ชิป LoRa Semtech LR2021 ถูกดัดแปลงให้ทำงานเป็น SDR รองรับความถี่ 100 MHz ถึง 2.74 GHz

เมื่อต้นเดือนที่ผ่านมา เราได้เห็นการดัดแปลง ESP32-S3 สามารถแทำงานเป็นเครื่องส่งและเครื่องรับ SDR ด้วยเฟิร์มแวร์ ESP-SDR จากนั้นก็มีการเปิดตัวโครงก w1700k-sdr โดยนักพัฒนา h0m3us3r ซึ่งเปลี่ยนเราเตอร์ Wi-Fi 7 รุ่น Gemtek W1700K ให้กลายเป็นเครื่องรับ SDR ที่รองรับแบนด์วิดท์กว้าง

ล่าสุด โครงการโอเพนซอร์ส LR2021-SDR โดย Samuel Reynolds (SAMS0N1TE) ได้นำแนวคิดเดียวกันนี้มาใช้กับชิปรับส่งสัญญาณ LoRa รุ่น Semtech LR2021 โดยทำให้ชิปดังกล่าวสามารถทำงานเป็น SDR ที่รับสัญญาณได้ในช่วงความถี่ตั้งแต่ 100 MHz ถึง 2.74 GHz โครงการนี้อาศัยคำสั่งที่ไม่มีการเปิดเผยอย่างเป็นทางการใน ROM ของชิป เพื่อดึงข้อมูลตัวอย่างสัญญาณ I/Q แบบดิบขนาด 16 บิตออกมา ทำให้สามารถใช้ซอฟต์แวร์ถอดรหัสสัญญาณเสียงดิจิทัล P25 Phase 1 ข้อความจากเพจเจอร์ระบบ POCSAG และสัญญาณวิทยุ FM แบบแอนะล็อกได้ โดยไม่จำเป็นต้องใช้ดองเกิล SDR ภายนอก

คุณสมบัติของเฟิร์มแวร์ LR2021-SDR:

ฮาร์ดแวร์ที่รองรับ – Semtech LR2021 ที่ใช้ ROM 1.24 ใช้ไม่ได้กับรุ่น SX1262 สำหรับการเข้าถึง I/Q ดิบ
ช่วงความถี่รับสัญญาณ – 100 MHz ถึง 2.74 GHz (ทดสอบเชิงทดลอง) ซึ่งกว้างกว่าช่วง 150–960 MHz และ 1.5–2.5 GHz ที่ระบุไว้ในเอกสาร datasheet
ช่วงความถี่ส่งสัญญาณ – 100 MHz ถึง 2.74 GHz (ทดสอบเชิงทดลอง) ซึ่งกว้างกว่าช่วง 150–960 MHz และ 1.5–2.5 GHz ที่ระบุไว้ในเอกสาร datasheet
การบันทึกข้อมูล I/Q – ตัวอย่าง I และ Q ขนาด 16 บิตผ่าน SPI เก็บช่วงสั้น ๆ ได้สะอาดที่อัตราสูงสุด 250,000 complex samples ต่อวินาที
การรับสัญญาณต่อเนื่อง – 125,000 samples/s นานสูงสุด 391 วินาที โดยไม่พบการสูญเสียข้อมูลใน FIFO หรือบล็อกตัวอย่างตกหล่น
การถอดรหัสสัญญาณ – เสียงดิจิทัล P25 Phase 1 ข้อความเพจเจอร์ POCSAG และ FM แอนะล็อก ผ่าน LakeShark
Bluetooth LE – รับแพ็กเก็ตโฆษณา BLE 1M บนช่อง 37, 38 และ 39 ด้วยเอนจินแพ็กเก็ต BLE ที่มีอยู่ในชิป
การบันทึก – รองรับการบันทึกข้อมูล I/Q ดิบ เพื่อนำไปวิเคราะห์ ถอดรหัส และเล่นซ้ำแบบออฟไลน์ รวมถึงการบันทึกแบบมีเงื่อนไขกระตุ้น (Triggered Recording) ซึ่งเก็บข้อมูลก่อนเกิดเหตุการณ์ที่กำหนดไว้ได้ด้วย

ช่วงความถี่รับที่ทดสอบของ LR2021 SDR ตั้งแต่ 100 MHz ถึง 2.74 GHz เทียบกับย่านความถี่ตามดาต้าชีต — ช่วงความถี่รับสัญญาณที่ทดสอบจริงของ LR2021-SDR ตั้งแต่ 100 MHz ถึง 2.74 GHz เปรียบเทียบกับช่วงความถี่ตามเอกสารข้อมูลอย่างเป็นทางการ

โดยปกติ ชิป LR2021 จะรับส่งสัญญาณด้วยมอดูเลชันต่าง ๆ เช่น LoRa, FSK และ FLRC พร้อมถอดรหัสแพ็กเก็ตก่อนส่งข้อมูลไปยังหน่วยประมวลผลหลัก แต่โครงการ LR2021-SDR ใช้คำสั่ง ROM ที่ไม่ได้เปิดเผยอย่างเป็นทางการ เพื่อดึงสัญญาณเบสแบนด์ดิบออกมา ทำให้หน่วยประมวลผลสามารถนำข้อมูล I/Q ไปประมวลผลด้วยซอฟต์แวร์ และรับสัญญาณรูปแบบอื่น ๆ ที่อินเทอร์เฟซมาตรฐานของชิปไม่รองรับโดยตรงได้

นักพัฒนาได้ทดสอบเครื่องรับในช่วงความถี่ 100 MHz ถึง 2.74 GHz โดยใช้ฮาร์มอนิกจากสัญญาณนาฬิกาบนบอร์ด และสัญญาณจาก HackRF One ภายในกล่องป้องกันสัญญาณรบกวน ผลการทดสอบยืนยันว่ารับสัญญาณได้ที่ 100 MHz, 1.3 GHz, 2.6 GHz และ 2.74 GHz อย่างไรก็ตาม การทดสอบทำกับบอร์ดเพียงตัวเดียว จึงยังไม่สามารถยืนยันค่าความไวในการรับสัญญาณที่ผ่านการสอบเทียบ หรือรับประกันว่าบอร์ดรุ่นอื่นจะรองรับช่วงความถี่เดียวกันได้

การเก็บ I/Q ดิบของสัญญาณเสียง P25 Phase 1 ที่ 154.785 MHz แสดงรูปคลื่น ซองสัญญาณ สเปกตรัม และวอเตอร์ฟอลล์ — ตัวอย่างการบันทึกเสียงสนทนา 1 วินาทีที่ 154.785 MHz ตัวอย่างชุดเดียวกันนี้ถูกถอดรหัสเป็นเฟรมเสียง IMBE 27 เฟรมแบบออฟไลน์

ผู้พัฒนายังทดสอบการบันทึกข้อมูล I/Q ต่อเนื่องที่ 125,000 ตัวอย่างต่อวินาที โดยทดลองทั้งหมดสามรอบ ซึ่งแต่ละรอบทำงานได้นานสูงสุด 391 วินาที โดยไม่มีรายงานการสูญเสียข้อมูลใน FIFO หรือการปฏิเสธข้อมูลจากคิว ส่วนบันทึกช่วงสั้น ๆ ระบบยังทำงานได้ที่อัตราสูงสุด 250,000 ตัวอย่างต่อวินาที แต่เมื่อเพิ่มอัตราการบันทึกเป็น 500,000 และ 1,000,000 ตัวอย่างต่อวินาที กลับเกิดปัญหา FIFO ล้น เนื่องจากอินเทอร์เฟซ SPI ที่ทำงานด้วยความเร็ว 16 MHz ไม่สามารถถ่ายโอนข้อมูลได้ทัน

LR2021-SDR ยังรองรับการส่งสัญญาณในขั้นทดลอง เช่น สัญญาณเสียงทดสอบ P25 ข้อมูลจากเซนเซอร์วัดอุณหภูมิ และสัญญาณรีโมตคอนโทรลแบบ OOK/FSK โดยการทดสอบหนึ่งพบว่าเครื่องรับอีกตัวสามารถถอดรหัสเฟรมเสียง P25 ได้ 72 เฟรมและกู้คืนเสียงทดสอบต้นฉบับได้ นอกจากนี้ ยังสามารถส่งข้อมูลเซนเซอร์ที่รับผ่าน rtl_433 และส่งซ้ำสัญญาณรีโมตคอนโทรลที่ถอดรหัสด้วย Flipper Zero ได้ อย่างไรก็ตาม ขณะนี้ยังส่งได้เพียงช่วงสั้น ๆ ส่วนการส่งต่อเนื่องและเสียงพูดแบบเรียลไทม์ยังอยู่ระหว่างการพัฒนา

LR2021 SDR ถอดรหัสแพ็กเก็ต 2-FSK 2400 baud ที่ 433.1985 MHz แสดงซองสัญญาณ สเปกตรัม บิตที่ถอดรหัส และวอเตอร์ฟอลล์ — ตัวอย่างสัญญาณจากเครื่องบันทึก I/Q แบบมีเงื่อนไขกระตุ้นใน LakeShark ซึ่งนำมาถอดรหัสแบบออฟไลน์: 2-FSK 2400 baud, sync D391 D391, payload 4 ไบต์, ตรวจสอบ CRC-16

LakeShark เป็นโครงการเฟิร์มแวร์โอเพนซอร์สจากนักพัฒนาคนเดียวกัน โดยเปลี่ยนบอร์ด LilyGO T-Display P4 ใให้เป็นเครื่องสแกนสัญญาณ SDR แบบพกพา โดยใช้ดองเกิล RTL-SDR ภายนอก ล่าสุด การพัฒนา LR2021-SDR ทำให้ LakeShark สามารถดึงข้อมูล I/Q ดิบจากชิป Semtech LR2021 ที่ติดตั้งบนบอร์ดได้โดยตรง จึงรับและถอดรหัสเสียง P25 ข้อความเพจเจอร์ POCSAG และสัญญาณวิทยุ FM แบบแอนะล็อกได้โดยไม่ต้องใช้ดองเกิล SDR ภายนอก

GitHub ของโครงการ LR2021-SDR มีทั้งไลบรารีภาษา C ภายใต้สัญญาอนุญาต GPL-3.0 เฟิร์มแวร์บันทึกสัญญาณสำหรับ ESP32-P4 เครื่องมือ Python คู่มือการคอมไพล์ และผลการทดสอบโดยละเอียด ผู้ใช้สามารถติดตั้ง LakeShark เพื่อถอดรหัสสัญญาณแบบเรียลไทม์และใช้งานแบบพกพา หรือใช้เฟิร์มแวร์แยกเพื่อบันทึกข้อมูล I/Q ผ่าน USB ไปวิเคราะห์บนคอมพิวเตอร์ได้ ทั้งนี้ โครงการยังอยู่ในขั้นทดลอง และต้องใช้บอร์ดที่มีชิป LR2021 พร้อมเสาอากาศที่เหมาะสม

แปลจากบทความ : Semtech LR2021 LoRa chip gets the SDR treatment, supports 100 MHz to 2.74 GHz