この実験チュートリアルでは、典型的な学部電子工学実験演習と、AM ラジオ受信機とロックイン アンプの基礎を教えるために Moku:Go を使用して効果的に演習を行う方法について説明します。
Moku:Go
Moku:Go は、14 つのアナログ入力、2 つのアナログ出力、2 個のデジタル I/O ピン、およびオプションの統合電源を備えた 16 台の高性能デバイスに XNUMX 台以上のラボ機器を組み合わせています。
概要
このラボの目的は、AM ラジオ受信機の基本を紹介し、ロックイン アンプの使用の基本をデモンストレーションすることです。 Moku:Go ロックイン アンプ、デジタル フィルター ボックス、スペクトラム アナライザー機器と統合電源を使用して、AM ラジオ受信機を設計および最適化します。
振幅変調 (AM) ラジオは、周波数変調 (FM) ラジオに大きく引き継がれましたが、依然として電波を介してメッセージを送信する非常に便利な方法です。このラボでは、AM ラジオ受信機を設計して実装します。ローカル AM ラジオ周波数を見つけて、ロックイン アンプを使用してラジオ受信機を実装する方法を学びます。図 1 は、オーストラリアのキャンベラでスペクトラム アナライザーを使用して受信した AM ラジオ信号を示しています。
図 1. キャンベラ地域のスペクトラム アナライザの例
経歴
AMラジオ
AM ラジオでは信号の振幅が変調されます。これは、信号の周波数が変調される FM ラジオと比較されます。この違いは図 2 で見ることができます。AM 変調波形では波の振幅が明らかに変化していますが、FM 変調波形では正弦波の周波数が時間とともに変化します。どちらのタイプの無線伝送にも長所と短所があります。商用 AM ラジオ局は 535 kHz ～ 1605 kHz の範囲で動作するため、通常は 88 ～ 108 MHz の範囲の FM に比べて範囲が長くなりますが、ノイズの影響を受けやすく、音楽ラジオと比較してトーク ラジオの方がはるかに適しています。ベースのラジオ番組。
図2。 Moku:Go の波形ジェネレーターを使用した振幅変調波形と周波数変調波形の例。
AM ラジオは、メッセージ信号 (オーディオ信号) で変調された正弦波搬送波を使用して動作します。この音声が送信される情報です。このタイプの変調では、搬送波の振幅がメッセージ信号によって変更されます (したがって、AM という用語が付けられます)。
特定の無線局に対応する変調信号は、周波数領域ではスパイクとしてはっきりと確認できます (図 1 など)。ただし、時間領域では通常確認するのは困難です。 Moku:Go FIR Filter Builder を使用すると、ラジオ局の周囲に狭帯域フィルターをセットアップして、ラジオ局以外の信号をほぼすべて除去できます。
図 3 に例を示します。ここでは、FIR フィルター ビルダーが約 600 kHz の AM ラジオ局を選択しています。音声信号で変調された AM 搬送波が青いトレースではっきりと確認できます。赤いトレース (アンテナ入力) は、帯域幅が狭いと、このラジオ局または他のラジオ局を選択することが不可能であることを示しています。実際、信号はスクリーンショットが撮影されたオフィスの調光可能な LED 照明の約 25 kHz のスイッチングによって完全に支配されています。
図 3. AM ラジオ局 (青のトレース) をバックグラウンド信号 (赤) から分離する FIR フィルター ビルダー。
メッセージ信号を受信して聞くには、ラジオ受信機が特定の AM 無線周波数を受信し、それを復調してメッセージ信号から搬送波信号を分離する必要があります。単純な AM ラジオ受信機のブロック図を図 4 に示します。
図 4. AM ラジオ受信機のブロック図
受信機は、無線アンテナを使用して電波を検出することによって動作します。ただし、この信号は通常比較的弱いため、さらに処理できるように信号をブーストするために RF アンプが必要です。アンテナは考えられるすべての周波数を捕捉するため、必要な特定の周波数を見つけるにはチューナーが必要です。
図 5. LC 回路の回路図例
アナログ復調
アナログ復調チューナーは通常、図 5 に示す LC (インダクター - キャパシター) 回路で構成されます。使用されるインダクターとキャパシターに応じて、回路は特定の周波数で共振します。この共振周波数の上下にある他の周波数はすべてブロックされます。メッセージ信号は DC 信号のみを与えるように整流され、ダイオードとバイパス コンデンサを介して搬送波から復調されます。単一のメッセージは増幅されて、スピーカー、ヘッドフォンなどに送信されます。
ロックインアンプ
ロックインアンプは、ノイズの多い背景から変調信号を分離できる強力なデバイスです。この場合、一連の信号から特定の AM 信号を分離できます。これは、ロックインアンプには無線受信機の主要コンポーネントがいくつか含まれているため、ロックインアンプが無線受信機として機能できることを意味します。
Moku:Go ロックイン アンプは、位相感知検出器 (PSD) を使用して、電波などの変調信号を復調できます。搬送信号と同じ周波数の正弦波基準信号を使用します。基準信号からのあらゆる変動を追跡できるため、周波数ドリフトを追跡できます。
PSD は 2 つの信号を乗算または「混合」し、2 つの信号の和項と差分項を生成します。必要な周波数と基準信号は同じ周波数で構成されているため、周波数の差はゼロです。したがって、必要な電波信号はDCとなります。
次に、混合された信号は、変調信号の AC 成分を除去するローパス フィルターを通して送信されます。これにより、信号振幅に比例する DC 信号のみが残ります。ここで、信号は DC アンプを使用して増幅できます。
出力振幅は、ミキサーとローパス フィルターを介して送信された信号から求めることができます。これらは直交座標または極座標で見つけることができます。振幅 R は座標間の変換から求めることができます。 AM 信号の場合、振幅または R のみが必要です (極座標で)。信号の位相は無視できます。
ラボ前の演習
- 現在お住まいの地域にある AM 放送局のリストを見つけて詳細を確認します。
- どの信号が最も強いと思いますか?なぜ？
実験設定
コンポーネント
- モク:ゴ [2x]
- アンテナ
- スピーカー
- ローノイズアンプ（オプション）【1]
- ワニ口クリップ
ラボの手順
第1部
- 最新バージョンを使用していることを確認してください モク: デスクトップアプリ【2] コンピュータにダウンロードされます。
- 磁気電源アダプターを各 Moku:Go に接続し、前面の LED が緑色に変わるまで待ちます。
- これらの最初のステップでは、Moku:Go #1 の構成を扱います。
- 図 1 および図 6 に示すように、アンテナを Moku:Go 入力 7 に接続します。
【1]一般的に入手可能な 30 dB LNA。完全な部品表については、support@liquidinstruments.com までお問い合わせください。
【2]Moku:Go は、イーサネット、USB-C、Wi-Fi の 3 つの異なる方法でラップトップに接続できます。を参照してください。 Moku:Go クイック スタート ガイド Moku:Go をコンピュータに接続する方法について説明します。接続すると、Windows または MacOS アプリケーションのデバイス選択画面に Moku:Go が表示されます。
図 6. パート 1 Moku:Go セットアップの写真
図 7. Moku:Go セットアップのブロック図パート 1
- スペクトラム アナライザーをダブルクリックします。 AM 範囲を見つけて、グラフを改善するためにスペクトルを自由に平均化してください。
- 最も支配的な AM ラジオ信号周波数を見つけます。追跡カーソルを追加することでこれを行うことができます。信号の範囲は 2 MHz 未満である必要があります。
- スペクトラム アナライザーと設定構成の例を図 8 に示します。
図 8. スペクトラム アナライザの構成方法
5. スピーカーを Moku:Go #1 の出力 1 に接続します。
- 機器選択画面に戻り、Lock-in Amplifier をダブルクリックします。オシロスコープのセクションを開いて、A と B の両方が見えることを確認します。
- プローブ A を入力 1 (アンテナ) に追加します。
- プローブ B を出力 1 (スピーカー) に追加
- Lock-In Amplifier 機器ページの例を図 9 に示します。
図9. AMラジオ局を復調するロックインアンプの例。上（赤）のトレースはアンテナ信号、下（青）のトレースはオーディオです。
6. 局部発振器を最も支配的な AM 信号の周波数に変更します。まずローパスフィルターを 12 kHz に設定します。必要に応じて極性に変更し、ゲインを変更します。信号を改善し、可能な限りクリアなサウンドを生成するには、ローパス フィルターとゲインを変更する必要がある場合があります。信号が飽和しないように注意してください。キャンベラ地方地域のさまざまな変数の設定例を図 10 に示します。
図 10. キャンベラ地域向けに設定されたロックイン アンプの例。
第2部
スピーカー接続ケーブルを Moku:Go #2 の出力 2 に移動します。 Moku:Go #1 の出力 1 から Moku:Go #2 の入力 2 にケーブルを接続します。このセットアップを図 11 と図 12 に示します。
図 11. Moku:Go セットアップの写真パート 2
図 12. Moku:Go セットアップのブロック図パート 2
2. メイン画面に戻り、Moku:Go #2 のアイコンをダブルクリックします。デジタル フィルター ボックスをダブルクリックします。デジタル フィルター ボックスのインターフェイスを図 13 に示します。
図 13. デジタル フィルター ボックスのユーザー インターフェイス
3. プローブ A を入力 2 に追加し、プローブ B を出力 2 に追加します。まず、フィルターをベッセル バンドパス フィルターに変更し、必要に応じてゲインを変更します。周波数を変更してメッセージ信号、つまり音楽や音声だけを分離し、低周波ノイズを除去します。音楽や声から発せられる周波数を狙ってみてください。図 14 に、キャンベラ地域のデジタル フィルター ボックスの変数を示します。
図 14. キャンベラ地域のデジタル フィルター ボックスの例
パート3（オプション）
1. アンテナと Moku:Go #1 の入力 1 の間にローノイズアンプを接続します。低ノイズアンプに電力を供給するには、ワニ口クリップを電源接続と Moku:Go #1 の背面に接続します。セットアップを図 15 に示します。
図 15. Moku:Go セットアップのブロック図パート 3
2. PPSU2 または同様の 12 V 電源に接続されていることを確認します。メニュー ボタンをクリックして電源を開き、電圧を 12 V に設定します。電源ポップ ウィンドウは図 16 のようになります。
図 16. PPSU の例
3. 可能な限りクリアな信号を生成するために、必要に応じてデジタル フィルター ボックスとロックイン アンプの変数を変更します。
4. お住まいの地域の他の AM 信号を試してみてください。ロックイン アンプとデジタル フィルター ボックスの変数を変更することで音質を最適化できますか?
まとめ
このラボでは、Moku:Go の AM ラジオ受信機としてのロックイン アンプの使用を検討します。ロックインアンプは、学生がノイズの多い背景から信号を復調する方法を発見するための強力なツールです。さらに、学生は他の多くのツールを使用して信号の明瞭さをさらに改善する方法を学ぶことができます。
結果の公開とレポートは、Moku: アプリ内での画面キャプチャまたはファイル共有を使用して簡単に行うことができます。これを行うには、画面上部の雲のアイコンをクリックします。
