فریم‌ورک ESP-SDR؛ هک سخت‌افزاری و تبدیل تراشه‌های ESP32 به گیرنده رادیو نرم‌افزاری (SDR)

معماری و مکانیزم فنی فریم‌ورک ESP-SDR: چطور مودم دور زده می‌شود؟

در حالت عادی، سیگنال RF پس از عبور از تقویت‌کننده کم‌نویز (LNA)، فیلترها و میکسر، وارد ADCهای پرسرعت می‌شود و مستقیماً به مودم سخت‌افزاری جهت دمدولاسیون استانداردهای 802.11 یا BLE تحویل داده می‌شود. در این حالت لایه نرم‌افزار/فریم‌ورک هیچ دسترسی به داده خام ندارد.

کلید موفقیت این هک

توسعه‌دهندگان با بررسی روتین‌های تست کارخانه‌ای در کتابخانه انحصاری ( librftest.a که برای ارزیابی طبقات RF در تولید استفاده می‌شود)، به توابعی مانند adctrig دست یافتند. با مقداردهی رجیسترهای کنترلی مربوطه:

1. قطع مسیر مودم: خروجی تفاضلی ADC از مودم سخت‌افزاری جدا می‌شود.
2. استخراج نمونه‌های: I/Q سیگنال‌های خام هم‌فاز و متعامد (I/Q Samples) مستقیماً به بافرها و کنترلر حافظه هدایت می‌شوند.

چالش پهنای باند و راه‌حل پردازشی

ADCها با نرخ نمونه‌برداری 80MSa/s  کار می‌کنند که حجم داده‌ای معادل ۲.۵۶ گیگابیت بر ثانیه تولید می‌کند. گذرگاه‌های DMA و پورتهای سریال میکروکنترلر توان انتقال مداوم این حجم داده را ندارند. فریم‌ورک ESP-SDR برای حل این مشکل دو راهکار ارائه می‌دهد:

• بافربری لحظه‌ای (Snapshot Buffering): ذخیره زمانی بسیار کوتاه (در حد microsecond ) در حافظه SRAM و سپس ارسال تدریجی آن از طریق پورت سریال.
• پردازش FFT روی تراشه: اجرای تبدیل فوریه سریع (FFT) روی هسته‌های Xtensa یا RISC-V و استخراج طیف فرکانسی در داخل تراشه ( به جای ارسال تمام داده‌های خام I/Q ) جهت جلوگیری از اشباع گذرگاه‌ها.

بررسی قابلیت‌های فرکانسی بر اساس تراشه

بسته به معماری طبقه آنالوگ و اسیلاتور محلی (VCO)، پهنای باند و محدوده فرکانسی قابلاسرسی تغییر می‌کند:

• تراشه‌های تک‌بانده ۲.۴ گیگاهرتز (ESP32 / S2 / S3 / C3 / C6):
• • بازه تیونینگ: ۲.۲ تا ۲.۷ گیگاهرتز  Wi-Fi  فراتر از کانال‌های استاندارد.
  • پهنای باند لحظه‌ای: ۱۳ تا ۴۰ مگاهرتز.
  • کاربردها: تحلیل ترافیک خام و آنالیز طیف سیگنال‌های Wi-Fi، BLE، Zigbee، Thread و فرستنده‌های باند ISM مانند NRF24).)
• تراشه دوبانده ESP32-C5:
  • بازه تیونینگ: باند ۲.۴ گیگاهرتز و باند وسیع ۴.۸ تا ۶.۰ گیگاهرتز.
  • پهنای باند لحظه‌ای: تا ۵۴ مگاهرتز.
  • کاربردها: پایش مستقیم کانال‌های ۵ گیگاهرتز (UNII-1  تا  UNII-3)   و فرکانس‌های ویدیویی ۵.۸ گیگاهرتزی FPV بدون نیاز به Down-converter خارجی.
• تراشه ESP32-C61  (پوشش مخابراتی ) :
  • بازه تیونینگ: اورکلاک و گسترش اسیلاتور محلی تا ۲.۷ گیگاهرتز.
  • کاربردها: سنجش سیگنال (RSSI/RSRP) در باندهای شبکه همراه شامل LTE Band 7 و 5G NR Band n7 بازه ۲۶۲۰ تا ۲۶۹۰ مگاهرتز .

جدول مقایسه فنی تراشه‌ها

ابزارهای نرم‌افزاری و اکوسیستم پردازش

برای راه‌اندازی سیستم فریم‌ورک ESP-SDR نیازی به پیچیدگی‌های معمول لینوکس نیست:

• ابزار ESP-WebSDR: امکان اتصال برد از طریق پورت USB به مرورگرهای برپایه کرومیوم (Chrome/Edge) را فراهم می‌کند. با فلش فریم‌ورک از طریق مرورگر، نمایشگر آبشاری (Waterfall) و طیف فرکانسی زنده به سرعت رسم می‌شود.
• پشتیبانی از SoapyESPSDR: امکان ادغام مستقیم با نرم‌افزارهای پردازش سیگنال حرفه‌ای مانند GNU Radio و SDR# را جهت تحلیل‌های دقیق‌تر مخابراتی میسر می‌سازد.

منبع خبری: CNX Software – ESP-SDR turns ESP32 into a Software-Defined Radio