19.04.2018 Software Defined Radio – Analyse von Funk Signalen

Symbolbild

Die Funktechnik hat bereits eine lange Geschichte hinter sich. In der heutigen Zeit kommen wir durchgehend in Berührung mit verschiedenen Möglichkeiten Daten kabellos auszutauschen. 

Beispiele hierfür sind bekannte Standards wie IEEE 802.11, besser bekannt als WLAN, oder auch Protokolle wie Bluetooth, ZigBee, oder Z-Wave um nur einige zu nennen. Doch auch abseits dieser klar definierten Standards gibt es Funksysteme, wie zum Beispiel für Garagentore, Funk Steckdosen, oder auch Autoschlüssel. Mit Software Defined Radios (SDR) ist es möglich mit geringem finanziellen Aufwand und ein wenig Knowhow, diese Systeme zu untersuchen.

Was ist ein Software Defined Radio?

Geräte zur Verarbeitung von Funksignalen sind ursprünglich für einen bestimmten Anwendungsfall vorgesehen und sind damit meist nur in der Lage ein spezifisches Signal zu verarbeiten. Dies bietet den Vorteil, dass diese Geräte in Bezug auf die Performance und den Energieverbrauch speziell für ihr jeweiligen Einsatzgebiete optimiert werden können. Diese Geräte fallen unter die Kategorie der Hardware Defined Radios (HDR), da alle Funktionen über entsprechende Hardware realisiert wurde. Im Gegensatz dazu stehen Software Defined Radios, welche per Definition alle Funktionen die sich im Physical Layer von HDRs befinden mittels Software definieren. Das bedeutet, dass die Unterstützung für die Verarbeitung von gewissen Wellenformen erweitert werden kann indem nur die Software eines SDRs verändert wird. Dadurch ist es möglich mit derselben Hardware nicht nur unterschiedliche aktuelle Wellenformen entsprechender Standards zu unterstützen, sondern auch Funktionen, welche möglicherweise in Zukunft neu aufkommen werden, nachrüsten zu können. Dies setzt allerdings voraus, dass die Antennen und Analog zu Digital (A/D) beziehungsweise Digital zu Analog (D/A) Konverter in der Lage sind im entsprechenden Frequenzbereich der gewünschten Funkwellen zu arbeiten und diese verarbeiten zu können.

Abbildung 1 - Blockdiagramm SDR - Architektur Bild vergrößern

Abbildung 1 zeigt den Aufbau eines typischen SDRs. Mittelpunkt des Systems ist der Analog Digital Converter (ADC), der für die Umwandlung des Signals zur weiteren Bearbeitung verantwortlich ist. Das digitale Signal wird vor der Umwandlung codiert und moduliert, um danach über ein Funk-Modul (RF Frontend) mit einer Antenne gesendet werden zu können.

Aktuelle SDR Hardware

Die einfachste Form eines SDR sind DVB-T TV Sticks mit dem RTL2832U Chipsatz. Eine Gruppe von SDR Enthusiasten hat herausgefunden, dass diese Geräte den direkten Zugriff auf das digitale Signal erlauben, wodurch es als SDR eingesetzt werden kann. Ein Beispiel von der Fa. NooElec, ist in Abbildung 2 zu sehen.

Abbildung 2 - NooElec RTL-SDR Dongle (NooElec Inc., 2018) Bild vergrößern

RTL-SDR Geräte können lediglich Signale empfangen. Möchte man Signale auch senden (allerdings nur in erlaubten Frequenzbereichen), ist z.B. der von Great Scott Gadgets entwickelte HackRF One, eine Option (Siehe Abbildung 3). 

Abbildung 3 - HackRF One SDR (Great Scott Gadgets, 2018) Bild vergrößern

Beispiel zur Verwendung

Für ein Anwendungsbeispiel wurde das Signal einer gewöhnlichen Funk-Steckdose analysiert. Als erstes musste die Frequenz gefunden werden, auf der das Gerät operiert. Üblicherweise arbeiten Geräte dieser Art in einem ISM Band, in diesem Fall im Bereich von 434 MHz. Zur Analyse des Signals wurde GQRX, eine Spektrum Analyse Software unter Linux, verwendet. Abbildung 4 zeigt GQRX bei der Analyse des Spektrums um 434 MHz. Es zeigt deutlich den Ausschlag des Signals bei der Aktivierung der Steckdosen über die Steuerung. GQRX ermöglicht eine Aufzeichnung des Signals als .wav Audiodatei.

Abbildung 4 - Aufnahme eines Signals mit GQRX Bild vergrößern

Diese Aufzeichnung kann nun in einer Software wie Audacity, einem freien Audioprogramm, analysiert werden. Abbildung 5 zeigt diesen Prozess, wobei deutlich zu sehen ist das ein On-Off Keying (OOK) als Modulation eingesetzt wird. Bei dieser Modulationsart werden Bits durch lange und kurze Impulse des Signals repräsentiert.

Abbildung 5 - Analyse der Aufnahme mit Audacity Bild vergrößern

Dies war ein kurzer Ausblick in die Welt von SDR. Es zeigt die Möglichkeiten in diesem Bereich für Hobbyisten, aber auch Professionals mit Software Defined Radios.

Autor:

  • Martin Fruhmann
    FH JOANNEUM GmbH Kapfenberg
    Studiengang IT & Mobile Security

Datum der Veröffentlichung: 19.04.2018

Für den Inhalt verantwortlich:
  • FH JOANNEUM