자동 이득 제어

자동 이득 제어(Automatic gain control, AGC)는 앰프 또는 앰프 체인에 있는 폐쇄 루프 피드백 조절 회로로, 입력 신호의 진폭 변화에도 불구하고 출력에서 적절한 신호 진폭을 유지하는 것이 목적이다. 평균 또는 피크 출력 신호 레벨은 앰프의 이득을 동적으로 조절하는 데 사용되어 회로가 더 넓은 범위의 입력 신호 레벨에서 만족스럽게 작동할 수 있도록 한다. 대부분의 수신기에서 수신된 신호 세기의 차이로 인한 다양한 라디오 방송국의 평균 음량을 균등화하는 데 사용되며, 페이딩으로 인한 단일 방송국 라디오 신호의 변동에도 사용된다. AGC가 없으면 AM 라디오 수신기에서 방출되는 소리가 약한 신호에서 강한 신호로 극단적으로 변할 것이다. AGC는 신호가 강하면 효과적으로 볼륨을 줄이고, 약하면 볼륨을 높인다. 일반적인 수신기에서 AGC 피드백 제어 신호는 일반적으로 검파기 단계에서 가져와 IF 또는 RF 앰프 단계의 이득을 제어하는 데 적용된다.

작동 방식
이득 제어를 할 신호(라디오의 검파기 출력)는 다이오드와 축전기로 전달되어 피크를 추종하는 직류 전압을 생성한다. 이 전압은 RF 이득 블록으로 공급되어 바이어스를 변경하고, 결과적으로 이득을 변경한다. 전통적으로 모든 이득 제어 단계는 신호 검출 이전에 있었지만, 신호 검출 후에 이득 제어 단계를 추가하여 이득 제어를 개선하는 것도 가능하다.

 사용 사례 

 AM 라디오 수신기 
1925년, 해럴드 올든 휠러는 자동 볼륨 조절(AVC)을 발명하고 특허를 취득했다. 카를 퀴프뮐러는 1928년에 AGC 시스템에 대한 분석을 발표했다.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) 1930년대 초까지 대부분의 새로운 상업용 방송 수신기에는 자동 볼륨 조절 기능이 포함되었다.Memorial Tributes: National Academy of Engineering, Volume 9 (2001) page 281, retrieved 2009 Oct 23

AGC는 AM 수신기의 선형성에서 벗어난다.F. Langford-Smith (ed.), Radiotron Designer's Handbook 4th ed., RCA, 1953, chapter 27 section 3 AGC가 없으면 AM 라디오는 신호 진폭과 음파 사이에 선형적인 관계를 가질 것이다. 즉, 음량과 상관관계가 있는 소리 진폭은 라디오 신호 진폭에 비례한다. 왜냐하면 신호의 정보 내용은 반송파의 진폭 변화에 의해 전달되기 때문이다. 회로가 상당히 선형적이지 않다면 변조된 신호를 합리적인 충실도로 복구할 수 없을 것이다. 그러나 수신되는 신호의 강도는 송신기의 전력과 거리에 따라, 그리고 신호 경로 감쇠에 따라 크게 달라질 것이다. AGC 회로는 신호의 전체적인 강도를 감지하고 수신기의 이득을 자동으로 조정하여 출력 레벨을 허용 가능한 범위 내로 유지함으로써 수신기의 출력 레벨이 너무 많이 변동하는 것을 방지한다. 매우 약한 신호의 경우 AGC는 수신기를 최대 이득으로 작동시키고, 신호가 증가하면 AGC는 이득을 줄인다.

약한 신호에서 수신기의 RF 프론트 엔드 이득을 줄이는 것은 일반적으로 불리하다. 낮은 이득은 신호 대 잡음비와 블로킹을 악화시킬 수 있기 때문이다.Automatic gain control in receivers by Iulian Rosu, VA3IUL 따라서 많은 설계는 강한 신호에 대해서만 이득을 줄인다.

AM 검파기 다이오드는 신호 강도에 비례하는 직류 전압을 생성하므로, 이 전압은 수신기의 이전 단계로 피드백되어 이득을 줄일 수 있다. 신호의 오디오 구성 요소가 이득에 크게 영향을 미치지 않도록 필터 네트워크가 필요하다. 이는 신호의 유효 변조 깊이를 증가시켜 소리를 왜곡시키는 "변조 상승"을 방지한다. 통신 수신기는 왜곡 및 상호 변조를 방지하기 위해 추가 증폭 단계, 별도의 AGC 검파기 다이오드, 방송 및 단파 대역에 대한 다른 시정수, 수신기의 다른 단계에 다른 수준의 AGC 전압 적용 등 더 복잡한 AVC 시스템을 가질 수 있다.Langford-Smith 53, page 1108 AVC 시스템의 설계는 수신기의 유용성, 튜닝 특성, 오디오 충실도, 과부하 및 강한 신호에 대한 동작에 큰 영향을 미친다.Langford-Smith 53, chapter 25 page 1229

 FM 라디오 수신기 
FM 수신기는 진폭 변화에 비교적 둔감한 리미터 단계와 검파기를 포함하고 있음에도 불구하고, 강한 신호에서 과부하를 방지하기 위해 여전히 AGC의 이점을 얻는다.

 레이더 

AGC의 관련 응용 분야는 레이더 시스템에서 원치 않는 클러터 반향을 극복하는 방법이다. 이 방법은 클러터 반향이 관심 대상의 반향보다 훨씬 많다는 사실에 의존한다. 수신기의 이득은 전체 가시 클러터의 일정한 수준을 유지하기 위해 자동으로 조정된다. 이것은 더 강한 주변 클러터에 가려진 대상을 감지하는 데 도움이 되지는 않지만, 강한 대상 소스를 구별하는 데 도움이 된다. 과거에는 레이더 AGC가 전자적으로 제어되어 전체 레이더 수신기의 이득에 영향을 미쳤다. 레이더가 발전함에 따라 AGC는 컴퓨터 소프트웨어 제어가 되었고, 특정 감지 셀에서 더 세분화된 방식으로 이득에 영향을 미쳤다.
많은 레이더 역량은 레이더의 AGC를 사용하여 속임수를 쓴다. 즉, 강력한 스푸핑으로 실제 신호를 효과적으로 "압도"하여 AGC가 약하고 진짜 신호를 강력한 스푸핑에 대한 클러터로 간주하게 만든다.

 오디오/비디오 

오디오 테이프는 특정 양의 잡음을 발생시킨다. 테이프에 기록된 신호의 레벨이 낮으면 잡음이 더욱 두드러져, 즉 신호 대 잡음비가 낮아진다. 가장 잡음 없는 녹음을 하려면 신호를 클리핑하거나 왜곡하지 않을 정도로 가능한 한 높게 녹음 레벨을 설정해야 한다. 전문가용 고음질 녹음에서는 피크 판독 미터를 사용하여 수동으로 레벨을 설정한다. 고음질이 요구되지 않는 경우, 평균 신호 레벨이 증가함에 따라 이득을 줄이는 AGC 회로에 의해 적절한 녹음 레벨을 설정할 수 있다. 이는 오디오 레코더의 마이크로폰에서 멀리 떨어진 음성이라도 사용할 수 있는 녹음을 가능하게 한다. 비디오 녹화기에도 유사한 고려 사항이 적용된다.

AGC의 잠재적인 단점은 클래식 음악과 같이 조용하고 시끄러운 부분이 있는 음악을 녹음할 때 AGC가 조용한 부분을 더 크게 만들고 시끄러운 부분을 더 작게 만드는 경향이 있어 동적 범위를 압축한다는 것이다. 그 결과 압신 시스템에서처럼 재생 시 신호가 다시 확장되지 않으면 음악적 품질이 저하될 수 있다.

일부 릴투릴 테이프 레코더와 카세트 데크에는 AGC 회로가 있다. 고음질용으로 사용되는 제품은 일반적으로 그렇지 않다.

대부분의 VCR 회로는 수직 귀선 기간의 진폭을 사용하여 AGC를 작동시킨다. 매크로비전과 같은 비디오 복사 방지 체계는 이를 이용하여 펄스에 스파이크를 삽입하는데, 대부분의 텔레비전 세트는 이를 무시하지만 VCR의 AGC는 과도하게 보정되어 녹음을 손상시킨다.

 보가드(Vogad) 

음성 작동 이득 조절 장치Vogad at Federal Standard 1037C 또는 볼륨 작동 이득 조절 장치
(VOGAD)는 마이크로폰 증폭을 위한 AGC 또는 컴프레서의 일종이다. 일반적으로 무선 전화에서 과변조를 방지하고 신호의 동적 범위를 줄여 평균 전송 전력을 높이는 데 사용된다. 텔레포니에서는 이 장치가 다양한 입력 진폭을 받아들여 일반적으로 일관된 출력 진폭을 생성한다.

가장 간단한 형태의 리미터는 한 쌍의 역방향 클램프 다이오드로 구성될 수 있으며, 다이오드 전도 임계값을 초과할 때 과도한 신호 진폭을 단순히 접지로 단락시킨다. 이 접근 방식은 큰 신호의 상단을 단순히 잘라내어 높은 수준의 왜곡을 유발한다.

클리핑 리미터는 종종 과변조에 대한 최후의 보호 수단으로 사용되지만, 제대로 설계된 보가드 회로는 실시간으로 변조 깊이를 최적화하기 위해 이득량을 적극적으로 제어한다. 과변조를 방지하는 것 외에도 조용한 신호의 레벨을 높여 저변조도 방지한다. 저변조는 잡음이 많은 환경에서 신호 침투가 좋지 않을 수 있으므로 보가드는 무선 전화와 같은 음성 응용 분야에 특히 중요하다.

좋은 보가드 회로는 매우 빠른 어택 타임을 가져야 한다. 그래야 초기 큰 음성 신호가 갑작스러운 과도한 변조를 유발하지 않는다. 실제로는 어택 타임이 몇 밀리초이므로, 이러한 짧은 피크에서 신호를 포착하기 위해 클리핑 리미터가 여전히 필요할 수 있다. 일반적으로 훨씬 더 긴 감쇠 시간이 사용되므로, 자연스러운 음성 중 일반적인 일시 정지 동안 이득이 너무 빨리 증가하지 않는다. 감쇠 시간이 너무 짧으면 말 사이의 각 간격에서 배경 잡음 수준이 증가하는 "브리딩" 현상이 발생한다. 보가드 회로는 일반적으로 낮은 입력 레벨에서 신호가 완전히 증가되지 않고 대신 선형 증폭 곡선을 따르도록 조정된다. 이는 잡음 제거 마이크와 잘 작동한다.

 전화 녹음 
전화 통화의 양쪽을 녹음하는 장치는 로컬 사용자의 상대적으로 큰 신호와 원격 사용자의 훨씬 작은 신호를 비슷한 음량으로 녹음해야 한다. 일부 전화 녹음 장치는 허용 가능한 품질의 녹음을 생성하기 위해 자동 이득 제어를 포함한다.

 생물학적 

공학에서 발견되는 많은 개념과 마찬가지로 자동 이득 제어는 생물학적 시스템, 특히 감각 시스템에서도 발견된다. 예를 들어, 척추동물의 시각계에서는 망막 광수용체의 칼슘 역학이 빛 수준에 맞게 이득을 조절한다. 시각계의 더 나아간 부분에서는 V1의 세포들이 상호 억제하여 대비에 대한 반응을 정상화하는 자동 이득 제어의 한 형태를 유발하는 것으로 생각된다. 유사하게, 청각계에서는 올리보달팽이관 원심성 뉴런이 생체역학적 이득 제어 루프의 일부이다.

 복구 시간 

모든 자동 제어 시스템과 마찬가지로 AGC 작동의 시간 역학은 많은 응용 분야에서 중요할 수 있다. 일부 AGC 시스템은 이득 변화의 필요성에 느리게 반응하는 반면, 다른 시스템은 매우 빠르게 반응할 수 있다. 빠른 AGC 복구 시간이 필요한 응용 분야의 예로는 모스 부호 통신에 사용되는 수신기에서 완전 중단 또는 QSK 작동이 필요하여 수신 스테이션이 전송 스테이션을 문자 중간(예: 점과 대시 신호 사이)에 중단할 수 있도록 하는 경우가 있다.

 같이 보기 
 압신
 클리핑 (오디오)
 컴프레서 (오디오)
 게인 압축
 높은 동적 범위
 스퀠치
 비디오 용어 목록

 각주 

분류:통신 회로
분류:생물물리학
분류:무선 기술
분류:아날로그 회로