Stwórz własny teleskop do obserwacji... Fal Wi-Fi

Najpierw jednak zacznijmy od odrobiny historii. Bezprzewodowa sieć lokalna (WLAN, a nam znana bardziej jako Wi-Fi) jest już z nami prawie 30 lat. Już pod koniec lat 90. XX wieku, inżynierowie z organizacji Instytutu Inżynierów Elektryków i Elektroników (w skrócie IEEE, od ang. Institute of Electrical and Electronics Engineers) pracowali nad tym, by umożliwić nam korzystanie z sieci komputerowych w formie bezprzewodowej. Ich dziełem było ogłoszenie 1997 normy IEEE 802.11, która ustanowiła zasady działania Wi-Fi. Od tamtego czasu pojawiło się już wiele rewizji tego standardu, systematycznie poprawiając zasięg i/lub wydajność bezprzewodowej sieci.

W dzisiejszych czasach Wi-Fi jest dla nas niemal tak oczywiste jak tlen. Gdziekolwiek nie pójdziemy, towarzyszą nam sieci bezprzewodowe. Również większość urządzeń elektrycznych i elektronicznych korzysta z możliwości podłączenia się do WLAN – od takich typowych jak smartfony, komputery czy tablety, po te mniej oczywiste jak pralki, piece gazowe, lodówki czy piekarniki. Co istotne dla tego artykułu, fal radiowych nie możemy w żaden prosty sposób zobaczyć czy poczuć. Stąd grupa inżynierów uznała, że stworzy urządzenie pozwalające zbadać zjawisko przemieszczania się fal radiowych o częstotliwości 2,4 GHz.

Na kanale The Thought Emporium, który na platformie YouTube omawia i popularyzuje naukę, ekipa w swoim najnowszym filmie przedstawiła radioteleskop XJ9. Ów sprzęt nie byłby niczym wyjątkowym gdyby nie to, iż jest to prawdopodobnie najbardziej zaawansowane urządzenie tego typu na całkowicie wolnej licencji. Ten opensource’owy radioteleskop posiada modułową konstrukcję i szereg funkcji skupionych wokół fal radiowych. A to wszystko można samodzielnie odtworzyć, wykorzystując pliki i informacje znajdujące się na GitHubie.

Przykład propagacji fal WiFi z domowego routera

Opierając się na poprzednim projekcie znanym jako Cogsworth, zespół stworzył udoskonalony system do wykrywania i wizualizacji intensywności mikrofal emitowanych przez urządzenia z modułem Wi-Fi. Fale te (emitowane w naszych domach głównie przez routery) oscylują na częstotliwości około 2,4 GHz. Ponieważ mikrofale są formą światła (a precyzyjniej falą elektromagnetyczną), możliwe jest stworzenie urządzenia, które może przechwytywać te częstotliwości. Jest to ta sama koncepcja, która jest stosowana w radioastronomii – wiele form zjawisk astrologicznych uwalnia promieniowanie mikrofalowe w miarę ich występowania. Typowymi przykładami są czarne dziury, strumienie gazu i kwazary, które zostały sfotografowane dzięki radioteleskopom mierzącym emitowane przez nie częstotliwości radiowe. Podobnie, mała wersja radioteleskopu może zrobić to samo z falami Wi-Fi (oczywiście gdy zostanie dostrojona do konkretnej częstotliwości).

Skoro XJ9 to projekt otwarty, to i jego wiele elementów powinno być łatwe do pozyskania. Dlatego też radioteleskop możemy wydrukować w drukarce 3D. W tej kwestii zespół poczynił spore postępy, gdyż w stosunku do poprzedniego modelu radioteleskopu ta opensource’owa wersja pozwala na wydruk takich elementów jak chociażby silniki krokowe z przekładnią, napędy pasowe czy płaskie łożyska. Dzięki dołączonej antenie XJ9 wykorzystuje zdefiniowane programowo radio, aby przekształcić fale trafiające na antenę w użyteczne dane. W tym przypadku zespół używa urządzenia o nazwie HackRF SDR. Następnie, wykorzystując oprogramowanie GNU radio do przetwarzania danych, XJ9 dokonuje pomiarów wykrytych fal radiowych w różnych pozycjach, aby utworzyć skan swojego otoczenia. Choć pierwsze testy nie przyniosły oczekiwanych wyników to zespół odkrył, że konfiguracja GNU radia normalizowała odczyty zamiast rejestrować skoki. To właśnie ta kwestia stała za niedokładnymi odczytami. Po prostej rekonfiguracji XJ9 zaczął rejestrować dokładne punkty promieniowania Wi-Fi.

HackRF (One) SDR to jest grupa urządzeń do transmisji i odbioru fal radiowych z zakresu od 10 MHz do 6 GHz zaprojektowane do badania i rozwoju sygnałów radiowych. Urządzenie działa na bazie SDR (Software Defined Radio), czyli łączności radiowej realizowanej przy pomocy oprogramowania w postaci sygnałów cyfrowych.

GNU radio natomiast, to darmowy i otwarty zestaw narzędzi do tworzenia oprogramowania do przetwarzania sygnałów i przetwarzania sygnałów. Pierwotnie opracowany do użytku z radiami definiowanymi programowo i do symulacji komunikacji bezprzewodowej, jego solidne możliwości doprowadziły do ​​przyjęcia w środowiskach hobbystycznych, akademickich i komercyjnych. GNU Radio znalazło zastosowanie w radiu definiowanym programowo, komunikacji cyfrowej, fizyce jądrowej, fizyce cząstek wysokoenergetycznych, astrofizyce, radioastronomii i nie tylko!

Chociaż jest to imponujące osiągnięcie, zespół ma większe nadzieje na rzeczywiste zastosowania XJ9. Eksperyment jest w zasadzie dowodem koncepcji tego, co jest znane jako pasywny radar. Opierając się na idei promieniowania fali elektromagnetycznej o częstotliwości 2,4 GHz, zespół ma nadzieję wykorzystać Wi-Fi (lub sąsiednie częstotliwości) do oświetlenia obiektów w otoczeniu. To umożliwi XJ9 skutecznie widzenie przez ściany i zbudowanie trójwymiarowej mapy swojego otoczenia. Jednak zespół ma jeszcze sporo pracy do wykonania, zanim będzie to możliwe.

Źródło: Notebookcheck, The Thought Emporium (YouTube), Botland, GitHub, Wikipedia