrahlung vom getroffenen Zielvolumen emittiert werden. Fragestellung: Die Detektion von prompten Gammastrahlen ist eine Aufgabenstellung der Strahlenmesstechnik. Strahlenanwendungen in der Medizintechnik finden sich insbesondere in der in-vivo Diagnostik. Dabei ist die räumlich aufgelöste Messung von Gammastrahlen bereits zentraler Bestandteil der nuklearmedizinischen Bildgebung, jedoch sind die technischen Anforderungen der Strahlendetektion während der Teilchentherapie im Vergleich mit klassischen Anwendungen weitaus anspruchsvoller. Über den Stand der Technik hinaus müssen für diesen Zweck geeignete Instrumente zur Erfassung der prompten Gammastrahlen entwickelt und erprobt werden. Die elektrotechnische Realisierung bestimmt maßgeblich den Erfolg eines Verfahrens zur Reichweitenkontrolle von Teilchenstrahlen. Konkret bedeutet dies, dass ein geeignetes Detektormaterial mit angepasster Ausleseelektronik, Signal- und Informationsverarbeitung sowie Datenschnittstelle zur Problemlösung eingesetzt werden muss. Damit können die Parameter des Systems (z. B. Segmentierung, Zeit- oder Energieauflösung) in Abhängigkeit der Methode (z.B. Schlitzkamera, Flugzeitmessung oder Compton-Kamera) optimiert werden. Unabhängig vom Verfahren muss das Detektorsystem eine hohe Ratenfestigkeit und einen großen Messbereich (>7 MeV) besitzen. Für die anschließende Evaluierung eines geeigneten Verfahrens zur Bildgebung dürfen die genannten Parameter durch die Elektronik nicht eingeschränkt werden. Eine digitale Signalverarbeitung ist für universelle Aufgaben prädestiniert und die Leistungsfähigkeit einer solchen Implementierung soll hinsichtlich der gestellten Anforderungen bestimmt werden. Material und Methode: Die Instrumentierung eines Detektorsystems für prompte Gammastrahlen beschränkt sich in dieser Arbeit auf die Anwendung eines Cadmiumzinktellurid (CdZnTe, CZT) Halbleiterdetektors. Der Detektorkristall ist durch segmentierte Elektroden in ein 8x8 Pixelarray geteilt. Die analoge und digitale Signalverarbeitung wird beispielhaft mit diesem Detektortyp erprobt und zielt auf die Anwendung zur Reichweitenkontrolle mit einer Compton-Kamera. Die Elektronik wird mit seriengefertigten integrierten Schaltkreisen umgesetzt. Soweit möglich, werden die Funktionseinheiten des Detektorsystems digitalisiert und in einem field-programmable gate array (FPGA) implementiert. Eine effiziente Umsetzung der Algorithmen in Bezug auf Zeitverhalten und Logikverbrauch ist grundlegend für den Entwurf der digitalen Schaltungen. Das Messsystem wird mit radioaktiven Prüfstrahlern hinsichtlich Messbereichsdynamik und Auflösung charakterisiert. Schließlich wird die Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Anforderungen der Teilchentherapie mit Experimenten am Teilchenbeschleuniger untersucht. Ergebnisse: Es wurde ein Detektorsystem auf Basis von CZT Pixeldetektoren entwickelt und erprobt. Obwohl der Einsatz einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zweckmäßig wäre, wurde dieser Ansatz zurückgewiesen, da kein verfügbarer Schaltkreis die Anforderungen erfüllte. Stattdessen wurde eine vielkanalige, kompakte und rauscharme analoge Verstärkerschaltung mit seriengefertigten integrierten Schaltkreisen aufgebaut. Letztendlich werden die 65 Informationskanäle eines Detektors digitalisiert, verarbeitet und visualisiert. Eine fortschrittliche digitale Signalverarbeitung überführt die traditionellen Ansätze der Nuklearelektronik in Algorithmen und digitale Filterstrukturen für einen FPGA. Es konnte gezeigt werden, dass die digitale Pulsverarbeitung in Bezug auf die charakteristischen Signale (u.a. variierende Anstiegszeiten, tiefenabhängige Energiemessung) eines CZT Pixeldetektors eine sehr gute Energieauflösung (~2% FWHM at 511 keV) sowie eine Zeitmessung im Bereich von einigen 10 ns ermöglicht. Weiterhin haben die experimentellen Ergebnisse gezeigt, dass der Dynamikbereich des Detektorsystems im Vergleich zum bestehenden Prototyp der Compton-Kamera deutlich verbessert werden konnte (~10 keV..7 MeV). Nach allem konnten auch Zählraten von >100 kcps in einem hochenergetischen Strahl mit dem CZT Pixeldetektor verarbeitet werden. Dies stellt aber lediglich eine Begrenzung des Detektors aufgrund seines Volumens, nicht jedoch der Elektronik, dar. Zudem wurde die Vielseitigkeit der digitalen Signalverarbeitung auch mit anderen Detektormaterialen (u.a. CeBr3) demonstriert. Mit Voraussicht auf einen hohen Datendurchsatz in einer verteilten Datenerfassung von mehreren Detektoren, wurde als Datenschnittstelle eine Gigabit Ethernet Verbindung implementiert. Schlussfolgerung: Um die Leistungsfähigkeit eines CZT Pixeldetektors vollständig auszunutzen, ist eine digitale Signalverarbeitung zwingend notwendig. Ein entscheidender Vorteil des digitalen Ansatzes ist die einfache Handhabbarkeit in einem vielkanaligen System. Mit der Digitalisierung wurde ein notwendiger Schritt getan, um die Komplexität einer Compton-Kamera beherrschbar zu machen. Weiterhin zeigt die Technologiebewertung, dass ein CZT Pixeldetektor den Anforderungen der Teilchentherapie für die Messung prompter Gammastrahlen stand hält. Der bisher eingesetzte Streifendetektor muss zugunsten einer gesteigerten Effizienz und verbesserter Energieauflösung durch den Pixeldetektor ersetzt werden. Mit der Integration des entwickelten digitalen Detektorsystems in eine Compton-Kamera muss abschließend geprüft werden, ob dieses Verfahren für die Reichweitenkontrolle in der Teilchentherapie anwendbar ist. Auch wenn sich herausstellt, dass ein anderes Verfahren unter klinischen Bedingungen praktikabler ist, so kann auch dieses Detektorsystem von der gezeigten Instrumentierung eines digitalen Signalverarbeitungssystems profitieren.:1. Introduction 1.1. Aim of this work 2. Analog front-end electronics 2.1. State-of-the-art 2.2. Basic design considerations 2.2.1. CZT detector assembly 2.2.2. Electrical characteristics of a CZT pixel detector 2.2.3. High voltage biasing and grounding 2.2.4. Signal formation in CZT detectors 2.2.5. Readout concepts 2.2.6. Operational amplifier 2.3. Circuit design of a charge-sensitive amplifier 2.3.1. Circuit analysis 2.3.2. Charge-to-voltage transfer function 2.3.3. Input coupling of the CSA 2.3.4. Noise 2.4. Implementation and Test 2.5. Results 2.5.1. Test pulse input 2.5.2. Pixel detector 2.6. Conclusion 3. Digital signal processing 3.1. Unfolding-synthesis technique 3.2. Digital deconvolution 3.2.1. Prior work 3.2.2. Discrete-time inverse amplifier transfer function 3.2.3. Application to measured signals 3.2.4. Implementation of a higher order IIR filter 3.2.5. Conclusion 3.3. Digital pulse synthesis 3.3.1. Prior work 3.3.2. FIR filter structures for FPGAs 3.3.3. Optimized fixed-point arithmetic 3.3.4. Conclusion 4. Data interface 4.1. State-of-the-art 4.2. Embedded Gigabit Ethernet protocol stack 4.3. Implementation 4.3.1. System overview 4.3.2. Media Access Control 4.3.3. Embedded protocol stack 4.3.4. Clock synchronization 4.4. Measurements and results 4.4.1. Throughput performance 4.4.2. Synchronization 4.4.3. Resource utilization 4.5. Conclusion 5. Experimental results 5.1. Digital pulse shapers 5.1.1. Spectroscopy application 5.1.2. Timing applications 5.2. Gamma-ray spectroscopy 5.2.1. Energy resolution of scintillation detectors 5.2.2. Energy resolution of a CZT pixel detector 5.3. Gamma-ray timing 5.3.1. Timing performance of scintillation detectors 5.3.2. Timing performance of CZT pixel detectors 5.4. Measurements with a particle beam 5.4.1. Bremsstrahlung Facility at ELBE 6. Discussion 7. Summary 8. Zusammenfassung

International Telemetering Conference Proceedings / October 30-November 02, 1995 / Riviera Hotel, Las Vegas, Nevada / The Remote Unit (RU) for a decentralised on-board base-band telemetry system is designed for use in launch vehicle missions of the Indian Space Research Organisation (ISRO). This new design is a highly improved and miniaturised version of an earlier design. The major design highlights are as follows. Usage of CMOS Field Programmable Gate Array (FPGA) technology in place of LS TTL devices, the ability to acquire various types of data like high level single ended or differential analog, bi-level events and two channels of high speed asynchronous serial data from On-Board Computers (OBCs), usage of HMC technology for the reduction of discrete parts etc. The entire system is realised on a single 6 layer MLB and is packaged on a stackable modular frame. This paper discusses the design approach, tools used, simulations carried out, implementation details and the results of detailed qualification tests done on the realised qualification model.

Surface modelling and editing is one of important subjects in computer graphics. Decades of research in computer graphics has been carried out on both low-level, hardware-related algorithms and high-level, abstract software. Success of computer graphics has been seen in many application areas, such as multimedia, visualisation, virtual reality and the Internet. However, the hardware realisation of OpenGL architecture based on FPGA (field programmable gate array) is beyond the scope of most of computer graphics researches. It is an uncultivated research area where the OpenGL pipeline, from hardware through the whole embedded system (ES) up to applications, is implemented in an FPGA chip. This research proposes a hybrid approach to investigating both software and hardware methods. It aims at bridging the gap between methods of software and hardware, and enhancing the overall performance for computer graphics. It consists of four parts, the construction of an FPGA-based ES, Mesa-OpenGL implementation for FPGA-based ESs, parallel processing, and a novel algorithm for surface modelling and editing. The FPGA-based ES is built up. In addition to the Nios II soft processor and DDR SDRAM memory, it consists of the LCD display device, frame buffers, video pipeline, and algorithm-specified module to support the graphics processing. Since there is no implementation of OpenGL ES available for FPGA-based ESs, a specific OpenGL implementation based on Mesa is carried out. Because of the limited FPGA resources, the implementation adopts the fixed-point arithmetic, which can offer faster computing and lower storage than the floating point arithmetic, and the accuracy satisfying the needs of 3D rendering. Moreover, the implementation includes Bézier-spline curve and surface algorithms to support surface modelling and editing. The pipelined parallelism and co-processors are used to accelerate graphics processing in this research. These two parallelism methods extend the traditional computation parallelism in fine-grained parallel tasks in the FPGA-base ESs. The novel algorithm for surface modelling and editing, called Progressive and Mixing Algorithm (PAMA), is proposed and implemented on FPGA-based ES’s. Compared with two main surface editing methods, subdivision and deformation, the PAMA can eliminate the large storage requirement and computing cost of intermediated processes. With four independent shape parameters, the PAMA can be used to model and edit freely the shape of an open or closed surface that keeps globally the zero-order geometric continuity. The PAMA can be applied independently not only FPGA-based ESs but also other platforms. With the parallel processing, small size, and low costs of computing, storage and power, the FPGA-based ES provides an effective hybrid solution to surface modelling and editing.

International Telemetering Conference Proceedings / October 30-November 02, 1995 / Riviera Hotel, Las Vegas, Nevada / The Central Control Unit (CCU) for a decentralised on-board base-band telemetry system is designed for use in launch vehicle missions of the Indian Space Research Organisation (ISRO). This new design is a highly improved and miniaturised version of an earlier design. The major design highlights are as follows: usage of CMOS Field Programmable Gate Array (FPGA) devices in place of LS TTL devices, high level user programmability of TM format using EEPROMs, usage of high density memory for on-board data storage and delayed data transmission, HMC based pre-modulation filter and final output driver etc. The entire system is realised on a single 6 layer MLB and is packaged on a stackable modular frame. This design has resulted in a 1:4 reduction in weight, 1:4 reduction in volume, 1:5 reduction in power consumption and 1:3 reduction in height in addition to drastic reduction of part diversity and solder joints and thus greatly increased reliability. This paper discusses the design approach, implementation details, tools used, simulations carried out and the results of detailed qualification tests done on the realised qualification model.