Предлагаю вашему вниманию информацию о применении популярного SDR HackRF One — использование для радиомониторинга эфира, контроля занятости радиочастот/диапазонов частот, определение центральной частоты излучения немодулированного радиосигнала и другое, с сохранением результатов в файлы различных форматов (CSV, PNG/JPG), о чём сообщу далее.
Благодаря относительно невысокой стоимости HackRF, по своим свойствам и характеристикам, он завоевал популярность в среде радиолюбителей и специалистов в области радиосвязи, привлекая сочетанием универсальности и доступности.
Для радиолюбительского сообщества решающим фактором стала возможность не просто «слушать эфир», а полноценно экспериментировать с передачей: от тестирования самодельных модулей до имитации сигналов и работы с цифровыми протоколами. При этом устройство закрывает большинство типовых задач начального и среднего уровня — анализ спектра, декодирование сигналов, изучение модуляции, — без необходимости инвестировать в дорогостоящие измерительные комплексы.
В профессиональной среде (в том числе у инженеров по радиосвязи и в учебных лабораториях) ценность HackRF — в роли платформы для прототипирования. На его базе удобно отрабатывать алгоритмы обработки сигналов, тестировать приёмные тракты, моделировать помеховые обстановки и проверять совместимость оборудования. Открытый исходный код софта и поддержка GNU Radio позволяют быстро адаптировать стенд под конкретную задачу, а модульная архитектура даёт возможность наращивать функционал внешними компонентами (аттенюаторами, фильтрами, внешними опорными генераторами). Кроме того, используя навыки программирования: C++, Python и др., на базе HackRF вполне возможно создавать «аналоги» приборов для проведения оценочных (предварительных) измерений — чему и уделим больше времени по этой части.
Ещё один фактор популярности: обширная документация, готовые примеры проектов, активное сообщество и множество готовых скриптов и блоков для обработки I/Q‑данных. Для инженера это сокращает время на запуск стенда и снижает порог входа в SDR‑технологии.
При этом важно понимать, что популярность HackRF — это популярность инструмента для разработки и исследований, а не сертифицированного измерительного прибора. Его характеристики сознательно балансируют между стоимостью и функциональностью: например, 8‑битный АЦП и USB 2.0 ограничивают динамический диапазон и полосу захвата, но именно эти компромиссы и позволили удержать цену на доступном уровне. Поэтому в инженерных задачах HackRF чаще используют как первый этап проверки гипотезы: если прототип на HackRF или аналогичный вариант показал работоспособность идеи, для финальной валидации и точных измерений переходят на более дорогие платформы с лучшими метрологическими характеристиками.
Начнём с того, что в используемый HackRF, с целью повышения точности определения/измерения параметров излучений, мы установим дополнительный генератор опорной частоты (ОГ) 10,0 МГц (TCXO 0,1 ppm), разработанный специально для него:
После установки дополнительного TCXO, при измерении анализатором спектра HackRF пика частоты немодулированного сигнала с генератора, получили следующее:
Частота генератора (измеряемая частота) | ОГ платы (родной)
| ОГ 0,1 ppm (дополнительный) |
Значения отклонений, Гц | ||
100,000 МГц | + 401,6 | + 4,8 |
500,000 МГц | + 1950 | + 65,9 |
1000,000 МГц | + 3900 | + 126,9 |
2500,000 МГц | + 10 400 | + 299 |
Все «участники» эксперимента, до его начала, прошли часовой прогрев для выхода на рабочие характеристики. При проведении эксперимента использовался ВЧ генератор Agilent E8257D, частотомер Ч3-85/3R (рубидиевый генератор опорной частоты) и, соответственно, HackRF с родным и дополнительным ОГ. Анализатор спектра является программно‑аппаратным комплексом, состоящим из приёмного модуля на базе SDR‑платформы, внешнего опорного генератора и программного обеспечения, установленного на персональном компьютере. Анализатор работает по принципу программно‑определяемого радиоприёмника (SDR). Структурно состоит из трёх частей:
1. Приёмный модуль — принимает радиосигнал, усиливает, преобразует в цифровую форму. 2. Опорный генератор — Внешний опорный генератор TCXO 10 МГц — задаёт стабильную опорную частоту для синтезатора и АЦП. 3. Программное обеспечение — Программное обеспечение на ПЭВМ — обрабатывает цифровой поток, выполняет FFT, отображает спектр, проводит измерения, сохраняет результаты измерений.
Принцип действия: Входной радиосигнал поступает на разъём ANT приёмного модуля. В модуле сигнал усиливается, гетеродин преобразует его на промежуточную частоту, АЦП оцифровывает с частотой дискретизации до 20 МГц. Опорная частота 10 МГц с внешнего TCXO подаётся на разъём CLKIN, обеспечивая стабильность частоты дискретизации и синтеза. Цифровой поток передаётся на ПЭВМ по USB. ПО выполняет быстрое преобразование Фурье (FFT), отображает спектрограмму, автоматически находит пик сигнала, производит интерполяцию и вычисляет частоту и ширину полосы излучения, проводит анализ занятости диапазона частот по времени и уровню сигнала с просмотром и сохранением результатов в файлы.
Разработанный нами Soft для HackRF, позволяет использовать его в качестве:
— анализатора спектра (максимальное накопление спектра (MaxHold) — красным, усреднение (Average) — зелёным) маркер и инфо пика — красным:
— анализатора спектра для измерения полосы излучения по уровням:
— анализатора спектра для мониторинга полосы частот с постановкой маркеров по заданному порогу уровня:
— анализатор спектра + «водопад»:
— анализатора спектра с вводом сохранённых настроек/параметров «Preset»:
— инструмента для проведения контроля занятости частот/диапазона частот (отчёт контроля занятости частоты в период с 17 часов по 07 часов утра след. дня (красные столбики внизу — каждый час,% занятости; также по уровням — выше)):
Возможные области применения данной разработки на базе HackRF:
— мобильные и стационарные комплексы радиоконтроля: оценочные измерения радиосигналов, полос занимаемых частот, поиск помех, контроль занятости частот/диапазонов и др.;
— монтаж и настройка оборудования (телеком, телерадиовещание и др.);
— обучение специалистов (подготовка студентов и аспирантов);
— разработка и производство телекоммуникационных систем;
— разработка и испытания систем/комплексов БПЛА;
— научные исследования и разработки;
— станции операторов связи и вещания;
— технические службы аэропортов и тому подобное;
— ремонт аппаратуры связи;
— радиолюбительство.
