本实验教程讨论了典型的本科电子实验练习，以及如何使用 Moku:Go 有效地进行该练习，以教授 AM 无线电接收器的基础知识和 锁相放大器.
Moku:Go
Moku:Go 在一台高性能设备中结合了 15 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，并演示使用锁相放大器的基础知识。您将使用 锁相放大器, 数字滤波器和 频谱分析仪 仪器和集成电源来设计和优化 AM 无线电接收器。 振幅调制 （AM）广播，虽然在很大程度上被 调频 调频 (FM) 收音机仍然是一种非常有用的通过无线电波传输信息的方法。在本实验中，您将设计和实现一个 AM 收音机接收器。您将学习如何查找本地 AM 收音机频率并使用锁相放大器实现收音机接收器。图 1 显示了使用频谱分析仪在澳大利亚堪培拉拾取的 AM 收音机信号。
图 1. 堪培拉地区的频谱分析仪示例
背景
AM Radio
在AM广播中，信号的幅度经过调制；这与FM广播中信号频率经过调制的情况不同。这种差异可以从图2中看出，AM调制波形中波的幅度明显变化，而FM调制波形中正弦波的频率随时间变化。这两种无线电传输方式各有优缺点。商业AM广播电台的工作频率范围为535 kHz - 1605 kHz，因此通常比88 - 108 MHz范围内的FM广播覆盖范围更广，然而，AM广播更容易受到噪声的影响，与音乐类广播节目相比，它更适合谈话类广播。
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。 调幅 (AM) 收音机的工作原理是使用正弦载波，并用消息信号（音频信号）进行调制；该音频信号就是要发送的信息。在这种调制方式中，载波的幅度会因消息信号而改变（因此称为调幅）。与特定电台对应的调制信号在频域中可以清晰地显示为一个尖峰（例如图 1），但在时域中通常难以观察到。Moku:Go 的 FIR 滤波器构建器可以帮助我们实现这一点，它允许我们在电台周围设置一个窄带通滤波器，滤除除电台信号之外的几乎所有其他信号。图 3 展示了一个示例，其中…… FIR 滤波器生成器 选出一个大约 600 kHz 的 AM 电台。蓝色轨迹中可以清楚地看到调制了语音信号的 AM 载波。红色轨迹（天线输入）显示，如果没有窄带通，就不可能选出这个或任何其他电台；事实上，信号完全由拍摄屏幕截图的办公室中可调光 LED 照明的 ~25 kHz 切换所主导。
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 锁相放大器是一种功能强大的设备，能够从噪声背景中分离出调制信号，在本例中，它可以从一系列信号中分离出特定的调幅（AM）信号。这意味着锁相放大器可以作为无线电接收机使用，因为它包含无线电接收机的几个关键组件。Moku:Go 锁相放大器能够利用相位敏感检测器（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。它可以跟踪与参考信号的任何偏差，从而能够跟踪频率漂移。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的频率相同，因此它们之间的频率差为零。因此，所需的无线电波信号被设置为直流分量。然后，混合信号通过低通滤波器，该滤波器会滤除调制信号的交流分量。这样就只剩下与信号幅度成正比的直流信号，此时可以使用直流放大器放大该信号。输出幅度可以通过混频器和低通滤波器处理后的信号来确定。这些信号可以用直角坐标或极坐标表示。幅度 R 可以通过坐标转换得到。对于调幅 (AM) 信号，只需要幅度 R（极坐标形式）；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
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]常见的 30 dB LNA。如需完整物料清单，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 广播信号频率，您可以通过添加跟踪光标来实现。信号频率应在 2 MHz 以内的范围内。
- 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。点击菜单按钮打开电源，并将电压设置为 12 V。电源弹出窗口可能如图 16 所示。
图 16. PPSU 示例 3. 根据需要调整数字滤波器盒和锁相放大器的参数，以获得尽可能清晰的信号。4. 尝试收听您所在区域的其他 AM 信号，您能否通过调整锁相放大器和数字滤波器盒的参数来优化音质？
结语
本实验探索了如何在 Moku:Go 上使用锁相放大器作为 AM 收音机接收器。锁相放大器是一款强大的工具，学生可以利用它来学习如何从噪声背景中解调信号。此外，学生还可以学习如何使用其他工具进一步提高信号清晰度。实验结果可以通过 Moku:App 内的屏幕截图或文件共享功能轻松发布和报告。只需点击屏幕顶部的云图标即可。