完成后，南非的卡卢地区的Meerkat阵列将包括64个天线菜肴，使其成为南半球最大，最敏感的无线电望远镜（图1）。作为平方公里阵列（SKA）的先行者，在2024年完成，Meerkat将由全球科学家在一系列研究项目中使用，包括观察早期宇宙中的中性氢气和分子氢水量;神秘中子恒星的物理学;以及脉冲星，暗物质和宇宙网的性质和行为。
这些研究举措中的每一个都取决于每天24小时处理由无线天线收集的大量数据的能力。为了满足这种需求，SKA南非的数字后端（DBE）团队正在开发一种能够处理每秒5个数据的数字信号处理（DSP）系统。该系统采用Simulink设计万博1manbetx®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。
射频天文仪器设计挑战
早期射频天文依赖于大型单碟天线，直径高达300米，专注于天空相对较小的区域。现代天线阵列，使用多个小菜，提供更广泛的视野和更大的灵活性。将菜肴移动得更远，望远镜的分辨率增加并使其能够检测较小的物体。将菜肴移动更近，降低了分辨率，但扩展了视野。
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。万博1manbetx
Simu万博1manbetxlink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库由射频天文学常用的组件组成，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。万博1manbetx在通过仿真验证他们的设计后，他们使用HDL Coder™生成HDL或Verilog®来自Simulink模型的代万博1manbetx码，用于roach板的Virtex上部署®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万博1manbetxfpga，也可以针对asic或ARM®处理器。HDL编码器还打开了扩展以超越无线电天文的Casper以及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
七碟KAT-7阵列是Meerkat阵列的工程原型。Kat-7是世界上第一个带玻璃纤维菜肴的无线电望远镜阵列。它位于南非的卡罗地区，一个稀疏的人口稠密的地区，来自人类活动的低电磁干扰，其中猫鼬和平方公里阵列的一部分也将建成（图5）。
我们利用CASPER库在Simulink中开发了KAT-7 DSP系统，并万博1manbetx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。
我们目前正在使用Simulink和Casper万博1manbetx库来设计Meerkat阵列的信号处理系统，该阵列是在2016年完成的。有64个菜肴，Meerkat几乎是kat-7的近10倍。这意味着它需要大约100倍的信号处理来处理数据，这将在每秒5次以上。
在此工作中使用Simulink和基于模型的设计的一万博1manbetx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
方千米阵列将在3000至4000天线之间，每个直径为15米。结合，菜肴将有一公里的表面积，使SKA成为世界上最大，最强大的无线电天文望远镜 - 比其最接近的竞争对手大约100倍。SKA Dishes将以相当于世界当前互联网流量的大约10倍的速率生产数据，并且系统将如此敏感，可以检测到机场雷达的力量等同于强度的信号，在一个淡镜头的地球上。虽然在2017年之前，施工不会开始，但早期的信号处理设计工作已经开始，该团队提交了一个建议使用Simulink和Casper库设计SKA的中央处理系统。万博1manbetx
我们与Simulink和Ca万博1manbetxsper Library的工作不仅加快Meerkat和Ska的无线电天文仪器的开发;它还帮助全球的研究人员。在Casper之前，它是开发新仪器需要五年或更长时间的常见情况;随着Casper，我们已经看到群体在不到两年的时间内开发八个乐器。
使用Simulink和CASPER的一个主要好处是初学者可万博1manbetx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。万博1manbetx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。万博1manbetx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。
