Автоматическая регулировка усиления ( АРУ ) — это замкнутая обратная связь в усилителе или цепочке усилителей, целью которой является поддержание подходящей амплитуды сигнала на выходе, несмотря на изменение амплитуды сигнала на входе. Средний или пиковый уровень выходного сигнала используется для динамической регулировки усиления усилителей , что позволяет схеме удовлетворительно работать с большим диапазоном уровней входного сигнала. Он используется в большинстве радиоприемников для выравнивания средней громкости ( громкости ) различных радиостанций из-за различий в силе принимаемого сигнала , а также изменений в радиосигнале одной станции из-за замирания . Без АРУ звук, излучаемый радиоприемником AM, будет варьироваться в экстремальной степени от слабого до сильного сигнала; АРУ эффективно уменьшает громкость, если сигнал сильный, и увеличивает ее, когда он слабее. В типичном приемнике сигнал управления обратной связью АРУ обычно берется с детекторного каскада и применяется для управления усилением каскадов усилителя ПЧ или РЧ.
Сигнал, подлежащий контролю усиления (выход детектора в радио), поступает на диод и конденсатор , которые создают постоянное напряжение, следующее за пиком. Оно подается на блоки усиления ВЧ для изменения их смещения, тем самым изменяя их усиление. Традиционно все этапы контроля усиления располагались до обнаружения сигнала, но также возможно улучшить контроль усиления, добавив этап контроля усиления после обнаружения сигнала.
В 1925 году Гарольд Олден Уилер изобрел автоматическую регулировку громкости (AVC) и получил патент. Карл Кюпфмюллер опубликовал анализ систем AGC в 1928 году. [1] К началу 1930-х годов большинство новых коммерческих вещательных приемников включали автоматическую регулировку громкости. [2]
AGC является отходом от линейности в радиоприемниках AM . [ 3] Без AGC радио AM имело бы линейную зависимость между амплитудой сигнала и формой звуковой волны — амплитуда звука , которая коррелирует с громкостью, пропорциональна амплитуде радиосигнала, поскольку информационное содержание сигнала переносится изменениями амплитуды несущей волны . Если бы схема не была достаточно линейной, модулированный сигнал не мог бы быть восстановлен с разумной точностью . Однако сила принятого сигнала будет сильно различаться в зависимости от мощности и расстояния до передатчика , а также затухания на пути сигнала . Схема AGC удерживает выходной уровень приемника от слишком больших колебаний, определяя общую силу сигнала и автоматически регулируя усиление приемника для поддержания выходного уровня в приемлемом диапазоне. Для очень слабого сигнала AGC управляет приемником с максимальным усилением; по мере увеличения сигнала AGC уменьшает усиление.
Обычно невыгодно уменьшать усиление входного радиочастотного каскада приемника при слабых сигналах, поскольку низкое усиление может ухудшить отношение сигнал/шум и блокировку ; [4] поэтому многие конструкции уменьшают усиление только для более сильных сигналов.
Поскольку диод детектора AM вырабатывает постоянное напряжение, пропорциональное силе сигнала, это напряжение может быть подано обратно на более ранние этапы приемника для уменьшения усиления. Требуется фильтрующая сеть, чтобы аудиокомпоненты сигнала не оказывали заметного влияния на усиление; это предотвращает «повышение модуляции», которое увеличивает эффективную глубину модуляции сигнала, искажая звук. Коммуникационные приемники могут иметь более сложные системы AVC, включая дополнительные каскады усиления, отдельные диоды детектора AGC, различные постоянные времени для вещательных и коротковолновых диапазонов и применение различных уровней напряжения AGC к различным этапам приемника для предотвращения искажений и перекрестной модуляции. [5] Конструкция системы AVC оказывает большое влияние на удобство использования приемника, характеристики настройки, точность воспроизведения звука и поведение при перегрузке и сильных сигналах. [6]
FM-приемники, несмотря на то, что они оснащены каскадами ограничителей и детекторами, которые относительно нечувствительны к изменениям амплитуды, все равно используют АРУ для предотвращения перегрузки при сильных сигналах.
Связанное применение АРУ в радиолокационных системах как метод преодоления нежелательных помех . Этот метод основан на том факте, что помехи возвращаются намного чаще, чем эхо от интересующих целей. Усиление приемника автоматически регулируется для поддержания постоянного уровня общих видимых помех. Хотя это не помогает обнаруживать цели, замаскированные более сильными окружающими помехами, это помогает различать сильные источники целей. В прошлом АРУ радара управлялась электроникой и влияла на усиление всего приемника радара. По мере развития радаров АРУ стала управляться программным обеспечением и влияла на усиление с большей степенью детализации в определенных ячейках обнаружения. Многие меры противодействия радарам используют АРУ радара, чтобы обмануть его, эффективно «заглушая» реальный сигнал обманом, поскольку АРУ будет считать более слабый, истинный сигнал помехой по сравнению с сильным обманом.
Аудиокассета генерирует определенное количество шума . Если уровень сигнала на ленте низкий, шум более заметен, т. е. отношение сигнал/шум ниже, чем могло бы быть. Чтобы произвести наименее шумную запись, уровень записи должен быть установлен как можно выше, но не настолько высоким, чтобы обрезать или исказить сигнал. При профессиональной высококачественной записи уровень устанавливается вручную с помощью измерителя пиковых показаний . Когда высокая точность не является требованием, подходящий уровень записи может быть установлен с помощью схемы АРУ, которая снижает усиление по мере увеличения среднего уровня сигнала. Это позволяет делать пригодную для использования запись даже для речи на некотором расстоянии от микрофона аудиомагнитофона . Аналогичные соображения применимы и к видеомагнитофонам .
Потенциальным недостатком АРУ является то, что при записи чего-либо, например музыки с тихими и громкими фрагментами, например, классической музыки, АРУ будет стремиться сделать тихие фрагменты громче, а громкие — тише, сжимая динамический диапазон ; результатом может стать снижение музыкального качества, если сигнал не будет повторно расширен во время воспроизведения, как в системе компандирования .
Некоторые катушечные магнитофоны и кассетные деки имеют схемы АРУ. Те, которые используются для высококачественного воспроизведения, обычно их не имеют.
Большинство схем видеомагнитофонов используют амплитуду вертикального гасящего импульса для работы АРУ. Схемы управления видеокопированием, такие как Macrovision, используют это, вставляя пики в импульс, которые будут игнорироваться большинством телевизоров , но заставят АРУ видеомагнитофона перекорректировать и испортить запись.
Устройство регулировки усиления с голосовым управлением [7] или устройство регулировки усиления с громкостью [8] (vogad) — это тип АРУ или компрессора для усиления микрофона . Обычно используется в радиопередатчиках для предотвращения перемодуляции и уменьшения динамического диапазона сигнала, что позволяет увеличить среднюю передаваемую мощность. В телефонии это устройство принимает широкий спектр входных амплитуд и выдает в целом постоянную выходную амплитуду.
В простейшем виде ограничитель может состоять из пары встречно-параллельных диодов , которые просто шунтируют избыточную амплитуду сигнала на землю при превышении порога проводимости диода. Такой подход просто отсекает верхнюю часть больших сигналов, что приводит к высоким уровням искажений.
В то время как ограничители клиппинга часто используются как форма последней отчаянной защиты от перемодуляции , правильно спроектированная схема vogad активно контролирует величину усиления для оптимизации глубины модуляции в реальном времени. Помимо предотвращения перемодуляции, она повышает уровень тихих сигналов, так что также избегается недомодуляция. Недомодуляция может привести к плохому проникновению сигнала в шумных условиях, поэтому vogad особенно важен для голосовых приложений, таких как радиотелефоны .
Хорошая схема Vogad должна иметь очень быстрое время атаки , чтобы начальный громкий голосовой сигнал не вызывал внезапного всплеска чрезмерной модуляции. На практике время атаки будет составлять несколько миллисекунд, поэтому иногда все еще необходим ограничитель клиппинга, чтобы поймать сигнал на этих коротких пиках. Обычно используется гораздо большее время затухания, чтобы усиление не усиливалось слишком быстро во время обычных пауз в естественной речи. Слишком короткое время затухания приводит к явлению « дыхания », когда уровень фонового шума усиливается в каждом промежутке речи. Схемы Vogad обычно настраиваются так, чтобы при низких уровнях входного сигнала сигнал не усиливался полностью, а вместо этого следовал линейной кривой усиления. Это хорошо работает с микрофонами с шумоподавлением .
Устройства для записи обеих сторон телефонного разговора должны записывать как относительно большой сигнал от локального пользователя, так и гораздо меньший сигнал от удаленного пользователя на сопоставимых уровнях громкости. Некоторые устройства для записи телефонных разговоров включают автоматическую регулировку усиления для получения записей приемлемого качества.
Как и в случае со многими концепциями, найденными в инженерии, автоматическое управление усилением также встречается в биологических системах, особенно сенсорных системах. Например, в зрительной системе позвоночных динамика кальция в ретинальных фоторецепторах регулирует усиление в соответствии с уровнями освещенности. Далее в зрительной системе клетки в V1, как полагают, взаимно ингибируют, вызывая нормализацию ответов на контраст, форму автоматического управления усилением. Аналогично, в слуховой системе оливокохлеарные эфферентные нейроны являются частью биомеханического контура управления усилением. [9] [10]
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 усиления, в то время как другие могут реагировать очень быстро. Примером приложения, в котором требуется быстрое время восстановления АРУ, являются приемники, используемые в азбуке Морзе, где так называемый полный разрыв или работа QSK необходимы для того, чтобы принимающие станции могли прерывать передающие станции в середине символа (например, между сигналами точка и тире).