树莓派开启FM广播电台、广播指定的音乐或实时语音

本教程仅用于科研和学习交流，广播功率很小。请遵守国家有关电信管理法规。

基本原理:从奥斯特、法拉第到麦克斯韦，从电容、电感到电磁波天线。

本文配套B站视频：子豪兄弟树莓派零基础教程

【子豪哥树莓派零基础教程】第五讲:用树莓派搭建FM广播电台播放音乐和实时语音

作者:张子豪(同济大学研究生)

请参阅本教程Github代码仓库

• 材料准备
• 安装配置
• 广播内置歌曲：吉他音乐
• 广播歌曲：星球大战
• 广播实时语音
• 潜在应用领域
• 声明
• 调频广播和天线的基本原理
  • 高中物理课本相关内容
  • 电波发射和信号采样
  • 调频与调幅搭载信息
  • PWM：脉冲宽度调制
  • 树莓派的硬件基础：CPU、GPIO
  • DMA直接内存访问和扩频时钟
  • 调频得到传输信号
  • 树莓派天线长度
  • 估计传播距离
• 扩展阅读和参考文献

以下八项命令依次运行在树莓派命令界面上

mkdir fm  cd fm  sudo git clone https://github.com/markondej/fm_transmitter  sudo apt-get install mpg123  sudo apt-get install gcc g   make  cd fm_transmitter  sudo make  sudo apt-get install sox 

请注意，以后的所有命令都需要在fm/fm_transmitter在目录下执行。可以通过。cd fm/fm_transmitter命令切换到此目录。

sox acoustic_guitar_duet.wav -r 22050 -c 1 -b 16 -t wav - | sudo ./fm_transmitter -f 100.6 - 

sudo git reset --hard 71e7e23a0e  sox star_wars.wav -r 22050 -c 1 -b 16 -t wav - | sudo ./fm_transmitter -f 100.6 - 

按ctrl c结束广播。

git reset命令是将目录返回到以前的指定版本。如果您想切换到最新版本，可以运行sudo git reset --hard 6111460命令。

在树莓派的USB口插上USB声卡，在USB将麦克风插入声卡的麦克风孔中，运行以下命令，调频100.6MHz频道广播实时语音，您也可以在此命令中使用100.6改为其他数字，将在新频道广播：

arecord -D plughw:1,0 -c1 -d 0 -r 22050 -f S16_LE | sudo ./fm_transmitter -f 100.6 - 

按ctrl c结束广播。

利用移动电源向覆盆子派供电，设置无密码自动登录和自动运行广播脚本，将整个系统安装在书包中，实现广播（旅游景点、重要场所演讲、窃听器、位置信标）。结合无线电源或太阳能，可实现半永久性听广播站。

应用领域：警用军用情报、边防与国家安全、智能安保安防、环境灾害、地质灾害预警

例如，大佬做讲座的报告厅人满为患，就可以做一个fm广播站，让堵在门外的人也能听到实时语音。

本教程仅供科研与学习交流之用，广播覆盖范围不超过十米。如想搭建大功率电台请遵守国家法律法规按正规流程申请备案。

中华人民共和国无线电管理条例

摘录：

第五条 国家鼓励、支持对无线电频谱资源的科学技术研究和先进技术的推广应用，提高无线电频谱资源的利用效率。

第十四条 使用无线电频率应当取得许可，但下列频率除外：

（一）业余无线电台、公众对讲机、制式无线电台使用的频率；

参考资料：知乎：树莓派 FM 发射机小电台原理解析

信号采样

PWM脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation) 是使用离散的数字信号生成连续的模拟信号的方法。主要由 2 个参数来定义：占空比和频率。如果以保持一定的速率开关数字信号并且保持一定的占空比，那么输出看起来就像恒定电压模拟信号。

DMA: 直接内存访问(Direct Memory Access)。不用跟CPU打招呼就可以直接访问内存。

基带信号 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7Xq2g5AD-1650426440085)(https://www.zhihu.com/equation?tex=x_%7Bm%7D%28t%29)] ，载波频率 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Zis6g5sl-1650426440085)(https://www.zhihu.com/equation?tex=+f_%7Bc%7D)] ，正弦载波为 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-VVmKHYmI-1650426440086)(https://www.zhihu.com/equation?tex=x_%7Bc%7D%28t%29%3DA_%7Bc%7D+%5Ccos+%5Cleft%282+%5Cpi+f_%7Bc%7D+t%5Cright%29)] 将基带数据信号与载波结合起来得到了传输信号

其中 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-PGPPfWow-1650426440086)(https://www.zhihu.com/equation?tex=f%28%5Ctau%29)] 为传输信号的瞬时频率， [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-l7gJFKLf-1650426440087)(https://www.zhihu.com/equation?tex=f_%7B%5CDelta%7D)] 为频偏表示相对载波频率 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-PJTKZKCj-1650426440087)(https://www.zhihu.com/equation?tex=f_%7Bc%7D)] 的最大频率偏移。

调频输出的是模拟信号，利用时钟产生 PWM 调整占空比和频率，就可以利用数字信号生成模拟信号。

• 波长： [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1HDcVvJ1-1650426440087)(https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Clambda%3Dc%2Ff)]
• 偶极子天线：制作偶极子天线时，会通过工作波长来确定天线的长度。最常见的偶极子天线是半波天线，它的总长度近似为工作波长的一半，即 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-IlPLXDSk-1650426440088)(https://www.zhihu.com/equation?tex=+L%3D%5Clambda+%2F+2)]

如果需要发射100MHz的FM信号,根据上面的公式来计算，就需要1.5m长的天线。

>>> 3*10**8 / (2 * 100 * 10**6)
1.5

所以理论上如果给树莓派 GPIO(PIN4) 加上了一根 1.5m 的天线，那么就可以输出最大功率的 FM 信号。

首先需要计算有效全向辐射功率(EIRP)

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ghWmbLEf-1650426440088)(https://www.zhihu.com/equation?tex=EIRP+%3D+P±+Loss+%2BG)]

其中 P 为发射机的输出功率(dBm)，Loss 为发射机输出端与天线馈源之间的馈线损耗(dB)，G 为天线的发送增益(dBi)。求出 EIRP 后可以进而获得自由空间路径损失（Free Space Path Loss，FSPL）。

但是使用这个公式估算，意义不是太大。实际测量，如果使用一根 10cm 的杜邦线作为天线，一个楼梯拐角信号就已经非常弱了。

让树莓派说出自己的ip地址

Bilibili视频：【熟肉】教你用树莓派制作可以进行语音直播的FM调频无线电台

知乎：树莓派 FM 发射机小电台原理解析

国外参考文献：

• [1] Eben Upton and Gareth Halfacree. Raspberry Pi user guide. John Wiley & Sons, 2014.
• [2] Oliver Mattos and Oskar Weigl. Turning the Raspberry Pi Into an FM Transmitter. http://www.icrobotics.co.uk/wiki/index.php/Turning the Raspberry Pi Into an FM Transmitter, 2015.
• [3] Christophe Jacquet. FM-RDS transmitter using the Raspberry Pi’s PWM . https://github.com/ChristopheJacquet/PiFmRds, 2014.
• [4] Richardson. Turning the Raspberry Pi Into an FM Transmitter. http://www.icrobotics.co.uk/wiki/index.php/Turning_the_Raspberry_Pi_Into_an_FM_Transmitter, 2015.