ESPARGOS - ESP-SDR: 使用Espressif ESP32芯片的原始IQ捕获

# ESP-SDR：使用乐鑫ESP32芯片进行原始IQ采集 来源：https://espargos.net/espsdr/ 使用乐鑫ESP32芯片进行原始IQ采集 乐鑫科技的ESP32微控制器以其Wi-Fi和蓝牙功能而闻名。在过去几个月中（并借助大语言模型的帮助），我们发现了一个未记录的功能，允许固件绕过固定功能调制解调器来捕获原始IQ基带样本。这为将ESP32用作低成本软件定义无线电平台开辟了可能性，该平台能够接收2.4 GHz频段（以及ESP32-C5的5 GHz频段）的信号。 ESP32信号链：射频前端、ADC/DAC、固定Wi-Fi调制解调器和CPU。一条绿色调试路径将ADC/DAC直接连接到CPU，用于原始IQ接收和发送，绕过了Wi-Fi调制解调器。原始IQ路径绕过固定功能的Wi-Fi调制解调器，使软件能够访问基带样本。 ## 在浏览器中试用（Web Serial） 为了验证概念，我们制作了一个简单的网页界面，用于显示捕获的IQ样本的实时功率谱和频谱图（以**极低**占空比）。请使用支持Web Serial (https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/Web_Serial_API)的浏览器。 #### 1 将ESP-SDR固件刷写到你的开发板 通过USB连接你的开发板，并使用浏览器刷写器安装SDR固件。支持的芯片包括**原始ESP32**、**ESP32-C3**、**ESP32-C5**、**ESP32-C6**、**ESP32-C61**、**ESP32-S2**、**ESP32-S3**和**ESP32-S31**。原始ESP32需要USB转UART桥接芯片，通常已集成在开发板中。 打开固件刷写器 (https://espargos.net/espsdr/app/flash.html) #### 2 探索实时无线电频谱 刷写完成后，将开发板拔下五秒钟，然后重新连接。打开ESP-WebSDR并选择你的设备，即可查看实时频谱。 ESP-WebSDR (https://espargos.net/espsdr/app/) 观看频谱和频谱图演示。(https://espargos.net/espsdr/spectrum-demo.mp4)使用ESP32-S31运行的ESP-WebSDR。尝试在你的浏览器中使用支持的ESP32开发板亲自体验。 ## 工作原理 我们推测乐鑫工程师保留IQ采样路径是为了测试和调试调制解调器，例如在晶圆厂进行晶圆上测试。确切的捕获机制、触发模式和内存分配因芯片而异，但基本思路相同：特殊的调试寄存器配置调制解调器的样本转储引擎，将原始IQ样本直接写入芯片的内部SRAM，绕过正常的Wi-Fi处理。固件会预留SRAM，使其不被堆使用，然后让调制解调器将原始IQ写入该内存。 例如，在ESP32-C61上，捕获机制如下工作：ESP32内部的SRAM组织成多个存储体。我们的固件使用其中两个存储体，并将它们组织成一个环形缓冲区。其中一个存储体暂时由调制解调器拥有，调制解调器将原始IQ样本写入其中，而另一个存储体由CPU拥有，CPU将完成的样本复制到缓冲区以传输给主机。固件跟踪硬件写指针，以检测调制解调器何时切换到下一个存储体。 ESP32-C61双存储体环形缓冲区：调制解调器写入存储体3，同时CPU从已完成的存储体2复制样本。每个存储体容量为64 KiB。写入者在存储体之间轮换；CPU必须在存储体被重用前将其归还。使用两个SRAM存储体的环形缓冲区进行捕获，图中显示存储体3正在被填充。在下一轮扫描中，存储体角色将交换。### IQ样本格式 IQ样本的确切格式是可配置的。在我们的实现中，每个复数样本在内存中占据一个32位字。第19-10位保存I分量，第9-0位保存Q分量，两者都是带符号的10位二进制补码值（范围-512到+511）。第27-20位报告接收增益设置（增益表中的索引），而第31-28位很可能是自动增益控制有限状态机的内部状态。 32位IQ转储字，最高有效位优先：第31至28位为推断的AGC状态，第27至20位为RX增益，第19至10位为带符号I分量，第9至0位为带符号Q分量。调制解调器提供的原始ADC转储字。### 捕获设置 #### 调谐 2.2–2.7 GHz 和 4.8–6.0 GHz 5 GHz频段仅在ESP32-C5上可用。确切的调谐限制因芯片而异。 #### 采样率 最高80 MSa/s 将原始复数IQ捕获到内存中，并以低占空比传输到主机。 #### 带宽 约13–54 MHz 模拟接收带宽。确切限制取决于芯片和滤波器设置。 #### 增益控制 自动或手动 内部硬件AGC或手动选择的固定接收增益。 使用ESP-SDR，ESP32甚至可以捕获*超出*官方支持调谐范围的IQ数据。例如，ESP32-C61可以捕获高达2.7 GHz的信号，这包括一些**LTE和5G NR蜂窝频段**，例如2.6 GHz附近的LTE频段7和5G NR频段n7。 ### 我们是如何发现这一点的 我们的起点是乐鑫`librftest`库中的`adctrig`函数。在大语言模型的帮助下，我们对该函数进行了逆向工程，以了解它如何配置硬件来捕获原始IQ样本。这些发现构成了ESP-SDR捕获实现的基础。 ## 这对ESPARGOS意味着什么 无需任何硬件修改，ESPARGOS One (https://espargos.net/espargos-one)现在可以*相位相干地*捕获原始IQ样本。如果你已经拥有ESPARGOS One (https://espargos.net/espargos-one)，请将其固件 (https://espargos.net/firmware/)更新到*dev*分支的最新版本以启用此功能。硬件已经支持它。我们目前提供"IQ信号分析器"演示应用，但正在开发其他演示应用，包括针对任意信号的适配实时增强现实演示。 ESPARGOS One (https://espargos.net/espargos-one)上的IQ采样实现甚至比基于浏览器的演示（ESP-WebSDR）更强大： - 更高的吞吐量/占空比：ESPARGOS One (https://espargos.net/espargos-one)使用内部SPI传输接口，这比ESP-WebSDR使用的UART接口快得多。 - 信号触发：ESPARGOS One (https://espargos.net/espargos-one)可以配置为仅在检测到信号时流式传输样本，而不是流式传输所有样本（大部分是静默）。 除了现有的基于Wi-Fi信道状态信息（CSI）的演示外，ESPARGOS One (https://espargos.net/espargos-one)现在还可以用作2.4 GHz ISM频段的低成本八通道SDR平台，以低占空比运行。原始IQ采集相对于已处理CSI的优势包括： - 定位任意信号：ESPARGOS One (https://espargos.net/espargos-one)现在可用于定位2.4 GHz ISM频段中的任意信号，而不仅仅是Wi-Fi信号。这包括**蓝牙**和**低功耗蓝牙**、**Zigbee**，以及以前不支持CSI捕获的Wi-Fi格式（例如，**802.11b**和具有**多空间流**的Wi-Fi信号）。 - 阵列增益：可以在中心进行信号处理和解码，提高弱信号性能。 - 特殊波形：ESPARGOS One (https://espargos.net/espargos-one)现在可以用于更适合特定应用的波形，例如脉冲压缩雷达。更好的是，一些针对此类特殊应用的预处理可以在芯片本身上进行，因此不受吞吐量限制。 **文档进行中：**原始IQ采样启用的额外功能尚未完全包含在ESPARGOS库文档、演示、手册或数据手册中。 ## 局限性 在80 MSa/s和每样本32位的情况下，调制解调器以**2,560 Mbit/s**的速度向SRAM写入数据。将这些样本从芯片上取出是瓶颈：输出链接要慢得多。 一个2560 Mbit/s的输入管道将调制解调器连接到SRAM。输出管道显示UART为3 Mbit/s，SPI约为13.3 Mbit/s，ESP32-S31高速USB为480 Mbit/s，千兆以太网为1000 Mbit/s。宽度采用平方根刻度。吞吐量有限：虽然调制解调器可以捕获80 MSa/s，但瓶颈是将样本从芯片上取出。因此，我们的固件以极低的占空比流式传输IQ样本，这足以在浏览器中显示实时频谱和频谱图。捕获窗口之间到达的数据包可能会丢失。 ## SoapyESPSDR：GNU Radio 和 gqrx SoapyESPSDR (https://github.com/ESPARGOS/SoapyESPSDR)是我们为**ESP32-S31**开发的仅接收SoapySDR驱动程序。它通过千兆以太网从运行ESP-SDR固件的开发板流式传输IQ样本，使接收器可供**GNU Radio**和**gqrx**等通过其SoapySDR支持的应用使用。 S31支持8 MSa/s和16 MSa/s的连续接收；更高的采样率需要降低占空比。 **开发中：**一切就绪后，我们将很快发布固件和SoapySDR驱动程序仓库。 即将推出。 使用SoapyESPSDR驱动程序连接到ESP32-S31的gqrx，显示2.462 GHz附近的频谱和频谱图。(https://espargos.net/espsdr/gqrx-esp-sdr.png)通过SoapyESPSDR在gqrx中进行ESP32-S31 IQ接收。点击查看完整尺寸。 ## 更多信息和固件 - ESP-SDR固件 (https://github.com/ESPARGOS/esp-sdr)：固件源代码和构建说明。 - ESP-WebSDR浏览器界面 (https://github.com/ESPARGOS/esp-web-sdr)：基于浏览器的频谱查看器和固件刷写器。 - ESPARGOS One (https://espargos.net/espargos-one)的固件目前仍然是闭源的，但我们现在正考虑将其开源，因为我们一直保密的这个"秘密"IQ功能已被公开。 ## 常见问题解答 是的，这也是可能的。在ESPARGOS One (https://espargos.net/espargos-one)上，甚至相位相干发送也是可能的。但是，由于潜在的误用风险，我们目前不提供发送器实现。 不，这是ESP32调制解调器的一项功能，未在公开数据手册中记录。就我们所知，这不是一个安全漏洞，而是一个可用于SDR应用的未记录能力。话虽如此，许多ESP32设备连接到各种云服务，允许制造商远程更新固件。如果在ISM频段中传输敏感数据而未加密，这可能会带来安全问题。在这种情况下，根本问题是未加密的传输。另一方面，ESP32发送任意信号的能力可能会被滥用进行干扰或其他恶意目的，这就是我们目前不提供发送器实现的原因。 由于大多数ESP32型号的占空比限制，使用这些应用与SDR模式没有太大意义。对于ESP32-S31，我们的SoapyESPSDR驱动程序 (https://espargos.net/espsdr/#soapyespsdr)通过千兆以太网提供与GNU Radio、gqrx和其他SoapySDR兼容应用程序的集成。 ESP-SDR目前支持原始ESP32、ESP32-C3、ESP32-C5、ESP32-C6、ESP32-C61、ESP32-S2、ESP32-S3和ESP32-S31。我们正在努力扩大支持的ESP32芯片范围。很可能支持更多型号，但每个芯片需要自己的实现。 是的，这是可能的。外部混频器可以将其他频段的信号转换到ESP32的发送/接收范围内。我们已经为这个目的开发了多通道原型硬件。 ## 致谢 用户*h0m3us3r*在我们的公告前几天，首先在Reddit (https://www.reddit.com/r/esp32/comments/1wq37xz/got_raw_iq_streaming_out_of_an_esp32s3_at_80_mss/)上公开了ESP32-S3的这个功能，包括固件源代码。他们使用额外的FPGA来处理传输，实现了80 MSa/s的持续吞吐量。由于我们已经独立研究IQ捕获好几个月了，我们也希望与社区分享我们的发现。