이 실습 튜토리얼에서는 일반적인 학부 전자 실습 실습과 Moku:Go를 사용하여 AM 라디오 수신기 및 Lock-in Amplifier의 기본 사항을 가르치기 위해 이를 효과적으로 수행할 수 있는 방법에 대해 설명합니다.
Moku:Go
Moku:Go는 14개 이상의 실험실 기기를 하나의 고성능 장치에 결합하고 아날로그 입력 2개, 아날로그 출력 2개, 디지털 I/O 핀 16개 및 통합 전원 공급 장치 옵션을 제공합니다.
개요
이 실습의 목적은 AM 라디오 수신기의 기본 사항을 소개하고 Lock-in Amplifier 사용의 기본 사항을 시연하는 것입니다. Moku:Go 잠금 증폭기, 디지털 필터 박스, 스펙트럼 분석기 장비와 통합 전원 공급 장치를 사용하여 AM 라디오 수신기를 설계하고 최적화하게 됩니다.
진폭 변조(AM) 라디오는 주파수 변조(FM) 라디오에 의해 크게 성공을 거두었지만 여전히 전파를 통해 메시지를 전송하는 데 매우 유용한 방법입니다. 이 실습에서는 AM 라디오 수신기를 설계하고 구현합니다. 지역 AM 라디오 주파수를 찾는 방법과 Lock-In Amplifier를 사용하여 라디오 수신기를 구현하는 방법을 배우게 됩니다. 그림 1은 스펙트럼 분석기 장비를 사용하여 호주 캔버라에서 포착한 AM 무선 신호를 보여줍니다.
그림 1. 캔버라 지역 스펙트럼 분석기의 예
배경
AM 라디오
AM 라디오에서는 신호의 진폭이 변조됩니다. 이는 신호의 주파수가 변조되는 FM 라디오와 비교됩니다. 이러한 차이는 그림 2에서 볼 수 있는데, AM 변조 파형에서는 파동의 진폭이 명확하게 변하는 반면, FM 변조 파형에서는 사인파의 주파수가 시간에 따라 변합니다. 두 가지 유형의 무선 전송 모두 장점과 단점이 있습니다. 상업용 AM 라디오 방송국은 535kHz~1605kHz 범위에서 작동하므로 일반적으로 88~108MHz 범위의 FM에 비해 범위가 더 깁니다. 그러나 소음에 더 민감하고 음악에 비해 라디오 대화에 훨씬 더 적합합니다. 기반의 라디오 쇼.
그림 2. Moku:Go의 Waveform Generator를 사용한 진폭 변조 파형 및 주파수 변조 파형의 예.
AM 라디오는 메시지 신호(오디오 신호)로 변조된 정현파 반송파를 사용하여 작동합니다. 이 오디오는 전송되는 정보입니다. 이러한 유형의 변조에서는 반송파의 진폭이 메시지 신호(따라서 AM이라는 용어)에 의해 변경됩니다.
특정 라디오 방송국에 해당하는 변조된 신호는 일반적으로 시간 영역에서는 보기 어렵지만 주파수 영역에서는 스파이크로 분명히 볼 수 있습니다(예: 그림 1). Moku:Go FIR 필터 빌더를 사용하면 라디오 방송국 주변에 좁은 대역 통과 필터를 설정하여 방송국 이외의 거의 모든 신호를 제거할 수 있습니다.
그림 3에서는 FIR 필터 빌더가 약 600kHz에서 AM 라디오 방송국을 선택하는 예를 볼 수 있습니다. 음성 신호로 변조된 AM 반송파는 파란색 선에서 명확하게 볼 수 있습니다. 빨간색 선(안테나 입력)은 좁은 대역 통과 없이는 이 라디오 방송국이나 다른 라디오 방송국을 선택하는 것이 불가능하다는 것을 보여줍니다. 실제로 신호는 스크린샷을 찍은 사무실의 밝기 조절이 가능한 LED 조명의 ~25kHz 스위칭에 의해 완전히 지배됩니다.
그림 3. 배경 신호(빨간색)에서 AM 라디오 방송국(파란색 선)을 분리하는 FIR 필터 빌더.
메시지 신호를 수신하고 청취하려면 무선 수신기가 특정 AM 무선 주파수를 수신하고 이를 복조하여 메시지 신호에서 반송파 신호를 분리해야 합니다. 간단한 AM 라디오 수신기의 블록 다이어그램이 그림 4에 나와 있습니다.
그림 4. AM 라디오 수신기의 블록 다이어그램
수신기는 무선 안테나를 사용하여 전파를 감지하여 작동합니다. 그러나 이 신호는 일반적으로 상대적으로 약하므로 신호를 추가로 처리할 수 있도록 신호를 증폭시키는 데 RF 증폭기가 필요합니다. 안테나는 가능한 모든 주파수를 포착하므로 필요한 특정 주파수를 찾으려면 튜너가 필요합니다.
그림 5. LC 회로의 예시 회로도
아날로그 복조
아날로그 복조 튜너는 일반적으로 그림 5에서 볼 수 있는 LC(인덕터-커패시터) 회로로 구성됩니다. 사용되는 인덕터 및 커패시터에 따라 회로는 특정 주파수에서 공진합니다. 이 공진 주파수 위 및 아래의 다른 모든 주파수는 차단됩니다. 메시지 신호는 정류되어 DC 신호만 제공하고 다이오드 및 바이패스 커패시터를 통해 반송파에서 복조될 수 있습니다. 그러면 단일 메시지가 증폭되어 스피커, 헤드폰 등으로 전송될 수 있습니다.
락인 증폭기
락인 증폭기는 잡음이 많은 배경에서 변조된 신호를 분리할 수 있는 강력한 장치입니다. 이 경우 신호 배열에서 특정 AM 신호를 분리할 수 있습니다. 이는 잠금 증폭기가 라디오 수신기의 여러 핵심 구성 요소를 포함하고 있기 때문에 라디오 수신기로 기능할 수 있음을 의미합니다.
Moku:Go 잠금 증폭기는 위상 감지 검출기(PSD)를 사용하여 변조된 신호(예: 전파)를 복조할 수 있습니다. 반송파 신호와 동일한 주파수를 갖는 정현파 기준 신호를 사용합니다. 기준 신호의 모든 변화를 추적할 수 있으므로 주파수 드리프트를 추적할 수 있습니다.
PSD는 두 신호를 곱하거나 "혼합"하여 두 신호의 합과 차항을 생성합니다. 필요한 주파수와 기준 신호는 동일한 주파수로 구성되므로 주파수 간의 차이는 0입니다. 따라서 필요한 전파 신호는 DC로 설정됩니다.
그런 다음 혼합된 신호는 변조된 신호의 AC 구성 요소를 제거하는 저역 통과 필터를 통해 전송됩니다. 이렇게 하면 신호 진폭에 비례하는 DC 신호만 남게 되며, 여기서 신호는 DC 증폭기를 사용하여 증폭될 수 있습니다.
출력 진폭은 믹서와 저역 통과 필터를 통해 전송된 신호에서 찾을 수 있습니다. 이는 직사각형 또는 극좌표에서 찾을 수 있습니다. 진폭 R은 좌표 간 변환을 통해 찾을 수 있습니다. AM 신호의 경우 진폭 또는 R만 필요합니다(극좌표 기준). 신호의 위상은 무시될 수 있습니다.
사전 실습
- 현재 해당 지역에 있는 AM 방송국 목록을 찾아 자세히 알아보세요.
- 어떤 신호가 가장 강력할 것이라고 생각하시나요? 왜?
실험 설정
구성 요소들
- 모쿠:고 [2x]
- 안테나
- Speaker
- 저잡음 증폭기(옵션)[1]
- 악어 클립
실험실 절차
파트 1
- 최신 버전인지 확인하십시오. Moku: 데스크톱 앱[2] 컴퓨터에 다운로드되었습니다.
- 각 Moku:Go에 자기 전원 어댑터를 연결하고 전면 LED가 녹색으로 바뀔 때까지 기다립니다.
- 이 첫 번째 단계에서는 Moku:Go #1의 구성을 다룹니다.
- 그림 1 및 그림 6과 같이 안테나를 Moku:Go 입력 7에 연결합니다.
[1]일반적으로 사용 가능한 30dB LNA입니다. 전체 재료 명세서를 보려면 support@liquidinstruments.com으로 문의하세요.
[2]Moku:Go는 이더넷, USB-C, Wi-Fi의 세 가지 방법으로 노트북에 연결할 수 있습니다. 다음을 참조하세요. Moku:Go 빠른 시작 가이드 Moku:Go를 컴퓨터에 연결하는 방법에 대해 알아보세요. 연결되면 Moku:Go가 Windows 또는 MacOS 애플리케이션의 장치 선택 화면에 표시됩니다.
그림 6. 1부 Moku:Go 설정 사진
그림 7. Moku:Go 설정 1부의 블록 다이어그램
- 스펙트럼 분석기를 두 번 클릭합니다. AM 범위를 찾고 스펙트럼의 평균을 자유롭게 계산하여 그래프를 개선하세요.
- 가장 지배적인 AM 라디오 신호 주파수를 찾으려면 추적 커서를 추가하면 됩니다. 신호는 2MHz 미만의 범위에 있어야 합니다.
- 스펙트럼 분석기 및 설정 구성의 예는 그림 8에서 볼 수 있습니다.
그림 8. 스펙트럼 분석기 구성 방법
5. 스피커를 Moku:Go #1의 출력 1에 연결합니다.
- 악기 선택 화면으로 돌아가서 잠금 증폭기를 두 번 클릭합니다. 오실로스코프 섹션을 열어 A와 B를 모두 볼 수 있는지 확인하세요.
- 입력 1(안테나)에 프로브 A 추가
- 출력 1(스피커)에 프로브 B 추가
- 잠금 증폭기 기기 페이지의 예는 그림 9에서 볼 수 있습니다.
그림 9. AM 라디오 방송국을 복조하는 잠금 증폭기의 예. 상단(빨간색) 트레이스는 안테나 신호이고 하단(파란색) 트레이스는 오디오입니다.
6. 국부 발진기를 가장 지배적인 AM 신호의 주파수로 변경합니다. 먼저 저역 통과 필터를 12kHz로 설정하십시오. 극성으로 변경하고 필요에 따라 게인을 변경합니다. 신호를 개선하고 가능한 가장 선명한 사운드를 생성하려면 저역 통과 필터와 게인을 변경해야 할 수도 있습니다. 신호가 포화되지 않도록 주의하십시오. 로컬 캔버라 지역에 대한 다양한 변수 설정의 예가 그림 10에 나와 있습니다.
그림 10. 캔버라 지역에 대한 설정이 있는 잠금 증폭기의 예.
파트 2
스피커 연결 케이블을 Moku:Go #2의 출력 2로 이동합니다. Moku:Go #1의 출력 1에서 Moku:Go #2의 입력 2에 케이블을 연결합니다. 이 설정은 그림 11과 그림 12에서 볼 수 있습니다.
그림 11. Moku:Go 설정 사진 2부
그림 12. Moku:Go 설정 2부의 블록 다이어그램
2. 메인 화면으로 돌아가서 Moku:Go #2 아이콘을 두 번 클릭하세요. 디지털 필터 박스를 더블클릭하세요. 디지털 필터 박스 인터페이스는 그림 13에서 볼 수 있습니다.
그림 13. 디지털 필터 박스 사용자 인터페이스
3. 프로브 A를 입력 2에 추가하고 프로브 B를 출력 2에 추가합니다. 먼저 필터를 베셀 대역통과 필터로 변경하고 필요에 따라 게인을 변경합니다. 주파수를 변경하여 메시지 신호, 즉 음악이나 음성만 분리하고 저주파 잡음을 제거해 보십시오. 음악과 목소리에서 생성되는 주파수를 목표로 삼아 보세요. 그림 14는 캔버라 지역의 디지털 필터 박스 변수를 보여줍니다.
그림 14. 캔버라 지역 디지털 필터 박스의 예
부품 3(선택 사항)
1. 안테나와 Moku:Go #1의 입력 1 사이에 저잡음 증폭기를 연결합니다. 저잡음 증폭기에 전원을 공급하려면 악어 클립을 전원 연결부와 Moku:Go #1 뒷면에 연결하세요. 설정은 그림 15에서 볼 수 있습니다.
그림 15. Moku:Go 설정 파트 3의 블록 다이어그램
2. PPSU2 또는 유사한 12V 전원 공급 장치에 연결되어 있는지 확인하십시오. 메뉴 버튼을 클릭하여 전원 공급 장치를 열고 전압을 12V로 설정합니다. 가능한 전원 공급 장치 팝업 창은 그림 16과 같습니다.
그림 16. PPSU의 예
3. 가능한 가장 선명한 신호를 생성하기 위해 필요에 따라 디지털 필터 박스 및 잠금 증폭기의 변수를 변경합니다.
4. 해당 지역의 다른 AM 신호를 변경해 보십시오. 잠금 증폭기 및 디지털 필터 박스의 변수를 변경하여 음질을 최적화할 수 있습니까?
요약
이 실습에서는 Moku:Go에서 잠금 증폭기를 AM 라디오 수신기로 사용하는 방법을 살펴봅니다. 락인 증폭기는 학생들이 시끄러운 배경에서 신호를 복조하는 방법을 발견할 수 있는 강력한 도구입니다. 또한 학생들은 다양한 다른 도구를 사용하여 신호 선명도를 더욱 향상시키는 방법을 배울 수 있습니다.
결과 게시 및 보고는 Moku: 앱 내에서 화면 캡처 또는 파일 공유를 통해 쉽게 수행됩니다. 화면 상단의 구름 아이콘을 클릭하면 됩니다.
