自動增益控制
自動增益控制（英語：Automatic gain control，簡稱AGC）是一種閉環反饋調節電路，應用於放大器或放大器鏈中，其目的是在輸入訊號振幅變化的情況下，保持輸出訊號的適當振幅。平均或峰值輸出訊號電平用於動態調整放大器的增益，從而使電路能夠在更廣泛的輸入訊號電平範圍內正常工作。它被廣泛應用於大多數無線電接收機中，用於平衡不同電台由於接收訊號強度差異引起的平均音量（響度），以及單個電台由於衰落導致的訊號變化。如果沒有自動增益控制，AM接收機發出的聲音會因訊號強弱而出現明顯波動；而AGC能有效地在訊號強時降低音量，在訊號弱時提高音量。在一般的接收機中，AGC的反饋控制訊號通常取自檢波器級，並用於控制中頻或射頻放大器級的增益。
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待增益控制的訊號（在接收機中是檢波器的輸出）通過一個二極管和電容器，生成一個跟隨峰值的直流電壓。該電壓被送入射頻增益塊以改變其偏置，從而調整增益。一般來說，所有的增益控制級都位於訊號檢測之前，但通過在訊號檢測之後添加一個增益控制級，也可以改善增益控制效果。
應用實例
AM接收機
1925年，Harold Alden Wheeler發明了自動音量控制（AVC）並獲得了專利。 Karl Küpfmüller於1928年發表了一篇關於AGC系統的分析文章[1]。到20世紀30年代初，大多數新型商用無線電接收機都配備了自動音量控制功能[2]。
自動增益控制在AM接收機中不是線性關係。沒有AGC的話，AM收音機的訊號振幅和聲音波形之間會保持線性關係——聲音振幅（與響度相關）與無線電訊號振幅成正比，因為訊號中的資訊內容是通過載波的振幅變化來傳遞的。如果電路線性性不夠強，就無法以合理的保真度恢復調制訊號。然而，接收到的訊號強度會因發射機的功率、距離以及訊號路徑的衰減而有很大變化。AGC電路通過檢測訊號的整體強度並自動調整接收機的增益，防止接收機輸出電平波動過大，從而使輸出電平保持在可接受的範圍內。對於非常弱的訊號，AGC會使接收機在最大增益下工作，而隨着訊號增強，AGC會降低增益。
對於較弱的訊號，降低接收機射頻前端的增益通常是不利的，因為低增益會降低訊號雜訊比並導致電磁干擾[3]。因此，許多AGC設計僅在訊號較強時才降低增益。
由於AM檢波二極管會產生與訊號強度成比例的直流電壓，這個電壓可以反饋到接收機的前級以降低增益。此時需要一個濾波網絡以確保訊號的音頻成分不會過度影響增益，從而避免有效調制深度的增加，導致聲音失真。接收機可能配備更複雜的AVC系統，包括額外的放大級、獨立的AGC檢波二極管、針對廣播和短波頻段的不同時間常數，以及向接收機的不同級施加不同水平的AGC電壓，以防止失真和交調干擾[4]。AVC系統的設計對接收機的可用性、調諧特性、音頻保真度以及在過載和強訊號下的表現有很大影響[5]。
儘管FM接收機有對振幅變化不太敏感的限幅器和檢測器，它們仍然需要AGC，以防止在強訊號下出現過載。
雷達
AGC的另一個相關應用是在雷達系統中，用於消除不需要的雜波回波。接收機的增益會自動調整，以保持整體可見雜波的恆定水平。雖然這無法幫助檢測被更強雜波掩蓋的目標，但確實有助於雷達區分強訊號目標。過去，雷達AGC是通過電子電路控制的，現在則變為電腦軟件控制。通過軟件控制，AGC能夠在特定檢測單元內更精細地調整增益。同時許多雷達對抗措施也利用雷達的AGC來欺騙它，通過用偽造訊號來「淹沒」真實訊號，使AGC將較弱的真實訊號視為相對於強偽造訊號的雜波。
音影片
音頻磁帶會產生一定的雜訊。如果磁帶上的訊號電平較低，雜訊就會更加突出，即訊號雜訊比會低於正常水平。為了在錄音時儘可能減少雜訊，錄音電平應儘量設置得高一些，但又不能高到削波或失真。在專業的高傳真錄音中，電平是通過峰值指示儀手動設置的。當不需要高傳真錄音時，可以通過AGC電路設置合適的錄音電平，隨着平均訊號電平的增加，AGC會降低增益。這樣一來即使音源距離錄音機麥克風較遠，也能錄製出清晰的語音錄音。錄像機也採用了類似的設計。
AGC 的一個缺點是，當錄製響度變化較大的音樂（例如古典音樂）時，AGC會使安靜段落變得更響，而響亮段落變得更安靜，從而壓縮動態範圍；如果訊號在播放時沒有進行再擴充（如在壓擴系統中），可能會導致音頻質素下降。
有些開放式磁帶錄音機和盒式磁帶錄音機配備了AGC電路，而用於高傳真的裝置通常不使用AGC。
大多數錄像機的電路利用垂直消隱脈衝的振幅來控制AGC。像Macrovision這樣的影片複製控制方案正是利用這一點，在脈衝中插入尖峰訊號，電視機會忽略其中大多數尖峰訊號，但卻會導致錄像機的AGC過度修正，從而破壞錄製效果。
語音控制增益調整裝置
語音控制增益調整裝置[6]或音量控制增益調整裝置[7]（VOGAD）是一種用於麥克風放大的自動增益控制或壓縮器。它通常用於無線電發射機，以防止過度調制，並減少訊號的動態範圍，從而提高平均傳輸功率。在電話系統中，這種裝置接受各種輸入振幅，並產生通常一致的輸出振幅。
在其最簡單的形式中，限幅器可以由一對背靠背的鉗位二極管組成，當訊號振幅超過二極管導通閾值時，二極管會將多餘的訊號振幅直接分流到地。這種方法會簡單地剪掉強訊號的峰值，導致較高的失真。
雖然削波限幅器通常作為防止過度調制的最後保護手段使用，但一個設計良好的VOGAD電路會主動控制增益量，以即時最佳化調制深度。除了防止過度調制外，它還會提升微弱訊號的電平，從而避免欠調制。欠調制在嘈雜環境中會導致訊號穿透能力差，因此VOGAD對無線電話等語音應用尤為重要。
一個良好的VOGAD電路必須具備非常快的反應時間，這樣初始的強語音訊號不會導致突發的過度調制。實際上，反應時間通常為幾毫秒，所以有時仍需要一個削波限幅器來捕捉這些短暫的峰值訊號。一般來說這類電路會採用較長的衰減時間，這樣在自然語音的正常停頓期間，增益不會過快提升。如果衰減時間太短，那麼每當語音間隙出現時，背景雜訊電平會被提升。VOGAD電路通常被調整為在低輸入電平下，訊號不會被完全放大，而是遵循線性增益曲線。這種設置與降噪麥克風配合效果良好。
電話錄音
用於錄製電話雙方對話的裝置必須同時記錄來自本地用戶的相對較強的訊號和來自遠端用戶的較弱訊號，並使兩者的音量相當。一些電話錄音裝置配備了自動增益控制，以確保錄音質素達到可接受的水平。
生物方面
與工程中的許多概念一樣，自動增益控制也存在於生物系統中，尤其是在感覺系統中。例如，在脊椎動物的視覺系統中，視網膜中的感光細胞中的鈣動態調節增益以適應光照水平。在視覺系統的後續處理中，V1區的細胞被認為會相互抑制，從而對比度響應進行歸一化，這也是一種自動增益控制。同樣，在聽覺系統中，橄欖耳蝸傳出神經元是生物力學增益控制迴路的一部分。[8][9]
參見
參考資料
- ^ K. Küpfmüller, "Über die Dynamik der selbsttätigen Verstärkungsregler", Elektrische Nachrichtentechnik, vol. 5, no. 11, pp. 459-467, 1928. (German) On the dynamics of automatic gain controllers, (English translation)
- ^ Memorial Tributes: National Academy of Engineering, Volume 9 (2001) page 281, retrieved 2009 Oct 23
- ^ Automatic gain control in receivers by Iulian Rosu, VA3IUL
- ^ Langford-Smith 53, page 1108
- ^ Langford-Smith 53, chapter 25 page 1229
- ^ Vogad at Federal Standard 1037C
- ^ Roar and Whisper Equalled by Radio Voice Leveler. Popular Mechanics. Feb 1939: 236.
- ^ D. O. Kim. C. I. Berlin , 編. Hearing science: Recent advances (PDF). College Hill Press. 1984: 241–262 [2010-10-13]. （原始內容 (PDF)存檔於2010-07-01）.
- ^ R. F. Lyon. P. Dallos , 編. The Mechanics and Biophysics of Hearing (PDF). Springer-Verlag. 1990: 395–402etal[永久失效連結]