FM radio emisija

Principijelna analiza Raspberry Pi FM odašiljača male radio stanice

Predstavio sam Github projekt vrlo zanimljive bežične FM radio stanice, koja može pretvoriti Raspberry Pi u malu FM radio stanicu putem koda bez posuđivanja drugih vanjskih uređaja.

No, autor je samo uveo opći princip u blog. Pretražio sam cijelu mrežu i otkrio da vas većina relevantnih članaka uči samo kako kompajlirati i pokrenuti kod, ali princip koji stoji iza toga je samo nekoliko riječi i nejasan.

Kao znatiželjna beba, konzultirao sam mnoge priručnike za čipove i članke na forumu, te prelistavao “Principe antene” koje sam prije naučio kako bih sažeto i rezimirao principe koji stoje iza toga.

pojam imenica objašnjenje
Prvo nekoliko osnovnih pojmova

FM: Frekvencijska modulacija (Frekvencijska modulacija) je metoda modulacije koja koristi trenutnu promjenu frekvencije nositelja za predstavljanje informacija. Frekvencija nosioca mijenja se izravno proporcionalno amplitudi ulaznog signala. FM radio je FM radio koji nam je poznat.



FM modulacije
PWM: Pulse Width Modulation (Pulse Width Modulation) metoda je generiranja analognog signala pomoću digitalnog izvora. Uglavnom ga definiraju 2 parametra: radni ciklus i frekvencija. Ako se digitalni signal prebacuje konstantnom brzinom i s konstantnim radnim ciklusom, izlaz će izgledati kao analogni signal konstantnog napona.


PWM


GPIO: Ulaz/izlaz opće namjene (Ulaz/izlaz opće namjene), pin se može kontrolirati programom kao ulaz opće namjene (GPI) ili izlaz opće namjene (GPO).

RPI GPIO
CPU: Središnja procesorska jedinica (Central Processing Unit), koja je ekvivalentna mozgu Raspberry Pi. Njegova glavna funkcija je tumačenje računalnih uputa i obrada podataka u računalnom softveru, te je odgovoran za komunikaciju s perifernim uređajima. Raspberry Pi koristi CPU serije Broadcom BCM28XX.



BCM2837


DMA: Izravni pristup memoriji Ovi uređaji mogu obavljati prijenos podataka koji uključuje glavnu memoriju i druge uređaje. Budući da uređaj izvodi ove operacije bez pomoći CPU-a, ova vrsta prijenosa podataka naziva se izravni pristup memoriji. Jednostavno rečeno, to znači da možete izravno pristupiti memoriji bez pozdrava CPU-u.



DMA
KAKO?
Prema Maxwellovoj teoriji elektromagnetskog polja

1. Promjenjivo magnetsko polje može generirati električno polje u okolnom prostoru, a promjenjivo električno polje može generirati magnetsko polje u okolnom prostoru.
2. Magnetsko polje (električno polje) koje se ravnomjerno mijenja s vremenom stvara stalno električno polje (magnetsko polje). Magnetsko polje (električno polje) koje se nehomogeno mijenja tijekom vremena stvara promjenjivo električno polje (magnetsko polje).
3. Promjenjivo električno polje i promjenjivo magnetsko polje uvijek su povezani jedno s drugim, tvoreći neodvojivu cjelinu, a to je elektromagnetsko polje.



Maxwellove jednadžbe
Vremenski promjenjivo električno polje proizvodi magnetsko polje, a vremenski promjenjivo magnetsko polje proizvodi električno polje, a njih dvoje uzrokuju i utječu jedno na drugo. Ovo stalno transformirajuće polje je poznato kao elektromagnetsko polje. Ova međusobna transformacija stvara elektromagnetske oscilacije.

Stoga, ako GPIO Raspberry Pi-ja kontrolira softver za emitiranje visokih i niskih razina (0/1) na određenoj frekvenciji, zajedno s antenom odgovarajuće duljine (dovoljan je Dupont kabel), energija se može emitirati u obliku elektromagnetskih valova. izaći van.

FM strukturni dijagram



Blok dijagram FM odašiljača
Kao što se može vidjeti sa slike, Raspberry Pi je potreban za formiranje FM odašiljačkog sustava

Taktovi potrebni za uzorkovanje signala i FM modulaciju
Programabilni GPIO-ovi s promjenom razine
Antena koja emitira elektromagnetske valove
sat
Trenutačno većina mikroprocesora ima takt proširenog spektra (Spread-spectrum clock), čija je svrha smanjiti elektromagnetske smetnje (EMI). Na Raspberry Pi čipovima serije BCM28XX, raspon takta proširenog spektra je od 1MHz do 250MHz. Ovo radi točno kao signal nosača za FM.

Kako bi smanjio korištenje CPU-a, autor je poboljšao program i koristio Raspberry Pi DMA za generiranje osnovnog sata.




signal sata


uzorkovanje signala
Budući da FM radio šalje audio signale, signal se prvo uzorkuje pomoću frekvencije uzorkovanja od 228 kHz (kako bi se zadovoljio Nyquistov teorem uzorkovanja) s propusnošću od 15 kHz.


uzorkovanje signala




FM
Signal osnovnog pojasa xm(t), frekvencija nositelja fc i sinusoidalni nosilac je xc(t)=Accos⁡(2πfct) Kombiniranje signala podataka osnovnog pojasa s nosiocem daje odaslani signal

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

Gdje je f(τ) trenutna frekvencija odaslanog signala, a fΔ pomak frekvencije, koji predstavlja maksimalni pomak frekvencije u odnosu na frekvenciju nosača fc.

FM izlaz je analogni signal. Korištenjem sata za generiranje PWM-a za podešavanje radnog ciklusa i frekvencije, digitalni signal se može koristiti za generiranje analognog signala.

Dužina Raspberry Pi antene
Valna duljina: λ=c/f
Dipolna antena: Kod izrade dipolne antene, duljina antene bit će određena radnom valnom duljinom. Najčešća dipolna antena je poluvalna antena, čija je ukupna duljina otprilike polovica radne valne duljine, odnosno L=λ/2



Ako trebate emitirati 100MHz FM signal, prema gornjoj formuli, potrebna vam je antena duljine 1.5 m.

>>> 3*10**8 / (2 * 100 * 10**6)
1.5
Dakle, u teoriji, ako se antena od 1.5 m doda Raspberry Pi GPIO (PIN4), tada se može emitirati FM signal maksimalne snage.

Nemojte to činiti, ometat će normalan frekvencijski pojas!

procjena udaljenosti propagacije
Prvo morate izračunati efektivnu izotropnu snagu zračenja (EIRP)

EIRP=P−Gubitak+G

Gdje je P izlazna snaga odašiljača (dBm), Loss je gubitak u dovodu između izlaza odašiljača i dovoda antene (dB), a G je pojačanje odašiljanja antene (dBi). Nakon izračuna EIRP-a može se dobiti gubitak putanje slobodnog prostora (FSPL).

Ali nema puno smisla koristiti ovu formulu za procjenu. U stvarnom mjerenju, ako se Dupontova žica od 10 cm koristi kao antena, signal na kutu stubišta već je vrlo slab.

Sažeti
Duboko se divim Geek Fan-u prvog autora i Mo Daovoj rupi u mozgu;
Ne ometajte normalni frekvencijski pojas, to je protuzakonito!

Povezivati ​​se Pošta