用樹莓派搭建FM廣播，播放音樂和實時語音
用樹莓派搭建FM廣播，播放音樂和實時語音
樹莓派開啟FM廣播台，廣播指定的音樂或實時語音
本教程僅供科研與學習交流之用，廣播功率很小。請務必遵守國家相關電信管理法規。 基本原理：從奧斯特、法拉第，到麥克斯韋，從電容、電感到電磁波天線。 本文配套B站視頻：子豪兄的樹莓派零基礎教程
【子豪兄的樹莓派零基礎教程】第5講：用樹莓派搭建FM廣播電台，播放音樂和實時語音
作者：張子豪（同濟大學在讀研究生）
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目錄
- 材料準備
- 安裝配置
- 廣播內置歌曲：吉他音樂
- 廣播歌曲：星球大戰
- 廣播實時語音
- 潛在應用領域
- 聲明
- 調頻廣播和天線基本原理
- 高中物理課本相關內容
- 電波發射與信號採樣
- 調頻與調幅搭載信息
- PWM：脈衝寬度調製
- 樹莓派的硬體基礎：CPU、GPIO
- DMA直接內存訪問與擴頻時鐘
- 調頻得到傳輸信號
- 樹莓派天線長度
- 傳播距離估計
- 擴展閱讀與參考文獻
材料準備
- 樹莓派3B或樹莓派3B+
- SD卡已燒錄好系統並完成一系列配置（換源等），具體操作可按照第3講：一勞永逸配置樹莓派【子豪兄的零基礎樹莓派教程】步驟一步步進行
- 一台收音機，或安裝有收音機app的手機
- （可選）麥克風。用於廣播實時語音
- （可選）USB音效卡。用於廣播實時語音
音效卡是幹啥的？
音效卡是將話筒接受到的外界聲音信號（連續的模擬信號）轉換為離散數字信號（數模轉換）並傳輸給計算機（樹莓派）進行處理的數字電路。USB音效卡就是通過USB口提供聲音功能（耳機、麥克風）的裝置。
安裝配置
在樹莓派的命令行界面依次運行以下八條命令
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
注意，後文的所有命令都需要在
fm/fm_transmitter目錄下執行。可以通過cd fm/fm_transmitter命令切換到這個目錄下。
廣播內置歌曲：吉他音樂
sox acoustic_guitar_duet.wav -r 22050 -c 1 -b 16 -t wav - | sudo ./fm_transmitter -f 100.6 -
也可以把這條命令中的100.6改成其它數字，即可在新頻道上廣播。不要和已有電台頻率衝突。
也可以將你自己的wav格式的聲音文件放到/fm/fm_transmitter文件夾中，替換命令中的star_wars.wav文件。 WAV是最接近無損的音樂格式，所以文件也比較大。 在樹莓派GPIO的BCM4號引腳上接一條跳線，可以提升廣播效果。 本教程僅供科研與學習交流之用，廣播覆蓋範圍不超過十米。如想搭建大功率電台請遵守國家法律法規按正規流程申請備案。（請看文末聲明）
廣播歌曲：星球大戰
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結束廣播。
git reset命令是使所在目錄回退到之前的指定版本，如果你想切換回最新版本，可以運行sudo git reset --hard 6111460命令。
廣播實時語音
在樹莓派的USB口插上USB音效卡，在USB音效卡的麥克風孔里插入麥克風，運行以下命令，在即可在調頻100.6MHz頻道廣播實時語音，你也可以把這條命令中的100.6改成其它數字，那樣就會在新頻道上廣播：
arecord -D plughw:1,0 -c1 -d 0 -r 22050 -f S16_LE | sudo ./fm_transmitter -f 100.6 -
按ctrl+c結束廣播。
潛在應用領域
用移動電源給樹莓派供電，設置開機免密碼自動登錄和自動運行廣播腳本，將整個系統裝在書包里，即可實現走到哪裡，廣播開到哪裡（旅遊景點、重要會場講話、竊聽器、位置信標）。與無線供電或太陽能相結合，可以實現半永久性的竊聽廣播站。
應用領域：警用軍用情報、邊防與國家安全、智能安保安防、環境災害、地質災害預警
例如，大佬做講座的報告廳人滿為患，就可以做一個fm廣播站，讓堵在門外的人也能聽到實時語音。
例如，如果有竊賊或非法入侵者觸發了信號（如紅外探頭、微動開關等），就立刻開啟fm廣播電台。
例如，樹莓派每次開機的時候都在指定頻段廣播自己的ip地址。
聲明
本教程僅供科研與學習交流之用，廣播覆蓋範圍不超過十米。如想搭建大功率電台請遵守國家法律法規按正規流程申請備案。
中華人民共和國無線電管理條例 摘錄： 第五條 國家鼓勵、支持對無線電頻譜資源的科學技術研究和先進技術的推廣應用，提高無線電頻譜資源的利用效率。 第十四條 使用無線電頻率應當取得許可，但下列頻率除外： （一）業餘無線電台、公眾對講機、制式無線電台使用的頻率；
調頻廣播和天線基本原理
參考資料：知乎：樹莓派 FM 發射機小電台原理解析
高中物理課本相關內容
電波發射與信號採樣
信號採樣
調頻與調幅搭載信息
PWM：脈衝寬度調製
PWM脈衝寬度調製(Pulse Width Modulation) 是使用離散的數字信號生成連續的模擬信號的方法。主要由 2 個參數來定義：占空比和頻率。如果以保持一定的速率開關數字信號並且保持一定的占空比，那麼輸出看起來就像恆定電壓模擬信號。
樹莓派的硬體基礎：CPU、GPIO
DMA直接內存訪問與擴頻時鐘
DMA: 直接內存訪問(Direct Memory Access)。不用跟CPU打招呼就可以直接訪問內存。
絕大多數的的微處理器都有擴頻時鐘(Spread-spectrum clock)，目的是為了降低電磁干擾(EMI)，在樹莓派 BCM28XX 系列晶元上，擴頻時鐘的範圍為 1MHz 到 250MHz，這正好用作 FM 的載波信號。
為了減少CPU佔用，作者對程序進行了改進，使用樹莓派 DMA 產生基礎時鐘。
調頻得到傳輸信號
基帶信號
，載波頻率
，正弦載波為
將基帶數據信號與載波結合起來得到了傳輸信號
其中
為傳輸信號的瞬時頻率，
為頻偏表示相對載波頻率
的最大頻率偏移。
調頻輸出的是模擬信號，利用時鐘產生 PWM 調整占空比和頻率，就可以利用數字信號生成模擬信號。
樹莓派天線長度
- 波長：
- 偶極子天線：製作偶極子天線時，會通過工作波長來確定天線的長度。最常見的偶極子天線是半波天線，它的總長度近似為工作波長的一半，即
如果需要發射100MHz的FM信號,根據上面的公式來計算，就需要1.5m長的天線。
>>> 3*10**8 / (2 * 100 * 10**6)
1.5
所以理論上如果給樹莓派 GPIO(PIN4) 加上了一根 1.5m 的天線，那麼就可以輸出最大功率的 FM 信號。
傳播距離估計
首先需要計算有效全向輻射功率(EIRP)
其中 P 為發射機的輸出功率(dBm)，Loss 為發射機輸出端與天線饋源之間的饋線損耗(dB)，G 為天線的發送增益(dBi)。求出 EIRP 後可以進而獲得自由空間路徑損失（Free Space Path Loss，FSPL）。
但是使用這個公式估算，意義不是太大。實際測量，如果使用一根 10cm 的杜邦線作為天線，一個樓梯拐角信號就已經非常弱了。
擴展閱讀與參考文獻
讓樹莓派說出自己的ip地址
Bilibili視頻：【熟肉】教你用樹莓派製作可以進行語音直播的FM調頻無線電台 知乎：樹莓派 FM 發射機小電台原理解析國外參考文獻：
- [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.
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