当它完成时，位于南非卡鲁地区的MeerKAT阵列将包括64个天线盘，使其成为南半球最大和最灵敏的射电望远镜(图1)。MeerKAT将被世界各地的科学家用于一系列研究项目，包括观察宇宙早期的中性氢气和分子氢水平;神秘的中子星物理学;以及脉冲星、暗物质和宇宙网络的性质和行为。
这些研究计划中的每一项都依赖于处理无线电天线一天24小时收集的大量数据的能力。为了满足这一需求，南非SKA公司的数字后端(DBE)团队正在开发一种数字信号处理(DSP)系统，能够每秒处理5tb的数据。本系统采用Simulink进行设计金宝app®库，使我们的团队和其他研究人员能够使用基于模型的设计在模块化、可重用的硬件上快速设计和部署射电天文仪器。
射电天文仪器设计挑战
早期的射电天文学依赖于直径达300米的大型单碟天线，这些天线聚焦在相对较小的天空区域。现代天线阵列使用多个小天线，提供了更广阔的视野和更大的灵活性。将碟形天线分离得更远可以提高望远镜的分辨率，使其能够探测到更小的物体。将盘子移动得更近会降低分辨率，但会扩大视野。
挑战是将阵列中所有天线接收到的数据关联起来。为了确定目标在天空中的位置，DSP系统必须计算到达阵列中每对天线的无线电信号之间的相位差。由于来自所有天线的数据必须相互关联(即每个天线的信号必须与其他天线的信号相互关联)，因此处理任务为N2问题:当我们将天线数量增加一倍时，我们必须将DSP的处理能力提高四倍。
数据流的连续特性加剧了这一挑战。光学天文数据可以在夜间采集、存储，然后在第二天进行处理。相比之下，射电天文学数据是一天24小时收集的，必须在接收时进行处理。
从专用硬件转移到可重用库和硬件组件
需要专门的基于asic或fpga的硬件来实时处理从天线阵列接收到的原始数据。在过去，开发这种硬件需要一个有经验的硬件工程师团队和多年的努力。今天，很少或没有硬件设计经验的科学家可以在几个月内使用Simulink(一个拖放组件库)和标准化的可重构开放架构计算硬件(ROACH)板开发自己的仪器。金宝app
Simu金宝applink库和ROACH板构成了一个由天文信号处理和电子研究协作组织(CASPER)维护的射电天文仪器的开源设计环境的基础。在开发MeerKAT的DSP系统期间，南非SKA公司一直是CASPER库的关键贡献者。
CASPER库由射电天文学中常用的组件组成，包括混频器、振荡器、下变频器、滤波器、矩阵变换、累加器、加法器和宽带快速傅里叶变换(FFT)块(图2)。
块是参数化和自动配置的MATLAB®例如，要创建一个五输入并行加法器块，脚本会自动插入所需数量的基本加法器和延迟，将它们连接起来，并将它们打包成一个自包含的块，以便在更大的设计中使用。
科学家从CASPER库块组装信号处理系统，并在Simulink中模拟他们的设计，使用记录的无线电信号数据作为输入。金宝app在通过仿真验证他们的设计后，他们使用HDL Coder™生成HDL或Verilog®用于在ROACH板的Virt金宝appex上部署的Simulink模型的代码®FPGA。除了FPGA外，ROACH板还包括模数转换器(adc)、万兆以太网接口和射电天文仪器中经常需要的其他硬件组件(图4)。
最初使用来自Xilinx的块进行开发®用于DSP™区块集的System Generator, CASPER库使科学家可以轻松地为他们的设计和目标Xilinx fpga生成HDL代码。在南非SKA，一个将库迁移到本地Simulink块的项目正在进行中，这将允许使用HDL Coder来生成HDL代码，并进行分区设计，以便功能块不仅可以针对金宝appfpga，也可以针对asic或ARM®处理器。HDL编码器还打开了将CASPER扩展到射电天文学以外和其他需要类似实时信号处理能力的学科的可能性。
从KAT-7到MeerKAT
七碟型KAT-7阵列是MeerKAT阵列的工程原型。KAT-7是世界上第一个使用玻璃纤维天线的射电望远镜阵列。它位于南非的卡鲁地区，这是一个人口稀少的地区，人类活动的无线电干扰水平很低，MeerKAT和部分平方公里阵列也将在这里建造(图5)。
我们利用CASPER库在Simulink中开发了KAT-7 DSP系统，并金宝app将其部署到16块ROACH板上。虽然它的主要目的是为MeerKAT提供概念验证，但KAT-7本身就是一个很有价值的望远镜，它已经拍摄到了1400万光年之外的半人马座a的图像。
目前，我们正在使用Simulink和CASPE金宝appR库来设计MeerKAT阵列的信号处理系统，预计将于2016年完成。MeerKAT拥有64个天线，其天线数量几乎是KAT-7的10倍。这意味着它将需要大约100倍的信号处理来处理数据，这些数据将以超过5tb / s的速度传入。
在此工作中使用Simulink和基于模型的设计的一金宝app个关键优势是，当下一代ROACH板可用时，设计将很容易被重新定位。这种重新定位使我们能够利用更强大的fpga，我们希望在未来几年可用。我们预计在MeerKAT上使用大约200到300块下一代ROACH板。
平方公里阵列和更远
这个平方公里阵列将有3000到4000个天线，每个直径约15米。结合起来，这些碟形望远镜的表面积将达到一平方公里，使SKA成为世界上最大、最强大的射电天文望远镜——大约比它最接近的竞争对手强大100倍。SKA天线产生数据的速度大约相当于目前世界互联网流量的10倍，该系统非常敏感，能够探测到50光年外星球上机场雷达的信号。虽然工程要到2017年才开始，但早期信号处理设计工作已经开始，该团队已经提交了一份使用Simulink和CASPER库设计SKA的中央处理系统的建议。金宝app
我们与Simulink和CA金宝appSPER库的合作不仅加速了MeerKAT和SKA射电天文仪器的开发;它也在帮助全球的研究人员。在CASPER之前，开发新仪器通常需要5年或更长时间;通过CASPER，我们看到一些团队在不到两年的时间里开发了八种仪器。
使用Simulink和CASPER的一个主要好处是初学者可金宝app以很快成为高效的设计师。我们举办了关于Simulink和CASPER使用的研讨会。金宝app与会者通常都是硬件设计的新手，但一周后，他们就能通过在Simulink中拖放模块并单击将其部署到ROACH硬件中来设计自己的仪器了。金宝app事实上，每年都有一些学员在为期一周的培训课程中开发出一种新的工作仪器。这种生产力正在推动人们对我们这一领域的兴趣和热情，它不仅在南非，而且在全世界加速了射电天文学的进展。
