利用Simulink库开发射电天文仪器金宝app

射电天文学是通过分析无线电波来研究天体的学科。这个领域使科学家能够观测到在电磁波谱的其他部分通常无法探测到的天文现象。在短短70年的历史中，射电天文学揭示了新型天体，包括脉冲星和类星体，尤其是宇宙微波背景辐射，这是形成我们宇宙的大爆炸事件的冷却残留物。

实时处理来自天线的数字化信号是射电天文学的一个关键挑战。一个天线单元每秒可以产生数百200gb的数据，多个天线单元的数据通常组合在一起以提高分辨率和灵敏度。处理如此海量的数据是很复杂的，因为射电天文学家通常只对非常短的时间尺度感兴趣——脉冲星的爆发通常只持续几毫秒。当一个意想不到的有趣事件被观测到时，天文学家依靠快速的数据分析，使他们能够快速地引导其他望远镜观测这一现象。

传统上，用于处理无线电数据的实时仪器的开发涉及雇用经验丰富的电气工程师，使用定制的电子设备设计和实现系统。事实证明，这种方法既昂贵又耗时，项目往往需要十多年才能完成。在许多情况下，当仪器仪表投入使用时，由于电子工业的快速发展，仪器技术似乎已经过时了。

在加州大学伯克利分校，天文信号处理和电子研究中心(CASPER)开发了一个Simulink金宝app^®基于简化和加速射电天文仪器发展的库。独立于平台的CASPER库使天文学家能够通过将参数化的功能块组装成运行在可重构的模块化硬件上的设计来快速部署新的仪器。这种方法将特定于应用程序的硬件的实时性能与Simulink简单的设计工作流相结合。金宝app因此，工程师和科学家可以用早期定制硬件仪器的一小部分成本建造和部署复杂的射电天文仪器——通常在几个月内。

使用CASPER库

大多数射电天文仪器由常用部件组成。例如，光谱仪通常包括多相滤波器组(pfb)、快速傅里叶变换(FFT)块、积分器、转置器和缓冲器。CASPER库是这些常用组件的一组Simulink实现，使天文金宝app学家能够快速组装和模拟仪器设计。因为库是开源的，所以广泛的用户社区可以为库组件的开发和调试做出贡献。

为了开始使用CASPER库，研究人员通常完成在线教程，教授基本功能，最终发展到构建数字光谱仪。如果他们计划组合来自多个望远镜的信号，他们可能还需要完成建造宽带干涉仪或相关器的教程，例如图1所示的32单元fx风格的相关器。

在了解了CASPER库元素以及它们之间的联系之后，研究人员可以在Simulink中设计自己的完整仪器系统(图2)。仪器系统的模拟可以在Simulink中运行，使用波发生器产生样本输入，使用示波器或频谱分析仪可视化输出。金宝app

一旦设计通过模拟验证，研究人员就会使用Xilinx生成HDL代码^®用于DSP的系统生成器。然后合成代码并将其部署到BEE2、IBOB或ROACH I或ROACH II板上，这些板构成了系统的硬件平台(请参阅侧栏)。天文学家可以直接瞄准Xilinx fpga，因为每个CASPER库组件都是使用bit-true和cycle-true的Xilinx System Generator用于DSP块集开发的。

在将完成的硬件实现连接到射电望远镜之前，天文学家通常会将其连接到真实的信号输入和噪声源，以验证它是否按预期工作。

苍蝇的眼睛和其他CASPER应用

在使用CASPER库和硬件建造的许多仪器中，有一个是“苍蝇眼”(Fly’s Eye)，这是一个用于搜索高能无线电脉冲的数字光谱仪。最近，在澳大利亚帕克斯射电望远镜的档案数据中发现了一个神秘的明亮射电脉冲，人们对这一领域的兴趣达到了顶峰。

“苍蝇之眼”被用于在艾伦望远镜阵列(ATA)上搜索明亮的射电脉冲，这是一个位于加州北部的干涉阵列，由42个6米的碟形天线组成(图3)。

这台200兆赫、128通道的仪器由44个独立光谱仪组成，使用Simulink、CASPER库和11个ibob构建。金宝app在传统的干涉模式下，所有的天线都指向天空中的同一位置，以提高分辨率和灵敏度。“苍蝇眼”处理来自42个独立指向望远镜天线的信号。这种方法提供了一个巨大的天空视野和对罕见的明亮事件的卓越敏感性。

蝇眼的传统实现可能需要一个经验丰富的数字工程师五年的努力。然而，使用Simulink设计环境搭配金宝appCASPER模块化计算板和库，一个由三名本科生和一名研究生组成的团队在大约一个月的时间内完成了开发。另一台CASPER仪器是由爱荷华大学的一名博士生在大约一周的时间内建造的，该仪器旨在探测高能中微子与月球地壳相互作用产生的无线电脉冲。

苍蝇的眼睛只是使用CASPER库构建的许多成功仪器之一。位于西弗吉尼亚州格林班克的国家射电天文台的科学家们最近发现了有史以来使用CASPER库建造的脉冲星光谱仪测量的最大质量的中子星。在另一项努力中，麻省理工学院的干草堆天文台和哈佛-史密森天体物理中心领导了一项努力，使用基于casper的技术实现了对银河系中心超大质量黑洞的最高分辨率观测。目前正在南非开发的卡鲁阵列望远镜(MeerKAT)最终将成为世界上最大、最强大的射电望远镜之一，它将依赖于基于casper的数字处理系统。

卡斯珀的美好未来

虽然天文学家通常不熟悉HDL或硬件设计原理，但他们通常有一些用脚本语言或c编程的经验。此外，我们用户社区中的许多科学家都熟悉MATLAB^®或仿真金宝app软件。例如，他们可能已经使用MATLAB来后处理他们的数据或模拟观测和天线性能。CASPER方法的真正优势在于，全球的天文学家和物理学家可以通过Simulink来设计他们自己的数字硬件。金宝app直观的图形化设计环境可以很容易地用模块化组件构建复杂的系统，并在可重构硬件上综合它们之前运行模拟。其结果是大大加快了创造新的射电天文仪器的设计工作流程，只有一般工程经验的科学家也可以使用。

历史表明，每当我们以一种新的方式——通过不同的波段或时间尺度——来研究宇宙时，我们就会有新的，往往是意想不到的发现。新颖的天文仪器是这些新的宇宙一瞥背后的驱动力，为建造它们的天文学家和工程师们确保了一个光明的未来。