Denti, jammer e a letto! Per punire i figli, un padre oscura smartphone e wi-fi del vicinato

Storia davvero incredibile in Aquitania, in Francia, dove un intero villaggio, Messanges, è stato tagliato fuori dai servizi di telefonia cellulare e di Internet per colpa di un genitore preoccupato per le ore che i suoi figli adolescenti trascorrevano, di notte, navigando sullo smartphone. Il solerte papà ha pensato bene di acquistare online un jammer, un dispositivo di disturbo, che veniva attivato quando per i ragazzi arrivava l'ora di andare a letto. Risultato: tutta Messanges si è vista bloccare le frequenze del 4G. Potenzialmente un jammer è in grado di disturbare anche i router Wi-Fi su 2.4 e 5.8 GHz.

La notizia è stata anticipata da Radio France Bleu Gascogne, l'emittente pubblica regionale, che ha ripreso un comunicato, tecnico ma molto divertito, della ANFR, Agence Nationale des Fréquences, l'ente che sorveglia le violazioni delle normative sullo spettro elettromagnetico. L'agenzia pubblica addirittura la fotografia dell'apparecchio sequestrato al proprietario, che secondo la legge francese rischia una sanzione penale fino a sei mesi di reclusione e un'ammenda fino a 30 mila euro, oltre alla multa di 450 euro che l'ANFR può applicare per coprire le spese di intervento [via Paolo Romani]. 

Il 2021 degli "smanettoni" digitali (e open source) della radio

Uno degli aspetti più stimolanti dell'hobby radioamatoriale è la vocazione alla sperimentazione. Oggi non tutti i radioamatori sono "smanettoni" come un tempo: molta tecnologia è commerciale, "off the shelf", e relativamente plug and play, accessibile anche a un non ingegnere. In compenso, la percentuale di sperimentatori veri è estremamente attiva e numericamente consistente. Tra i possessori di licenza con laurea in ingegneri a e fisica, diversi mettono a frutto i loro titoli per trovare nuove modalità di trasmissione, apparecchiature, antenne. Forse il caso più rappresentativo è quello del premio Nobel per l'astrofisica, Joe Taylor, K1JT, noto per aver sviluppato protocolli per trasmissioni digitali che funzionano al limite di Shannon, la soglia sotto la quale non è possibile trasmettere informazione a causa di errori e rumore. 

Nel trasmissione radio digitale si concentrano molti dei progetti più interessanti di questi ultimi vent'anni. Alcuni dei progetti più recenti vengono citati nel report annuale per il 2021 della Amateur Radio Digital Communications (ARDC), una fondazione che promuove - l'anno scorso sono stati erogati 8 milioni di dollari per progetti di ricerca e diffondere la conoscenza delle tecnologie digitali applicate al settore delle radiocomunicazioni - la scienza e la tecnologia per l'avanzamento di una attività nata ai tempi in cui anche la radiotrasmissione della voce era una novità stravolgente. Forse non tutti i radioamatori sanno che alla ARDC all'inizio degli anni '80 Jon Postel in persona, allora a capo della IANA, l'ente che attribuiva gli indirizzi IP, allocò uno spazio di indirizzamento di oltre16 milioni di numeri (dal 44.0.0.0 al 44.255.255.255) agli sperimentatori intenzionati a sviluppare progetti di natura radioamatoriale per Internet. Quella sottorete, AMPRnet, dal 2011 viene gestita da ARDC, allora costituitasi come organizzazione no profit riconosciuta da IANA, ARIN e altri "registries" di Internet.

Tutto comincia nel 1978, con quattro radioamatori canadesi che studiano la possibilità di inviare via radio, oltre alla voce e alla telegrafia in Morse e telescrivente, dei brevi messaggi digitali. Nel memoriale di uno dei quattro, Robert Rouleau, VE2PY, si legge che l'ispirazione per i primi esperimenti con dei radio-modem (allora si viaggiava alla stratosferica velocità di 9600 baud, comunque molto di più dei 45 standard per la radiotelegrafia a due toni), venne dalle ricerche effettuate una decina d'anni prima all'Università delle Hawaii, intenzionata a mettere in rete, via radio, i computer dislocati sui diverse isole dell'arcipelago. Quando ALOHAnet (what else?) diventò operativa nel 1971, la sensazione tra i computer scientist andò ai massimi. Bob Metcalfe e David Boggs utilizzarono lo stesso concetto di trasmissione a pacchetto dopo il 1973, nella rete che lo Xerox PARC di Palo Alto aveva chiesto loro di costruire: quella rete si chiamava Ethernet. Cinque anni dopo, Rouleau e compagni mettono a punto, al livello OSI del "data layer" i protocolli AX.25, variante radioamatoriale, del protocollo ITU X.25. Altri quattro anni trascorrono fino al 1982, quando Bob Bruninga, radioamatore e ingegnere all'accademia navale della Marina americana, applica i frame del protocollo AX.25 alla trasmissione VHF della posizione delle navi militari, realizzando la prima soluzione di tracciamento via radio, il sistema APRS, Automatic Packet Reporting System. Bob Bruninga, WB4APR, malato di cancro e di Covid, è diventato "silent key" pochi giorni fa. Nel gergo radioamatoriale, il suo tasto telegrafico e il suo cuore hanno cessato di battere.  

Vi suggerisco di scaricare e leggere il report ARDC anche per avere un'idea del numero di iniziative, molte delle quali svolte in ambienti di calcolo e sviluppo hardware e software open source. Forse uno dei più rappresentativi riguarda l'iniziativa M17, un protocollo per la radio digitale radioamatoriale alternativo a quelli commerciali, spesso vincolati all'impiego di apparati ricetrasmittenti dei grandi brand americani e giapponesi. Ma vengono citati tanti altri progetti su cui voglio assolutamente intervenire in futuro, uno tra tutti Allstarlink, un sistema VOIP Linux based per interconnettere tra loro più ripetitori digitali ed estendere in questo modo la copertura territoriale di un singolo ponte radio. A differenza dei sistemi che lo precedono, come IRLP e EchoLink, concepiti per collegare via VOIP i classici ripetitori analogici, Allstarlink nasce come sistema digitale end-to-end, accessibile con radio digitali e addirittura con applicativi VOIP installati su pc, smartphone e tablet (cosa che lo rende un po' controverso tra i "puristi" della radio.

TinyGS, in costante dialogo con i nanosatelliti in orbita

Grazie al progetto TinyGS, staccare un biglietto per la Internet delle Cose nello spazio costa molto meno di un passaggio sul Virgin Galactic. In passato abbiamo già discusso delle possibilità offerte dalle schedine RF utilizzate nel campo della M2M (Machine to Machine communication), in particolare in ambiente LoRa. La diffusa presenza di schede a fattore di forma molto ridotto (per intendersi, anche più piccolo di un modulo di memoria RAM) basate su microcontrollori ESP32 della Espressif, è stata ampiamente sfruttata dagli sperimentatori dei sistemi di ricezione delle radiosonde UHF, proprio in virtù della possibilità di realizzare con pochi, economici componenti ricevitori SDR standalone e superportatili, con i quali poter comodamente andare alla caccia delle radiosonde ritornate a terra. Una semplice modifica del firmware di queste schedine - una sigla tra tutte, TTGO - consente di impostare i corretti parametri di ricezione di dispositivi, le radiosonde meteorologiche stratosferiche, che utilizzano nelle versioni più recenti la modulazione GMSK, variante della tradizionale FSK, a sua volta basata sull'alternarsi regolare di due "toni" trasmessi in FM. 

Il vantaggio delle schede TTGO - a parte peso, dimensioni e prezzo molto ridotti - è la flessibilità nel supportare tutta una serie di schemi di modulazione, incluso appunto il CSS, o Chirp Spread Spectrum, caratteristico della air interface LoRa, oggi considerato il sistema principe della comunicazione della IoT, la Internet delle Cose, in ambito industriale, ambientale e così via. Inutile dilungarsi troppo su questo schema in cui il contenuto informativo, il "simbolo" viene trasmesso con una opportuna combinazione di "chirp". Il chirp può essere equiparato a un fischio che aumenta (upchirp) o diminuisce (downchirp) linearmente di frequenza più o meno veloce nel tempo partendo da una frequenza iniziale, arrivando a quella finale e ricominciando da capo. Lo spread spectrum, o spettro allargato, consiste proprio in questo: il chirp occupa l'intera larghezza di banda a esso assegnato. Per il LoRa, un canale può essere largo 125, 250 o 500 kHz centrati sui 433 e 868-70 MHz. Visualizzato in un waterfall, il CSS appare come una colonna di rampe di inclinazione e durata variabile. Ho trovato una pagina, curata da Fabrizio I4NKF che spiega bene gli aspetti più tecnici sul sito dei Radio Makers (aspettatevi diverse formule e qualche integrale: è per il vostro bene). 

Ma torniamo a TinyGS, una piattaforma open source concettualmente simile alle reti di monitoraggio diffuso, che animano tanti siti di tracciamento degli aerei in volo. Il target non è però la ricezione dei messaggi dei radar secondari ADS-B, bensì i flussi che arrivano dai cubesat LoRa che stanno popolano le orbite basse intorno alla terra. Per esempio, i primi esemplari della costellazione dei picosatelliti FOSSA Systems, una società spagnola che prevede di lanciare entro il 2024 qualcosa come 80 cubetti orbitali di 10 centimetri di lato equipaggiati con un ricetrasmettitore LoRa e offrire copertura M2M a livello planetario. La parola chiave qui è ricetrasmettitore: a differenza delle piattaforme ADS-B, la rete delle ground station TinyGS è potenzialmente in grado di comunicare con i satelliti che dispongono di modalità  "DIGIPEATER" e di stabilire dei veri e propri scambi di messaggi su distanze molto grandi. Anche se quest'ultima possibilità, mi pare di capire, è in fase molto embrionale.

Allestire una stazione di sola ricezione non è difficile. Un buon punto di partenza è l'eccellente howto realizzato da Harm van den Brink da cui ho tratto molti dettagli. In sostanza basta procurarsi una scheda tipo TTGO compatibile con i chipset LoRa serie SX126x e 127x e prelevare su Github il firmware necessario per flasharla. Indispensabile una antenna come una groundplane o un dipolo tagliata per i 433 MHz e magari un amplificatore LNA e un filtro arrestabanda per escludere l'FM. Su GitHub troverete una wiki con utili dettagli. I segnali raccolti dal network vengono poi visualizzati sulla mappa dinamica del sito ufficiale TinyGS e ritrasmessi attraverso il canale Telegram utilizzato dai membri della community. 

Se poi vi interessa seguire più da vicino il mondo dei nanosatelliti, ci sono le fantastiche risorse Web curate da Erik Kulu per promuovere la cosiddetta democratizzazione dello spazio: il sito New Space Index, corredato da Nanosats.eu (un catalogo di oltre 3300 nanosatelliti) e da Factories in Space, risorsa dedicata alla nascente industria della manifattura nello spazio.

Sulle ali di ICARUS: tracciamento di animali dallo spazio

 Grazie a un amico, espertissimo radio monitor, ho imparato a conoscere un progetto di telerilevamento focalizzato sullo studio dei flussi migratori di uccelli e altri animali. ICARUS (International Cooperation for Animal Research Using Space) non è altro che un'applicazione IoT (Internet of Things) e si basa sulla ricezione satellitare di minuscole radiosonde - meno di 5 grammi di peso - che i volatili portano sul dorso come uno zainetto. In attesa che il progetto possa disporre di satelliti propri, Icarus ha coinvolto gli astronauti della Stazione Spaziale Internazionale, in particolare i russi (la ground station è infatti basata a Mosca). Nel 2018, durante la lunga passeggiata nello spazio di Sergei Prokopyev e Oleg Artemiev, è stato installato il modulo che si occupa della ricezione dei dati trasmessi dai "tag" e della trasmissione dei segnali di controllo. L'attivazione del servizio è avvenuta un paio d'anni dopo.

La ricezione di questi ultimi è abbastanza agevole: basta sintonizzarsi sui 468,1 MHz durante i numerosi passaggi in cui la ISS è visibile nell'orizzonte radio. Riceveri i tag, invece, non è altrettanto facile, a meno di trovarsi a breve distanza dai pennuti osservati. La radio di bordo, alimentata da un pannello solare di 2 centimetri quadri, lavora a soli 6 mW intorno alla frequenza di 403 MHz, quella delle meteosonde. La modulazione utilizzata, si legge nell'articolo pubblicato da Rohde&Schwarz, che ha sviluppato la tecnologia radio del progetto (qualcosa è disponibile anche in italiano), è una delle tante varianti della modulazione in fase in quadratura (QPSK), con una tecnica di multiplazione, il CDMA, che denuncia le origini "telefoniche cellulari" di questo tipo di comunicazioni. 

Le implicazioni di Icarus non sono così marginali. L'interesse nei confronti del tracciamento di certe specie può per esempio aiutarci a circoscrivere le infezioni da virus "zoonotici", capaci di saltare dagli animali all'uomo. Cosa che prima di Wuhan non sembrava costituire una grande minaccia. Tant'è vero che tra i possibili target di Icarus ci sono anche la famiglie di pipistrelli.  

Disavventure aeree per Elon Musk

Questa volta l'infallibile visio-milionario Elon Musk ha rimediato una figura da "poraccio", prendendosela con uno studente diciannovenne della Central Florida University "reo" di aver sviluppato un goliardico bot in Python capace di tracciare i voli del jet personale del Paperone della Tesla. Jack Sweeney, Jxck-S su GitHub, ha pensato bene di associare al suo bot un account su Twitter, @ElonJet. Col risultato che una comunità di 400 milioni di persone può monitorare istante per istante gli spostamenti del guru della tecnologia: il quale ovviamente non ha per niente gradito questo servizio non richiesto. Purtroppo per lui, anche il modo in cui Musk ha contattato Sweeney, offrendogli 5 mila dollari per disattivare il bot, non è stato accolto con favore dai social.

Una folla di persone (ElonJet vanta 276 mila follower) ha preso posizione a favore dell'irrispettoso studente, invitandolo a non arrendersi, almeno se non davanti a una somma con parecchi zeri in più. Al momento ElonJet funziona ancora e ci avverte che il velivolo di Musk è atterrato il 31 gennaio '22 a Harlingen, Texas, non lontano dal confine con il Messico.

Ma com'è possibile che un semplice studente possa avere accesso a dati che lo stesso Musk giudica "sensibili". Ovviamente grazie alla disponibilità di ricevitori SDR sintonizzati sulle frequenze (1090 MHz) del radar secondario del sistema ADS-B, utilizzato per il tracciamento e la telemetria degli aerei in volo. E del software che permette di condividere via rete le informazioni sugli aerei civili e militari che attraversano il cielo visibile via Web, grazie ad aggregatori che mappano - in tempo reale e con una precisione di pochi metri - i voli in tutto il mondo. 

Il bot programmato da Jack, plane-notify, attinge le sue informazioni di posizionamento da ADSBExchange e da Opensky Network, due progetti uno americano l'altro europeo, più precisamente svizzero, che si basano su comunità di volontari equipaggiati con dispositivi di ricezione e software di condivisione che nel caso di ADSBExchange è rigorosamente open source. Opensky Network nasce addirittura nel contesto di un consorzio inter-universitario che punta a rendere ancora più trasparente e sicura la navigazione aerea. 

Oltre ai dati di tracciamento del volo, in futuro il servizio vuole mettere a disposizione, per ora in differita, anche l'audio delle comunicazioni radio terra-aria. Tra l'altro partecipare a queste piattaforme è abbastanza facile e basta una chiavetta SDR e un piccolo computer come il Raspberry PI, anche se sul mercato, da fornitori come Jetvision, compaiono ormai diversi kit plug and play comprensivi di antenna, a prezzi inferiori ai 200 euro. 

SigDigger, il DSP oltre la demodulazione

Se guardo alle applicazioni di signal analysis più recenti, come SigDigger, mi rendo conto che paradossalmente, la comunità globale degli hobby radiofonici ha un'idea abbastanza limitata delle applicazioni SDR. L'elemento chiave per molti è la capacità di demodulare (magari dopo averlo comodamente salvato su disco) i segnali in ampie porzioni dello spettro RF, applicando efficienti filtri digitali, noise blanker e quant'altro. In realtà, tutto questo è solo un sottoinsieme dei risultati che si possono ottenere con l'approccio algoritmico utilizzato dai programmi SDR. È bene ricordare che questo tipo di software si basa su tecniche DSP (digital signal processing) che consentono di andare oltre la demodulazione dei modi più tradizionali (AM, SSB, FM) per entrare appunto nel vasto ambito dell'analisi del segnale. 

Eppure, quando ancora di SDR non si parlava molto, le prime applicazioni emerse dalla stessa comunità radioamatoriale, spesso venivano classificate tra gli strumenti di analisi spettrale, anche se lo spettro in questione era quello delle frequenze audio. Agli inizi degli anni 2000, pionieri come Spectrum Lab e Spectran venivano utilizzati per esplorare visualmente e rielaborare l'audio analogico acquisito con le schede audio del PC, sfruttando fino all'ultimo Hertz la loro striminzita larghezza di banda. I più sofisticati facevano dell'SDR vero e proprio demodulando la banda base del segnale dopo la conversione in frequenza intermedia dei ricevitori analogici.

Poi sono arrivati i ricevitori SDR che hanno aperto la strada a un trattamento più diretto della radiofrequenza e anche gli strumenti di software analysis si sono evoluti. Nel 2012 Radiopassioni dava notizia di un software russo, Signal Analyzer, che ancora oggi rappresenta un punto di riferimento per l'analisi approfondita delle forme d'onda. Nel 2019, annunciando l'arrivo delle prime versioni di SigDigger, il suo autore, l'astrofisico, programmatore e radioamatore spagnolo EA1IYR Gonzalo José Carracedo aka @BatchDrake, elencava una serie di funzionalità presenti e future che solo soluzioni molto più professionali e quasi certamente non free avrebbero potuto svolgere. SigDigger, scriveva BatchDrake «è stato progettato per estrarre informazioni da segnali sconosciuti», un traguardo ottenibile con un arsenale di tool tipici del DSP, messi a disposizione dei più avanzati esploratori delle trasmissioni radio:

• Both realtime and replay analysis modes
• Analog audio playback (AM, FM, LSB and USB) 
• Baseband recording (full spectrum and per-channel)
• Per-device gain presents
• Dynamic spectrum browsing
• ASK, FSK and PSK inspection
• Gradient-descent SNR calculation
• Different spectrum sources (cyclostarionary analysis, signal power…)
• Symbol recording and visualization
• Transition analysis

Planned features already implemented and just waiting to be exposed to the UI:

• Parameter estimation (baudrate, constellation order…)
• Fast symbol autocorrelation analysis
• Automatic calculation of scrambling polynomials
• Symbol stream codecs

Possible future features coming soon:

• Symbol tagging (correspondence between symbols and groups of bits)
• Automatic symbol tagging guessing
• Automatic convolutional code detection
• Viterbi decoding

Il software di BatchDrake è basato sul framework grafico QT e l'interfaccia e il motore del waterfall sono ispirati a GQRX, un'altra alternativa SDR per il mondo Linux/MacOS. A differenza di quest'ultimo, però, SigDigger non si basa su GNU Radio: tutto il DSP è originale. Le release iniziali di questo programma - indicato, come scriverebbe la Settimana Enigmistica, ai solutori più che abili - erano per Linux (e MacOS). In questi giorni su Twitter BatchDrake ha annunciato la disponibilità di un port per il sistema operativo Windows (per averlo bisogna contattare direttamente Carracedo, via Twitter o GitHub). Un buon esempio di ciò che un buon analizzatore di spettro è in grado di fare, è questo video proposto dall'autore del port Windows di SigDigger, arf20, SigDigger viene messo alla prova per estrarre l'informazione RDS da una trasmissione FM, utilizzando un nuova funzione di trattamento delle sottoportanti. Il video mostra come partendo dalla modulazione BPSK della sottoportante a 57kHz, sia possibile estrarre i "simboli" codificati nel segnale, ordinarli e interpretarli.