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Moku:Go輕鬆助力校園無線電接收實驗的教學

時間↟▩✘:2022-07-29 點選次數↟▩✘:351

Moku:Go輕鬆助力校園無線電接收實驗的教學

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Moku:Go將10幾種實驗室儀器結合在一個高效能裝置中☁₪◕✘,具有2個模擬輸入✘☁│、2個模擬輸出✘☁│、16個數字I/O和可選的整合電源◕₪•│。

微信圖片_20220721150616.png

                  

一. 介紹

本實驗的目的是介紹調幅無線電接收器的基本原理☁₪◕✘,並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✘☁│、數字濾波器✘☁│、頻譜分析儀和整合電源來設計和最佳化AM無線電接收器◕₪•│。

調幅(AM)無線電☁₪◕✘,雖然在很大程度上被調頻(FM)無線電所取代☁₪◕✘,但它仍然是透過無線電波傳輸資訊中非常有用的一種方法◕₪•│。本實驗設計並實現一個調幅無線電接收器◕₪•│。可以學習到如何找到本地AM無線電頻率☁₪◕✘,並使用鎖定放大器實現無線電接收器◕₪•│。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無線電訊號◕₪•│。

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圖1    堪培拉地區頻譜分析儀的例子 




二. 背景


2.1 調幅廣播

在調幅收音機中☁₪◕✘,訊號的振幅是經過調製的;與調幅收音機相比☁₪◕✘,調頻收音機的訊號頻率是經過調製的◕₪•│。這種差異可以從圖2中看出☁₪◕✘,在調幅調製波形中☁₪◕✘,波的振幅明顯變化☁₪◕✘,而在調頻調製波形中☁₪◕✘,正弦波的頻率隨時間變化◕₪•│。兩種型別的無線電傳輸都有優點和缺點◕₪•│。商業調幅廣播電臺工作在535kHz至1605kHz的範圍內☁₪◕✘,因此與調頻廣播相比☁₪◕✘,其覆蓋範圍通常更大在88-108 MHz範圍☁₪◕✘,但它更容易受到噪聲的影響☁₪◕✘,與基於音樂的廣播節目相比☁₪◕✘,更適合談話廣播◕₪•│。

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圖2   使用Moku:Go上的波形發生器的調幅波形和調頻波形示例◕₪•│。 


AM收音機透過使用正弦載波工作☁₪◕✘,該載波由訊息訊號(音訊訊號)調製;正在傳送的資訊就是這個音訊◕₪•│。在這種型別的調製中☁₪◕✘,載波的振幅被資訊訊號被改變(因此稱為AM)◕₪•│。

特定無線電臺的調製訊號在頻域中可以清楚地被視為尖峰(例如圖1)☁₪◕✘,儘管在時域中通常很難看到◕₪•│。Moku:Go的FIR濾波器生成器可以幫助我們在無線電臺周圍設定一個窄帶通濾波器☁₪◕✘,去除電臺以外的幾乎所有訊號◕₪•│。

圖3給出了一個例子☁₪◕✘,FIR濾波器生成器挑選出一個大約600 kHz的AM無線電臺◕₪•│。藍色軌跡中可以清楚地看到用語音訊號調製的AM載波◕₪•│。紅色的軌跡(天線輸入)表明☁₪◕✘,如果沒有窄帶通☁₪◕✘,就不可能接收這個或任何其他電臺;事實上☁₪◕✘,該訊號完全由截圖所在辦公室的可調光LED照明的~25 kHz開關控制◕₪•│。

 

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圖3 FIR濾波器生成器將AM廣播電臺(藍色軌跡)與背景訊號(紅色)隔離開來◕₪•│。 


為了接收和收聽訊息訊號☁₪◕✘,無線電接收器需要接收特定的AM無線電頻率並對其進行解調☁₪◕✘,以從訊息訊號中分離出載波訊號◕₪•│。簡單AM無線電接收器的框圖如圖4所示◕₪•│。


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圖4 調幅無線電接收器框圖


接收器透過使用無線電天線檢測無線電波來工作;然而☁₪◕✘,這種訊號通常相對較弱☁₪◕✘,因此需要一個RF放大器來增強訊號☁₪◕✘,以便進一步處理◕₪•│。由於天線將捕捉所有可能的頻率☁₪◕✘,因此需要一個調諧器來找到所需的特定頻率◕₪•│。

 

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 圖5 LC電路原理圖示例 


2.2 模擬解調

模擬解調調諧器通常由一個LC(電感電容)電路組成☁₪◕✘,如圖5所示◕₪•│。根據所用的電感和電容☁₪◕✘,電路將在特定頻率下諧振◕₪•│。高於和低於該諧振頻率的所有其他頻率將被阻擋◕₪•│。訊息訊號可以被整流為僅給出DC訊號☁₪◕✘,並透過二極體和旁路電容器從載波中解調◕₪•│。該資訊訊號然後可以被放大併發送到揚聲器✘☁│、耳機等◕₪•│。


2.3 鎖定放大器

鎖定放大器是一種功能強大的器件☁₪◕✘,可以從噪聲背景中分離出調製訊號☁₪◕✘,在我們的情況下☁₪◕✘,是從一系列訊號中分離出特定的AM訊號◕₪•│。這意味著鎖定放大器可以作為無線電接收器☁₪◕✘,因為它包含無線電接收器的幾個關鍵部件◕₪•│。

Moku:Go的鎖定放大器能夠透過使用相敏檢波器(PSD)解調調製訊號☁₪◕✘,例如無線電波◕₪•│。它使用與載波訊號頻率相同的正弦參考訊號◕₪•│。它可以跟蹤參考訊號的任何變化☁₪◕✘,因此能夠跟蹤頻率漂移◕₪•│。

PSD將兩個訊號相乘或“混合"在一起☁₪◕✘,產生兩個訊號的和項和差項◕₪•│。所需頻率和參考訊號由相同的頻率組成☁₪◕✘,因此頻率之間的差異為零◕₪•│。因此☁₪◕✘,所需的無線電波訊號被設定為DC◕₪•│。

混合訊號然後透過低通濾波器傳送☁₪◕✘,該低通濾波器去除調製訊號的交流分量◕₪•│。這僅留下與訊號幅度成比例的DC訊號☁₪◕✘,在這裡☁₪◕✘,訊號然後可以使用直流放大器放大◕₪•│。

輸出幅度可以從透過混頻器和低通濾波器傳送的訊號中找到◕₪•│。這些可以在直角座標或極座標中找到◕₪•│。振幅R可以透過座標之間的轉換得到☁₪◕✘,其中 ◕₪•│。對於AM訊號☁₪◕✘,只需要振幅或R(在極座標中);訊號的相位可以忽略◕₪•│。


三. 實驗前練習


找到並詳細列出你所在地區的AM電臺列表◕₪•│。你覺得什麼訊號會zui強↟↟╃◕?為什麼↟↟╃◕?

實驗裝置成分↟▩✘:

○ Moku:Go [2x]

○ 天線

○ 揚聲器

○ 低噪聲放大器(可選)1

○ 鱷魚夾

○ 實驗室程式


3.1 第一部分

確保您擁有最新版本的在地址↟▩✘:Moku: desktop app2

將磁性電源介面卡插入每個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的配置問題◕₪•│。

將天線連線到Moku:Go的輸入1☁₪◕✘,如圖6和圖7所示◕₪•│。


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圖6 第一部分照片Moku:去設定 


1✘☁│、常用的30分貝LNA◕₪•│。如需完整的物料清單☁₪◕✘,請聯絡我們◕₪•│。

2✘☁│、Moku:Go可以透過三種不同的方式連線到膝上型電腦:乙太網✘☁│、USB-C和Wi-Fi◕₪•│。請參考Moku:Go Quick StartGuide 如何連線你的Moku:去你的電腦◕₪•│。一旦連線☁₪◕✘,Moku:Go將出現在Windows或MacOS應用程式的裝置選擇螢幕上◕₪•│。


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圖7  Moku↟▩✘:go:設定第1部分 


雙擊頻譜分析儀◕₪•│。找到調幅範圍☁₪◕✘,並隨意平均頻譜☁₪◕✘,以改善圖表◕₪•│。

找到最主要的調幅無線電訊號頻率☁₪◕✘,你可以透過新增一個跟蹤游標來完成◕₪•│。訊號應在小於2 MHz的範圍內◕₪•│。

頻譜分析儀和設定配置的示例如圖8所示◕₪•│。


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 圖8 如何配置頻譜分析儀 


○ 將您的揚聲器連線到Moku:Go #1的輸出1◕₪•│。

○ 返回儀器選擇螢幕☁₪◕✘,雙擊鎖定放大器◕₪•│。開啟示波器部分☁₪◕✘,確保可以看到A和b◕₪•│。

○ 將探針A新增到輸入1(天線)

○ 將探頭B新增到輸出1(揚聲器)

在圖9中可以看到鎖定放大器儀器頁面的一個例子◕₪•│。


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 圖9 鎖定放大器解調AM廣播電臺的示例◕₪•│。上面(紅色)的軌跡是天線訊號☁₪◕✘,下面(藍色)的軌跡是音訊◕₪•│。 


改變本地振盪器到你最主要的調幅訊號的頻率◕₪•│。首先將低通濾波器設定為12kHz◕₪•│。根據需要改變極性和增益◕₪•│。您可能需要改變低通濾波器和增益☁₪◕✘,以改善訊號併產生儘可能清晰的聲音◕₪•│。小心不要讓訊號飽和◕₪•│。圖10給出了堪培拉地區各種變數的設定示例◕₪•│。

 

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圖10 堪培拉地區鎖定放大器設定示例◕₪•│。

 

3.2 第二部分

在第2部分中☁₪◕✘,我們將使用第二個Moku:Go作為數字濾波器來進一步增強接收到的無線電訊號◕₪•│。

將揚聲器連線電纜移至Moku:Go #2的輸出2◕₪•│。將一根電纜從Moku:Go #1的輸出1連線到Moku:Go #2的輸入2◕₪•│。這種設定可以在圖11和圖12中看到◕₪•│。

 

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圖11  Moku的照片:去設定第2部分 



圖12 Moku↟▩✘:go:設定第2部分 


返回主螢幕☁₪◕✘,雙擊Moku:Go #2的圖示◕₪•│。雙擊數字濾波器框◕₪•│。數字濾波器盒介面如圖13所示◕₪•│。


 

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 圖13 數字濾波器盒使用者介面 


將探針A新增到輸入2☁₪◕✘,將探針B新增到輸出2◕₪•│。首先☁₪◕✘,將濾波器改為貝塞爾帶通濾波器☁₪◕✘,並根據需要改變增益◕₪•│。改變頻率☁₪◕✘,僅隔離資訊訊號☁₪◕✘,即音樂或聲音☁₪◕✘,從而嘗試去除低頻噪音◕₪•│。試著瞄準音樂和聲音產生的頻率◕₪•│。圖14給出了堪培拉地區的數字濾波器盒變數◕₪•│。

 

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圖14  堪培拉地區的數字濾波器盒示例 


3.2 第3部分

將低噪聲放大器連線在天線和Moku:Go #1的輸入1之間◕₪•│。為低噪聲放大器供電☁₪◕✘,將鱷魚夾連線到電源連線和Moku:Go #1的背面◕₪•│。設定如圖15所示◕₪•│。


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圖15  Moku的框圖:設定第3部分 


確保它連線到PPSU2或類似的12 V電源◕₪•│。單擊 開啟電源☁₪◕✘,並將電壓設定為12 V◕₪•│。電源彈出視窗可能如圖16所示◕₪•│。


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 圖16  PPSU的例子 


根據需要改變數字濾波器盒和鎖定放大器的變數☁₪◕✘,以產生儘可能清晰的訊號◕₪•│。

嘗試改變你所在區域的其他AM訊號☁₪◕✘,你能透過改變鎖定放大器和數字濾波器盒中的變數來最佳化你的音質嗎↟↟╃◕?


3.3.1 摘要

本實驗探索在Moku:Go上使用鎖定放大器作為AM無線電接收器◕₪•│。鎖定放大器是一個強大的工具☁₪◕✘,幫助學生了解如何從嘈雜的背景中解調訊號◕₪•│。此外☁₪◕✘,學生還能夠學習如何利用許多其他工具進一步提高訊號清晰度◕₪•│。

在Moku: App中☁₪◕✘,透過截圖或檔案共享可以輕鬆釋出和報告結果◕₪•│。您可以透過點選螢幕頂部的雲圖標來完成此操作◕₪•│。

Moku的好處:Go面向教育工作者和實驗室助理有效利用實驗室空間和時間易於實現一致的儀器配置專注於電子裝置而非儀器設定最大限度地利用實驗室助教的時間個人實驗室☁₪◕✘,個人學習透過螢幕截圖簡化評估和評級對於學生來說各個實驗室按照自己的節奏加強理解和保留行動式☁₪◕✘,選擇實驗室工作的速度✘☁│、地點和時間☁₪◕✘,無論是在家裡✘☁│、在校園實驗室☁₪◕✘,甚至是在熟悉的Windows或macOS膝上型電腦環境中進行遠端協作☁₪◕✘,同時使用專業級儀器◕₪•│。


3.3.2 Moku:Go演示模式

您可以在Liquid Instruments網站下載適用於macOS和Windows的Moku:Go應用程式◕₪•│。演示模式操作不需要任何硬體☁₪◕✘,並提供了使用Moku:Go的一個很好的概述◕₪•│。




關於昊量光電↟▩✘:

上海昊量光電裝置有限公司是目前國內光電產品專業代理商☁₪◕✘,也是近年來發展迅速的光電產品代理企業◕₪•│。除了擁有一批專業技術銷售工程師之外☁₪◕✘,還有擁有一支強大技術支援隊伍◕₪•│。我們的技術支援團隊可以為客戶提供完整的裝置安裝☁₪◕✘,培訓☁₪◕✘,硬體開發☁₪◕✘,軟體開發☁₪◕✘,系統整合等工作◕₪•│。秉承誠信✘☁│、高效✘☁│、創新✘☁│、共贏的核心價值觀☁₪◕✘,昊量光電堅持以誠信為基石☁₪◕✘,憑藉高效的運營機制和勇於創新的探索精神為我們的客戶與與合作伙伴不斷創造價值☁₪◕✘,實現各方共贏·☁₪│!




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