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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:Lindberg, Bertil C./ Wetterau, James

出品人:

页数:400

译者:

出版时间:

价格:0.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9780471430865

丛书系列:

图书标签:

• 通信故障排除
• 通信设施
• 网络故障
• 技术支持
• 维护
• 电信
• 网络工程
• 故障诊断
• 线路测试
• 通信系统

好的，这是一本名为《高能物理实验中的数据采集系统设计与实现》的图书简介： --- 图书简介：《高能物理实验中的数据采集系统设计与实现》 深入前沿：理解现代粒子物理实验的心脏 在当今的高能物理研究领域，大型粒子加速器和探测器的性能已达到前所未有的复杂程度。每一次粒子碰撞都蕴含着揭示宇宙基本规律的潜力，但要从每秒数百万次的事件中精确捕获、记录并分析这些转瞬即逝的信号，需要极其精密的电子学和计算机科学支撑。本书《高能物理实验中的数据采集系统设计与实现》正是聚焦于这一核心技术领域，为读者提供一套全面而深入的视角，剖析当前主流高能物理实验中数据采集（DAQ）系统的架构、关键技术、面临的挑战及其解决方案。 本书的撰写基于对多个世界级大型实验（如LHC上的ATLAS、CMS、LHCb等实验，以及未来的下一代对撞机项目）的实际工程经验提炼而成，旨在成为该领域学生、工程师、研究人员和系统架构师的实用参考手册。我们不仅探讨了理论基础，更侧重于实际工程中的权衡取舍、性能优化和鲁棒性设计。 内容结构与核心价值 本书共分为七个主要部分，层层递进，系统性地覆盖了从前端信号处理到后端数据存储的完整流程： 第一部分：高能物理数据采集系统的基础架构与需求分析 本部分为后续深入技术讨论奠定基础。我们首先回顾了粒子探测器的基本工作原理，特别是对电磁量能器、缪子谱仪和跟踪探测器等关键子系统信号特性的分析。在此基础上，详细阐述了现代高能物理实验对DAQ系统的严格要求：极高的触发速率、毫秒级的延迟容忍度、PB级的原始数据吞吐量，以及对环境（辐射、温度）的适应性。我们将系统地介绍传统的两级或三级触发架构（L0/L1/HLT）的演变，并讨论如何根据实验物理目标确定最佳的数据吞吐量和事件选择策略。 第二部分：前端信号处理与快速数字化 数据采集的起点至关重要。本部分深入探讨了探测器信号的放大、整形与量化过程。重点分析了高速模数转换器（ADC）的选择标准，包括其有效位数（ENOB）、采样率与非线性度对物理测量的影响。我们详细比较了不同电荷-数字转换技术（如基于SRAM的TDC、新型的连续时间TDC）的优劣，并探讨了如何利用前置FPGA（Front-End FPGA）实现亚微秒级的初步事件识别和数据压缩。此外，针对特定探测器如硅微条探测器，我们将专门讨论其对低噪声、高线性度读出芯片（ASIC）的需求及设计考量。 第三部分：实时触发系统的高效实现 触发系统是数据采集的“守门人”，其设计决定了最终可被记录的数据量和物理发现的潜力。本部分将重点放在第二级（L1）和高层次触发（HLT）系统的硬件与软件协同设计。我们将详细解析基于FPGA和GPU的高速并行处理技术在L1实现中的应用，包括簇识别、能量和动量估计的并行算法。在HLT部分，我们分析了如何将复杂的物理算法高效地映射到现代CPU集群和异构计算架构（如GPU集群），实现复杂的拓扑结构识别和事件分类，确保在不丢失有价值事件的前提下，将数据速率降低到可管理的水平。 第四部分：高速数据传输与互连技术 随着事件率的提升，系统内部的数据带宽需求呈指数级增长。本部分聚焦于实现PB/s级数据流动的关键互连技术。我们将详细评估PCI Express（PCIe Gen4/Gen5）在FPGA与主机通信中的性能瓶颈与优化策略，并深入介绍面向大规模数据传输的串行高速链路技术（如SerDes）。尤其重要的是，本书将剖析基于光纤和专用协议（如RDMA over Converged Ethernet, RoCE）构建的、低延迟、高带宽的片间/机间通信网络，及其在分布式DAQ架构中的拓扑设计与流量控制机制。 第五部分：分布式数据处理与软件架构 现代DAQ系统不再是单体结构，而是高度分布式的复杂软件和硬件协同体。本部分探讨了分布式软件框架的设计哲学。我们将介绍Actor模型、消息队列（如ZeroMQ、Kafka）在高并发数据流管理中的应用，以及如何构建弹性、容错的数据分发网络。重点讨论了时间同步技术（如PTP/EPICS）在确保跨越数百个节点的数据一致性方面的重要性，以及事件重建和数据校验在网络传输过程中的实现策略。 第六部分：数据存储、归档与在线监控 成功采集到的数据必须可靠地存储和可供即时访问。本部分将详细介绍用于存储TB/s级数据流的并行文件系统（如Lustre、GPFS）的配置与调优。我们还将探讨数据格式的选择（如ROOT、HDF5）及其对快速回放和离线分析的影响。此外，一个健壮的在线监控系统是保证DAQ系统长期稳定运行的关键。本书将介绍如何利用现代监控工具（如Prometheus、Grafana）和定制化的硬件健康检查模块，实现对数千个通道的延迟、错误率和温度的实时可视化与告警。 第七部分：面向未来的挑战与新兴技术 本书的最后部分展望了下一代数据采集系统的发展方向。我们将探讨人工智能和机器学习技术如何从基础的硬件层面嵌入到触发和实时数据处理流程中，以应对未来更高亮度和复杂度的实验环境。此外，我们还将讨论量子计算对未来数据处理算法可能带来的颠覆性影响，以及软硬件协同设计（Co-Design）在提升系统整体效率方面的潜力。 目标读者 本书面向具有电子工程、计算机科学、物理学背景的专业人员和高级学生。对于正在设计或升级粒子物理实验、核物理探测器、甚至其他需要处理海量、高速、低延迟数据的领域（如射电天文学、同步辐射光源）的工程师和科研人员，本书提供了可以直接借鉴的工程范例和技术细节。 ---

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