树莓派开启FM广播台，广播指定的音乐或实时语音
本教程仅供科研与学习交流之用，广播功率很小。请务必遵守国家相关电信管理法规。
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。
【子豪兄的树莓派零基础教程】第5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（同济大学在读研究生）
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知乎、简书专栏：人工智能小技巧
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树莓派3B或树莓派3B+
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SD卡已烧录好系统并完成一系列配置（换源等），具体操作可按照第3讲：一劳永逸配置树莓派【子豪兄的零基础树莓派教程】步骤一步步进行
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一台收音机，或安装有收音机app的手机
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（可选）麦克风。用于广播实时语音
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（可选）USB声卡。用于广播实时语音
声卡是干啥的？
声卡是将话筒接受到的外界声音信号（连续的模拟信号）转换为离散数字信号（数模转换）并传输给计算机（树莓派）进行处理的数字电路。USB声卡就是通过USB口提供声音功能（耳机、麦克风）的装置。
在树莓派的命令行界面依次运行以下八条命令
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，后文的所有命令都需要在
fm/fm_transmitter目录下执行。可以通过cd fm/fm_transmitter命令切换到这个目录下。
sox acoustic_guitar_duet.wav -r 22050 -c 1 -b 16 -t wav - | sudo ./fm_transmitter -f 100.6 -
也可以把这条命令中的100.6改成其它数字，即可在新频道上广播。不要和已有电台频率冲突。
也可以将你自己的wav格式的声音文件放到/fm/fm_transmitter文件夹中，替换命令中的star_wars.wav文件。
WAV是最接近无损的音乐格式，所以文件也比较大。
在树莓派GPIO的BCM4号引脚上接一条跳线，可以提升广播效果。
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。（请看文末声明）
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命令是使所在目录回退到之前的指定版本，如果你想切换回最新版本，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声卡的麦克风孔里插入麦克风，运行以下命令，在即可在调频100.6MHz频道广播实时语音，你也可以把这条命令中的100.6改成其它数字，那样就会在新频道上广播：
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。
用移动电源给树莓派供电，设置开机免密码自动登录和自动运行广播脚本，将整个系统装在书包里，即可实现走到哪里，广播开到哪里（旅游景点、重要会场讲话、窃听器、位置信标）。与无线供电或太阳能相结合，可以实现半永久性的窃听广播站。
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。
例如，如果有窃贼或非法入侵者触发了信号（如红外探头、微动开关等），就立刻开启fm广播电台。
例如，树莓派每次开机的时候都在指定频段广播自己的ip地址。
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。
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。
绝大多数的的微处理器都有扩频时钟(Spread-spectrum clock)，目的是为了降低电磁干扰(EMI)，在树莓派 BCM28XX 系列芯片上，扩频时钟的范围为 1MHz 到 250MHz，这正好用作 FM 的载波信号。
为了减少CPU占用，作者对程序进行了改进，使用树莓派 DMA 产生基础时钟。
基带信号 ，载波频率
，正弦载波为
将基带数据信号与载波结合起来得到了传输信号
其中 为传输信号的瞬时频率，
为频偏表示相对载波频率
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：
- 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
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)
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。
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
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.
