Lossy and lossless data compression of data from high energy physics experiments
Description
This dissertation describes a data compression system optimized for high energy particle detectors. The aim is to reduce the data in the front-end electronics installed in different kind of particle detectors as used for example along the Large Hadron Collider at CERN. The signals collected and digitized from calorimeters, time projection chambers and in general from all detectors with a large number of sensors produce an extensive amount of data, which need to be reduced. Real-time data compression algorithms applied right at the detector front-end is able to reduce the amount of data to be transmitted and stored as early as possible in the data chain. Different lossless and lossy compression methods are analyzed regarding their efficiency in compressing data from particle detectors that produce signals amplified and/or shaped to various waveforms. ln addition, the complexity of the algorithms is evaluated to determine their suitability for a real-time hardware implementation. From the analyzed methods, a new developed lossless compression method turned out to be the best suitable one for the implementation in high energy physics applications. The detector data are used to search for rare particle physics phenomena, which makes it crucial that the compression method retains the important information in the data with an appropriate accuracy. Considering the importance of not distorting detector data, a lossless compression method was preferred instead of a lossy method. To go beyond what can be achieved by conventional lossless compression schemes, which are mostly limited by the intrinsic entropy of the underlying data, the proposed compression method makes use of a new scheme where entire vectors of samples are compressed instead of handling the data from the ADCs as individual uncorrelated samples. Our method works by first approximating the incoming vectors, formed by the digitization of the shaped input waveforms from the detector signals, with a set of digitized reference vectors. This is generally known as vector quantization. To prevent information loss the differences between the incoming vector and the best matching reference vector are retained. These differences are then Huffman encoded to obtain the compression. The performance of the compression method was first evaluated by modeling the algorithm in Matlab and using test-data measured with the time projection chamber in the ALICE experiment at CERN. A compression ratio of 50% has been achieved for this test-data (better as the intrinsic entropy of the test-data of 62%). For a demonstration of the functionality of the developed compression method in hardware, a digital IP block was realized and modeled using the hardware description language Verilog. The compression algorithm was optimized for the data from a time projection chamber and tested using at FPGA development board applying the same test-data from the ALICE time projection chamber as used previously in Matlab. The implementation achieved almost the same compression ratio. ln this thesis, l show that a data compression of digitized detector data is possible to be realized in the detector front-end electronics very close to the data source by still maintaining the accuracy of the data. The developed and realized lossless compression algorithm achieved a compression ratio of about 50%. The hardware implementation of the algorithm proved its real-time suitability by compressing 10 000 consecutive input signals without introducing dead time. Only an average latency of about 30 clock cycles of 40 MHZ has to be accepted. The designed data compression lP block is available for an implementation in current and future detector front-end electronics either inside FPGAs or inside full custom ASlCs. The compression block requires about 2 700 logic slices inside a Virtex-4 FPGA and around 12 000 gates for an ASlC implementation without taking into account the required memory of 7 kbyte. (author)
Availability note (English)
Available from University Library Graz University of Technology, Technikerstrasse 4, 8010 Graz (AT)Abstract (German)
Diese Dissertation beschreibt eine Komprimierungsmethode, welche für Anwendungen in der Hochenergiephysik optimiert ist. Das Ziel dieser Komprimierung ist die Reduktion der Daten, die in der Front-End-Elektronik von Teilchendetektoren entstehen, welche zum Beispiel entlang des Large Hadron Colliders am CERN installiert sind. Die Menge der digitalisierten Signale von Kalorimetern, Zeit-Projektionskammern (TPC) und im Generellen allen Detektoren die eine große Anzahl von Sensoren besitzen, bringt die Anforderungen an die Datenübertragung und Speicherung an ihre Limits. Eine Echtzeit-Datenkomprimierung in der Front-End-Elektronik von Detektoren kann diese Datenmengen frühestmöglich im Datenpfad reduzieren um die Datenübertragung und Speicherung zu vereinfachen. Verschiedene verlustlose und verlustbehaftete Komprimierungsmethoden werden hinsichtlich ihrer Effizienz untersucht. Die Detektordaten bestehen dabei aus Signalen, die durch die Verstärkung und/oder Signalformung verschiedene digitalisierte lineare lmpulsformen ergeben können. Zusätzlich wird die Kornplexität der Methoden evaluiert um ihre Einsatzfähigkeit in Echtzeit-Hardware zu erörtern. Die Detektordaten werden benutzt um seltene Phänomene in der Teilchenphysik zu erforschen und das bedingt, dass die Kornprimierungsmethode die enthaltenen Informationen mit der nötigen Genauigkeit erhält. Daher wurde eine verlustlose Komprimierung bevorzugt entgegen verlustbehafteten Methoden. Eine neu entwickelte verlustlose Komprimierungsmethode hob sich dabei als die Bestgeeignetste für die Datenkomprimierung in Hochenergiephysik- Anwendungen hervor. Die vorgeschlagene Komprimierungsmethode bedient sich einer neuen Methodik, welche die digitalen Daten nicht als einzelne unabhäingige Abtastwerte sieht, sondern einen Vektor von mehreren Abtastwerten zugleich komprimiert. Dadurch kann eine höhere Effizienz erzielt werden als bei herkömmlichen verlustlosen Methoden, welche meistens durch die intrinsische Entropie limitiert sind. Die entwickelte Methode vergleicht zuerst die Eingangsvektoren, gebildet von den Abtastwerten der Eingangssignale welche von den Detektor-Sensoren kommen, mit einem Set von Refe- renzvektoren. Der index des ähnlichsten Reverenzvektors wird ausgesendet. Dies wird im Allgemeinen als Vektor-Quantisierung bezeichnet. Zusätzlich werden die Differenzwerte zwischen dem Eingangsvektor und dem verwendeten Referenzvektor berechnet um einen lnformationsverlust zu vermeiden. Diese Differenzwerte werden mit Huffman kodiert um eine Komprimierung zu erreichen. Die Komprimierungsmethode wurde zuerst in Matlab modelliert und und mit Testdaten von Messungen mit dem TPC in ALICE getestet. Eine Komprimierungsrate von 50% konnte für diese Testdaten erzielt werden (die Entropie der Testdaten liegt bei 62%). Um die Funktionalität des entwickelten Komprimierungsverfahrens in Hardware zu demonstrieren wurde ein digitaler IP-Block mit der Hardwarebeschreibungssprache Verilog designt. Der Kompressionsalgorithmus wurde für TPC-Daten optimiert und in einem FPGA Evaluationskit mit denselben Testdaten wie für das Matlab Model getestet. Die Implementierung erreichte annähernd dieselbe Kompressionsrate. ln dieser Dissertation konnte ich zeigen, dass eine Datenkomprimierung von digitalisierten Detektordaten nahe der Datenquelle in der Front-End-Elektronik unter Beibehaltung der Datengenauigkeit möglich ist. Der entwickelte und realisierte Komprimierungsalgorithmus erreicht eine Effizienz von rund 50%. Die Hardware Implementierung bewies ihre Echtzeit-Einsetzbarkeit durch die kontinuierliche Komprimierung von 10 000 Eingangsvektoren ohne dabei eine Totzeit zu erzeugen. Lediglich eine Zeitverzögerung von ca. 30 Taktzyklen von 40 MHz muss in Kauf genommen werden. Für eine FPGA Implementierung des entwickelten Komprimierungs-Blocks in zukünftigen Experimenten werden ca. 2 700 Slices benötigt und für eine Realisierung in einem ASIC benötigt man ca. 12 200 Grundgatter ohne Berücksichtigung des Speichers von 7 kbyte. (author)Additional details
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 185 p.
INIS
- Country of Publication
- Austria
- Country of Input or Organization
- Austria
- INIS RN
- 44118377
- Subject category
- S46: INSTRUMENTATION RELATED TO NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis, Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- ALGORITHMS; ALICE; CERN LHC; COMPRESSION; DATA PROCESSING; HIGH ENERGY PHYSICS; INFORMATION; SIGNALS; TIME PROJECTION CHAMBERS
- Descriptors DEC
- ACCELERATORS; CYCLIC ACCELERATORS; DRIFT CHAMBERS; MAGNETIC MIRRORS; MATHEMATICAL LOGIC; MEASURING INSTRUMENTS; MULTIWIRE PROPORTIONAL CHAMBERS; OPEN PLASMA DEVICES; PHYSICS; PROCESSING; PROPORTIONAL COUNTERS; RADIATION DETECTORS; STORAGE RINGS; SYNCHROTRONS; THERMONUCLEAR DEVICES