QuadRF: 一款用於無人機追蹤與 RF 可視化的 Raspberry Pi 5 相位陣列 SDR

The QuadRF 是一款相位陣列軟體定義無線電 (SDR)，可讓使用者即時可視化並追蹤無線電頻率 (RF) 信號。該裝置以 Raspberry Pi 5 和具有皮秒級定時功能的 FPGA 板為核心，能夠穿透牆壁偵測 WiFi 信號，並在 4.9 至 6 GHz 的特定頻率範圍內追蹤飛行中的無人機。

透過 Raspberry Pi 5 MIPI 進行高頻寬 RF 流傳輸

QuadRF 利用 Raspberry Pi 5 的 MIPI 通道，實現了速率超過 5 Gbps 的低延遲 I/Q (In-phase/Quadrature) 數據流傳輸。這種方法避開了傳統的 USB 介面，轉而使用 Pi 的相機與顯示器 FFC MIPI 連接器，透過 RP1 晶片進行數據路由。

根據 QuadRF 文件，此實作提供了以下優點：

• 降低延遲： MIPI 提供全雙工數據傳輸，且對 RF 板幾乎不產生硬體成本。
• 高取樣率： 系統可以維持數百 MSPS (Mega Samples Per Second) 的 I/Q 數據而不發生取樣損失。
• 高速週邊設備： 透過使用 MIPI 進行 RF 流傳輸，PCIe 連接器可以保留給高速儲存或網路使用。

即時 RF 可視化與擴增實境

QuadRF 包含一個擴增實境 (AR) 可視化工具，可將 RF 信號「斑點」(blobs) 疊加在即時相機畫面中。這讓使用者能夠在環境中實體定位 RF 信號的來源。

在測試期間，該裝置成功識別了 5 GHz WiFi 網路（約 5.5 GHz）及鄰近網路，並在顯示器上呈現為明顯的彩色斑點。系統也追蹤了一架 DJI Mini Pro 4 無人機的飛行，並在它穿過天空時識別其信號。

正如創作者 Martin McCormick 所述，AR 體驗是由一個 Web App 提供動力，該 App 會將 RF 點位串流至瀏覽器，隨後將其與本地相機畫面合併，以維持高幀率與低延遲。

硬體架構與擴展性

QuadRF 被設計為 4x4 MIMO 軟體定義無線電。雖然目前的掌上型原型機是透過 3D 列印製作的，但最終的量產版本將採用注塑成型外殼。

其中最重要的架構目標之一是擴展性。該系統設計允許持有授權的作業員將多個 QuadRF 模組串聯 (daisy-chain) 使用。這潛在可以建立一個巨大的天線陣列，足以進行地球-月球-地球 (EME) 無線電實驗與無線電天文學研究，其理論最大值可達 1.15 MW EIRP。

技術限制與社群洞察

雖然 QuadRF 是一款強大的 RF 分析工具，但它也存在特定的技術限制，社群使用者也強調了幾個關鍵點：

• 頻率範圍： 該裝置限制在 4.9-6 GHz 範圍內。因此，它無法偵測運行在 900 MHz 或行動通訊頻段的無人機或設備。
• UI/UX： 早期原型機的用戶介面 (UI) 較為粗糙，不過創作者表示 UI 是開源的，並正根據使用者回饋進行改進。
• 時鐘同步： 社群成員對如何將共享且高精度的時鐘分配到串聯的模組中以維持相位一致性提出了疑問。
• 安全性影響： 能夠看到 WiFi 流量並定位信號來源的能力，引發了關於此類工具隱私權隱患的討論，儘管原始資料的作者建議，這些功能早已是政府機構所擁有的能力。

"如果開源社群能開發出這樣的東西，想像一下政府的能力有多強。"

規格摘要

| 特徵 | 規格 | | :--- | :--- | | | 核心處理器 | Raspberry Pi 5 | | RF 介面 | MIPI (透過 RP1 晶片) | | 數據速率 | > 5 Gbps | | 頻率範圍 | 4.9 - 6 GHz | | 天線陣列 | 4x4 MIMO 相位陣列 | | 目標應用 | 無人機追蹤、WiFi 分析、EME 實驗、天文學 |