QuadRF: 드론 추적 및 RF 시각화를 위한 Raspberry Pi 5 위상 배열 SDR

QuadRF는 사용자가 무선 주파수(RF) 신호를 실시간으로 시각화하고 추적할 수 있게 해주는 위상 배열 소프트웨어 정의 라디오(SDR)입니다. Raspberry Pi 5와 피코초 단위의 타이밍을 지원하는 FPGA 보드를 기반으로 구축된 이 장치는 벽을 통해 WiFi 신호를 감지하고 4.9에서 6 GHz 사이의 특정 주파수 범위 내에서 비행 중인 드론을 추적할 수 있습니다.

Raspberry Pi 5 MIPI를 통한 고대역폭 RF 스트리밍

QuadRF는 Raspberry Pi 5의 MIPI 레인을 활용하여 5 Gbps를 초과하는 속도로 I/Q (In-phase/Quadrature) 데이터의 저지연 SDR 스트리밍을 구현합니다. 이 방식은 전통적인 USB 인터페이스를 우회하여 Pi의 카메라 및 디스플레이 FFC MIPI 커넥터를 사용하며, 데이터는 RP1 칩을 통해 라우팅됩니다.

QuadRF 문서에 따르면, 이 구현은 다음과 같은 몇 가지 장점을 제공합니다:

• 저지연: MIPI는 RF 보드에 거의 제로에 가까운 하드웨어 비용으로 전이중(full-duplex) 데이터 전송을 제공합니다.
• 높은 샘플링 속도: 시스템은 샘플 손실 없이 수백 MSPS (Mega Samples Per Second)의 I/Q를 유지할 수 있습니다.
• 고속 주변 장치: RF 스트리밍에 MIPI를 사용함으로써 PCIe 커넥터를 고속 저장 장치나 네트워킹용으로 남겨둘 수 있습니다.

실시간 RF 시각화 및 증강 현실

QuadRF에는 RF 신호 "blob"을 라이브 카메라 피드 위에 겹쳐서 보여주는 증강 현실(AR) 시각화 도구가 포함되어 있습니다. 이를 통해 사용자는 환경 내에서 RF 신호의 소스를 물리적으로 위치를 파악할 수 있습니다.

테스트 과정에서, 이 장치는 5 GHz WiFi 네트워크(약 5.5 GHz)와 인접 네트워크를 성공적으로 식별하였으며, 이는 디스플레이에 뚜렷한 색상의 blob으로 나타납니다. 또한 시스템은 비행 중인 DJI Mini Pro 4 드론을 추적하여 하늘을 가로질러 이동하는 신호를 식별했습니다.

제작자인 Martin McCormick이 언급했듯이, AR 경험은 RF 포인트를 브라우저로 스트리밍하는 웹 앱을 통해 구동되며, 브라우저는 이를 로컬 카메라 피드와 병합하여 높은 프레임 속도와 낮은 지연 시간을 유지합니다.

하드웨어 아키텍처 및 확장성

QuadRF는 4x4 MIMO 소프트웨어 정의 라디오로 설계되었습니다. 현재의 핸드헬드 프로토타입은 3D 프린팅으로 제작되었으나, 최종 양산 버전은 사출 성형 케이스로 제작될 예정입니다.

가장 중요한 아키텍처 목표 중 하나는 확장성입니다. 이 시스템은 라이선스를 보유한 운영자가 여러 개의 QuadRF 모듈을 데이지 체인(daisy-chain) 방식으로 연결할 수 있도록 설계되었습니다. 이를 통해 이론적으로 최대 1.15 MW EIRP를 생성할 수 있는, Earth-Moon-Earth (EME) 라디오 실험 및 전파 천문학이 가능한 거대한 안테나 어레이를 구축할 수 있습니다.

기술적 제약 사항 및 커뮤니티 인사이트

QuadRF는 RF 분석을 위한 강력한 도구이지만, 특정 기술적 한계가 있으며 커뮤니티 사용자들은 다음과 같은 몇 가지 핵심 사항을 강조했습니다:

• 주파수 범위: 장치는 4.9-6 GHz 범위로 제한됩니다. 따라서 900 MHz 또는 셀룰러 대역에서 작동하는 드론이나 장치를 감지할 수 없습니다.
• UI/UX: 초기 프로토타입은 사용자 인터페이스가 다소 거칠지만, 제작자는 UI가 오픈 소스이며 사용자 피드백을 바탕으로 개선되고 있다고 밝혔습니다.
• 클록 동기화: 커뮤니티 구성원들은 위상 일관성(phase coherence)을 유지하기 위해 데이지 체인으로 연결된 모듈 간에 공유된 고정밀 클록이 어떻게 분배되는지에 대해 의문을 제기했습니다.
• 보안 영향: WiFi 트래픽을 확인하고 신호 소스를 위치 파악할 수 있는 능력은 이러한 도구의 개인정보 보호 문제에 대한 논의을 불러일으켰습니다. 다만, 원문 저자는 이러한 기능이 정부 기관에 의해 오랫동안 사용되어 왔음을 시사합니다.

"오픈 소스 커뮤니티가 이런 것을 만들어낼 수 있다면, 정부가 무엇을 할 수 있는지 상상해 보십시오."

사양 요약

Feature	Specification
Core Processor	Raspberry Pi 5
RF Interface	MIPI (via RP1 chip)
Data Rate	> 5 Gbps
Frequency Range	4.9 - 6 GHz
Antenna Array	4x4 MIMO Phased Array
Target Applications	Drone tracking, WiFi analysis, EME experiments, astronomy