自動ゲインコントロール

自動ゲイン制御( AGC ) は、アンプまたはアンプ チェーン内の閉ループフィードバック制御回路であり、入力での信号振幅の変動にかかわらず、出力で適切な信号振幅を維持することを目的としています。平均またはピーク出力信号レベルを使用してアンプのゲインを動的に調整し、回路がより広範囲の入力信号レベルで適切に動作できるようにします。ほとんどのラジオ受信機では、受信信号強度の違いによる異なるラジオ局の平均音量 (音量)や、 フェーディングによる単一局のラジオ信号の変動を均一化するために使用されています。AGC がないと、 AMラジオ受信機から発せられる音は、弱い信号から強い信号まで極端に変化します。AGC は、信号が強い場合は音量を効果的に下げ、信号が弱い場合は音量を上げます。一般的な受信機では、AGC フィードバック制御信号は通常、検波段から取得され、IF または RF アンプ段のゲインを制御するために適用されます。

ゲイン制御される信号 (無線の検出器出力) はダイオードとコンデンサに送られ、ピーク追従 DC 電圧を生成します。これが RF ゲイン ブロックに送られてバイアスが変更され、ゲインが変更されます。従来、ゲイン制御ステージはすべて信号検出の前にありましたが、信号検出後にゲイン制御ステージを追加することでゲイン制御を改善することもできます。

1925年、ハロルド・アルデン・ウィーラーは自動音量制御（AVC）を発明し、特許を取得しました。 カール・キュプフミュラーは1928年にAGCシステムの分析を発表しました。 ^[1] 1930年代初頭までに、ほとんどの新しい商用放送受信機に自動音量制御が搭載されました。^[2]

AGCは、AMラジオ受信機の線形性からの逸脱です。^[3] AGCがなければ、AMラジオは信号振幅と音声波形の間に線形関係があります。音量と相関する音声振幅は、無線信号振幅に比例します。これは、信号の情報コンテンツが搬送波の振幅の変化によって運ばれるためです。回路がかなり線形でない場合、変調された信号を適切な忠実度で復元することはできません。ただし、受信信号の強度は、送信機の電力と距離、および信号経路の減衰に応じて大きく異なります。AGC回路は、信号の全体的な強度を検出し、受信機のゲインを自動的に調整して出力レベルを許容範囲内に維持することにより、受信機の出力レベルが変動しすぎないようにします。非常に弱い信号の場合、AGCは受信機を最大ゲインで動作させ、信号が増加すると、AGCはゲインを減らします。

受信機のRFフロントエンドのゲインを弱い信号に対して下げるのは、通常不利です。ゲインが低いと信号対雑音比とブロッキングが悪化する可能性があるためです。 ^[4]そのため、多くの設計では強い信号に対してのみゲインを下げています。

AM 検出器ダイオードは信号強度に比例した DC 電圧を生成するため、この電圧を受信機の前段にフィードバックしてゲインを下げることができます。信号のオーディオ成分がゲインに顕著な影響を与えないように、フィルタ ネットワークが必要です。これにより、信号の有効変調深度を増大させてサウンドを歪ませる「変調上昇」を防止できます。通信受信機には、追加の増幅段、個別の AGC 検出器ダイオード、放送および短波バンドの異なる時定数、歪みや混変調を防止するために受信機の異なる段に異なるレベルの AGC 電圧を適用するなど、より複雑な AVC システムが搭載されている場合があります。^[5] AVC システムの設計は、受信機の使いやすさ、チューニング特性、オーディオの忠実度、過負荷や強い信号に対する動作に大きな影響を与えます。^[6]

FM 受信機は、振幅の変化に比較的鈍感なリミッター ステージと検出器を組み込んでいますが、強い信号による過負荷を防ぐために AGC の恩恵を受けます。

AGC の関連アプリケーションは、レーダーシステムで不要なクラッターエコーを克服する方法として使用されます。この方法は、クラッターの戻りが、対象ターゲットからのエコーよりはるかに多いという事実に基づいています。受信機のゲインは、目に見えるクラッター全体のレベルを一定に保つように自動的に調整されます。これは、周囲のより強いクラッターによって隠されたターゲットの検出には役立ちませんが、強力なターゲット ソースを区別するのに役立ちます。以前は、レーダー AGC は電子的に制御され、レーダー受信機全体のゲインに影響していました。レーダーが進化するにつれて、AGC はコンピューター ソフトウェアで制御されるようになり、特定の検出セルでより細かくゲインに影響するようになりました。多くのレーダー対策では、レーダーの AGC を使用してレーダーを欺きます。つまり、AGC は、強いスプーフィングに比べて弱い真の信号をクラッターと見なすため、スプーフィングで実際の信号を効果的に「かき消す」のです。

オーディオテープは、ある程度のノイズを発生します。テープ上の信号レベルが低いと、ノイズがより目立ちます。つまり、信号対ノイズ比が本来よりも低くなります。ノイズを最小限に抑えた録音を行うには、録音レベルを、信号がクリップまたは歪むほど高くない範囲で、できるだけ高く設定する必要があります。プロフェッショナルな高忠実度録音では、レベルはピーク読み取りメーターを使用して手動で設定されます。高忠実度が必要ない場合は、平均信号レベルが増加するにつれてゲインが減少する AGC 回路によって、適切な録音レベルを設定できます。これにより、オーディオ レコーダーのマイクから少し離れたスピーチでも、使用可能な録音を行うことができます。同様の考慮事項がVCRにも適用されます。

AGC の潜在的な欠点は、クラシック音楽のように静かな部分と大きな部分がある音楽を録音する場合、AGC は静かな部分を大きくし、大きな部分を小さくする傾向があり、ダイナミックレンジが圧縮されることです。その結果、圧縮システムのように再生時に信号が再拡張されないと、音楽の品質が低下する可能性があります。

一部のリール式 テープレコーダーやカセットデッキにはAGC 回路が搭載されています。高忠実度用に使用されるものには、通常 AGC 回路が搭載されていません。

ほとんどの VCR 回路は、垂直ブランキング パルスの振幅を使用してAGC を操作します。マクロビジョンなどのビデオ コピー制御スキームはこれを利用して、ほとんどのテレビセットでは無視されるパルスにスパイクを挿入しますが、VCR の AGC が過剰に補正して録画を破損する原因となります。

音声操作式ゲイン調整装置^[7]または音量操作式ゲイン調整装置^{[8] （Vogad）は、}マイクロフォン増幅用のAGCまたはコンプレッサー の一種です。通常、無線送信機で過変調を防ぎ、信号のダイナミックレンジを狭めて平均送信電力を増やすために使用されます。電話通信では、この装置はさまざまな入力振幅を受け取り、一般的に一貫した出力振幅を生成します。

最も単純な形態では、リミッターは、ダイオードの導通しきい値を超えたときに過剰な信号振幅をグランドにシャントする、背中合わせのクランプ ダイオードのペアで構成されます。このアプローチでは、大きな信号の上部が単にクリップされるため、歪みのレベルが高くなります。

クリッピング リミッタは過変調に対する最後の手段としてよく使用されますが、適切に設計された Vogad 回路はゲイン量をアクティブに制御して、変調度をリアルタイムで最適化します。過変調を防ぐだけでなく、静かな信号のレベルを上げて、変調不足も回避します。変調不足は、ノイズの多い状況で信号の浸透を悪くする可能性があるため、Vogad は無線電話などの音声アプリケーションにとって特に重要です。

優れた Vogad 回路は、最初の大きな音声信号によって突然の過剰な変調バーストが発生しないように、非常に高速なアタック タイムを備えている必要があります。実際には、アタック タイムは数ミリ秒であるため、これらの短いピークで信号をキャッチするには、クリッピング リミッターが必要になる場合があります。通常、はるかに長い減衰時間を採用して、自然なスピーチの通常の休止中にゲインが急激にブーストされないようにしています。減衰時間が短すぎると、スピーチの各ギャップで背景ノイズ レベルがブーストされる「ブリージング」現象が発生します。Vogad 回路は通常、入力レベルが低いときに信号が完全にブーストされず、線形ブースト カーブに従うように調整されます。これは、ノイズ キャンセリングマイクでうまく機能します。

電話の会話の両側を録音するデバイスは、ローカル ユーザーからの比較的大きな信号と、リモート ユーザーからのはるかに小さな信号の両方を同等の音量で録音する必要があります。一部の電話録音デバイスには、許容できる品質の録音を生成するために自動ゲイン制御が組み込まれています。

工学の多くの概念と同様に、自動ゲイン制御は生物系、特に感覚系にも見られます。たとえば、脊椎動物の 視覚系では、網膜 光受容体のカルシウム動態が光レベルに合わせてゲインを調整します。さらに視覚系では、V1の細胞が相互に抑制し、コントラストに対する反応を正常化させると考えられており、これは自動ゲイン制御の一形態です。同様に、聴覚系では、オリーブ蝸牛遠心性ニューロンが生体力学的ゲイン制御ループの一部です。^{[9] [10]}

すべての自動制御システムと同様に、AGC 動作の時間的ダイナミクスは多くのアプリケーションで重要になる場合があります。一部の AGC システムはゲイン変更の必要性に反応するのが遅いですが、他のシステムは非常に迅速に反応します。高速 AGC 回復時間が要求されるアプリケーションの例としては、モールス信号通信で使用される受信機が挙げられます。この受信機では、受信局が文字の途中 (たとえば、ドット信号とダッシュ信号の間) で送信局に割り込むことができるように、いわゆるフルブレークインまたは QSK 動作が必要です。

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