FM-radio-uitsending

Beginselontleding van Raspberry Pi FM-sender klein radiostasie

Ek het 'n Github-projek van 'n baie interessante draadlose FM-radiostasie bekendgestel, wat die Raspberry Pi deur kode in 'n klein FM-radiostasie kan verander sonder om ander eksterne toestelle te leen.

Maar die skrywer het net die algemene beginsel in die blog bekendgestel. Ek het die hele netwerk deursoek en gevind dat die meeste van die relevante artikels jou net leer hoe om die kode saam te stel en uit te voer, maar die beginsel daaragter is slegs 'n paar woorde en vaag.

As 'n nuuskierige baba het ek baie chip-handleidings en forumartikels geraadpleeg, en deur die "Antenna-beginsels" wat ek voorheen geleer het, geblaai om die beginsels daaragter op te som en op te som.

begrip selfstandige naamwoord verduideliking
Eers 'n paar basiese konsepte

FM: Frekwensiemodulasie (Frekwensiemodulasie) is 'n modulasiemetode wat die oombliklike frekwensieverandering van die draer gebruik om inligting voor te stel. Die frekwensie van die draer verander direk in verhouding tot die amplitude van die insetsein. FM-radio is die FM-radio waarmee ons vertroud is.



FM modulasie
PWM: Pulse Width Modulation (Pulse Width Modulation) is 'n metode om 'n analoog sein te genereer deur 'n digitale bron te gebruik. Dit word hoofsaaklik gedefinieer deur 2 parameters: dienssiklus en frekwensie. As 'n digitale sein teen 'n konstante tempo en met 'n konstante dienssiklus geskakel word, sal die uitset soos 'n konstante spanning analoog sein lyk.


PWM


GPIO: Algemene inset/afvoer (Algemene doel invoer/afvoer), die pen kan deur die program beheer word as 'n algemene inset (GPI) of algemene doel uitset (GPO).

RPI GPIO
SVE: Sentrale verwerkingseenheid (Sentrale verwerkingseenheid), wat gelykstaande is aan die brein van die Raspberry Pi. Die hooffunksie daarvan is om rekenaarinstruksies te interpreteer en data in rekenaarsagteware te verwerk, en is verantwoordelik vir kommunikasie met perifere toestelle. Die Raspberry Pi gebruik 'n Broadcom BCM28XX-reeks SVE.



BCM2837


DMA: Direkte geheuetoegang Hierdie toestelle kan data-oordragte uitvoer wat hoofgeheue en ander toestelle betrek. Omdat die toestel hierdie bewerkings uitvoer sonder die hulp van die SVE, word hierdie tipe data-oordrag direkte geheuetoegang genoem. Eenvoudig gestel, dit beteken dat jy direk toegang tot die geheue kan kry sonder om hallo te sê vir die SVE.



DMA
HOE?
Volgens Maxwell se elektromagnetiese veldteorie

1. 'n Veranderende magnetiese veld kan 'n elektriese veld in die omringende ruimte genereer, en 'n veranderende elektriese veld kan 'n magnetiese veld in die omringende ruimte genereer.
2. 'n Magneetveld (elektriese veld) wat eenvormig varieer met tyd produseer 'n bestendige elektriese veld (magnetiese veld). 'n Magneetveld (elektriese veld) wat onhomogeen oor tyd varieer, produseer 'n veranderende elektriese veld (magnetiese veld).
3. Die veranderende elektriese veld en die veranderende magnetiese veld is altyd verwant aan mekaar en vorm 'n onafskeidbare eenheid, wat die elektromagnetiese veld is.



Maxwell se vergelykings
'n Tyd-varierende elektriese veld produseer 'n magnetiese veld, en 'n tyd-varierende magnetiese veld produseer 'n elektriese veld, en die twee veroorsaak en beïnvloed mekaar. Hierdie voortdurend transformerende veld staan ​​gesamentlik bekend as die elektromagnetiese veld. Hierdie wedersydse transformasie vorm elektromagnetiese ossillasies.

Daarom, as die GPIO van die Raspberry Pi deur sagteware beheer word om hoë en lae vlakke (0/1) teen 'n sekere frekwensie uit te voer, tesame met 'n antenna van gepaste lengte ('n Dupont-kabel is genoeg), kan die energie vrygestel word in die vorm van elektromagnetiese golwe. gaan uit.

FM-struktuurdiagram



FM-senderblokdiagram
Soos uit die figuur gesien kan word, het die Raspberry Pi nodig om 'n FM-senderstelsel te vorm

Horlosies benodig vir seinmonsterneming en FM-modulasie
Programmeerbare vlakveranderende GPIO's
’n Antenna wat elektromagnetiese golwe uitstuur
klok
Tans het die meeste van die mikroverwerkers 'n verspreide spektrum klok (Spread-spektrum klok), die doel is om elektromagnetiese interferensie (EMI) te verminder. Op die Raspberry Pi BCM28XX-reeksskyfies is die omvang van die verspreidingspektrumhorlosie 1MHz tot 250MHz. Dit werk presies soos die drasein vir FM.

Om die SVE-gebruik te verminder, het die skrywer die program verbeter en die Raspberry Pi DMA gebruik om die basiese klok te genereer.




kloksein


seinmonstering
Aangesien FM-radio oudioseine stuur, word die sein eers gemonster deur 'n steekproeffrekwensie van 228 kHz (om die Nyquist-steekproefstelling te bevredig) met 'n bandwydte van 15 kHz te gebruik.


seinmonstering




FM
Die basisbandsein xm(t), die drafrekwensie fc, en die sinusvormige draer is xc(t)=Accos⁡(2πfct) Die kombinasie van die basisbanddatasein met die draer gee die uitgesaaide sein

y(t)=Accos⁡(2π∫0tf(τ)dτ)=Accos⁡(2π∫0t[fc+fΔxm(τ)]dτ)=Accos⁡(2πfct+2πfΔ∫0txm(τ)dτ)

Waar f(τ) die oombliklike frekwensie van die uitgesaaide sein is, en fΔ die frekwensieverskuiwing is, wat die maksimum frekwensieverskuiwing relatief tot die drafrekwensie fc verteenwoordig.

Die FM-uitset is 'n analoog sein. Deur die klok te gebruik om PWM te genereer om die dienssiklus en frekwensie aan te pas, kan die digitale sein gebruik word om 'n analoog sein te genereer.

Raspberry Pi Antenna Lengte
Golflengte: λ=c/f
Dipoolantenna: Wanneer 'n dipoolantenna gemaak word, sal die lengte van die antenna bepaal word deur die bedryfsgolflengte. Die mees algemene dipool antenna is die halfgolf antenna, waarvan die totale lengte ongeveer die helfte van die bedryfsgolflengte is, dit wil sê, L=λ/2



As jy 100MHz FM-sein moet uitsaai, volgens die bogenoemde formule, benodig jy 'n 1.5 m lange antenna.

>>> 3*10**8 / (2 * 100 * 10**6)
1.5
So in teorie, as 'n 1.5m-antenna by die Raspberry Pi GPIO (PIN4) gevoeg word, dan kan die FM-sein met maksimum krag uitgestuur word.

Moenie dit doen nie, dit sal inmeng met die normale frekwensieband!

voortplanting afstand skatting
Eerstens moet jy die effektiewe isotropiese uitgestraalde drywing (EIRP) bereken

EIRP=P−Verlies+G

Waar P die uitsetkrag van die sender (dBm) is, is Verlies die toevoerverlies tussen die uitset van die sender en die antennatoevoer (dB), en G is die uitsaaiwins van die antenna (dBi). Nadat die EIRP bereken is, kan die Free Space Path Loss (FSPL) verkry word.

Maar dit maak nie veel sin om hierdie formule te gebruik om te skat nie. In werklike meting, as 'n 10cm Dupont-draad as 'n antenna gebruik word, is die sein by 'n traphoek reeds baie swak.

Som
Ek bewonder die eerste skrywer se Geek Fan en Mo Da se breingat diep;
Moenie inmeng met die normale frekwensieband nie, dit is onwettig!

Verwante poste