Автоматическая регулировка усиления

Автоматическая регулировка усиления ( АРУ по замкнутому контуру ) — это схема регулирования с обратной связью в усилителе или цепочке усилителей, целью которой является поддержание подходящей амплитуды сигнала на его выходе, несмотря на изменение амплитуды сигнала на входе. Средний или пиковый уровень выходного сигнала используется для динамической регулировки усиления усилителей, позволяя схеме удовлетворительно работать с более широким диапазоном уровней входного сигнала. Он используется в большинстве радиоприемников для выравнивания средней громкости ( громкости ) разных радиостанций из-за различий в мощности принимаемого сигнала , а также изменений радиосигнала одной станции из-за замирания . Без АРУ звук, излучаемый AM -радиоприемником , сильно варьировался бы 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 со каскада детектора и применяется для управления усилением каскадов усилителя ПЧ или ВЧ.

Как это работает

Сигнал, подлежащий регулированию усиления (выход детектора в радиоприемнике), поступает на диод и конденсатор , которые создают постоянное напряжение, соответствующее пику. Это подается на блоки усиления RF, чтобы изменить их смещение, тем самым изменяя их усиление. Традиционно все этапы регулирования усиления предшествовали обнаружению сигнала, но также можно улучшить управление усилением, добавив этап регулирования усиления после обнаружения сигнала.

Примеры использования

AM-радиоприемники

В 1925 году Гарольд Олден Уилер изобрел автоматический регулятор громкости (AVC) и получил патент. Карл Купфмюллер опубликовал анализ систем AGC в 1928 году. ^{[ 1 ]} К началу 1930-х годов большинство новых коммерческих радиовещательных приемников имели автоматический регулятор громкости. ^{[ 2 ]}

АРУ — это отход от линейности в АМ- радиоприемниках . ^{[ 3 ]} Без АРУ AM-радио 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 амплитуда несущей волны . Если бы схема не была достаточно линейной, модулированный сигнал не мог бы быть восстановлен с достаточной точностью . Однако мощность принимаемого сигнала будет сильно различаться в зависимости от мощности и расстояния до передатчика , а также затухания на пути прохождения сигнала . Схема АРУ предотвращает слишком большие колебания выходного уровня приемника, определяя общую мощность сигнала и автоматически регулируя усиление приемника для поддержания выходного уровня в приемлемом диапазоне. Для очень слабого сигнала АРУ управляет приемником с максимальным усилением; по мере увеличения сигнала АРУ уменьшает усиление.

Обычно невыгодно уменьшать усиление ВЧ-интерфейса приемника для более слабых сигналов, поскольку низкое усиление может ухудшить соотношение сигнал/шум и блокировку ; ^{[ 4 ]} поэтому во многих конструкциях усиление снижается только для более сильных сигналов.

Поскольку диод АМ-детектора вырабатывает постоянное напряжение, пропорциональное силе сигнала, это напряжение можно подавать обратно на более ранние каскады приемника для уменьшения усиления. Требуется сеть фильтров, чтобы аудиокомпоненты сигнала не оказывали заметного влияния на усиление; это предотвращает «повышение модуляции», которое увеличивает эффективную глубину модуляции сигнала, искажая звук. Приемники связи могут иметь более сложные системы AVC, включая дополнительные каскады усиления, отдельные детекторные диоды АРУ, разные постоянные времени для радиовещательных и коротковолновых диапазонов, а также применение разных уровней напряжения АРУ к различным каскадам приемника для предотвращения искажений и перекрестной модуляции. ^{[ 5 ]} Конструкция системы AVC оказывает большое влияние на удобство использования приемника, характеристики настройки, точность звука и поведение при перегрузке и сильных сигналах. ^{[ 6 ]}

FM-приемники, даже несмотря на то, что они включают в себя ограничители и детекторы, которые относительно нечувствительны к изменениям амплитуды, все равно выигрывают от АРУ, предотвращая перегрузку сильных сигналов.

Радар

Аналогичное применение АРУ находится в радиолокационных системах как метод преодоления нежелательных эхо-помех . Этот метод основан на том факте, что количество отраженных помех намного превышает количество эхо-сигналов от интересующих целей. Усиление приемника автоматически регулируется для поддержания постоянного уровня видимых помех. Хотя это не помогает обнаруживать цели, замаскированные более сильными окружающими помехами, но помогает различать сильные источники целей. Раньше радиолокационная АРУ управлялась электроникой и влияла на усиление всего радиолокационного приемника. По мере развития радаров АРУ стала управляться компьютерным программным обеспечением и влияла на усиление с большей степенью детализации в конкретных ячейках обнаружения. Многие средства противодействия радарам используют АРУ радара, чтобы обмануть его, эффективно «заглушая» реальный сигнал подделкой, поскольку АРУ будет рассматривать более слабый истинный сигнал как помеху по сравнению с сильной подделкой.

Аудио/видео

Аудиокассета генерирует определенное количество шума . Если уровень сигнала на ленте низкий, шум становится более заметным, т. е. отношение сигнал/шум ниже, чем могло бы быть. Чтобы обеспечить наименее шумную запись, уровень записи должен быть установлен как можно выше, но не настолько высоким, чтобы не обрезать или искажать сигнал. При профессиональной записи высокого качества уровень устанавливается вручную с помощью измерителя пиковых значений . Когда высокая точность не является требованием, подходящий уровень записи можно установить с помощью схемы АРУ, которая снижает усиление по мере увеличения среднего уровня сигнала. Это позволяет сделать пригодную для использования запись даже речи на некотором расстоянии от микрофона диктофона. Аналогичные соображения применимы и к видеомагнитофонам .

Потенциальным недостатком АРУ является то, что при записи чего-то вроде музыки с тихими и громкими отрывками, например классической музыки, АРУ будет стремиться сделать тихие отрывки громче, а громкие — тише, сжимая динамический диапазон ; результатом может стать снижение музыкального качества, если сигнал не расширяется повторно при воспроизведении, как в системе компандирования .

Некоторые катушечные магнитофоны и кассетные деки имеют схемы АРУ. Те, которые используются для обеспечения высокой точности, обычно этого не делают.

Большинство схем видеомагнитофонов используют амплитуду вертикального импульса гашения для управления АРУ. Схемы управления копированием видео, такие как Macrovision, используют это, добавляя всплески импульса, которые игнорируются большинством телевизоров , но заставляют АРУ видеомагнитофона чрезмерно корректировать и портить запись.

Вогад

Устройство регулировки усиления с голосовым управлением. ^{[ 7 ]} или устройство регулировки усиления с управлением по громкости ^{[ 8 ]} (vogad) — разновидность АРУ или компрессора для усиления микрофона . Обычно он используется в радиопередатчиках для предотвращения перемодуляции и уменьшения динамического диапазона сигнала, что позволяет увеличить среднюю передаваемую мощность. В телефонии это устройство принимает самые разные входные амплитуды и выдает в целом постоянную выходную амплитуду.

В своей простейшей форме ограничитель может состоять из пары встречно-спутных фиксирующих диодов , которые просто шунтируют избыточную амплитуду сигнала на землю при превышении порога проводимости диода. Этот подход просто отсекает верхнюю часть больших сигналов, что приводит к высоким уровням искажений.

Хотя ограничители ограничения часто используются в качестве последней меры защиты от перемодуляции , правильно спроектированная схема Vogad активно контролирует величину усиления для оптимизации глубины модуляции в реальном времени. Помимо предотвращения перемодуляции, он повышает уровень тихих сигналов, что позволяет избежать недомодуляции. Недостаточная модуляция может привести к ухудшению проникновения сигнала в шумных условиях, поэтому Vogad особенно важен для голосовых приложений, таких как радиотелефоны .

Хорошая схема Vogad должна иметь очень быстрое время атаки , чтобы первоначальный громкий голосовой сигнал не вызывал внезапный всплеск чрезмерной модуляции. На практике время атаки будет составлять несколько миллисекунд, поэтому иногда все же требуется ограничитель ограничения, чтобы поймать сигнал на этих коротких пиках. Обычно используется гораздо более длительное время затухания, чтобы усиление не увеличивалось слишком быстро во время обычных пауз в естественной речи. Слишком короткое время затухания приводит к явлению « дыхания », когда уровень фонового шума повышается в каждом паузе речи. Схемы Vogad обычно настроены таким образом, что при низких уровнях входного сигнала сигнал не усиливается полностью, а вместо этого следует линейной кривой усиления. Это хорошо работает с с шумоподавлением микрофонами .

Запись телефона

Устройства для записи обеих сторон телефонного разговора должны записывать как относительно сильный сигнал от локального пользователя, так и гораздо меньший сигнал от удаленного пользователя на сопоставимой громкости. Некоторые устройства записи телефонных разговоров включают автоматическую регулировку усиления для обеспечения записи приемлемого качества.

Биологический

Как и во многих концепциях, встречающихся в технике, автоматическая регулировка усиления также встречается в биологических системах, особенно в сенсорных системах. Например, в позвоночных зрительной системе динамика кальция в сетчатки фоторецепторах регулирует усиление в соответствии с уровнем освещенности. Считается, что далее в зрительной системе клетки V1 взаимно ингибируют, вызывая нормализацию реакции на контраст, что является формой автоматического контроля усиления. Аналогичным образом, в слуховой системе оливокохлеарные эфферентные нейроны являются частью биомеханического контура регулирования усиления. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

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 усиления, тогда как другие могут реагировать очень быстро. Примером приложения, в котором требуется быстрое время восстановления АРУ, являются приемники, используемые в связи с кодом Морзе, где необходима так называемая операция полного взлома или операция QSK, чтобы позволить принимающим станциям прерывать передающие станции в середине символа (например, между точкой и сигналы черточки).

См. также

Ссылки

^ К. Купфмюллер, «О динамике автоматических регуляторов усиления», Electrical Communication Engineering , vol. 5, № 11, стр. 459-467, 1928. (Немецкий) О динамике автоматических регуляторов усиления , (английский перевод)
↑ Мемориальные почести: Национальная инженерная академия, том 9 (2001 г.), стр. 281, получено 23 октября 2009 г.
^ Ф. Лэнгфорд-Смит (ред.), Справочник конструктора радиотронов , 4-е изд., RCA, 1953, глава 27, раздел 3
^ Автоматическая регулировка усиления в приемниках Юлиана Рошу, VA3IUL.
^ Лэнгфорд-Смит 53, стр. 1108
^ Лэнгфорд-Смит 53, глава 25, стр. 1229
^ Вогад в Федеральном стандарте 1037C
^ «Рёв и шепот, равный радиоголосовому выравнивателю» . Популярная механика : 236. Февраль 1939.
^ Д.О. Ким (1984). «Функциональная роль подсистем внутренних и внешних волосковых клеток в улитке и стволе мозга». В CI Берлине (ред.). Наука о слухе: последние достижения (PDF) . Колледж Хилл Пресс. стр. 241–262. Архивировано из оригинала (PDF) 1 июля 2010 г. Проверено 13 октября 2010 г.
^ РФ Лион (1990). «Автоматическая регулировка усиления в механике улитки». В П. Даллосе; и др. (ред.). Механика и биофизика слуха (PDF) . Спрингер-Верлаг. стр. 395–402. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[1] К. Купфмюллер, «О динамике автоматических регуляторов усиления», Electrical Communication Engineering , vol. 5, № 11, стр. 459-467, 1928. (Немецкий) О динамике автоматических регуляторов усиления , (английский перевод)

[2] Мемориальные почести: Национальная инженерная академия, том 9 (2001 г.), стр. 281, получено 23 октября 2009 г.

[3] Ф. Лэнгфорд-Смит (ред.), Справочник конструктора радиотронов , 4-е изд., RCA, 1953, глава 27, раздел 3

[4] Автоматическая регулировка усиления в приемниках Юлиана Рошу, VA3IUL.

[5] Лэнгфорд-Смит 53, стр. 1108

[6] Лэнгфорд-Смит 53, глава 25, стр. 1229

[7] Вогад в Федеральном стандарте 1037C

[8] «Рёв и шепот, равный радиоголосовому выравнивателю» . Популярная механика : 236. Февраль 1939.

[9] Д.О. Ким (1984). «Функциональная роль подсистем внутренних и внешних волосковых клеток в улитке и стволе мозга». В CI Берлине (ред.). Наука о слухе: последние достижения (PDF) . Колледж Хилл Пресс. стр. 241–262. Архивировано из оригинала (PDF) 1 июля 2010 г. Проверено 13 октября 2010 г.

[10] РФ Лион (1990). «Автоматическая регулировка усиления в механике улитки». В П. Даллосе; и др. (ред.). Механика и биофизика слуха (PDF) . Спрингер-Верлаг. стр. 395–402. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]