このラボチュートリアルでは、典型的な学部生向け電子工学ラボ演習と、AMラジオ受信機の基礎を教えるためにMoku:Goを使用して効果的に実施する方法について説明します。 ロックインアンプ.
Moku:Go
Moku:Go は、15 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。
イントロダクション
このラボの目的は、AMラジオ受信機の基礎を紹介し、ロックインアンプの使い方の基本を実演することです。 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 AMラジオ受信機を設計し最適化するための計測器と統合電源。
振幅変調 （AM）ラジオは、 周波数変調された (FM) ラジオは、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、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、スペクトラム アナライザー機器を使用してオーストラリアのキャンベラで受信した 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が、FMラジオでは信号の周波数が変調されます。この違いは図2に示されています。AM変調波形では波形の振幅が明確に変化しているのに対し、FM変調波形では正弦波の周波数が時間とともに変化しています。どちらの無線送信方式にも長所と短所があります。商用AMラジオ局は535kHz～1605kHzの範囲で運用されているため、88MHz～108MHzのFMラジオ局に比べて受信範囲が広くなります。しかし、AMラジオ局はノイズの影響を受けやすく、音楽中心のラジオ番組よりもトーク番組に適しています。
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にその例を示します。 FIRフィルタービルダー 約 600 kHz で AM ラジオ局を拾います。音声信号で変調された AM キャリアは、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、狭いバンドパスがなければ、このラジオ局や他のラジオ局を拾うことは不可能であることを示しています。実際、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 スイッチングによって信号が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。詳細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。
- AMラジオ信号周波数の最も支配的な周波数を見つけます。トラッキングカーソルを追加することでこれを実現できます。信号は2MHz未満の範囲に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12V電源に接続されていることを確認してください。メニューボタンをクリックして電源を開き、電圧を12Vに設定します。電源のポップア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?
製品概要
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。
