La “Croce del Nord” e SKA

L’Istituto di RadioAstronomia costituisce uno degli organi istituzionali che collaborano al progetto SKA.

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Date le sue grandi dimensioni (564 m x 640 m) e l’elevato numero di dipoli (5632) posti sulla sua linea focale, la “Croce del Nord” rappresenta il banco di prova ideale per le tecnologie che dovranno essere sviluppate nell’ambito del progetto SKA; avendo infatti un’area collettrice pari a circa quella di una sottostazione SKA, può essere considerata come un “reduced scale SKA” ed utilizzata per investigare molti punti cruciali nella definizione del progetto.

A questo proposito è attualmente sotto studio un upgrade globale della Croce, che consenta di acquisire utile esperienza nel progetto di ricevitori a basso costo, nella realizzazione di beamforming analogico e digitale e di multibeaming, nella mitigazione delle interferenze e nella trasmissione di dati su fibra ottica, tutte caratteristiche essenziali in un radiotelescopio di ultima generazione quale è quello del progetto SKA.

Il primo passo di questo progetto consiste nell’implementare diverse centinaia di ricevitori solo sul ramo Nord-Sud; in un secondo momento ne verranno installati un certo numero anche sulla linea focale del ramo Est-Ovest.

Prima dell’upgrade complessivo, è attualmente allo studio un progetto di re-ingegnerizzazione della “Croce del Nord” per trasformarla in un vero e proprio dimostratore per SKA, che ha preso il nome di BEST (Basic Element for SKA Training) e si suddivide in tre fasi:

¾ BEST-1: prevede la re-ingegnerizzazione di un cilindro parabolico del ramo Nord-Sud della “Croce del Nord”, tramite l’installazione di 4 Front End sulla linea focale (1 ogni 16 dipoli) connessi via collegamenti ottici analogici alla sala di elaborazione dati, dove il segnale verrà convertito ad una frequenza media di 30 MHz, digitalizzato e filtrato tramite un banco di filtri polifase implementato grazie ad una FPGA. L’elaborazione dei dati così ottenuti avverrà in un cluster di PC. In questo modo sarà possibile testare tecniche di beamforming e mitigazione delle interferenze (fig. 1.26)

¾ BEST-2: prevede l’estensione del progetto a 8 cilindri del ramo Nord-Sud per un totale di 32 ricevitori installati (fig. 1.27)

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¾ BEST-3: prevede l’installazione di 4 ricevitori su 14 cilindri del ramo Nord-Sud e di 4 su 6 segmenti del ramo Est-Ovest, per un totale di 4×14 + 4×6 = 80 ricevitori complessivi (fig. 1.28).

Fig. 1.26: schema di implementazione del progetto BEST-1

Fig. 1.27: schema di implementazione del progetto BEST-2

BEST-1

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Fig. 1.28: schema di implementazione del progetto BEST-3

BEST-1

I 64 dipoli situati sulla linea focale del cilindro parabolico del sistema sperimentale BEST-1 (fig. 1.29) non hanno subito modifiche; inoltre è stata conservata la struttura originale (in guida cava) che realizza il raggruppamento dei segnali.

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I dipoli sono pertanto raggruppati a gruppi di 16, dando così origine ad un array di sole 4 antenne spaziate di 8λ.

Come verrà illustrato in maniera approfondita nell’Appendice A, questa notevole spaziatura tra i sensori genera problemi di non poco conto (equivocazione

spaziale con conseguenti lobi di grating) che rendono talune tecniche, ritenute

tradizionali nella teoria dell’array signal processing, difficili se non addirittura impossibili da impiegare. A tal proposito si sta valutando la possibilità di adottare una configurazione leggermente diversa: 8 antenne da 8 dipoli ciascuna con spaziatura reciproca ridotta (4λ). Sebbene la situazione migliorerebbe dal punto di vista del beamforming, si avrebbero anche una serie di svantaggi: un notevole incremento dei costi in quanto occorrerebbe modificare la meccanica della guida cava, un minor guadagno nei confronti del segnale radioastronomico (8 dipoli anziché 16), una maggiore complessità hardware ed un maggiore afflusso di dati da gestire.

I 4 segnali vengono immediatamente amplificati con dei LNA (Low Noise

Amplifier, vedi fig. 1.30) posti direttamente lungo la linea focale.

Fig. 1.30: uno dei 4 LNA di BEST-1. Questi amplificatori sono stati progettati e costruiti presso l’Istituto di RadioAstronomia

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Una volta amplificati, i segnali RF vengono trasportati direttamente nella stanza del ricevitore mediante un link analogico in fibra ottica (Fig. 1.31).

Fig. 1.31: i 4 ricevitori analogici in fibra ottica ed i 4 mixer utilizzati per la conversione dei segnali a frequenza intermedia

Il motivo di questa scelta risiede nella necessità di semplificare quanto più possibile l’elettronica esterna, riducendo le probabilità di guasto e facilitando l’assemblaggio e la manutenzione dell’impianto.

Diversamente sarebbe stato necessario dotare i singoli front-end di un oscillatore locale (comune a tutti i mixer di conversione, per avere la coerenza di fase necessaria al beamforming) ed, eventualmente, di stadi ADC (Analog to Digital

Converter) esterni per una trasmissione digitale. In questo modo, invece, nella

stanza di elaborazione giungono direttamente i segnali in banda base provenienti dai 4 amplificatori, con perdite di trasmissione ridotte rispetto alla trasmissione su cavo coassiale.

In seguito i segnali vengono convertiti ad una frequenza intermedia di 30 MHz, per essere poi in parte elaborati dal sistema originario ed in parte campionati ad 80 MS/s da un nuovo sistema di acquisizione digitale (fig. 1.32), composto da 4 ADC da 14 bit AD6645 (Analog Devices) e 4 DDC (Digital Down Converter) AD6634.

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Fig. 1.32: Le evaluation board di Analog Device utilizzate per provare gli ADC ed i DDC

Questi ultimi effettuano una conversione digitale della banda utile nell’intorno della frequenza nulla. Il segnale diviene così di natura complessa e, pertanto, all’uscita ne vengono fornite le componenti in fase ed in quadratura I e Q. Inoltre i DDC provvedono ad effettuare un filtraggio ed una decimazione del segnale acquisito (fig. 1.33).

Fig. 1.33: schema a blocchi dello stadio DDC. Il segnale digitale viene demodulato numericamente mediante un oscillatore numerico (NCO), il quale provvede a fornirne le componenti in fase ed in quadratura. Segue un filtro passa-basso (LPF) ed un decimatore (↓M).

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Il flusso dati viene acquisito mediante una scheda PCI7300A installata all’interno di un calcolatore Xeon multiprocessore e, da questo punto in poi, ogni trattamento del segnale viene condotto per via software.

E’ probabile che in futuro vengano installati sul front-end (in prossimità degli LNA) dei phase shifters, allo scopo di sostituire il vecchio sistema di rifasamento a kerosene adottato dalla “Croce del Nord” (vedi paragrafo 1.4) e consentire contemporaneamente un beamforming a livello RF.

Si ritiene che l’upgrade, a cui verrà sottoposta la Croce, porterà quest’ultima ad un livello operativo attualmente unico nell’osservazione radioastronomica a bassa frequenza, e la farà diventare un punto fermo per la ricerca orientata a SKA; verranno seguiti due filoni: da un lato saranno sfruttate le tecnologie già testate per il progetto BEST per studiare algoritmi di mitigazione delle interferenze e tecniche di beamforming, e dall’altro verranno ricercate nuove tecnologie a basso costo che possano essere utilizzate nello SKA finale.

Poiché SKA è pensato per dare importanti risposte all’astrofisica di oggi e di domani, si cerca di fare in modo che questa attività di sviluppo venga realizzata attraverso la più vasta collaborazione possibile con altri istituti di ricerca astrofisica internazionali e con le Università italiane ed estere, coinvolgendo anche il settore industriale.

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