Control automático de ganancia

En 1925, Harold Alden Wheeler desarrolló un sistema de control automático de volumen (AVC) y posteriormente recibió la patente estadounidense 1,866,687 por dicha invención. El sistema patentado utilizaba un relé en la ruta de la corriente de radiofrecuencia (RF); la corriente de la placa del detector activaba el relé para regular la ganancia del receptor. ^{[ 1 ]} En un artículo de 1928, Wheeler presentó una versión totalmente electrónica que eliminaba el relé mecánico. En este diseño, la señal portadora se rectificaba, se filtraban los componentes de audiofrecuencia y la tensión de control de CC resultante se aplicaba a las rejillas de las etapas anteriores del amplificador de RF. ^{[ 2 ]} Seleccionó una constante de tiempo de control de aproximadamente 1/40 de segundo, lo que permitía que el circuito siguiera el desvanecimiento de la señal mientras rechazaba las variaciones de modulación. ^{[ 2 ]} Aunque el actuador cambió de mecánico a electrónico, el principio subyacente —derivar una tensión de control de la portadora para regular automáticamente la ganancia de RF— permaneció igual. Karl Küpfmüller publicó un análisis de los sistemas AGC en 1928. ^{[ 3 ]} A principios de la década de 1930, la mayoría de los nuevos receptores de radiodifusión comerciales incluían control automático de volumen. ^{[ 4 ] [ 5 ]} En 1980, la revista Electronics incluyó el AVC de Wheeler entre doce “circuitos clásicos” fundamentales para la comercialización de la radio y la televisión. ^{[ 6 ]}

Un control automático de ganancia (AGC) correctamente implementado preserva la linealidad de un receptor AM. En funcionamiento normal, las etapas de RF e IF operan en sus regiones lineales, por lo que la forma de onda de audio detectada permanece proporcional a la envolvente de modulación de la portadora. El AGC ajusta la ganancia general en respuesta a los cambios en la intensidad promedio de la portadora; no modifica intencionadamente la forma de onda de modulación instantánea.

Para evitar la distorsión, la tensión de control AGC debe variar mucho más lentamente que la modulación. Terman señaló que la constante de tiempo AVC «debe ser lo suficientemente grande como para que las frecuencias de modulación más bajas no alcancen la salida AVC», y recomendó valores del orden de 1/5 a 1/10 de segundo para receptores de radiodifusión. ^{[ 7 ]} Si el bucle AGC responde a frecuencias de audio, seguirá la envolvente de modulación y alterará la ganancia instantánea, produciendo distorsión o «subida de modulación».

Algunas decisiones prácticas de diseño también pueden introducir distorsión. El Manual del Diseñador de Radiotrones analiza efectos como la carga retardada del AVC, las interacciones de impedancia del detector y la selección inadecuada de la constante de tiempo, todo lo cual puede afectar la fidelidad si no se diseña correctamente. ^{[ 8 ]} Estos efectos se derivan de detalles de implementación más que del principio del AGC en sí.

El circuito AGC mantiene un nivel de salida relativamente constante al detectar la intensidad promedio de la señal recibida y ajustar la ganancia del receptor en consecuencia. Para señales débiles, el receptor opera con la ganancia máxima; a medida que aumenta la intensidad de la señal, el AGC reduce progresivamente la ganancia. En muchos diseños, la reducción de ganancia se produce principalmente en las etapas de FI o RF posteriores. Reducir la ganancia en la etapa de entrada de RF con señales débiles puede degradar la relación señal-ruido y aumentar la susceptibilidad al bloqueo, por lo que la ganancia de la etapa de entrada suele mantenerse al máximo hasta que se presenten señales más fuertes.

El diodo detector genera una tensión continua proporcional a la intensidad de la portadora. Esta tensión se filtra y se realimenta a etapas anteriores para controlar la ganancia. Una selección adecuada de las constantes de tiempo evita que los componentes de modulación influyan en la tensión de control.

Los receptores de comunicaciones pueden emplear sistemas AVC más elaborados, incluyendo AVC retardado, etapas de detector AGC separadas, múltiples constantes de tiempo y distribución de voltaje de control a etapas seleccionadas para reducir la distorsión y la intermodulación. ^{[ 9 ]} El diseño del sistema AVC influye notablemente en el comportamiento de sintonización, el rendimiento ante sobrecargas y la fidelidad de audio. ^{[ 10 ]}

Los receptores de FM, aunque incorporan etapas limitadoras y detectores relativamente insensibles a las variaciones de amplitud, se benefician del control automático de ganancia (AGC) para evitar la sobrecarga en señales fuertes.

Una aplicación relacionada del control automático de ganancia (AGC) se encuentra en los sistemas de radar , como método para superar los ecos de interferencia no deseados. Este método se basa en el hecho de que las señales de interferencia son mucho más numerosas que los ecos de los objetivos de interés. La ganancia del receptor se ajusta automáticamente para mantener un nivel constante de interferencia visible general. Si bien esto no ayuda a detectar objetivos enmascarados por una interferencia circundante más intensa, sí ayuda a distinguir fuentes de objetivos fuertes. En el pasado, el AGC del radar se controlaba electrónicamente y afectaba la ganancia de todo el receptor. Con la evolución de los radares, el AGC pasó a controlarse mediante software y a afectar la ganancia con mayor precisión en celdas de detección específicas. Muchas contramedidas de radar utilizan el AGC del radar para engañarlo, "enmascarando" la señal real con la falsa, ya que el AGC considerará la señal verdadera, más débil, como interferencia en comparación con la fuerte señal falsa.

Una cinta de audio genera 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 con menos ruido, el nivel de grabación debe ajustarse lo más alto posible sin que la señal se sature o se distorsione . En la grabación profesional de alta fidelidad, el nivel se ajusta manualmente mediante un medidor de pico . Cuando no se requiere alta fidelidad, se puede establecer un nivel de grabación adecuado mediante un circuito AGC que reduce la ganancia a medida que aumenta el nivel promedio de la señal. Esto permite realizar una grabación utilizable incluso para voz a cierta distancia del micrófono de una grabadora de audio. Consideraciones similares se aplican a las videograbadoras .

Una posible desventaja del control automático de ganancia (AGC) es que, al grabar música con pasajes suaves y fuertes, como la música clásica, el AGC tiende a aumentar el volumen de los pasajes suaves y disminuir el de los fuertes, comprimiendo el rango dinámico ; el resultado puede ser una calidad musical reducida si la señal no se expande nuevamente durante la reproducción, como en un sistema de compresión y expansión .

Algunas grabadoras de cinta de carrete abierto y pletinas de casete tienen circuitos AGC. Las que se utilizan para alta fidelidad generalmente no los tienen.

La mayoría de los circuitos de las videograbadoras utilizan la amplitud del pulso de borrado vertical para controlar el AGC. Los sistemas de control de copia de vídeo, como Macrovision, se aprovechan de esto, insertando picos en el pulso que la mayoría de los televisores ignoran , pero que provocan que el AGC de una videograbadora corrija en exceso y corrompa la grabación.

Un dispositivo de ajuste de ganancia activado por voz ^{[ 11 ]} o un dispositivo de ajuste de ganancia activado por volumen ^{[ 12 ]} (vogad) es un tipo de AGC o compresor para la amplificación de micrófonos . Se utiliza habitualmente en transmisores de radio para evitar la sobremodulación y reducir el rango dinámico de la señal, lo que permite aumentar la potencia media transmitida. En telefonía , este dispositivo acepta una amplia variedad de amplitudes de entrada y produce una amplitud de salida generalmente constante.

En su forma más simple, un limitador puede consistir en un par de diodos de sujeción conectados en serie , que simplemente derivan el exceso de amplitud de la señal a tierra cuando se supera el umbral de conducción del diodo. Este método recorta la parte superior de las señales grandes, lo que provoca altos niveles de distorsión.

Si bien los limitadores de recorte se utilizan a menudo como último recurso para evitar la sobremodulación , un circuito vogad bien diseñado controla activamente la ganancia para optimizar la profundidad de modulación en tiempo real. Además de prevenir la sobremodulación, aumenta el nivel de las señales débiles, evitando así la submodulación. Esta última puede provocar una mala penetración de la señal en entornos ruidosos; por consiguiente, vogad es especialmente importante para aplicaciones de voz como la radiotelefonía .

Un buen circuito vogad debe tener un tiempo de ataque muy rápido , para que una señal de voz inicial fuerte 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 se necesita un limitador de recorte para capturar la señal en estos picos cortos. Generalmente se emplea un tiempo de decaimiento mucho más largo, para que la ganancia no aumente demasiado rápido durante las pausas normales del habla natural. Un tiempo de decaimiento demasiado corto produce el fenómeno de " respiración ", donde el nivel de ruido de fondo aumenta en cada pausa del habla. Los circuitos vogad normalmente se ajustan para que, a niveles bajos de entrada, la señal no se amplifique por completo, sino que siga una curva de amplificación lineal. Esto funciona bien con micrófonos con cancelación de ruido .

Los dispositivos para grabar ambos lados de una conversación telefónica deben registrar tanto la señal relativamente fuerte del usuario local como la señal mucho más débil del usuario remoto con niveles de volumen similares. Algunos dispositivos de grabación telefónica incorporan control automático de ganancia para producir grabaciones de calidad aceptable.

Como ocurre con muchos conceptos de ingeniería, el control automático de ganancia también se encuentra en 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 según los niveles de luz. Más adelante en el sistema visual, se cree que las células de V1 se inhiben mutuamente, lo que provoca 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 biomecánico. ^{[ 13 ] [ 14 ]}