Yaşasın! HackRF One ile sonunda tanıştınız ve heyecanla özelliklerini internette arattınız. Karşınıza doluca bir paragraf çıktı: “Half-duplex transceiver, operating freq: 1 MHz to 6 GHz”, peki ya tüm bu kelimeler ne demek?
Genel Özet
Bu yazı, bir SDR donanım sayfasını ilk kez okuyan birine yönelik pratik bir rehberdir. HackRF One’ın resmi özellik listesi üzerinden her teknik terimin ne anlama geldiğini ve pratikte neyi ifade ettiğini ele alıyor. Yazının sonunda herhangi bir SDR donanım sayfasını okuyabilecek, temel özellikleri karşılaştırabileceksiniz.
Yasal Uyarı
Bu yazı yalnızca eğitim amaçlıdır. HackRF One’ın TX (sinyal gönderme) yeteneği, cihazı pasif alıcı SDR’lardan ayıran temel özelliklerden biridir ancak bu yeteneğin kullanımı yasal sınırlar çerçevesinde değerlendirilmelidir.
Türkiye Cumhuriyeti sınırları içerisinde frekans tahsisi ve spektrum yönetimi 5809 sayılı Elektronik Haberleşme Kanunu kapsamında düzenlenmekte, elektronik haberleşmenin güvenliği ise aynı kanun çerçevesinde koruma altına alınmaktadır. İzin verilmemiş frekanslarda sinyal iletimi, mevcut yasal düzenlemeler kapsamında idari ve cezai yaptırımlara yol açabilir.
Terminoloji
- Transceiver (İletici-Alıcı): transmit (iletmek) ve receive (almak) kelimelerinden gelen bir sözcük dolayısıyla iki işlevi bir tek kelimede birleştiren bir portmanteau. Hem sinyal gönderebilen hem de sinyal alabilen donanımları tanımlar.
- Duplex: Latince duplex yani iki katlı, çift yönlü anlamındadır. İletişimin hangi yönde ve ne zaman akalabileceğini tanımlayan mimari bir kavramdır.
- Half-duplex: Ya gönderir ya alır, ikisi aynı anda olmaz.
- Full-duplex: Aynı anda hem gönderir hem alır.
- Frekans: Latince frequentia: sıklık, yoğunluk. Bir sinyalin saniyede kaç kez tekrarlandığını ifade eder. Hz (Hertz) birimiyle ölçülür. MHz milyonda bir, GHz milyarda bir tekrarı ifade eder.
- Örnekleme Hızı (Sample Rate / MSPS): SDR cihazının saniyede kaç kez analog sinyali dijital veriye dönüştürdüğünü gösterir. Megasamples per second kelimesinin kısaltması olan MSPS birimi ile ifade edilir.
- ADC Çözünürlüğü Analog-to-Digital Converter yani analog sinyali dijitale çeviren devre. Çözünürlük, bu dönüşümde kullanılan bit derinliğini ifade eder. Kaç bit kullanıldığı, sinyalin ne kadar hassas temsil edilebildiğini belirler.
- Quadrature (I/Q): Latince quadratura: kareleştirme, 90 derecelik açı. SDR cihazlarının sinyali iki bileşen halinde işleme yöntemidir. In-phase (I) ve Quadrature (Q) birimlerinden oluşur. İkisi arasındaki 90 derecelik faz farkı sayesinde hem genlik hem faz bilgisi korunur.
- SMA Konnektör: SubMiniature version A yani anten bağlantısı için kullanılan standart bir RF konnektör tipidir. 50-ohm empedansıyla çalışır.
- Empedans: Yunanca impedire kökenli: engellemek, direnmek. RF sistemlerinde sinyal kaybını ve yansımayı minimize etmek için kullanılan standart direnç değeri.
- dBm: Decibel-milliwatt, sinyal gücünü miliwatt cinsinden logaritmik olarak ifade eden birim. 0 dBm = 1 miliwatt.
- Bias Tee: Elektrik devresinde DC güç ile RF sinyalini aynı hat üzerinden taşıma tekniği. Tee şeklindeki devre yapısından adını alır. HackRF One’da anten portuna yazılım üzerinden güç vermek için kullanılır.
Teknik Özelliklerin Analizi
Girişte bahsedilen terimlerin tam halini asıl dokümantasyondan aldığımızda şöyle bir manzara ile karşılaşıyoruz:
- half-duplex transceiver
- operating freq: 1 MHz to 6 GHz
- supported sample rates: 2 Msps to 20 Msps (quadrature)
- resolution: 8 bits
- interface: High Speed USB (with USB Micro-B connector)
- power supply: USB bus power
- software-controlled antenna port power (max 50 mA at 3.0 to 3.3 V)
- SMA female antenna connector (50 ohms)
- SMA female clock input and output for synchronization
- convenient buttons for programming
- pin headers for expansion
- portable
- open source
Half-Duplex Transceiver
Transceiver, iki işlevi tek kelimede birleştiren bir portmanteau. Yani HackRF One hem sinyal gönderebilir hem de alabilir. Bunu RTL-SDR gibi yalnızca alıcı cihazlardan ayıran temel özelliklerden biridir.
Ama burada kritik bir kelime var: half-duplex.
Telsizleri düşünün. Biri konuşurken diğeri dinler. “Anlaşıldı, bitti” der ve butonu bırakır ancak o zaman karşı taraf konuşabilir. İki tarafın aynı anda konuşabilmesi mümkün değildir. HackRF One da tam olarak böyle çalışır: bir anda ya sinyal gönderir ya da alır. İkisini aynı anda yapamaz.
Öyleyse Full-Duplex Nedir?
Aynı anda hem gönderip hem alabilen iletişim modudur. Telefon görüşmesi buna örnektir, iki taraf aynı anda konuşabilir. USRP serisi gibi full-duplex SDR’lar bunu yapabilir, ancak fiyatları HackRF One’ın çok üzerindedir.
Operating freq: 1MHz – 6 GHz
Bu terim HackRF One’ın çalışabileceği frekans aralığını belirtir. Frekans, bir sinyalin saniyede kaç kez tekrarlandığını ifade eder. Hz (Hertz) birimi ile ölçülür. MHz milyonda bir, GHz milyarda bir tekrar demektir.
Bu aralık ne kadar geniş? FM radyo 87.5–108 MHz arasında. GSM 900 MHz civarında. WiFi 2.4 ve 5 GHz’de. GPS 1.575 GHz’de. Bluetooth 2.4 GHz’de. HackRF One bunların hepsini kapsıyor.
Ama bu aralığı aynı anda dinleyemezsiniz. Cihaz bir anda yalnızca belirli bir frekansa odaklanır. Kaç MHz’lik bir dilimi aynı anda görebileceğinizi belirleyen şey bir sonraki özellik.
Supported Sample Rates: 2-20 Msps (quadrature)
Bu terim, örnekleme hızını belirtir. SDR cihazının saniyede kaç kez analog sinyali dijital veriye dönüştürdüğünü gösterir. HackRF One bunu saniyede en fazla 20 milyon kez yapabilir: 20 MSPS.
Nyquist Teoremi
Bir sinyali doğru yakalayabilmek için örnekleme hızınızın o sinyalin bant genişliğinin en az iki katı olması gerekir. 20 MSPS örnekleme hızı size yaklaşık 20 MHz’lik anlık bir pencere sağlar.
Bunu bir vizör gibi düşünebilirsiniz. Frekans spektrumu devasa bir manzaradır. HackRF One bu manzaraya yalnızca 20 MHz genişliğinde bir pencereden bakabilir. Pencereyi istediğiniz yere taşıyabilirsiniz. 433 MHz’e, 2.4 GHz’e, 5.8 GHz’e. Ama aynı anda yalnızca 20 MHz’lik bir dilimi görürsünüz.
Parantez içindeki quadrature ise sinyalin I/Q formatında işlendiğini belirtir. I (In-phase) ve Q (Quadrature) olmak üzere iki bileşen halinde kaydedilen bu format, ikisi arasındaki 90 derecelik faz farkı sayesinde hem genlik hem faz bilgisini korur. Bu sayede daha sonra yazılımda her türlü demodülasyon yapılabilir.
Resolution: 8 bits
Analog sinyali dijitale dönüştürürken her örnek 8 bit ile temsil edilir. 8 bit, 256 farklı seviye demektir.
Bunu ses kaydına benzetebilirsiniz. CD kalitesi 16 bit kullanır yani 65536 farklı ses seviyesini ayırt edebilir. HackRF One’ın 8 biti 256 seviyeyle sınırlıdır. Güçlü bir sinyalin yanında çok zayıf bir sinyal bulunuyorsa, 8 bitlik çözünürlük zayıf sinyali gürültü içinde kaybedebilir. Buna dinamik aralık sorunu denir.
Profesyonel SDR’lar 12 ya da 16 bit sunar. Ancak HackRF One’ın 8 biti araştırma ve güvenlik uygulamalarının büyük çoğunluğu için yeterlidir. Bilinçli bir tasarım tercihi.
Interface: High Speed USB
HackRF One bilgisayara USB 2.0 üzerinden bağlanır. Bu bağlantı hem veri transferi hem de güç için kullanılır.
USB 2.0’ın teorik maksimum hızı 480 Mbit/s’dir. 20 MSPS örnekleme hızında, 8-bit çözünürlükle, I ve Q olmak üzere iki kanal üzerinden cihaz saniyede:
veri üretir. USB 2.0 bu yükü taşıyabilir ama sınırına yakın çalışır. Dolayısıyla zayıf bir bilgisayarda örnek kaybı yaşanabilir.
Software-controlled antenna port power (max 50 mA at 3.0–3.3 V)
Bu özellik Bias Tee olarak bilinir. Bu isim T şeklindeki devre yapısından adını alır. DC güç ile RF sinyalini aynı hat üzerinden taşıma tekniğidir.
HackRF One anten portuna yazılım üzerinden düşük voltajlı güç verebilir. Bu sayede harici düşük gürültülü yükselteçler (LNA) veya aktif antenler doğrudan anten kablosu üzerinden beslenebilir dolayısıyla ayrı bir güç kaynağına gerek kalmaz. Maksimum 50 mA akım ve 3.0–3.3 V voltaj sağlayabilir.
SMA female antenna connector (50 ohms)
SMA, RF sistemlerinde yaygın olarak kullanılan standart bir konnektör tipidir. Empedans ise 50 ohm, yani sinyal yansımalarını minimize eden evrensel RF standardı.
Anten seçerken dikkat etmeniz gereken iki şey var: konnektör tipi SMA olmalı ve empedansı 50 ohm olmalıdır. Yanlış seçim sinyal kaybına yol açar.
SMA clock input / output for synchronization
HackRF One harici bir referans saat sinyali alabilir veya kendi saatini başka cihazlara verebilir. Birden fazla HackRF One’ı senkronize çalıştırmak istediğinizde bu kritik önem taşır.
Örneğin sinyal kaynağının konumunu tespit etmek için kullanılan TDOA tekniklerinde her cihazın aynı referans saatine kilitlenmesi gerekir. Aksi takdirde küçük saat sapmaları ölçüm hatalarına dönüşür.
Buttons ve pin headers
Kart üzerinde iki fiziksel buton bulunur. RESET cihazı yeniden başlatır. DFU (Device Firmware Update) ise cihazı firmware güncelleme moduna alır. Bu da demektir ki firmware bozulsa bile bu buton sayesinde cihaz kurtarılabilir.
Pin headers ise harici donanım eklemek için kullanılan genişleme pinleri. PortaPack gibi eklentiler bu pinler üzerinden HackRF One’a bağlanır ve cihazı laptopsuz kullanılabilir bağımsız bir analiz platformuna dönüştürür.
Open source
Hem donanım hem yazılım tasarımları açık kaynaklıdır. Bu da demek oluyor ki PCB şematikleri, devre tasarımları ve firmware kaynak kodları herkese açık. Bu sayede topluluk tarafından geliştirilen araçlardan ve eklentilerden yararlanabilirsiniz. Mayhem firmware ve PortaPack bu açık kaynak ekosisteminin ürünleridir.
TL;DR
HackRF One’ın özellik listesi ilk bakışta karmaşık görünse de her satır cihazın yapabileceklerini ve yapamayacaklarını anlatır. Half-duplex yapısı aynı anda hem sinyal gönderip hem alınamayacağı anlamına gelir. 1 MHz ile 6 GHz frekans aralığı WiFi’den GPS’e neredeyse her şeyi kapsar. 20 MSPS örnekleme hızı aynı anda 20 MHz genişliğinde bir bant penceresi sunar. 8 bitlik çözünürlük çoğu araştırma uygulaması için yeterlidir. Bias Tee sayesinde harici yükselteçler ayrı güç kaynağı olmadan beslenebilir. USB üzerinden hem güç alan hem veri ileten bu açık kaynaklı platform, PortaPack ve Mayhem firmware ile bağımsız bir saha aracına dönüşebilir.
Kaynaklar
- hackrf.readthedocs.io/en/latest/hackrf_one.html
- greatscottgadgets.com/hackrf/one/
- github.com/greatscottgadgets/hackrf
- github.com/dodgymike/hackrf-wiki/blob/master/HackRF-One.md
- hackrf.readthedocs.io/en/latest/hardware_triggering.html
- hackrf.readthedocs.io/en/latest/synchronization_checklist.html
- ersaelectronics.com/blog/adc-resolution-enob-snr
- analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-003.pdf
- software-defined-radio/HackRFOneSensitivityMeasurementsandFactors.html
- hackrf.readthedocs.io/en/latest/
- github.com/greatscottgadgets/hackrf/issues/451
- rtl-sdr.com/tech-minds-a-beginners-guide-to-the-hackrf-and-portapack-with-mayhem-firmware/
- redspin.com/blog/unleashing-mayhem/
- systemoverlord.com/2018/09/14/course-review-software-defined-radio-with-hackrf.html
- lexpera.com.tr/resmi-gazete/metin/elektronik-haberlesme-kanunu-27050-5809
- lexpera.com.tr/resmi-gazete/metin/spektrum-yonetimi-yonetmeligi-3