用Simulink加速南非和全世界射电天文仪器的设计金宝app

建成后，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、最灵敏的射电望远镜(图1)。作为计划于2024年完工的平方公里阵列(SKA)的先驱，MeerKAT将被世界各地的科学家用于一系列研究项目，包括观测早期宇宙中的中性氢气和分子氢水平;神秘中子星的物理学;脉冲星、暗物质和宇宙网的性质和行为。

这些研究计划中的每一项都依赖于一天24小时处理无线电天线收集的大量数据的能力。为了满足这一需求，南非SKA的数字后端(DBE)团队正在开发一种能够每秒处理5tb数据的数字信号处理(DSP)系统。本系统采用Simulink进行设计金宝app^®该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米的大型单盘天线，聚焦于相对较小的天空区域。现代天线阵列由多个小碟形天线组成，可提供更宽的视野和更大的灵活性。将碟形天线移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。将碟形天线靠得更近会降低分辨率，但会扩大视场。

挑战在于将阵列中所有天线接收到的数据关联起来。为了确定物体在天空中的位置，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是相互相关的(即每个天线的信号必须与其他所有天线的信号相关)，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。

更复杂的挑战是数据流的连续性。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，射电天文数据是一天24小时收集的，必须在收到时进行处理。

从专用硬件到可重用库和硬件组件

需要基于asic或fpga的专用硬件来实时处理从天线阵列接收的原始数据。在过去，开发这种硬件需要一个经验丰富的硬件工程师团队和多年的努力。今天，只有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板构成了由天文信号处理和电子研究协作(CASPER)维护的射电天文仪器的开源设计环境的基础。在为MeerKAT开发DSP系统期间，南非SKA一直是CASPER库的主要贡献者。

CASPER库由射电天文学中常用的组件组成，包括混合器、振荡器、下转换器、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)。

这些块由MATLAB自动参数化和配置^®例如，要创建一个五个输入的并行加法器块，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，并将它们打包为一个独立的块，以便在更大的设计中使用。

科学家们从CASPER库块中组装信号处理系统，并使用记录的无线电信号数据作为输入，在Simulink中模拟其设计。金宝app在通过模拟验证他们的设计后，他们使用HDL Coder™生成HDL或Verilog^®来自Simulink模型的代金宝app码，用于部署在ROACH板的Virtex上^®FPGA。除了FPGA, ROACH电路板还包括模数转换器(adc)、一个10千兆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)。

最初是用Xilinx的积木开发的^®CASPER库用于DSP™区块集的系统生成器，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，还可以针对asic或ARM^®处理器。HDL Coder还打开了将CASPER扩展到射电天文学之外，并扩展到需要类似实时信号处理能力的其他学科的可能性。

从KAT-7到MeerKAT

七盘KAT-7阵列是MeerKAT阵列的工程原型。KAT-7是世界上第一个采用玻璃纤维碟形天线的射电望远镜阵列。它位于南非卡鲁地区，这是一个人口稀少的地区，人类活动对无线电的干扰程度很低，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作为MeerKAT的概念验证，但KAT-7本身就是一架有价值的望远镜，并且已经拍摄了1400万光年外的半人马座a星系的图像。

目前，我们正在使用Simulink和CASPE金宝appR库为MeerKAT阵列设计信号处理系统，预计将于2016年完成。MeerKAT拥有64个天线盘，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，这些数据的传输速度将超过每秒5tb。

使用Simulink和基于模型的设计的一个关键优势金宝app是，当设计可用时，可以轻松地将其重新定位到下一代ROACH板。这种重新定位使我们能够利用我们预计在未来几年推出的更强大的fpga。我们预计将为MeerKAT使用大约200到300个下一代ROACH板。

平方公里阵列及其他

平方公里阵列将有3000到4000个天线，每个直径约15米。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——大约是其最接近的竞争对手的100倍。SKA天线产生数据的速度大约相当于目前全球互联网流量的10倍，而且该系统非常敏感，能够探测到50光年外的一颗行星上的机场雷达强度相当的信号。虽然要到2017年才开始施工，但早期的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中央处理系统的提案。金宝app

我们与Simulink和CA金宝appSPER库的合作不仅加速了MeerKAT和SKA射电天文仪器的发展;它还帮助了全球的研究人员。在CASPER之前，开发新仪器通常需要五年或更长时间;通过CASPER，我们看到一些团队在不到两年的时间里开发了8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与会者通常是硬件设计新手，但一周后，他们已经足够了解如何通过在Simulink中拖放模块并将其部署到ROACH硬件中来设计自己的仪器。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个领域的兴趣和热情，它不仅在南非，而且在全世界加速了射电天文学的进步。