RFSoC-Based Software-Defined Radio Systems for Frequency-Multiplexed Bolometer Readout

Das Q \& U Bolometrische Interferometer für Kosmologie (QUBIC) hat zum Ziel, die B-Modus-Polarisation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) zu detektieren, was eine der größten Herausforderungen der beobachtenden Kosmologie darstellt. Da das zu beobachtende Signal extrem schwach ist, schlägt QUBIC ein neuartiges bolometrischen Interferometer vor. Es kombiniert die Vorteile der Interferometrie in Bezug auf die Kontrolle instrumenteller systematischer Effekte mit denen bolometrischer Detektoren hinsichtlich der ``Background-Limited Performance'' (BLIP). ... mehrUm die Empfindlichkeit des QUBIC-Instruments signifikant zu erhöhen, schlägt die zweite Phase des QUBIC-Experiments den Einsatz einer Fokalebene vor, die mit Tausenden von antennengekoppelten Magnetischen Mikro-Bolometern (MMBs) ausgestattet ist. Die Auslese von Tausenden von Bolometern, die im Frequenzbereich durch den neuartigen Mikrowellen SQUID Multiplexer (\textmu MUX) gemultiplext werden, stellt eine komplexe Aufgabe dar. Diese Art der Auslese erfordert die Erzeugung von hochreinen Mikrowellensignalen sowie deren Verarbeitung mit minimaler Rauschbeimischung, um eine Verschlechterung der intrinsischen Empfindlichkeit der Detektoren zu vermeiden. Dies wird durch ein speziell für diese Anwendungen entwickeltes und optimiertes ``Software-Defined Radio'' (SDR)-Auslesesystem erreicht.

Diese Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung von zwei SDR-Prototypen für die multiplexierte Auslesung von MMBs. Dabei werden die einzigartigen Eigenschaften von ``Radio-Frequency System on Chip'' (RFSoC)-Plattformen ausgenutzt, welche leistungsstarke Verarbeitungssysteme mit Hochgeschwindigkeits datenwandlern kombinieren. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die Funktionen und Anforderungen des SDR-Auslesesystems durch Simulationen der MMBs und des \textmu MUX bestimmt. Ein spezielles Simulationsframework wurde entwickelt, um die Rauschleistung des Systems in Abhängigkeit von verschiedenen Ausleseparametern und den Rauschpegeln der SDR-Systeme abzuschätzen. Anhand dieser Ergebnisse wurden die optimalen Ausleseparameter und die maximal tolerierbaren Rauschpegel für die MMB-Auslese ermittelt. Im zweiten Teil dieser Dissertation wird die Entwicklung und Bewertung beider vorgeschlagener SDR-Prototypen beschrieben. Der erste Prototyp, genannt der \textit{Zero-IF SDR}-Prototyp, nutzt das RFSoC gemeinsam mit einer externen Frequenz-IQ-Mischung. Der zweite Prototyp, das \textit{Mixer-Less SDR}, nutzt die Hochgeschwindigkeitswandler des RFSoC, um Signale im GHz-Bereich direkt zu erzeugen und zu erfassen. Beide Prototypen wurden einzeln charakterisiert, um ihre Rauschleistung zu bestimmen, und anschließend in das Auslese- und Multiplexsystem integriert, um die Auslesung eines \textmu MUX zu demonstrieren. Die Messungen validieren die Ergebnisse des Simulationsframeworks und demonstrieren die Machbarkeit der SDR-Prototypen für die MMB-Auslese, wobei die für die nächste Phase des QUBIC-Experiments erforderliche BLIP erreicht wurde. Die entwickelten Prototypen zeigen eine Rauschleistung, die mit der von modernen SDR-Auslesesystemen vergleichbar ist, und bieten gleichzeitig ein hohes Maß an Integration, Flexibilität und Anpassungsfähigkeit. Diese Entwicklungen stehen im Einklang mit den neuesten SDR-Technologien und stellen einen bedeutenden Beitrag zur neuen Generation von Auslesesystemen dar.

The Q \& U Bolometric Interferometer for Cosmology (QUBIC) aims to detect the B-mode polarization of the Cosmic Microwave Background (CMB), which is one of the major challenges of observational cosmology. Given the extreme weakness of the signal to be observed, QUBIC proposes a novel Bolometric Interferometer. It combines the advantages of interferometry in terms of control of instrumental systematic effects with those of bolometric detectors in terms of Background-Limited Sensitivity (BLIP). To significantly enhance the sensitivity of the QUBIC instrument, its second phase proposes the use of a focal plane equipped with thousands of antenna-coupled Magnetic Micro-Bolometers (MMBs), multiplexed in the frequency domain by the novel Microwave SQUID Multiplexer (\textmu MUX). ... mehrThe readout of thousands of bolometers multiplexed by means of the \textmu MUX is a complex task that requires generating high-purity microwave signals over a broad bandwidth, as well as acquiring and processing them with minimal noise addition in order to avoid degrading the intrinsic sensitivity of the detectors. This is achieved through Software-Defined Radio (SDR) readout systems specially designed and optimized for such applications.

This thesis focuses on the development of two SDR prototypes for the multiplexed readout of MMBs, exploiting the unique features of Radio-Frequency System on Chip (RFSoC) platforms, which combine powerful processing systems with high-speed data converters. In the first part of this work, the functionalities and requirements of the SDR readout system are determined through simulations of both the MMBs and the \textmu MUX. A dedicated simulation framework was developed to estimate the system's noise performance as a function of different readout parameters and the noise levels present in the SDR systems. From these results, the optimal readout parameters and maximum tolerable noise levels for MMB readout were determined. In the second part of this thesis, the development and evaluation of both proposed SDR prototypes is described. The first prototype, called the \textit{Zero-IF SDR} prototype, is based on previous developments and utilizes the RFSoC together with an external frequency IQ Mixing board. The second prototype, titled the \textit{Mixer-Less SDR}, takes advantage of the RFSoC's high-speed converters to directly generate and acquire signals in the GHz range. Both prototypes were characterized individually to determine their noise performance and then integrated into the readout and multiplexing system to demonstrate the readout of a \textmu MUX device. The obtained results validate the outcomes from the simulation framework and demonstrate the feasibility of the SDR prototypes in MMBs readout, achieving the BLIP required for the next phase of the QUBIC project. The developed prototypes exhibit noise performance comparable to state-of-the-art SDR readout systems, while also providing a high level of integration, flexibility, customizability, and ease of use. These developments are in line with the latest SDR technologies and represent a significant contribution to the new generation of readout systems.