Moku:Go輕松助力校園無(wú)線電接收實(shí)驗(yàn)的教學(xué)

Moku:Go將10幾種實(shí)驗(yàn)室儀器結(jié)合在一個(gè)高性能設(shè)備中，具有2個(gè)模擬輸入、2個(gè)模擬輸出、16個(gè)數(shù)字I/O和可選的集成電源。

一． 介紹

本實(shí)驗(yàn)的目的是介紹調(diào)幅無(wú)線電接收器的基本原理，并演示使用鎖相放大器的基本原理。你將使用Moku:Go的鎖定放大器、數(shù)字濾波器、頻譜分析儀和集成電源來(lái)設(shè)計(jì)和優(yōu)化AM無(wú)線電接收器。

調(diào)幅(AM)無(wú)線電，雖然在很大程度上被調(diào)頻(FM)無(wú)線電所取代，但它仍然是通過(guò)無(wú)線電波傳輸信息中非常有用的一種方法。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)調(diào)幅無(wú)線電接收器。可以學(xué)習(xí)到如何找到本地AM無(wú)線電頻率，并使用鎖定放大器實(shí)現(xiàn)無(wú)線電接收器。圖1顯示了使用頻譜分析儀在澳大利亞堪培拉接收到的AM無(wú)線電信號(hào)。

圖1 堪培拉地區(qū)頻譜分析儀的例子

二． 背景

2.1 調(diào)幅廣播

在調(diào)幅收音機(jī)中，信號(hào)的振幅是經(jīng)過(guò)調(diào)制的；與調(diào)幅收音機(jī)相比，調(diào)頻收音機(jī)的信號(hào)頻率是經(jīng)過(guò)調(diào)制的。這種差異可以從圖2中看出，在調(diào)幅調(diào)制波形中，波的振幅明顯變化，而在調(diào)頻調(diào)制波形中，正弦波的頻率隨時(shí)間變化。兩種類型的無(wú)線電傳輸都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。商業(yè)調(diào)幅廣播電臺(tái)工作在535kHz至1605kHz的范圍內(nèi)，因此與調(diào)頻廣播相比，其覆蓋范圍通常更大在88-108 MHz范圍，但它更容易受到噪聲的影響，與基于音樂(lè)的廣播節(jié)目相比，更適合談話廣播。

圖2 使用Moku:Go上的波形發(fā)生器的調(diào)幅波形和調(diào)頻波形示例。

AM收音機(jī)通過(guò)使用正弦載波工作，該載波由消息信號(hào)(音頻信號(hào))調(diào)制；正在發(fā)送的信息就是這個(gè)音頻。在這種類型的調(diào)制中，載波的振幅被信息信號(hào)被改變(因此稱為AM)。

特定無(wú)線電臺(tái)的調(diào)制信號(hào)在頻域中可以清楚地被視為尖峰(例如圖1)，盡管在時(shí)域中通常很難看到。Moku:Go的FIR濾波器生成器可以幫助我們?cè)跓o(wú)線電臺(tái)周圍設(shè)置一個(gè)窄帶通濾波器，去除電臺(tái)以外的幾乎所有信號(hào)。

圖3給出了一個(gè)例子，F(xiàn)IR濾波器生成器挑選出一個(gè)大約600 kHz的AM無(wú)線電臺(tái)。藍(lán)色軌跡中可以清楚地看到用語(yǔ)音信號(hào)調(diào)制的AM載波。紅色的軌跡(天線輸入)表明，如果沒(méi)有窄帶通，就不可能接收這個(gè)或任何其他電臺(tái)；事實(shí)上，該信號(hào)完全由截圖所在辦公室的可調(diào)光LED照明的~25 kHz開關(guān)控制。

圖3 FIR濾波器生成器將AM廣播電臺(tái)(藍(lán)色軌跡)與背景信號(hào)(紅色)隔離開來(lái)。

為了接收和收聽消息信號(hào)，無(wú)線電接收器需要接收特定的AM無(wú)線電頻率并對(duì)其進(jìn)行解調(diào)，以從消息信號(hào)中分離出載波信號(hào)。簡(jiǎn)單AM無(wú)線電接收器的框圖如圖4所示。

圖4 調(diào)幅無(wú)線電接收器框圖

接收器通過(guò)使用無(wú)線電天線檢測(cè)無(wú)線電波來(lái)工作；然而，這種信號(hào)通常相對(duì)較弱，因此需要一個(gè)RF放大器來(lái)增強(qiáng)信號(hào)，以便進(jìn)一步處理。由于天線將捕捉所有可能的頻率，因此需要一個(gè)調(diào)諧器來(lái)找到所需的特定頻率。

圖5 LC電路原理圖示例

2.2 模擬解調(diào)

模擬解調(diào)調(diào)諧器通常由一個(gè)LC(電感電容)電路組成，如圖5所示。根據(jù)所用的電感和電容，電路將在特定頻率下諧振。高于和低于該諧振頻率的所有其他頻率將被阻擋。消息信號(hào)可以被整流為僅給出DC信號(hào)，并通過(guò)二極管和旁路電容器從載波中解調(diào)。該信息信號(hào)然后可以被放大并發(fā)送到揚(yáng)聲器、耳機(jī)等。

2.3 鎖定放大器

鎖定放大器是一種功能強(qiáng)大的器件，可以從噪聲背景中分離出調(diào)制信號(hào)，在我們的情況下，是從一系列信號(hào)中分離出特定的AM信號(hào)。這意味著鎖定放大器可以作為無(wú)線電接收器，因?yàn)樗瑹o(wú)線電接收器的幾個(gè)關(guān)鍵部件。

Moku:Go的鎖定放大器能夠通過(guò)使用相敏檢波器(PSD)解調(diào)調(diào)制信號(hào)，例如無(wú)線電波。它使用與載波信號(hào)頻率相同的正弦參考信號(hào)。它可以跟蹤參考信號(hào)的任何變化，因此能夠跟蹤頻率漂移。

PSD將兩個(gè)信號(hào)相乘或“混合”在一起，產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)的和項(xiàng)和差項(xiàng)。所需頻率和參考信號(hào)由相同的頻率組成，因此頻率之間的差異為零。因此，所需的無(wú)線電波信號(hào)被設(shè)置為DC。

混合信號(hào)然后通過(guò)低通濾波器發(fā)送，該低通濾波器去除調(diào)制信號(hào)的交流分量。這僅留下與信號(hào)幅度成比例的DC信號(hào)，在這里，信號(hào)然后可以使用直流放大器放大。

輸出幅度可以從通過(guò)混頻器和低通濾波器發(fā)送的信號(hào)中找到。這些可以在直角坐標(biāo)或極坐標(biāo)中找到。振幅R可以通過(guò)坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換得到，其中 。對(duì)于AM信號(hào)，只需要振幅或R(在極坐標(biāo)中)；信號(hào)的相位可以忽略。

三． 實(shí)驗(yàn)前練習(xí)

找到并詳細(xì)列出你所在地區(qū)的AM電臺(tái)列表。你覺(jué)得什么信號(hào)會(huì)最強(qiáng)？為什么？

實(shí)驗(yàn)裝置成分：

○ Moku:Go [2x]

○天線

○揚(yáng)聲器

○低噪聲放大器(可選)1

○鱷魚夾

○實(shí)驗(yàn)室程序

3.1 第一部分

?確保您擁有最新版本的在地址：Moku: desktop app2

?將磁性電源適配器插入每個(gè)Moku:去等待前面的LED變成綠色。

?這些最初的步驟將解決Moku:Go #1的配置問(wèn)題。

?將天線連接到Moku:Go的輸入1，如圖6和圖7所示。

圖6 第一部分照片Moku:去設(shè)置

1、常用的30分貝LNA。如需完整的物料清單，請(qǐng)聯(lián)系我們。

2、Moku:Go可以通過(guò)三種不同的方式連接到筆記本電腦:以太網(wǎng)、USB-C和Wi-Fi。請(qǐng)參考Moku:Go Quick StartGuide 如何連接你的Moku:去你的電腦。一旦連接，Moku:Go將出現(xiàn)在Windows或MacOS應(yīng)用程序的設(shè)備選擇屏幕上。

圖7 Moku：go:設(shè)置第1部分

雙擊頻譜分析儀。找到調(diào)幅范圍，并隨意平均頻譜，以改善圖表。

找到最主要的調(diào)幅無(wú)線電信號(hào)頻率，你可以通過(guò)添加一個(gè)跟蹤光標(biāo)來(lái)完成。信號(hào)應(yīng)在小于2 MHz的范圍內(nèi)。

頻譜分析儀和設(shè)置配置的示例如圖8所示。

圖8 如何配置頻譜分析儀

○將您的揚(yáng)聲器連接到Moku:Go #1的輸出1。

○返回儀器選擇屏幕，雙擊鎖定放大器。打開示波器部分，確保可以看到A和b。

○將探針A添加到輸入1(天線)

○將探頭B添加到輸出1(揚(yáng)聲器)

在圖9中可以看到鎖定放大器儀器頁(yè)面的一個(gè)例子。

圖9 鎖定放大器解調(diào)AM廣播電臺(tái)的示例。上面(紅色)的軌跡是天線信號(hào)，下面(藍(lán)色)的軌跡是音頻。

改變本地振蕩器到你最主要的調(diào)幅信號(hào)的頻率。首先將低通濾波器設(shè)置為12kHz。根據(jù)需要改變極性和增益。您可能需要改變低通濾波器和增益，以改善信號(hào)并產(chǎn)生盡可能清晰的聲音。小心不要讓信號(hào)飽和。圖10給出了堪培拉地區(qū)各種變量的設(shè)置示例。

圖10 堪培拉地區(qū)鎖定放大器設(shè)置示例。

3.2 第二部分

在第2部分中，我們將使用第二個(gè)Moku:Go作為數(shù)字濾波器來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)接收到的無(wú)線電信號(hào)。

將揚(yáng)聲器連接電纜移至Moku:Go #2的輸出2。將一根電纜從Moku:Go #1的輸出1連接到Moku:Go #2的輸入2。這種設(shè)置可以在圖11和圖12中看到。

圖11 Moku的照片:去設(shè)置第2部分

圖12 Moku：go:設(shè)置第2部分

返回主屏幕，雙擊Moku:Go #2的圖標(biāo)。雙擊數(shù)字濾波器框。數(shù)字濾波器盒界面如圖13所示。

圖13 數(shù)字濾波器盒用戶界面

將探針A添加到輸入2，將探針B添加到輸出2。首先，將濾波器改為貝塞爾帶通濾波器，并根據(jù)需要改變?cè)鲆?。改變頻率，僅隔離信息信號(hào)，即音樂(lè)或聲音，從而嘗試去除低頻噪音。試著瞄準(zhǔn)音樂(lè)和聲音產(chǎn)生的頻率。圖14給出了堪培拉地區(qū)的數(shù)字濾波器盒變量。

圖14 堪培拉地區(qū)的數(shù)字濾波器盒示例

3.2 第3部分

將低噪聲放大器連接在天線和Moku:Go #1的輸入1之間。為低噪聲放大器供電，將鱷魚夾連接到電源連接和Moku:Go #1的背面。設(shè)置如圖15所示。

圖15 Moku的框圖:設(shè)置第3部分

確保它連接到PPSU2或類似的12 V電源。單擊 打開電源，并將電壓設(shè)置為12 V。電源彈出窗口可能如圖16所示。

圖16 PPSU的例子

根據(jù)需要改變數(shù)字濾波器盒和鎖定放大器的變量，以產(chǎn)生盡可能清晰的信號(hào)。

嘗試改變你所在區(qū)域的其他AM信號(hào)，你能通過(guò)改變鎖定放大器和數(shù)字濾波器盒中的變量來(lái)優(yōu)化你的音質(zhì)嗎？

3.3.1 摘要

本實(shí)驗(yàn)探索在Moku:Go上使用鎖定放大器作為AM無(wú)線電接收器。鎖定放大器是一個(gè)強(qiáng)大的工具，幫助學(xué)生了解如何從嘈雜的背景中解調(diào)信號(hào)。此外，學(xué)生還能夠?qū)W習(xí)如何利用許多其他工具進(jìn)一步提高信號(hào)清晰度。

在Moku: App中，通過(guò)截屏或文件共享可以輕松發(fā)布和報(bào)告結(jié)果。您可以通過(guò)點(diǎn)擊屏幕頂部的云圖標(biāo)來(lái)完成此操作。

Moku的好處:Go面向教育工作者和實(shí)驗(yàn)室助理有效利用實(shí)驗(yàn)室空間和時(shí)間易于實(shí)現(xiàn)一致的儀器配置專注于電子設(shè)備而非儀器設(shè)置最大限度地利用實(shí)驗(yàn)室助教的時(shí)間個(gè)人實(shí)驗(yàn)室，個(gè)人學(xué)習(xí)通過(guò)屏幕截圖簡(jiǎn)化評(píng)估和評(píng)級(jí)對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)各個(gè)實(shí)驗(yàn)室按照自己的節(jié)奏加強(qiáng)理解和保留便攜式，選擇實(shí)驗(yàn)室工作的速度、地點(diǎn)和時(shí)間，無(wú)論是在家里、在校園實(shí)驗(yàn)室，甚至是在熟悉的Windows或macOS筆記本電腦環(huán)境中進(jìn)行遠(yuǎn)程協(xié)作，同時(shí)使用專業(yè)級(jí)儀器。

3.3.2 Moku:Go演示模式

您可以在Liquid Instruments網(wǎng)站下載適用于macOS和Windows的Moku:Go應(yīng)用程序。演示模式操作不需要任何硬件，并提供了使用Moku:Go的一個(gè)很好的概述。

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審核編輯 黃昊宇