本实验室教程讨论了一个典型的本科电子实验室练习，以及如何使用 Moku:Go 有效地进行它来教授 AM 无线电接收器和锁相放大器的基础知识。
Moku:Go
Moku:Go 在一台高性能设备中结合了 14 多种实验室仪器，具有 2 个模拟输入、2 个模拟输出、16 个数字 I/O 引脚和可选的集成电源。
介绍
本实验的目的是介绍 AM 无线电接收器的基础知识并演示使用锁定放大器的基础知识。 您将使用 Moku:Go 锁定放大器、数字滤波器盒、频谱分析仪以及集成电源来设计和优化 AM 无线电接收器。
调幅 (AM) 无线电虽然在很大程度上被调频 (FM) 无线电所取代，但仍然是一种通过无线电波传输信息的非常有用的方法。 在本实验中，您将设计并实现 AM 无线电接收器。 您将学习查找本地 AM 无线电频率并使用锁定放大器实现无线电接收器。 图 1 显示了使用频谱分析仪在澳大利亚堪培拉拾取的 AM 无线电信号。
图 1. 堪培拉地区的频谱分析仪示例
背景
AM Radio
在 AM 收音机中，信号的幅度是经过调制的； 这与调制信号频率的 FM 收音机相比。 这种差异可以在图 2 中看到，其中波的幅度在 AM 调制波形中明显变化，而在 FM 调制波形中，正弦波的频率随时间变化。 两种类型的无线电传输都有优点和缺点。 商业 AM 广播电台在 535 kHz – 1605 kHz 范围内运行，因此与 88 – 108 MHz 范围内的 FM 相比通常具有更长的范围，但是它更容易受到噪音的影响，并且与音乐相比更适合谈话广播。基于广播节目。
图2。 在 Moku:Go 上使用波形发生器的调幅波形和调频波形示例。
AM 收音机使用用消息信号（音频信号）调制的正弦波载波进行操作； 此音频是正在发送的信息。 在这种类型的调制中，载波的振幅被消息信号改变（因此称为 AM）。
与特定无线电台相对应的调制信号可以在频域中清楚地看到为尖峰（例如图1），尽管在时域中通常很难看到。 Moku:Go FIR 滤波器生成器允许我们在广播电台周围设置窄带通滤波器，从而消除除电台以外的几乎所有信号。
在图 3 中可以看到一个示例，其中 FIR Filter Builder 挑选出大约 600 kHz 的 AM 无线电台。 在蓝色轨迹中可以清楚地看到用语音信号调制的 AM 载波。 红色迹线（天线输入）表明，如果没有窄带通，就不可能选择这个或任何其他无线电台； 事实上，信号完全由截屏办公室中可调光 LED 灯的 ~25 kHz 开关控制。
图 3. FIR Filter Builder 将 AM 无线电台（蓝色迹线）与背景信号（红色）隔离开来。
要接收并收听消息信号，需要无线电接收器接收特定的 AM 无线电频率并将其解调以从消息信号中分离出载波信号。 图 4 显示了一个简单的 AM 无线电接收器的框图。
图 4. AM 无线电接收器的框图
接收器通过使用无线电天线检测无线电波来工作； 但是，此信号通常相对较弱，因此需要射频放大器来增强信号，以便对其进行进一步处理。 由于天线将捕获所有可能的频率，因此需要调谐器来找到所需的特定频率。
图 5. LC 电路原理图示例
模拟解调
模拟解调调谐器通常由一个 LC（电感-电容）电路组成，如图 5 所示。根据所使用的电感和电容，电路将在特定频率谐振。 高于和低于该共振频率的所有其他频率都将被阻止。 消息信号可以被整流为仅提供直流信号，并通过二极管和旁路电容器从载波中解调。 然后可以将消息单曲放大并发送到扬声器、耳机等。
锁相放大器
锁定放大器是一种功能强大的设备，可以将调制信号从噪声背景中分离出来，在我们的例子中，是从信号阵列中分离出特定的 AM 信号。 这意味着锁定放大器可以充当无线电接收器，因为它包含无线电接收器的几个关键组件。
Moku:Go 锁定放大器能够使用相敏检测器 (PSD) 解调调制信号，例如无线电波。 它使用与载波信号频率相同的正弦参考信号。 它可以跟踪参考信号的任何变化，因此能够跟踪频率漂移。
PSD 将两个信号相乘或“混合”在一起，生成两个信号的和项和差项。 所需频率和参考信号由相同的频率组成，因此频率之间的差异为零。 因此，所需的无线电波信号设置为DC。
然后，混合信号通过低通滤波器发送，该滤波器去除调制信号的交流分量。 这只留下与信号幅度成正比的直流信号，然后可以使用直流放大器放大信号。
可以从通过混频器和低通滤波器发送的信号中找到输出幅度。 这些可以在直角坐标或极坐标中找到。 可以通过坐标之间的转换来找到振幅R。 对于 AM 信号，只需要振幅或 R（在极坐标中）； 信号的相位可以忽略不计。
实验前练习
- 查找并详细说明您所在地区当前的 AM 电台列表。
- 你认为什么信号最强烈？ 为什么？
实验装置
平台组件
- 莫库：走 [2x]
- 天线
- 喇叭
- 低噪声放大器（可选）[1]
- 鳄鱼夹
实验室程序
部分1
- 确保您拥有最新版本的 Moku：桌面应用程序[2] 下载到您的计算机上。
- 将磁性电源适配器插入每个 Moku:Go 并等待前面的 LED 变为绿色。
- 这些第一步将解决 Moku:Go #1 的配置问题。
- 将天线连接到 Moku:Go 输入 1，如图 6 和图 7 所示。
[1]常用的 30 dB LNA。 如需完整的材料清单，请联系 support@liquidinstruments.com
[2]Moku:Go 可以通过三种不同的方式连接到您的笔记本电脑：以太网、USB-C 和 Wi-Fi。 请参阅 Moku:Go 快速入门指南 关于如何连接您的 Moku：转到您的计算机。 连接后，Moku:Go 将显示在 Windows 或 MacOS 应用程序的设备选择屏幕中。
图 6. 第 1 部分的照片 Moku：Go 设置
图 7. Moku:Go 的框图设置第 1 部分
- 双击频谱分析仪。 找到 AM 范围并随意对频谱进行平均以改进图形。
- 找到最主要的 AM 无线电信号频率，您可以通过添加跟踪光标来实现。 信号应在小于 2 MHz 的范围内。
- 图 8 中可以看到频谱分析仪和设置配置的示例。
图 8. 如何配置频谱分析仪
5. 将您的扬声器连接到 Moku:Go #1 的输出 1。
- 返回仪器选择屏幕并双击锁定放大器。 打开示波器部分以确保您可以看到 A 和 B。
- 将探头 A 添加到输入 1（天线）
- 将探头 B 添加到输出 1（扬声器）
- 可以在图 9 中查看锁定放大器仪器页面的示例。
图 9. 锁相放大器解调 AM 无线电台的示例。 上方（红色）迹线是天线信号，下方（蓝色）迹线是音频。
6. 将本地振荡器更改为您最常用的 AM 信号的频率。 首先将低通滤波器设置为 12 kHz。 根据需要更改为极性并改变增益。 您可能需要更改低通滤波器和增益以改善信号并尽可能产生最清晰的声音。 小心不要使信号饱和。 图 10 给出了堪培拉本地地区各种变量的示例设置。
图 10. 具有堪培拉地区设置的锁定放大器示例。
部分2
将扬声器连接线移至 Moku:Go #2 的输出 2。 将一根电缆从 Moku:Go #1 的输出 1 连接到 Moku:Go #2 的输入 2。 这种设置可以在图 11 和图 12 中看到。
图 11. Moku 照片：Go 设置第 2 部分
图 12. Moku:Go 的框图设置第 2 部分
2. 返回主屏幕并双击 Moku:Go #2 的图标。 双击数字滤波器框。 数字滤波器盒界面如图 13 所示。
图 13. 数字滤波器盒用户界面
3. 将探头 A 添加到输入 2，将探头 B 添加到输出 2。首先，将滤波器更改为贝塞尔带通滤波器并根据需要更改增益。 改变频率以仅隔离消息信号，即音乐或语音，从而尝试去除低频噪声。 尝试瞄准由音乐和声音产生的频率。 图 14 给出了堪培拉地区的数字滤波器箱变量。
图 14. 堪培拉地区的数字滤波器盒示例
零件 3（可选）
1. 在 Moku:Go #1 的天线和输入 1 之间连接低噪声放大器。 要为低噪声放大器供电，请将鳄鱼夹连接到电源接口和 Moku:Go #1 的背面。 设置如图 15 所示。
图 15. Moku:Go 设置的框图第 3 部分
2. 确保它已连接到 PPSU2 或类似的 12 V 电源。 单击菜单按钮打开电源并将电压设置为 12 V。可能的电源弹出窗口如图 16 所示。
图 16. PPSU 示例
3. 根据需要更改数字滤波器盒和锁定放大器的变量，以产生尽可能清晰的信号。
4. 尝试改变你所在地区的其他 AM 信号，你能通过改变锁相放大器和数字滤波器盒中的变量来优化你的音质吗？
总结
本实验探索在 Moku:Go 上使用锁定放大器作为 AM 无线电接收器。 锁定放大器是学生探索如何从嘈杂背景中解调信号的强大工具。 此外，学生们还能够学习如何使用许多其他工具进一步提高信号清晰度。
通过 Moku: App 中的屏幕截图或文件共享，可以轻松发布和报告结果。 您可以通过单击屏幕顶部的云图标来执行此操作。
