第6讲：用树莓派搭建FM广播，播放音乐和实时语音_树莓派收音机

用树莓派搭建FM广播，播放音乐和实时语音

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。

本文配套B站视频：子豪兄的树莓派零基础教程

【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）

博客文档、源代码、更新、勘误，请看本教程Github代码仓库

目录

• 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
• 调频广播和天线基本原理
  • 高中物理课本相关内容
  • 电波发射与信号采样
  • 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直接内存访问与扩频时钟
  • 调频得到传输信号
  • 树莓派天线长度
  • 传播距离估计
• 扩展阅读与参考文献

材料准备

• 树莓派3B或树莓派3B+
  

• 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
  

• 一台收音机，或安装有收音机app的手机
  

• （可选）麦克风。用于广播实时语音
  

• （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。

安装配置

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
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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。

广播内置歌曲：吉他音乐

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

广播歌曲：星球大战

sudo git reset --hard 71e7e23a0e

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

广播实时语音

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 -
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按ctrl+c结束广播。

潜在应用领域

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。

声明

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；

调频广播和天线基本原理

参考资料：知乎：树莓派 FM 发射机小电台原理解析

高中物理课本相关内容

电波发射与信号采样

信号采样

调频与调幅搭载信息

PWM：脉冲宽度调制

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。

树莓派的硬件基础：CPU、GPIO

DMA直接内存访问与扩频时钟

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。

调频得到传输信号

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。

树莓派天线长度

• 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)
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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。

传播距离估计

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。

扩展阅读与参考文献

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.