Введение
Электронная схема для автоматической регулировки силы сигнала. Автоматический контроль усиления (AGC) – это замкнутая схема регулирования с обратной связью в усилителе или цепочке усилителей, предназначенная для поддержания оптимальной амплитуды сигнала на выходе, несмотря на изменения амплитуды входного сигнала. Для динамической регулировки усиления используются средний или пиковый уровень выходного сигнала, что позволяет схеме эффективно работать в широком диапазоне уровней входного сигнала. AGC широко применяется в большинстве радиоприемников для выравнивания средней громкости различных радиостанций, обусловленного различиями в силе принимаемого сигнала, а также для компенсации колебаний сигнала одной и той же станции из-за затухания. Без AGC громкость звука, воспроизводимого AM-радиоприемником, значительно менялась бы в зависимости от силы сигнала – от очень тихой до очень громкой. AGC эффективно уменьшает громкость при сильном сигнале и увеличивает при слабом. В типичном приемнике сигнал обратной связи AGC обычно снимается со стадии детектора и используется для управления усилением каскадов промежуточной (IF) или радиочастотной (RF) частоты.
Automatic gain control (AGC) is a closed loop feedback regulating circuit in an amplifier or chain of amplifiers, the purpose of which is to maintain a suitable signal amplitude at its output, despite variation of the signal amplitude at the input. The average or peak output signal level is used to dynamically adjust the gain of the amplifiers, enabling the circuit to work satisfactorily with a greater range of input signal levels. It is used in most radio receivers to equalize the average volume (loudness) of different radio stations due to differences in received signal strength, as well as variations in a single station's radio signal due to fading. Without AGC the sound emitted from an AM radio receiver would vary to an extreme extent from a weak to a strong signal; the AGC effectively reduces the volume if the signal is strong and raises it when it is weaker. In a typical receiver the AGC feedback control signal is usually taken from the detector stage and applied to control the gain of the IF or RF amplifier stages.
Как это работает
Сигнал, подлежащий регулировке усиления (выход детектора в радиоприемнике), поступает на диод и конденсатор, которые формируют постоянное напряжение, следующее за пиками сигнала. Это напряжение подается на RF-каскады усиления для изменения их смещения, тем самым регулируя их усиление. Традиционно все каскады с регулируемым усилением располагались перед обнаружением сигнала, однако улучшить регулировку усиления можно, добавив каскад с регулируемым усилением после обнаружения сигнала.
Приемники радио AM
В 1925 году Гарольд Алден Уилер изобрел автоматическую регулировку усиления (АРУ) и получил патент. Карл Кюпфмюллер опубликовал анализ систем АРУ в 1928 году. К началу 1930-х годов большинство новых коммерческих радиоприемников включали автоматическую регулировку усиления. АРУ – это отступление от линейности в AM-радиоприемниках. Без АРУ в AM-радиоприемнике была бы линейная зависимость между амплитудой сигнала и звуковой волной – амплитуда звука, коррелирующая с громкостью, была бы пропорциональна амплитуде радиосигнала, поскольку информационное содержание сигнала передается изменениями амплитуды несущей волны. Если схема недостаточно линейна, модулированный сигнал не мог бы быть восстановлен с приемлемой точностью. Однако, сила принимаемого сигнала будет значительно меняться в зависимости от мощности и расстояния до передатчика, а также от затухания сигнала на пути распространения. Схема АРУ предотвращает чрезмерные колебания выходного уровня приемника, определяя общую мощность сигнала и автоматически регулируя усиление приемника для поддержания выходного уровня в допустимом диапазоне. При очень слабом сигнале АРУ работает с максимальным усилением; по мере усиления сигнала АРУ уменьшает усиление. Обычно нецелесообразно уменьшать усиление входной каскада приемника при слабых сигналах, поскольку низкое усиление может ухудшить отношение сигнал/шум и восприимчивость к помехам; поэтому во многих конструкциях усиление уменьшается только для более сильных сигналов. Поскольку диод AM-детектора генерирует постоянное напряжение, пропорциональное силе сигнала, это напряжение можно подавать на предыдущие каскады приемника для уменьшения усиления. Требуется фильтр, чтобы аудиокомпоненты сигнала не оказывали существенного влияния на усиление; это предотвращает "подъем модуляции", который увеличивает эффективную глубину модуляции сигнала, искажая звук. Коммуникационные приемники могут иметь более сложные системы АРУ, включая дополнительные каскады усиления, отдельные диоды АРУ, различные постоянные времени для радиовещательных и коротковолновых диапазонов, а также применение различных уровней напряжения АРУ к разным каскадам приемника для предотвращения искажений и перекрестной модуляции. Конструкция системы АРУ оказывает значительное влияние на удобство использования приемника, характеристики настройки, точность воспроизведения звука и поведение при перегрузке и сильных сигналах. FM-приемники, даже если они включают ограничительные каскады и детекторы, относительно нечувствительные к изменениям амплитуды, все равно выигрывают от использования АРУ для предотвращения перегрузки при сильных сигналах.
Радар
Схожим применением автоматической регулировки усиления (АРУ) является использование в радиолокационных системах для подавления нежелательных отражений от помех. Этот метод основан на том, что количество отражений от помех значительно превышает количество отражений от интересующих целей. Усиление приемника автоматически регулируется для поддержания постоянного уровня общего видимого шума помех. Хотя это не помогает обнаружить цели, замаскированные более сильными окружающими помехами, это способствует выделению мощных источников сигнала. Ранее АРУ в радиолокаторах управлялась электронным способом и влияла на усиление всего радиолокационного приемника. С развитием радиолокаторов управление АРУ стало осуществляться с помощью компьютерного программного обеспечения, что позволило более точно регулировать усиление в отдельных ячейках обнаружения. Многие средства радиоэлектронной борьбы используют АРУ радиолокатора для его обмана, эффективно "заглушая" реальный сигнал ложным сигналом, поскольку АРУ будет воспринимать более слабый истинный сигнал как помеху по сравнению с мощным ложным сигналом.
Аудио/видео
Аудиолента генерирует определенный уровень шума. Если уровень сигнала на ленте низок, шум становится более заметным, то есть отношение сигнал/шум оказывается ниже, чем могло бы быть. Для получения записи с минимальным уровнем шума, уровень записи следует устанавливать максимально возможным, но не настолько высоким, чтобы вызвать клиппинг или искажение сигнала. В профессиональной высококачественной записи уровень устанавливается вручную с помощью пикового индикатора. Если высокая точность не требуется, подходящий уровень записи может быть установлен схемой автоматической регулировки усиления (AGC), которая уменьшает усиление по мере увеличения среднего уровня сигнала. Это позволяет получить пригодную для использования запись даже для речи, произносимой на некотором расстоянии от микрофона аудиозаписывающего устройства. Аналогичные соображения применимы и к видеомагнитофонам. Потенциальным недостатком AGC является то, что при записи музыки с широким динамическим диапазоном, например классической музыки, AGC будет стремиться увеличить громкость тихих фрагментов и уменьшить громкость громких, тем самым сжимая динамический диапазон. Это может привести к снижению музыкального качества, если сигнал не будет расширен при воспроизведении, как в системах с компрессией-расширением. Некоторые магнитофоны катушечного типа и кассетные деки оснащены схемами AGC. Модели, предназначенные для высококачественной записи, обычно не имеют их. В большинстве видеомагнитофонов для управления AGC используется амплитуда импульса обратного хода развертки. Системы защиты от копирования видео, такие как Macrovision, используют это, добавляя в импульс короткие всплески, которые игнорируются большинством телевизоров, но заставляют AGC видеомагнитофона вносить избыточную коррекцию и искажать запись.
Запись телефонных разговоров
Устройства для записи обеих сторон телефонного разговора должны записывать как относительно сильный сигнал от местного абонента, так и гораздо более слабый сигнал от удаленного абонента с примерно одинаковой громкостью. Некоторые устройства записи телефонных разговоров оснащены автоматической регулировкой усиления для обеспечения приемлемого качества записи.
Биологические
Как и многие концепции в инженерии, автоматический контроль усиления встречается и в биологических системах, особенно в сенсорных. Например, в зрительной системе позвоночных динамика кальция в фоторецепторах сетчатки регулирует усиление, адаптируясь к уровню освещенности. Дальше по зрительному пути считается, что клетки в V1 взаимно ингибируют друг друга, что приводит к нормализации ответа на контраст – это один из видов автоматического контроля усиления. Аналогично, в слуховой системе оливокохлеарные эфферентные нейроны участвуют в биомеханическом контуре регулирования усиления.
Время восстановления
Как и во всех системах автоматического управления, временная динамика работы АРУ может быть важна во многих приложениях. Некоторые системы АРУ медленно реагируют на необходимость изменения коэффициента усиления, в то время как другие могут реагировать очень быстро. Примером применения, где требуется быстрое время восстановления АРУ, является приемник, используемый в системах связи кодом Морзе, где необходим так называемый режим "полного разрыва" или QSK, позволяющий принимающим станциям прерывать передачу отправляющих станций в середине символа (например, между точками и тире).