Automatyczna kontrola wzmocnienia - Automatic gain control

Schemat AGC stosowanego w analogowej sieci telefonicznej; sprzężenie zwrotne z poziomu wyjściowego do wzmocnienia jest realizowane przez rezystancyjny optoizolator Vactrol .

Automatyczna regulacja wzmocnienia ( AGC ) to obwód regulujący sprzężenie zwrotne w pętli zamkniętej we wzmacniaczu lub łańcuchu wzmacniaczy, którego celem jest utrzymanie odpowiedniej amplitudy sygnału na jego wyjściu, pomimo zmienności amplitudy sygnału na wejściu. Średni lub szczytowy poziom sygnału wyjściowego jest używany do dynamicznej regulacji wzmocnienia wzmacniaczy, umożliwiając satysfakcjonującą pracę układu z większym zakresem poziomów sygnału wejściowego. Jest stosowany w większości odbiorników radiowych w celu wyrównania średniej głośności ( głośności ) różnych stacji radiowych ze względu na różnice w sile odbieranego sygnału, a także zmiany sygnału radiowego pojedynczej stacji spowodowane zanikiem . Bez AGC dźwięk emitowany z odbiornika radiowego AM różniłby się w skrajnym zakresie od słabego do silnego sygnału; AGC skutecznie zmniejsza głośność, jeśli sygnał jest silny, i podnosi go, gdy jest słabszy. W typowym odbiorniku sygnał sterujący sprzężenia zwrotnego AGC jest zwykle pobierany ze stopnia detektora i stosowany do sterowania wzmocnieniem stopni wzmacniacza IF lub RF.

Jak to działa

Sygnał, który ma być sterowany wzmocnieniem (wyjście detektora w radiu) trafia do diody i kondensatora , które wytwarzają napięcie stałe o wartości szczytowej. Jest on podawany do bloków wzmocnienia RF, aby zmienić ich nastawienie, zmieniając w ten sposób ich wzmocnienie. Tradycyjnie wszystkie stopnie z kontrolą wzmocnienia pojawiały się przed wykryciem sygnału, ale możliwe jest również ulepszenie kontroli wzmocnienia poprzez dodanie stopnia z kontrolą wzmocnienia po wykryciu sygnału.

Przykładowe przypadki użycia

Odbiorniki radiowe AM

W 1925 roku Harold Alden Wheeler wynalazł automatyczną regulację głośności (AVC) i uzyskał patent. Karl Küpfmüller opublikował analizę systemów AGC w 1928 roku. Na początku lat 30. większość nowych komercyjnych odbiorników nadawczych zawierała automatyczną regulację głośności.

AGC to odejście od liniowości w odbiornikach radiowych AM . Bez AGC radio AM miałoby liniową zależność między amplitudą sygnału a kształtem fali dźwiękowej – amplituda dźwięku , która koreluje z głośnością, jest proporcjonalna do amplitudy sygnału radiowego, ponieważ zawartość informacyjna sygnału jest przenoszona przez zmiany amplituda fali nośnej . Gdyby obwód nie był dość liniowy, modulowany sygnał nie mógłby zostać odzyskany z rozsądną wiernością . Jednak siła odbieranego sygnału będzie się znacznie różnić w zależności od mocy i odległości nadajnika oraz tłumienia ścieżki sygnału . Obwód AGC zapobiega zbyt dużym wahaniom poziomu wyjściowego odbiornika, wykrywając ogólną siłę sygnału i automatycznie regulując wzmocnienie odbiornika w celu utrzymania poziomu wyjściowego w akceptowalnym zakresie. W przypadku bardzo słabego sygnału AGC obsługuje odbiornik z maksymalnym wzmocnieniem; wraz ze wzrostem sygnału AGC zmniejsza wzmocnienie.

Zwykle niekorzystne jest zmniejszanie wzmocnienia przedniego końca RF odbiornika na słabszych sygnałach, ponieważ niskie wzmocnienie może pogorszyć stosunek sygnału do szumu i blokować ; dlatego wiele projektów zmniejsza wzmocnienie tylko dla silniejszych sygnałów.

Ponieważ dioda detektora AM wytwarza napięcie stałe proporcjonalne do siły sygnału, napięcie to może być doprowadzone do wcześniejszych stopni odbiornika w celu zmniejszenia wzmocnienia. Wymagana jest sieć filtrów, aby komponenty audio sygnału nie wpływały znacząco na wzmocnienie; zapobiega to „wzrostowi modulacji”, co zwiększa efektywną głębokość modulacji sygnału, zniekształcając dźwięk. Odbiorniki komunikacyjne mogą mieć bardziej złożone systemy AVC, w tym dodatkowe stopnie wzmocnienia, oddzielne diody detektora AGC, różne stałe czasowe dla pasm rozgłoszeniowych i krótkofalowych oraz zastosowanie różnych poziomów napięcia AGC do różnych stopni odbiornika, aby zapobiec zniekształceniom i modulacji skrośnej. Konstrukcja systemu AVC ma duży wpływ na użyteczność odbiornika, charakterystykę strojenia, wierność dźwięku oraz zachowanie przy przeciążeniach i silnych sygnałach.

Odbiorniki FM, mimo że zawierają stopnie ogranicznika i detektory, które są stosunkowo niewrażliwe na zmiany amplitudy, nadal korzystają z AGC, aby zapobiec przeciążeniu silnych sygnałów.

Radar

Pokrewnym zastosowaniem AGC są systemy radarowe , jako metoda pokonywania niechcianych ech bałaganu . Ta metoda opiera się na fakcie, że zwracanie bałaganu znacznie przewyższa liczbę ech z obiektów zainteresowania. Wzmocnienie odbiornika jest automatycznie dostosowywane, aby utrzymać stały poziom widocznego bałaganu. Chociaż nie pomaga to w wykrywaniu celów zamaskowanych przez silniejszy bałagan w otoczeniu, pomaga w rozróżnieniu silnych źródeł celów. W przeszłości radar AGC był sterowany elektronicznie i wpływał na wzmocnienie całego odbiornika radaru. Wraz z ewolucją radarów AGC stała się kontrolowana przez oprogramowanie komputerowe i wpływała na wzmocnienie z większą szczegółowością w określonych komórkach detekcyjnych. Wiele środków zaradczych radarów wykorzystuje AGC radaru, aby go oszukać, skutecznie „zagłuszając” rzeczywisty sygnał za pomocą fałszu, ponieważ AGC uzna słabszy, prawdziwy sygnał za bałagan w stosunku do silnej fałszywki.

Audio Video

Taśmy audio generuje pewną ilość szumów . Jeśli poziom sygnału na taśmie jest niski, szum jest bardziej widoczny, tj. stosunek sygnału do szumu jest niższy niż mógłby być. Aby nagranie było jak najmniej zaszumione, poziom nagrywania powinien być ustawiony tak wysoki, jak to tylko możliwe, bez zbytniego przycinania lub zniekształcania sygnału. W profesjonalnych nagraniach o wysokiej wierności poziom jest ustawiany ręcznie za pomocą miernika odczytu szczytowego . Gdy wysoka wierność nie jest wymagana, odpowiedni poziom nagrywania może być ustawiony przez obwód AGC, który zmniejsza wzmocnienie wraz ze wzrostem średniego poziomu sygnału. Pozwala to na wykonanie użytecznego nagrania nawet dla mowy w pewnej odległości od mikrofonu rejestratora dźwięku. Podobne uwagi dotyczą magnetowidów .

Potencjalną wadą AGC jest to, że podczas nagrywania czegoś takiego jak muzyka z cichymi i głośnymi fragmentami, takimi jak muzyka klasyczna, AGC ma tendencję do zwiększania głośności cichych fragmentów i wyciszania głośnych fragmentów, kompresując zakres dynamiczny ; rezultatem może być obniżona jakość muzyki, jeśli sygnał nie jest ponownie rozszerzany podczas grania, jak w systemie kompandującym .

Niektóre reel-to-reel magnetofony i magnetofon kasetowy mieć obwodów AGC. Te używane do wysokiej wierności na ogół nie.

Większość obwodów magnetowidu wykorzystuje amplitudę impulsu wygaszania pionowego do obsługi AGC. Schematy kontroli kopiowania wideo, takie jak Macrovision, wykorzystują to, wstawiając skoki do impulsu, które będą ignorowane przez większość telewizorów , ale powodują, że AGC magnetowidu nadmiernie poprawia i uszkadza nagranie.

Vogad

Obsługiwane głosem urządzenie do regulacji wzmocnienia lub urządzenie do regulacji wzmocnienia sterowane głośnością (vogad) to rodzaj AGC lub kompresora do wzmocnienia mikrofonu . Jest zwykle stosowany w nadajnikach radiowych, aby zapobiec przemodulowaniu i zmniejszyć zakres dynamiczny sygnału, co pozwala na zwiększenie średniej mocy nadawanej. W telefonii urządzenie to przyjmuje różne amplitudy wejściowe i wytwarza ogólnie stałą amplitudę wyjściową.

W swojej najprostszej postaci ogranicznik może składać się z pary diod zaciskowych typu back-to-back , które po prostu przenoszą nadmiarową amplitudę sygnału do masy po przekroczeniu progu przewodzenia diody. Takie podejście po prostu odcina górną część dużych sygnałów, prowadząc do wysokiego poziomu zniekształceń.

Podczas gdy ograniczniki przesterowania są często używane jako forma ochrony przed przemodulowaniem , odpowiednio zaprojektowany obwód vogad aktywnie kontroluje wielkość wzmocnienia, aby zoptymalizować głębokość modulacji w czasie rzeczywistym. Oprócz zapobiegania przemodulowaniu, zwiększa poziom cichych sygnałów, dzięki czemu unika się również niedomodulowania. Niedomodulowanie może prowadzić do słabej penetracji sygnału w hałaśliwych warunkach, w związku z czym vogad jest szczególnie ważny w zastosowaniach głosowych, takich jak radiotelefony .

Dobry obwód vogad musi mieć bardzo szybki czas ataku , aby początkowy głośny sygnał głosowy nie powodował nagłego wybuchu nadmiernej modulacji. W praktyce czas ataku będzie wynosił kilka milisekund, więc czasami potrzebny jest ogranicznik przesterowania, aby złapać sygnał na tych krótkich szczytach. Zwykle stosuje się znacznie dłuższy czas zanikania, aby wzmocnienie nie zwiększało się zbyt szybko podczas normalnych pauz w mowie naturalnej. Zbyt krótki czas wybrzmiewania prowadzi do zjawiska „ oddychania ”, w którym poziom hałasu w tle wzrasta przy każdej przerwie w mowie. Obwody Vogad są zwykle regulowane tak, aby przy niskich poziomach sygnału wejściowego sygnał nie był w pełni wzmocniony, ale zamiast tego podążał liniową krzywą wzmocnienia. Działa to dobrze z mikrofonami z redukcją szumów .

Nagrywanie telefoniczne

Urządzenia do nagrywania obu stron rozmowy telefonicznej muszą rejestrować zarówno stosunkowo duży sygnał od użytkownika lokalnego, jak i znacznie mniejszy sygnał od użytkownika zdalnego przy porównywalnej głośności. Niektóre urządzenia nagrywające telefony zawierają automatyczną kontrolę wzmocnienia w celu tworzenia nagrań o akceptowalnej jakości.

Biologiczny

Podobnie jak w przypadku wielu koncepcji stosowanych w inżynierii, automatyczna kontrola wzmocnienia występuje również w systemach biologicznych, zwłaszcza w systemach sensorycznych. Na przykład w układzie wzrokowym kręgowców dynamika wapnia w fotoreceptorach siatkówki dostosowuje wzmocnienie do poziomu światła. Dalej w układzie wzrokowym uważa się, że komórki w V1 wzajemnie się hamują, powodując normalizację odpowiedzi na kontrast, formę automatycznej kontroli wzmocnienia. Podobnie w układzie słuchowym , oliwkoślimakowe neurony odprowadzające są częścią biomechanicznej pętli kontroli wzmocnienia.

Czasy odzyskiwania

Jak we wszystkich automatycznych układach sterowania, czasowa dynamika działania AGC może mieć znaczenie w wielu zastosowaniach. Niektóre systemy AGC reagują powoli na potrzebę zmiany wzmocnienia, podczas gdy inne mogą reagować bardzo szybko. Przykładem zastosowań, w których wymagana jest szybka AGC czas odzyskiwania jest w odbiornikach wykorzystywanych w kodzie komunikacji Morse gdzie tak zwana pełna włamanie lub działanie QSK jest konieczne w celu umożliwienia odbioru stacji przerwać wysyłanie paliw w połowie znaku (np między kropką i sygnały kreskowe).

Zobacz też

Bibliografia