Cuando esté concluido, el complejo MeerKAT, situado en la región sudafricana de Karoo, contará con 64 antenas parabólicas, lo que lo convertirá en el radiotelescopio de mayor tamaño y sensibilidad del hemisferio sur.
Como precursor del SKA (Square Kilometre Array), cuya finalización está prevista para 2024, el MeerKAT será empleado por científicos de todo el mundo en diversos proyectos de investigación, tales como la observación de los niveles de gas de hidrógeno neutro e hidrógeno molecular en el universo primigenio, la física de las enigmáticas estrellas de neutrones o la naturaleza y el comportamiento de los púlsares, la materia oscura y la red cósmica.
Todas estas iniciativas investigadoras dependen de la capacidad de procesar las ingentes cantidades de datos recogidos por las antenas de radio las 24 horas del día. Para satisfacer esta necesidad, el equipo Digital Back-End (DBE) del SKA South Africa está desarrollando un sistema de procesamiento digital de señales (DSP) capaz de gestionar 5 terabits de datos por segundo. Este sistema se ha diseñado con una librería de Simulink que les permite a nuestro equipo y nuestros colegas investigadores diseñar e implementar rápidamente instrumental radioastronómico en hardware modular y reutilizable por medio del diseño basado en modelos.
En sus comienzos, la radioastronomía se servía de antenas de gran tamaño y una única parábola de hasta 300 metros de diámetro que enfocaban áreas relativamente pequeñas del cielo. Los complejos de antenas modernos, que se construyen utilizando varias parabólicas de pequeño tamaño, ofrecen un campo de visión más amplio, además de mayor flexibilidad. Alejando las parábolas unas de otras, se aumenta la resolución del telescopio, lo que le permite detectar objetos de menor tamaño. Si se acercan las parabólicas, la resolución disminuye, pero se amplía el campo de visión.
El reto consiste en relacionar los datos recibidos de todas las antenas del complejo. Para determinar la posición de un objeto en el cielo, el sistema DSP debe calcular la diferencia de fase entre las señales de radio que llegan a cada par de antenas del complejo. Dado que los datos de todas las antenas se deben interrelacionar (es decir, se debe relacionar la señal de cada antena con la señal del resto de antenas), la tarea de procesamiento es un problema de tipo N2: si duplicamos el número de antenas, tenemos que cuadruplicar la potencia de procesamiento del DSP.
La naturaleza continua del flujo de datos complica aún más el reto. Los datos astronómicos de tipo óptico se pueden recoger y almacenar durante la noche para después procesarlos al día siguiente. En cambio, los datos radioastronómicos se recogen las 24 horas del día y se deben procesar conforme se reciben.
Se necesita hardware especializado basado en ASICs o FPGAs para procesar los datos brutos recibidos del conjunto de antenas en tiempo real. Antes, para desarrollar este hardware se necesitaba un equipo de ingenieros de hardware experimentados y años de trabajo. Hoy en día, científicos con escasa o nula experiencia en el diseño de hardware pueden desarrollar su propio instrumental en cuestión de meses sirviéndose de Simulink, una librería de componentes de tipo "arrastrar y colocar" y placas ROACH (Reconfigurable Open Architecture Computing Hardware, hardware para computación de arquitectura abierta reconfigurable) estandarizadas.
La librería de Simulink y las placas ROACH constituyen la base de un entorno de diseño de código abierto para instrumental radioastronómico de cuyo mantenimiento se encarga la iniciativa CASPER (Collaboration for Astronomy Signal Processing and Electronics Research, colaboración para el procesamiento de señales astronómicas e investigación electrónica). El SKA South Africa ha contribuido de manera decisiva a la librería CASPER durante el desarrollo de los sistemas DSP destinados al MeerKAT.
La librería CASPER consta de componentes que se utilizan habitualmente en radioastronomía, tales como mezcladores, osciladores, diezmadores, filtros, transformaciones matriciales, acumuladores, sumadores y bloques de transformadas rápidas de Fourier (TRF) de banda ancha
Un script de MATLAB parametriza y configura automáticamente los bloques en función de las opciones especificadas por el usuario. Por ejemplo, para crear un bloque sumador en paralelo con cinco entradas, el script inserta automáticamente el número preciso de sumadores y retrasos básicos, los conecta y los empaqueta en forma de bloque autocontenido que se puede utilizar en un diseño más complejo.
Los científicos montan los sistemas de procesamiento de señales a partir de bloques de la librería CASPER y simulan su diseño en Simulink, haciendo uso de datos de señales de radio grabadas como entrada. Tras comprobar su diseño mediante la simulación, emplean HDL Coder™ para generar código HDL o Verilog® a partir del modelo de Simulink para su implementación en la FPGA Virtex® de la placa ROACH. Además de la FPGA, la placa ROACH cuenta con convertidores analógico-digital, una interfaz Ethernet de 10 gigabits y otros componentes de hardware requeridos a menudo en los instrumentos radioastronómicos.
Desarrollada inicialmente con bloques procedentes del conjunto de bloques de Xilinx® System Generator for DSP™, la librería CASPER permitió a los científicos generar código HDL fácilmente para sus diseños y FPGAs Xilinx. En el SKA South Africa se está desarrollando un proyecto para migrar la librería a bloques de Simulink nativos, lo que permitirá utilizar HDL Coder para generar el código HDL, así como diseños divididos con objeto de que los bloques funcionales se puedan destinar no solo a FPGAs, sino también a ASICs o procesadores ARM®. Asimismo, HDL Coder abre la puerta a extender CASPER más allá de la radioastronomía, a otras disciplinas que precisan prestaciones similares de procesamiento de señales en tiempo real.
El complejo KAT-7, compuesto por 7 antenas, es un prototipo de ingeniería para el complejo MeerKAT. El KAT-7 es el primer radiotelescopio del mundo con parabólicas de fibra de vidrio. Está situado en la región sudafricana de Karoo, una zona escasamente poblada con bajos niveles de radiointerferencias producidas por la actividad humana, donde también se construirá el MeerKAT y parte del Square Kilometre Array.
Desarrollamos el sistema DSP del KAT-7 en Simulink empleando la librería CASPER y lo implementamos en 16 placas ROACH. Aunque su objetivo original era servir a modo de ensayo del MeerKAT, el KAT-7 es un telescopio valioso en sí mismo, que ya ha producido imágenes de Centauro A, una galaxia que se encuentra a 14 millones de años luz.
Actualmente estamos usando Simulink y la librería CASPER para diseñar los sistemas de procesamiento de señales del complejo MeerKAT, cuya finalización está prevista para 2016. Con sus 64 parábolas, el MeerKAT tiene casi 10 veces más antenas que el KAT-7. Eso significa que necesitará aproximadamente 100 veces más capacidad de procesamiento de señales para gestionar los datos, cuyo flujo será de más de 5 terabits por segundo.
Una ventaja fundamental de utilizar Simulink y el diseño basado en modelos en esta tarea es que los diseños se podrán adaptar fácilmente a la próxima generación de placas ROACH cuando esta esté disponible. Tal adaptación nos permite sacar partido de FPGAs más potentes que esperamos estarán disponibles en los próximos años. Prevemos utilizar entre 200 y 300 placas ROACH de la próxima generación para el MeerKAT.
El Square Kilometre Array contará con entre 3000 y 4000 antenas, cada una de alrededor de 15 metros de diámetro. Combinadas, las parabólicas sumarán una superficie de un kilómetro cuadrado, lo que hará del SKA el telescopio radioastronómico de mayor tamaño y potencia del mundo, con unas 100 veces más potencia que su competidor más cercano. Las parábolas del SKA producirán datos a una velocidad equivalente a aproximadamente 10 veces el actual tráfico mundial de Internet, y el sistema será tan sensible que podrá detectar señales equivalentes en potencia al radar de un aeropuerto en un planeta situado a 50 años luz. Aunque su construcción no se iniciará hasta 2017, ya han comenzado los primeros trabajos de diseño de procesamiento de señales, y el equipo ha presentado una propuesta para diseñar el sistema de procesamiento central del SKA mediante Simulink y la librería CASPER.
Nuestro trabajo con Simulink y la librería CASPER no solo está acelerando el desarrollo de instrumentos radioastronómicos para el MeerKAT y el SKA, sino que además está ayudando a científicos de todo el planeta. Antes de CASPER, era habitual que el desarrollo de nuevos instrumentos llevara no menos de cinco años; con CASPER hemos visto grupos que han desarrollado ocho instrumentos en menos de dos años.
Una ventaja clave de utilizar Simulink y CASPER es que los usuarios principiantes pueden convertirse en diseñadores productivos muy rápidamente. Organizamos talleres sobre el uso de Simulink y CASPER. Los asistentes suelen ser novatos en el diseño de hardware, pero tras una semana saben lo bastante como para diseñar sus propios instrumentos arrastrando y colocando bloques en Simulink e implementándolos en hardware ROACH con un solo clic. De hecho, todos los años algunos de los asistentes desarrollan un nuevo instrumento de trabajo durante la semana que dura el curso de formación. Tamaña productividad está generando interés y entusiasmo en nuestro campo, además de acelerar los avances en radioastronomía no solo en Sudáfrica, sino en todo el mundo
*FranÇois Kapp, SKA South Africa
