Control de ganancia automática - Automatic gain control
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El control automático de ganancia ( AGC ) es un circuito regulador de retroalimentación de circuito cerrado en un amplificador o cadena de amplificadores, cuyo propósito es mantener una amplitud de señal adecuada en su salida, a pesar de la variación de la amplitud de la señal en la entrada. El nivel de señal de salida promedio o pico se usa para ajustar dinámicamente la ganancia de los amplificadores, lo que permite que el circuito funcione satisfactoriamente con un rango mayor de niveles de señal de entrada. Se utiliza en la mayoría de los receptores de radio para igualar el volumen promedio ( sonoridad ) de diferentes estaciones de radio debido a las diferencias en la intensidad de la señal recibida , así como a las variaciones en la señal de radio de una sola estación debido al desvanecimiento . Sin AGC, el sonido emitido por un receptor de radio AM variaría en gran medida de una señal débil a una fuerte; el AGC reduce efectivamente el volumen si la señal es fuerte y lo aumenta cuando es más débil. En un receptor típico, la señal de control de retroalimentación AGC generalmente se toma de la etapa del detector y se aplica para controlar la ganancia de las etapas del amplificador de IF o RF.
Cómo funciona
La señal que se va a controlar por ganancia (la salida del detector en una radio) va a un diodo y condensador , que producen un voltaje de CC que sigue a los picos. Esto se alimenta a los bloques de ganancia de RF para alterar su polarización, alterando así su ganancia. Tradicionalmente, todas las etapas controladas por ganancia se producían antes de la detección de la señal, pero también es posible mejorar el control de la ganancia agregando una etapa controlada por la ganancia después de la detección de la señal.
Casos de uso de ejemplo
Receptores de radio AM
En 1925, Harold Alden Wheeler inventó el control automático de volumen (AVC) y obtuvo una patente. Karl Küpfmüller publicó un análisis de los sistemas AGC en 1928. A principios de la década de 1930, la mayoría de los nuevos receptores de transmisión comerciales incluían control automático de volumen.
AGC es una desviación de la linealidad en los receptores de radio AM . Sin AGC, una radio AM tendría una relación lineal entre la amplitud de la señal y la forma de onda del sonido; la amplitud del sonido , que se correlaciona con el volumen, es proporcional a la amplitud de la señal de radio, porque el contenido de información de la señal es transportado por los cambios de amplitud de la onda portadora . Si el circuito no fuera bastante lineal, la señal modulada no podría recuperarse con una fidelidad razonable . Sin embargo, la fuerza de la señal recibida variará ampliamente, dependiendo de la potencia y la distancia del transmisor y la atenuación de la ruta de la señal . El circuito AGC evita que el nivel de salida del receptor fluctúe demasiado al detectar la fuerza general de la señal y ajustar automáticamente la ganancia del receptor para mantener el nivel de salida dentro de un rango aceptable. Para una señal muy débil, el AGC opera el receptor a la máxima ganancia; a medida que aumenta la señal, el AGC reduce la ganancia.
Por lo general, es desventajoso reducir la ganancia del extremo frontal de RF del receptor en señales más débiles, ya que una ganancia baja puede empeorar la relación señal / ruido y el bloqueo ; por lo tanto, muchos diseños reducen la ganancia solo para señales más fuertes.
Dado que el diodo detector de AM produce un voltaje de CC proporcional a la intensidad de la señal, este voltaje se puede retroalimentar a las etapas anteriores del receptor para reducir la ganancia. Se requiere una red de filtro para que los componentes de audio de la señal no influyan de manera apreciable en la ganancia; esto evita el "aumento de modulación" que aumenta la profundidad de modulación efectiva de la señal, distorsionando el sonido. Los receptores de comunicaciones pueden tener sistemas AVC más complejos, que incluyen etapas de amplificación adicionales, diodos detectores de AGC separados, diferentes constantes de tiempo para las bandas de transmisión y de onda corta, y aplicación de diferentes niveles de voltaje de AGC a diferentes etapas del receptor para evitar la distorsión y la modulación cruzada. El diseño del sistema AVC tiene un gran efecto en la usabilidad del receptor, las características de sintonización, la fidelidad del audio y el comportamiento en caso de sobrecarga y señales fuertes.
Los receptores de FM, a pesar de que incorporan etapas limitadoras y detectores que son relativamente insensibles a las variaciones de amplitud, aún se benefician del AGC para evitar la sobrecarga en señales fuertes.
Radar
Una aplicación relacionada de AGC es en los sistemas de radar , como un método para superar ecos parásitos no deseados . Este método se basa en el hecho de que los retornos de ecos parásitos superan con creces los ecos de los objetivos de interés. La ganancia del receptor se ajusta automáticamente para mantener un nivel constante de desorden visible general. Si bien esto no ayuda a detectar objetivos enmascarados por un desorden circundante más fuerte, sí ayuda a distinguir las fuentes de objetivos fuertes. En el pasado, el radar AGC se controlaba electrónicamente y afectaba la ganancia de todo el receptor del radar. A medida que evolucionaron los radares, AGC pasó a ser controlado por software y afectó la ganancia con mayor granularidad, en células de detección específicas. Muchas contramedidas de radar usan el AGC de un radar para engañarlo, al "ahogar" efectivamente la señal real con la parodia, ya que el AGC considerará la señal verdadera más débil como un desorden en relación con la parodia fuerte.
Audio Video
Una cinta de audio genera una cierta cantidad de ruido . Si el nivel de la señal en la cinta es bajo, el ruido es más prominente, es decir, la relación señal-ruido es menor de lo que podría ser. Para producir la grabación menos ruidosa, el nivel de grabación debe establecerse lo más alto posible sin que sea tan alto como para recortar o distorsionar la señal. En la grabación profesional de alta fidelidad, el nivel se establece manualmente mediante un medidor de lectura de picos . Cuando la alta fidelidad no es un requisito, se puede establecer un nivel de grabación adecuado mediante un circuito AGC que reduce la ganancia a medida que aumenta el nivel de señal promedio. Esto permite realizar una grabación utilizable incluso para el habla a cierta distancia del micrófono de una grabadora de audio. Se aplican consideraciones similares con las videograbadoras .
Una desventaja potencial de AGC es que al grabar algo como música con pasajes silenciosos y fuertes, como música clásica, el AGC tenderá a hacer que los pasajes silenciosos sean más fuertes y los pasajes fuertes más silenciosos, comprimiendo el rango dinámico ; el resultado puede ser una calidad musical reducida si la señal no se vuelve a expandir durante la reproducción, como en un sistema de compresión .
Algunas grabadoras de cinta de carrete a carrete y platinas de casete tienen circuitos AGC. Los que se utilizan para alta fidelidad generalmente no lo hacen.
La mayoría de los circuitos de VCR utilizan la amplitud del pulso de supresión vertical para operar el AGC. Los esquemas de control de copia de video como Macrovision explotan esto, insertando picos en el pulso que serán ignorados por la mayoría de los televisores , pero hacen que el AGC de una videograbadora corrija en exceso y corrompa la grabación.
Vogad
Un dispositivo de ajuste de ganancia operado por voz o un dispositivo de ajuste de ganancia operado por volumen (vogad) es un tipo de AGC o compresor para amplificación de micrófono . Suele utilizarse en radiotransmisores para evitar la sobremodulación y reducir el rango dinámico de la señal lo que permite incrementar la potencia media transmitida. En telefonía , este dispositivo toma una amplia variedad de amplitudes de entrada y produce una amplitud de salida generalmente consistente.
En su forma más simple, un limitador puede consistir en un par de diodos de sujeción adosados , que simplemente derivan el exceso de amplitud de la señal a tierra cuando se excede el umbral de conducción del diodo. Este enfoque simplemente recortará la parte superior de las señales grandes, lo que generará altos niveles de distorsión.
Si bien los limitadores de recorte se utilizan a menudo como una forma de protección definitiva contra la sobremodulación , un circuito de vogad diseñado correctamente controla activamente la cantidad de ganancia para optimizar la profundidad de modulación en tiempo real. Además de prevenir la sobremodulación, aumenta el nivel de las señales silenciosas para evitar la submodulación. La submodulación puede conducir a una mala penetración de la señal en condiciones ruidosas, por lo que vogad es particularmente importante para aplicaciones de voz como los radioteléfonos .
Un buen circuito de vogad debe tener un tiempo de ataque muy rápido , de modo que una señal de voz alta inicial no provoque una ráfaga repentina de modulación excesiva. En la práctica, el tiempo de ataque será de unos pocos milisegundos, por lo que a veces todavía se necesita un limitador de recorte para captar la señal en estos picos cortos. Por lo general, se emplea un tiempo de caída mucho más largo, de modo que la ganancia no se incremente demasiado rápido durante las pausas normales en el habla natural. Un tiempo de caída demasiado corto conduce al fenómeno de " respiración ", en el que el nivel de ruido de fondo aumenta en cada intervalo del habla. Los circuitos de Vogad normalmente se ajustan de modo que a niveles bajos de entrada la señal no se incremente por completo, sino que siga una curva de impulso lineal. Esto funciona bien con micrófonos con cancelación de ruido .
Grabación telefónica
Los dispositivos para grabar ambos lados de una conversación telefónica deben grabar tanto la señal relativamente grande del usuario local como la señal mucho más pequeña del usuario remoto a un volumen comparable. Algunos dispositivos de grabación de teléfonos incorporan control automático de ganancia para producir grabaciones de calidad aceptable.
Biológico
Como es el caso de muchos conceptos que se encuentran en la ingeniería, el control automático de ganancia también se encuentra en los sistemas biológicos, especialmente en los sistemas sensoriales. Por ejemplo, en el sistema visual de los vertebrados , la dinámica del calcio en los fotorreceptores de la retina ajusta la ganancia para adaptarse a los niveles de luz. Más adelante en el sistema visual, se cree que las células de V1 se inhiben mutuamente, provocando la normalización de las respuestas al contraste, una forma de control automático de ganancia. De manera similar, en el sistema auditivo , las neuronas eferentes olivococleares forman parte de un bucle de control de ganancia biomecánica.
Tiempos de recuperación
Como en todos los sistemas de control automático, la dinámica temporal del funcionamiento de AGC puede ser importante en muchas aplicaciones. Algunos sistemas AGC reaccionan lentamente a la necesidad de cambios de ganancia, mientras que otros pueden reaccionar muy rápidamente. Un ejemplo de una aplicación en la que se requiere un tiempo de recuperación de AGC rápido es en los receptores utilizados en las comunicaciones de código Morse donde es necesario el llamado funcionamiento completo o QSK para permitir que las estaciones receptoras interrumpan las estaciones emisoras a mitad de carácter (por ejemplo, entre el punto y señales de guión).
Ver también
- Compandiendo
- Recorte (audio)
- Compresión de rango dinámico
- Ganar compresión
- Alto rango dinámico
- Aplastar
- Glosario de términos de video