Giới thiệu công nghệ SDR và ứng dụng
Trong những năm gầy đây, các dự án IoT làm việc với các module không dây ngày càng nhiều, có thể kể đến một số loại như: Wifi, GSM, Lora, Zigbee, Blutooth, Z-wave và một số loại sóng vô tuyến khác đã được sử dụng trong hạ tầng truyền thông dữ liệu hiện tại. Tuy nhiên, đối với mỗi loại tín hiệu, người dùng phải có ít nhất là 2 thiết bị để có thể kiểm tra khả năng hoạt động của tín hiệu vô tuyến; hơn nữa các thiết bị được chế tạo để thu/phát một loại tín hiệu duy nhất và được xác định bởi dãy tần số và độ rộng kênh truyền cố định. Ví dụ: một thiết bị thu phát Wifi thì không thể dùng đo tín hiệu radio FM/AM và ngược lại.
Hoặc trong một trường hợp tôi hay gặp phải khi làm việc với các module không dây kết hợp với Arduino như Lora, thiết điều khiển từ xa qua sóng, thường không thể xác định được độ mạnh của tín hiệu, hoặc không thể kiểm tra nó có thật sự đang thu/phát dữ liệu hay không. Trong tình huống này, tôi cần một thiết bị có thể thu được nhiều tần số khác nhau để tiến hành đánh giá hiệu quả của sóng.
Sự ra đời của thiết bị SDR (Software Defined Radio) đã khắc phục được một số yếu điểm mà thiết bị phần cứng dùng trong vô tuyến từ nhiều năm trước đây không giải quyết được. Giả sử tôi có một thiết bị phần cứng có thể thu và nghe radio FM/AM tần số 104.5 MHz, đồng thời có thể dùng để thu tín hiệu điện thoại di động ở tần số 900 MHz, cũng như có thể dùng thu dữ liệu vệ tinh thời tiết NOAA ở tần số 137 MHz, thu tín hiệu vị trí máy bay ADS-B ở tần số 1090 MHz, và vô số các dạng tín hiệu khác chỉ với một phần cứng duy nhất; tất cả những gì tôi cần làm là sử dụng phần mềm cài đặt trên máy tính để điều khiển tần số, kênh truyền, xử lý dữ liệu,… để có thông tin cần thiết (âm thanh, hình ảnh, ký tự, tin nhắn,…). Và đây được gọi là Thiết kế vô tuyến có kiến trúc điều khiển bằng phần mềm (Software Defined Radio).
SDR ngày nay được dùng rất nhiều trong nghiên cứu, ứng dụng viễn thông thương mại, trong tác chiến điện tử, trong quân sự hoặc thiết lập các hệ thống vô tuyến thông minh trong chiến tranh có nhiều bên tham gia (hệ thống vô tuyến tác chiến hiệp đồng), hoặc có thể sử dụng SDR trong học tập các phương pháp điều chế và đo lường tín hiệu.
Phần cứng RTL-SDR 20 USD
Hiện nay trên thị trường, người dùng có thể mua các thiết bị phần cứng SDR khá dễ dàng với giá thành từ vài trăm nghìn đến hàng triệu đồng hoặc nhiều hơn thế, có nhiều yếu tố để quyết định đến giá thành một thiết bị SDR, bao gồm: giá thành CHIP sử dụng, dãy tần số có thể thu được, tính năng thu/ phát, khả năng tương thích phần mềm, tích hợp mạch khuyếch đại,… Tuy nhiên, vẫn có nhiều lựa chọn phù hợp dành cho người dùng không chuyên như sinh viên, học sinh, phòng nghiên cứu vô tuyến với giá thành khá mềm như RTL-SDR (20 USD – chưa bao gồm phụ kiện, ăn-ten), và bộ đầy đủ phụ kiện có giá thành 27 USD, miễn phí giao hàng đến khu vực Việt Nam. Tất cả bạn có thể tìm tại trang https://www.rtl-sdr.com/buy-rtl-sdr-dvb-t-dongles/.
Một số tính năng (có thể nguy hiểm) mà SDR có thể thực hiện:
Nếu bạn là một maker cần thực hiện giám sát các sóng không dây hoặc là một người đam mê khám phá, thích phá hoại, thích nghe lén các thông tin người khác, đam mê nghiên cứu bảo mật các giao thức mới,… thì SDR sẽ là một hướng tiếp cận đầu tiên để bạn có thể thực hiện các ý đồ tăm tối của mình 😀
Theo quan điểm các nhân của tôi, thì RTL-SDR là một thiết bị mà bạn nên có vì khá nhiều thứ hay ho mà bạn có thể tìm hiểu với giá thành có thể nói là quá rẻ. Hơn nữa, có rất nhiều phần mềm hỗ trợ dòng sản phẩm này, nên việc còn lại là bạn tải về và khám phá môi trường vô tuyến xung quanh.
- Nghe lén bộ đàm các sóng vô tuyến không mã hóa sử dụng trong cảnh sát/ cấp cứu/ cứu hỏa/ taxi,…
- Nghe lén các cuộc trao đổi dữ liệu hàng không dân dụng
- Theo dõi vị trí máy bay dân dụng sử dụng bộ giải mã ADSB
- Giải mã các tin nhắn gởi từ máy bay dân dụng ACARS
- Quét dãy tần số phát sóng vô tuyến trong khu vực xung quanh
- Theo dõi các tín hiệu hàng hải dân dụng sử dụng AIS
- Giải mã dữ liệu máy nhắn tin sử dụng giao thức POCSAG/FLEX
- Quét các thiết bị điện thoại không dây, thiết bị giám sát trẻ em
- Thu nhận thông tin thời thiết từ vệ tinh hoặc khí cầu quan trắc
- Thu nhận các tín hiệu không dây từ cảm biết nhiệt độ, sạc không dây
- Nghe đài vô tuyến VHF
- Giải mã các gói tin APRS sử dụng trong vô tuyến nghiệp dự
- Xem truyền hình analog
- Nghe lén tín hiệu GSM (sóng di động)
- Tích hợp sdr và điện thoại trong quét sóng vô tuyến
- SDR ứng dụng trong phân tích phổ tín hiệu thu
- Thu nhận hình ảnh vệ tinh thời tiết NOAA
- Nghe các kênh truyền vệ tinh và trạm không gian quốc tế ISS
- SDR ứng dụng trong thiên văn vô tuyến (sử dụng sóng vô tuyến để xác định vị trí hành tinh, khoảng cách,…)
- Theo dõi sao băng gần trái đất
- Nghe sóng radio FM, AM, DAB
- Nghiên cứu, dịch ngược các sóng vô tuyến chưa được biết đến
- Tìm kiếm các các nguồn gây nhiễu tín hiệu
- Truyền tải dữ liệu qua vệ tinh Inmarsat
- Điều khiển, đánh chặn máy bay không người lái, thiết bị điều khiển vô tuyến (xe, máy bay điều khiển từ xa)
- Tấn công các thiết bị sử dụng sóng vô tuyến: mở cửa cuốn không dây, đánh cắp xe hơi sử dụng khóa không dây,…
- và nhiều ứng dụng SDR có thể gây nguy hiểm trong đời sống hàng ngày…
Bộ RTL-SDR mới bao gồm một thiết bị SDR gồm 1 đầu USB kết nối máy tính và đầu còn lại kết nối tín hiệu analog vào (có thể là ănten hoặc từ một nguồn thu vô tuyến khác như bộ khuyếch đại). Các phụ kiện đi kèm bao gồm: 2 cặp ăn ten + 1 trục nối ănten có thể xoay, 1 chân đa năng, một trục xoay hút chân không và cáp tín hiệu chuẩn SMA hỗ trợ nối dài. Phần vỏ kim loại của thiết bị được tiếp xúc với một miếng tản nhiệt bên trong, do vậy khi sử dụng cần đặt nơi thoáng mát, người dùng cũng hạn chế mở thiết bị bên trong do miếng tản nhiệt được lắp khá khít với vỏ ngoài, việc kéo mạnh mạch có thể làm hỏng một số linh kiện bên trong.
Cần chú ý đây là thiết bị chỉ có thể thu (Rx only) từ 24 – 1766 MH, không thể phát sóng được.
Thiết bị có thể hoạt động với nguồn điện cổng USB hoặc pin dự phòng điện thoại, tuy nhiên nếu sử dụng RTL-SDR cho các thiết bị như Raspberry Pi cần bảo đảm nguồn điện đủ và ổn định để tránh tình trạng quá tải.Người dùng cần chú ý không nên đặt thiết bị ngoài trời trong thời gian dài liên tục, do đặc tính bộ thiết bị chỉ dùng cho các mục đích nghiên cứu với chi phí thấp, các linh kiện không được tối ưu để hoạt động liên tục ngoài trời.
Người dùng thực hiện kết nối ănten vào trục xoay có cáp tín hiệu, và nối đến RTL-SDR, sau đó kết nối cổng USB vào máy tính đễ cài đặt driver và có thể sử dụng các phần mềm tương thích.
Thiết lập ăn-ten phụ thuộc tần số thu
Để thu được tín hiệu tốt nhất với cặp ănten có sẵn, nhà cung cấp khuyến nghị bạn sử dụng công cụ Amateur Dipole Antenna Calculator để có thể ước lượng tương đối độ dài ănten cần dùng. Bạn không cần qua lo lắng về độ dài chính xác của ăn-en khi thu một dãy tần số nào đó, việc lệch có thể chấp nhận được, tuy nhiên không quá nhiều so với thông số đề xuất từ công cụ.
Cơ bản thì ăn-en dài hơn thì có tần số cộng hưởng thấp hơn và ăn-en ngắn sẽ có tần số cộng hưởng cao hơn. Dưới đây là một số mẹo để bạn có thể điều chỉnh ăn-ten khi tiến hành thu tín hiệu; chú ý: độ dài được xác định trên 1 bên của ăn-ten:
- Ăn-ten dài, 5 đoạn, 100cm + 2cm cộng hưởng (thu) tại tần số @ ~70 MHz
- Ăn-ten dài, 4 đoạn, 80cm + 2cm cộng hưởng (thu) tại tần số @ ~87MHz
- Ăn-ten dài, 3 đoạn, 60cm + 2cm cộng hưởng (thu) tại tần số @ ~115 MHz
- Ăn-ten dài, 2 đoạn, 42cm + 2cm cộng hưởng (thu) tại tần số @ ~162 MHz
- Ăn-ten dài, 1 Section, 23cm + 2cm cộng hưởng (thu) tại tần số @ ~ 285 MHz
- Ăn-ten ngắn, 4 đoạn, 14cm + 2cm cộng hưởng (thu) tại tần số @ ~445 MHz
- Ăn-ten ngắn, 3 đoạn, 11cm + 2cm cộng hưởng (thu) tại tần số @ ~550 MHz
- Ăn-ten ngắn, 2 đoạn, 8cm + 2cm cộng hưởng (thu) tại tần số @ ~720MHz
- Ăn-ten ngắn, 1 đoạn, 5cm + 2cm cộng hưởng (thu) tại tần số @ ~1030 MHz
Giả sử bạn cần thu tín hiệu tại tần số 162 MHz thì sử dụng ăn-ten dài, kéo thành 2 đoạn mỗi bên (2 x 42cm), vậy tổng chiều dài là ~84 cm cho toàn bộ ănten thu.
Cài đặt RTL-SDR ban đầu
Sau khi kết nối với máy tính, bạn cần cài đặt driver cho lần đầu sử dụng. Phần mềm SDR# và driver có thể tải tại https://airspy.com/download/. Tải bản dành cho Windows, giải nén và thực thi tập tin install-rtlsdr.bat để tải các công cục hỗ trợ về thư mục hiện tại. Tiếp theo chạy tập tin zadig.exe, chọn menu Options > List All Devices, các thiết bị sẽ hiển thị trong ô chọn bên dưới, chọn Replace Driver để thiết bị có thể bắt đầu hoạt động.
Tiếp theo kiểm tra hoạt động thiết bị bằng phần mềm SDR#
Các nguồn tham khảo
Có rất nhiều tài nguyên liên quan đến vô tuyến, SDR và các loại tín hiệu, mình liệt kê một số liên kết để bạn có thể tự bắt đầu tìm hiểu:
- http://rtl-sdr.com/
- http://qsl.net
- http://www.radioforeveryone.com