自動ゲイン制御

1925年、ハロルド・オールデン・ウィーラーは自動音量制御（AVC）システムを開発し、後にこの発明で米国特許第1,866,687号を取得しました。特許取得済みのシステムは、無線周波数（RF）電流経路にリレーを使用し、検出器プレート電流がリレーを作動させて受信機のゲインを調整しました。^{[ 1 ]} 1928年の論文で、ウィーラーは機械式リレーを排除した完全電子式バージョンを発表しました。この設計では、搬送波信号が整流され、音声周波数成分がフィルタリングされ、結果として得られたDC制御電圧が以前のRF増幅段のグリッドに印加されました。^{[ 2 ]}彼は約1/40秒の制御時定数を選択し、回路が変調変動を排除しながら信号の減衰に追従できるようにしました。^{[ 2 ]}アクチュエータは機械式から電子式に変更されましたが、搬送波から制御電圧を導出してRFゲインを自動的に調整するという基本原理は同じままでした。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た。^{[ 3 ]} 1930年代初頭までに、ほとんどの新しい市販の放送受信機には自動音量制御が搭載されていた。^{[ 4 ] [ 5 ]} 1980年、Electronics誌はウィーラーのAVCをラジオとテレビの商業化に不可欠な12の「古典的な回路」の1つとして挙げた。^{[ 6 ]}

適切に実装された自動利得制御（AGC）は、AM受信機の直線性を維持します。通常動作時、RF段とIF段は直線領域で動作するため、検出される音声波形は搬送波の変調包絡線に比例します。AGCは、平均搬送波強度の変化に応じて全体の利得を調整しますが、瞬間的な変調波形を意図的に変更することはありません。

歪みを防ぐには、AGC制御電圧は変調よりもはるかにゆっくりと変化する必要があります。Termanは、AVC時定数は「最低変調周波数がAVC出力に到達しないほど十分に大きくなければならない」と指摘し、放送受信機には1/5秒から1/10秒程度の値を推奨しました。^{[ 7 ]} AGCループが音声周波数で応答すると、変調エンベロープに追従して瞬時ゲインが変化し、歪みや「変調上昇」が発生します。

実際の設計上の選択によっては、歪みが生じる場合もあります。ラジオトロン設計者ハンドブックでは、遅延AVC負荷、検出器インピーダンス相互作用、不適切な時定数選択などの影響について説明しています。これらはすべて、適切に設計されていないと忠実度を損なう可能性があります。^{[ 8 ]}これらの影響は、AGC原理自体ではなく、実装の詳細から生じます。

AGC回路は、受信信号の平均強度を検出し、それに応じて受信機のゲインを調整することで、比較的安定した出力レベルを維持します。信号が弱い場合、受信機は最大ゲインで動作し、信号強度が増加するにつれて、AGCはゲインを徐々に低減します。多くの設計では、ゲイン低減は主にIF段またはそれ以降のRF段で行われます。RFフロントエンドで弱い信号に対してゲインを低減すると、信号対雑音比が低下し、ブロッキングに対する感受性が高まる可能性があるため、より強い信号が現れるまでフロントエンドのゲインは最大に維持されることがよくあります。

検出ダイオードは、搬送波強度に比例した直流電圧を生成する。この電圧はフィルタリングされ、ゲイン制御のために前段にフィードバックされる。適切な時定数を選択することで、変調成分が制御電圧に影響を与えるのを防ぐことができる。

通信受信機では、遅延AVC、独立したAGC検出器ステージ、複数の時定​​数、歪みや相互変調を低減するための選択されたステージへの制御電圧の分配など、より高度なAVCシステムを採用することがあります。^{[ 9 ]} AVCシステムの設計は、同調特性、過負荷性能、およびオーディオ忠実度に大きく影響します。^{[ 10 ]}

FM受信機は、振幅変動に対して比較的鈍感なリミッター段や検出器を内蔵しているとはいえ、強い信号による過負荷を防ぐためにAGC（自動利得制御）の恩恵を受ける。

AGCの関連アプリケーションとして、レーダーシステムでは不要なクラッターエコーを克服する方法として用いられています。この方法は、クラッターからの反射波が対象ターゲットからのエコーよりも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、可視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、周囲のクラッターが強いターゲットを検出するのには役立ちませんが、強いターゲットソースを識別するのに役立ちます。かつて、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を与えていました。レーダーの進化に伴い、AGCはコンピュータソフトウェアで制御されるようになり、特定の検出セルにおいて、よりきめ細かくゲインに影響を与えるようになりました。多くのレーダー対策は、レーダーのAGCを利用して、偽信号で実際の信号を効果的に「かき消す」ことで、レーダーを欺きます。AGCは、強い偽信号に比べて弱い真の信号をクラッターとみなすためです。

オーディオテープには一定量のノイズが発生します。テープ上の信号レベルが低いとノイズがより顕著になり、つまり信号対雑音比が本来あるべき値よりも低くなります。ノイズの少ない録音を行うには、信号がクリッピングしたり歪んだりしない範囲で、録音レベルをできるだけ高く設定する必要があります。プロのハイファイ録音では、ピークメーターを使用してレベルを手動で設定します。ハイファイが要求されない場合は、平均信号レベルが増加するにつれてゲインを下げる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ある程度離れた場所からの音声でも、使用可能な録音を行うことができます。VCRでも同様のことが言えます。

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混在す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てしまうことです。その結果、再生時にコンパンディングシステムのように信号が再拡張されない場合、音楽的な品質が低下する可能性があります。

一部のオープン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るが、高音質用途で使用される機器には一般的に搭載されていない。

ほとんどのVCR回路は、垂直ブランキングパルスの振幅を利用してAGC（自動利得制御）を動作させています。マクロビジョンなどのビデオコピー制御方式は、この原理を利用し、パルスにスパイクを挿入します。このスパイクはほとんどのテレビでは無視されますが、VCRのAGCを過剰に補正させ、録画を破損させる原因となります。

音声操作式利得調整装置^{[ 11 ]}または音量操作式利得調整装置^{[ 12 ]} （vogad）は、マイクロホン増幅用の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縮小して平均送信電力を増加させるために使用されます。電話においては、この装置は幅広い入力振幅に対応し、概ね一定の出力振幅を生成します。

最も単純な形態では、リミッターは一対のクランプダイオードを背中合わせに接続したもので、ダイオードの導通閾値を超えると、余分な信号振幅を単純にグランドに流します。この方式では、大きな信号のピークが切り捨てられるため、歪みが大きくなります。

クリッピングリミッターは過変調に対する最終手段としてよく用いられますが、適切に設計されたvogad回路は、ゲイン量を能動的に制御して変調深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、微弱信号のレベルを増幅することで低変調も回避します。低変調はノイズの多い環境では信号の透過性低下につながるため、vogadは無線電話などの音声アプリケーションにおいて特に重要です。

優れたVogad回路は、非常に速いアタックタイムを備えている必要があります。これは、最初の大きな音声信号によって突然過剰な変調が発生するのを防ぐためです。実際には、アタックタイムは数ミリ秒程度なので、このような短いピークで信号を捕捉するために、クリッピングリミッターが必要になる場合もあります。通常、減衰時間ははるかに長く設定されています。これは、自然な会話における通常の休止時にゲインが急激に上昇しないようにするためです。減衰時間が短すぎると、「呼吸」現象が発生し、会話の間隔ごとに背景雑音レベルが上昇します。Vogad回路は通常、入力レベルが低い場合、信号が完全に増幅されるのではなく、線形のブースト曲線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。

電話会話の両側を録音する装置は、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、同程度の音量で録音する必要があります。一部の電話録音装置には、許容できる品質の録音を実現するために、自動ゲイン制御機能が搭載されています。

工学で見られる多くの概念と同様に、自動ゲイン制御は生物システム、特に感覚システムにも見られます。たとえば、脊椎動物の視覚システムでは、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。視覚システムのさらに奥では、V1の細胞が相互に抑制し、コントラストに対する応答の正常化を引き起こし、自動ゲイン制御の一形態となっていると考えられています。同様に、聴覚システムでは、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となっています。^{[ 13 ] [ 14 ]}