SOVA: o scanner que encontra o sinal do rádio-controle de um operador de drone abaixo do ruído

1. O que é

SOVA é um sistema de recepção autônomo em uma única placa SDR. Ele varre a faixa de 100–1500 MHz, encontra o sinal do rádio-controle de um operador de drone com o protocolo ExpressLRS (ELRS) abaixo do nível de ruído e o coloca em rastreamento sem qualquer intervenção de operador. Pela primeira vez no mundo, a busca de um sinal com salto de frequência abaixo do ruído foi resolvida em uma placa compacta com um único canal de recepção: da antena até a decisão «alvo presente» decorrem 2.56 s.

2. Principais resultados

Os níveis de sensibilidade foram medidos em bancada com um estímulo LoRa SF6…SF9 em uma célula conhecida. A operação com um rádio-controle real de operador de drone foi verificada no ar com o salto de frequência (FHSS) ativado: o receptor registra o sinal do rádio-controle no bloco de 915 MHz em cada passagem com uma relação entre sinal e limiar de decisão acima de 30, e em um dia de sessão contínua acumula mais de 260 mil observações. O limiar de decisão é definido a partir da taxa de falsos alarmes calculada: na série de medições o limiar $r_{\mathit{MAX}}=1.1717$ corresponde a uma probabilidade de falso alarme de 1/101 por decisão, enquanto no modo operacional o limiar em sigmas resulta em cerca de uma decisão falsa por hora em toda a faixa.

3. Alcance de detecção

Limiar de detecção em decibéis em relação ao ruído do receptor em uma faixa de 38.4 MHz: conservadoramente −28.3 dB, no modo COARSE até −38.6 dB. Alcance de detecção calculado para um rádio-controle de operador de 100 mW com antena de 2 dBi, antena receptora de 2 dBi, pelo modelo de balanço de enlace com reflexão no solo e horizonte de rádio:

Condições	Limiar conservador −28.3 dB	Melhor −38.6 dB
Terreno aberto, antena a 2 m	6…8 km, horizonte 11 km	11…14 km, horizonte 11 km
Área urbana densa, antena a 2 m	2…2.5 km	3.6…4.6 km

Tempo até a detecção: decisão sobre um bloco em 2.6 s, varredura completa da faixa de 100–1500 MHz em 21 s. Um rádio-controle recém-ligado será encontrado no máximo em 24 s.

Para um rádio-controle de 1 W, o nosso alcance de detecção do sinal ELRS em terreno aberto é limitado apenas pelo horizonte de rádio.

4. Por que este é um problema difícil

Um rádio-controle ELRS não tem frequência fixa. Sua energia está dispersa em frequência por 40 canais e no tempo: o pacote é mais curto do que o intervalo entre os saltos, e no restante do tempo o canal fica em silêncio. No momento da observação são desconhecidos o canal, a fase dos saltos, o modo e o fator de espalhamento SF6…SF9. A amplificação não ajuda aqui: o ruído cresce junto com o sinal. Resolvemos este problema com a estrutura do sinal e o acúmulo de evidências: a grade de canais coincide com a grade de células do receptor, os saltos têm cadência constante, o chirp LoRa é comprimido por dechirp, e a evidência se acumula de exposição em exposição até uma decisão segura.

5. ELRS para o especialista

A grade FCC915 contém 40 canais a partir de 903.5 MHz em passos de 600 kHz, uma extensão de 23.4 MHz. Modulação LoRa: chirp com 500 kHz de largura, fatores de espalhamento SF6…SF9. Os seis modos M0…M5 diferem no intervalo de salto, de 10 a 80 ms, e no fator de espalhamento; o pacote é sempre mais curto do que o intervalo.

O salto de frequência é determinístico: um gerador LCG a partir da semente define uma sequência de 256 posições, das quais 240 são tomadas como seis blocos de 40 canais, e o canal de sincronização 20 ocupa posições fixas. O espaço de sementes é $2^{31}$. Para um observador externo, isso parece rajadas curtas aleatórias em frequências diferentes. É exatamente essa estrutura que o scanner SOVA utiliza: 600 kHz por célula, a cadência dos saltos, a forma do chirp e a persistência da evidência no tempo.

6. Como fazemos

Hardware. A imagem de firmware do scanner carrega o índice interno A00. Placa PlutoSky R1: SoC Zynq XC7Z020-2 com processador ARM Cortex-A9 e FPGA Artix-7, transceptor AD936x, 1 GB de memória, Linux. Amostragem a 30.72 MHz, FFT de 2048 pontos, bin de 15 kHz, 48 células de 600 kHz por bloco com 28.8 MHz de largura, 49 blocos em 100–1500 MHz. Exposição de varredura 5 ms, exposição de evidência 40 ms. A FPGA calcula os espectros e acumula a energia das células no ritmo da amostragem; o processador toma as decisões.

O método Attention. Cada célula é comparada com a sua própria referência $B$, a mediana dos 256 registros anteriores, e o fator comum $g$ remove as variações de ganho do receptor:

$$\tilde{z}=\frac{x/(\mathit{gB})-1}{\max ({\sigma }_{\mathit{fa}},{\sigma }_{\mathit{floor}})}$$

O limiar é definido em sigmas a partir da separabilidade de projeto $d\prime =6$: $\theta =1.2d\prime \sigma$, para um único registro 7.22σ. A decisão se apoia em três evidências independentes: o contraste local em janelas de 1, 8 e 64 registros, a soma e o máximo sobre as exposições. Um bloco passa pelos estados QUIET → SUSPECT → CONFIRM → TRACK com tempos de retenção de 0.8 s, 5 s, 2 s e 60 s. Rajadas simultâneas em três ou mais células não adjacentes em 100 ms o scanner classifica como interferência, e células com proporção de registros quentes acima de 25 % como linhas permanentes, excluindo ambas das decisões. O modo DEEP acrescenta o dechirp sob uma hipótese de SF; o modo COARSE oferece a maior margem de sensibilidade durante a varredura.

7. O que o cliente recebe

SOVA é hoje um scanner autônomo em funcionamento que encontra o sinal do rádio-controle de um operador de drone 28…38 dB abaixo do ruído em uma faixa de 38.4 MHz, toma uma decisão em 2.56 s e sustenta um dia inteiro de operação no ar sem intervenção humana. Pela primeira vez no mundo um resultado assim foi alcançado em uma única placa SDR, e cada número deste documento foi obtido por medição.