Noise in the LISA phasemeter
Creators: name: Bode, Christoph Heimo
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2024
Subjects: subject: Gravitational waves
subject: LISA
subject: phasemeter
subject: noise sources
subject: contains research data
subject: Gravitationswellen
subject: Phasenmeter
subject: Rauschquellen
subject: enthält Forschungsdaten
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften::530 | Physik

description: The Laser Interferometer Space Antenna (LISA) is a satellite mission led by the European Space Agency (ESA), planned to be launched in 2035. It aims to detect gravitational waves (GWs) in the millihertz regime to reveal new insights about the universe. For this purpose, LISA will utilize heterodyne laser interferometry between free-falling test masses, with the GW signal inducing a tiny modulation on the optical beat note phase. Due to the tiny effect, this phase has to be extracted from the optical beat note with high precision. One fundamental part in the complex design of LISA is the phasemeter (PM), an instrument that receives the signal after it has been converted from the optical to the analog domain. The PM implements many functionalities and is essentially responsible for the actual phase extraction. Like all the subsystems in LISA, it must not introduce noise above certain established requirement levels. This thesis is about the analysis and measurement of different noise sources and limitations in the LISA PM. First, the digital part of the PM with respect to the phase readout, the so-called digital readout core (DRC), is analyzed in detail. The focus lies on the main readout algorithm, a phase-locked loop (PLL), and on the decimation filters needed for data rate reduction. The analysis includes a noise model of the complete DRC, which considers potential limitations like quantization noise, aliasing, and non-linear effects, among others. However, many noise sources in the PM are originating outside the digital domain. A critical part is the so-called back-end electronics (BEE) module, which contains all analog components critical for phase readout. Besides analog noise sources, environmental noise sources like thermal noise can couple into the system, with both potentially being interdependent. Further, noise originating from the input signal itself can spoil the phase readout performance. Fundamental and critical noise sources in these regards are discussed in the second part of this thesis. The experimental part of this thesis verifies and quantifies the noise models derived in the preceding sections. This includes a verification of the digital readout core models, as well as experiments to quantify potentially limiting effects in the PM. Further, it includes noise performance verification of critical components, readout algorithm alternatives, and an instrument for testing the PM. In the final part of this thesis, the noise performance of different PM core prototypes is analyzed, and compared to each other. This includes PM prototypes built with custom off-the-shelves hardware and prototypes built with space-compatible or equivalent parts. Some of the prototypes are tested in environmental conditions resembling the LISA case, i.e. in vacuum conditions.
description: Die Laser Interferometer Space Antenna (LISA) ist eine von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) geleitete Satellitenmission, mit geplantem Start im Jahr 2035. Sie hat zum Ziel, Gravitationswellen im Millihertz-Bereich zu detektieren und auf diese Weise neue Erkenntnisse über das Universum zu erlangen. LISA basiert auf heterodyner Laserinterferometrie zwischen frei fallenden Testmassen, wobei das Gravitationswellensignal eine winzige Phasenänderung im Interferenzsignal erzeugt. Aufgrund dieses minimalen Effekts muss die Phase des optischen Signals mit höchster Präzision ausgelesen werden. Ein wichtiger Bestandteil des komplexen LISA-Systems ist das sogenannte Phasenmeter (PM). Dieses verarbeitet das Signal nach der Umwandlung vom optischen in den analogen Bereich. Das PM implementiert viele verschiedene Funktionen, wobei die Phasenauslese des Eingangssignals seine Kernfunktion ist. Wie alle LISA-Teilsysteme, darf auch das Phasenmeter ein definiertes Rauschlevel nicht überschreiten. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Rauschquellen im Phasenmeter analysiert und vermessen. Zunächst wird der digitale Teil des Phasenmeters in Hinblick auf die Phasenauslese analysiert, der sogenannte digitale Auslesekern. Insbesondere der Hauptauslesealgorithmus, die Phasenregelschleife, sowie die Dezimationsfilter zur Reduktion der Datenrate werden analysiert. Diese Analyse beinhaltet ein Rauschmodell des gesamten digitalen Auslesekerns, und berücksichtigt unter anderem Quantisierungsrauschen, Aliasing-Effekte und nichtlineare Effekte. Viele weitere Rauschquellen haben ihren Ursprung außerhalb des digitalen Systems. Ein kritischer Teil des PMs ist die sogenannte Back-End-Elektronik (BEE), das die zur Phasenauslese benötigten analogen Komponenten beinhaltet. Neben analogen Rauschquellen, können auch das Umgebungsrauschen wie z.B. thermisches Rauschen oder Limitierungen durch das Signal selbst in die Phasenauslese koppeln. Fundamentale und kritische Rauschquellen werden im zweiten Teil dieser Arbeit diskutiert. Der experimentelle Teil der vorliegenden Arbeit verifiziert und quantifiziert die erarbeiteten Rauschmodelle. Das beinhaltet die Verifikation des Rauschmodells vom digitalen Auslesekern, sowie Experimente die auf die Quantifizierung von potentiell limitierenden Effekten im Phasenmeter abzielen. Weiterhin wird die Rauschleistung von kritischen Komponenten, alternativen Auslesemethoden sowie eines Instruments zum Testen des PMs analysiert. Im finalen Teil dieser Arbeit werden verschiedene PM-Prototypen hinsichtlich ihrer Rauschleistung charakterisiert. Das beinhaltet sowohl Prototypen, die mit handelsüblichen Komponenten, als auch solche, die mit weltraumtauglicher Hardware gebaut wurden. Einige dieser Prototypen werden auch im Vakuum getestet.