التحكم التلقائي في الكسب

في عام 1925، طوّر هارولد ألدن ويلر نظامًا للتحكم التلقائي في مستوى الصوت (AVC)، وحصل لاحقًا على براءة اختراع أمريكية رقم 1,866,687 لهذا الاختراع. استخدم النظام الحاصل على براءة الاختراع مرحلًا في مسار تيار الترددات الراديوية (RF)؛ حيث كان تيار لوحة الكاشف يُشغّل المرحل لتنظيم كسب جهاز الاستقبال. ^{[ 1 ]} في ورقة بحثية نُشرت عام 1928، قدّم ويلر نسخة إلكترونية بالكامل استغنت عن المرحل الميكانيكي. في هذا التصميم، تم تقويم إشارة الموجة الحاملة، وتصفية مكونات الترددات الصوتية، وتطبيق جهد التحكم المستمر الناتج على شبكات مراحل تضخيم الترددات الراديوية السابقة. ^{[ 2 ]} اختار ويلر ثابتًا زمنيًا للتحكم يبلغ حوالي 1/40 من الثانية، مما سمح للدائرة بمتابعة تلاشي الإشارة مع رفض تغيرات التضمين. ^{[ 2 ]} على الرغم من تغيير المُشغّل من ميكانيكي إلى إلكتروني، إلا أن المبدأ الأساسي - وهو استخلاص جهد تحكم من الموجة الحاملة لتنظيم كسب الترددات الراديوية تلقائيًا - ظل كما هو. نشر كارل كوبفمولر تحليلًا لأنظمة التحكم التلقائي في الكسب (AGC) عام 1928. ^{[ 3 ]} وبحلول أوائل الثلاثينيات، تضمنت معظم أجهزة استقبال البث التجارية الجديدة خاصية التحكم التلقائي في مستوى الصوت. ^{[ 4 ] [ 5 ]} وفي عام 1980، أدرجت مجلة إلكترونيكس دائرة التحكم التلقائي في الكسب (AVC) الخاصة بويلر ضمن اثنتي عشرة دائرة كلاسيكية أساسية لتسويق الراديو والتلفزيون. ^{[ 6 ]}

يحافظ التحكم التلقائي في الكسب (AGC) المُطبق بشكل صحيح على خطية مستقبل AM. في التشغيل العادي، تعمل مرحلتا الترددات الراديوية والترددات المتوسطة ضمن نطاقاتهما الخطية، لذا يظل شكل الموجة الصوتية المُكتشفة متناسبًا مع غلاف التضمين للموجة الحاملة. يقوم التحكم التلقائي في الكسب بضبط الكسب الكلي استجابةً للتغيرات في متوسط ​​قوة الموجة الحاملة؛ ولا يُعدّل شكل موجة التضمين اللحظي عمدًا.

لتجنب التشويش، يجب أن يتغير جهد التحكم في الكسب التلقائي (AGC) ببطء شديد مقارنةً بتغير التضمين. وقد أشار تيرمان إلى أن ثابت زمن التحكم التلقائي في الكسب (AVC) "يجب أن يكون كبيرًا بما يكفي لضمان عدم وصول أدنى ترددات التضمين إلى خرج التحكم التلقائي في الكسب"، وأوصى بقيم تتراوح بين 1/5 و1/10 من الثانية لأجهزة استقبال البث. ^{[ 7 ]} إذا استجابت حلقة التحكم في الكسب التلقائي بترددات الصوت، فإنها ستتبع غلاف التضمين وتُغير الكسب اللحظي، مما يُنتج تشويشًا أو "ارتفاعًا في التضمين".

قد تُؤدي بعض خيارات التصميم العملية إلى تشويه الصورة. يتناول دليل مصمم راديوترون تأثيرات مثل تأخير تحميل التحكم التلقائي في الكسب، وتفاعلات مقاومة الكاشف، واختيار ثابت زمني غير مناسب، وكلها عوامل قد تُؤثر سلبًا على دقة الصورة إذا لم يتم تصميمها بشكل صحيح. ^{[ 8 ]} تنشأ هذه التأثيرات من تفاصيل التنفيذ وليس من مبدأ التحكم التلقائي في الكسب نفسه.

تحافظ دائرة التحكم التلقائي في الكسب (AGC) على مستوى خرج ثابت نسبيًا من خلال رصد متوسط ​​قوة الإشارة المستقبلة وضبط كسب جهاز الاستقبال وفقًا لذلك. في حالة الإشارات الضعيفة، يعمل جهاز الاستقبال بأقصى كسب؛ ومع ازدياد قوة الإشارة، تُخفّض دائرة التحكم التلقائي في الكسب الكسب تدريجيًا. في العديد من التصاميم، يحدث خفض الكسب بشكل أساسي في مرحلة التردد المتوسط ​​(IF) أو مراحل الترددات الراديوية اللاحقة. قد يؤدي خفض الكسب في مرحلة الترددات الراديوية الأمامية للإشارات الضعيفة إلى تدهور نسبة الإشارة إلى الضوضاء وزيادة قابلية التشويش، لذا غالبًا ما يُترك كسب المرحلة الأمامية عند أقصى قيمة له حتى ظهور إشارات أقوى.

يُنتج ثنائي الكاشف جهدًا مستمرًا يتناسب مع قوة الموجة الحاملة. يُرشّح هذا الجهد ويُعاد إلى المراحل السابقة للتحكم في الكسب. ويمنع الاختيار الصحيح للثوابت الزمنية مكونات التضمين من التأثير على جهد التحكم.

قد تستخدم أجهزة استقبال الاتصالات أنظمة تحكم تلقائي في الكسب (AVC) أكثر تعقيدًا، بما في ذلك التحكم التلقائي في الكسب المؤجل، ومراحل كشف التحكم التلقائي في الكسب المنفصلة، ​​وثوابت زمنية متعددة، وتوزيع جهد التحكم على مراحل مختارة لتقليل التشوه والتداخل. ^{[ 9 ]} يؤثر تصميم نظام التحكم التلقائي في الكسب بشكل كبير على سلوك الضبط، وأداء التحميل الزائد، ودقة الصوت. ^{[ 10 ]}

أجهزة استقبال FM، على الرغم من أنها تتضمن مراحل تحديد وكواشف غير حساسة نسبياً لتغيرات السعة، إلا أنها لا تزال تستفيد من التحكم التلقائي في الكسب لمنع التحميل الزائد على الإشارات القوية.

يُستخدم التحكم التلقائي في الكسب (AGC) في أنظمة الرادار كوسيلة للتغلب على أصداء التشويش غير المرغوب فيها . تعتمد هذه الطريقة على حقيقة أن أصداء التشويش تفوق بكثير أصداء الأهداف المراد رصدها. يتم ضبط كسب جهاز الاستقبال تلقائيًا للحفاظ على مستوى ثابت من التشويش المرئي الإجمالي. ورغم أن هذا لا يُساعد في اكتشاف الأهداف المُغطاة بتشويش محيطي أقوى، إلا أنه يُساعد في تمييز مصادر الأهداف القوية. في الماضي، كان التحكم التلقائي في كسب الرادار يتم إلكترونيًا، وكان يؤثر على كسب جهاز استقبال الرادار بأكمله. ومع تطور أجهزة الرادار، أصبح التحكم التلقائي في الكسب يتم بواسطة برامج حاسوبية، وأصبح يؤثر على الكسب بدقة أكبر، في خلايا كشف مُحددة. تستخدم العديد من التدابير المضادة للرادار التحكم التلقائي في الكسب لخداع الرادار، وذلك عن طريق "طمس" الإشارة الحقيقية بالإشارة المُزيفة، حيث يعتبر التحكم التلقائي في الكسب الإشارة الحقيقية الأضعف تشويشًا مقارنةً بالإشارة المُزيفة القوية.

يُصدر شريط التسجيل الصوتي قدرًا معينًا من التشويش . إذا كان مستوى الإشارة على الشريط منخفضًا، يزداد التشويش وضوحًا، أي أن نسبة الإشارة إلى التشويش تكون أقل من المستوى الأمثل. وللحصول على تسجيل بأقل قدر من التشويش، يجب ضبط مستوى التسجيل على أعلى مستوى ممكن دون أن يكون مرتفعًا لدرجة تشويه الإشارة أو قصها . في التسجيلات الاحترافية عالية الدقة ، يُضبط المستوى يدويًا باستخدام مقياس قراءة الذروة . عندما لا تكون الدقة العالية شرطًا أساسيًا، يمكن ضبط مستوى تسجيل مناسب بواسطة دائرة التحكم التلقائي في الكسب (AGC) التي تُقلل الكسب مع ازدياد متوسط ​​مستوى الإشارة. وهذا يسمح بتسجيل قابل للاستخدام حتى للكلام على مسافة من ميكروفون مسجل الصوت. تنطبق اعتبارات مماثلة على أجهزة تسجيل الفيديو (VCR) .

من عيوب التحكم التلقائي في الكسب (AGC) المحتملة أنه عند تسجيل شيء مثل الموسيقى التي تحتوي على مقاطع هادئة وعالية مثل الموسيقى الكلاسيكية، فإن التحكم التلقائي في الكسب سيميل إلى جعل المقاطع الهادئة أعلى صوتًا والمقاطع العالية أقل صوتًا، مما يؤدي إلى ضغط النطاق الديناميكي ؛ ويمكن أن تكون النتيجة انخفاضًا في الجودة الموسيقية إذا لم يتم إعادة توسيع الإشارة عند التشغيل، كما هو الحال في نظام الضغط والتمديد .

تحتوي بعض أجهزة تسجيل الأشرطة ذات البكرات وأجهزة تشغيل الكاسيت على دوائر التحكم التلقائي في الكسب (AGC). أما تلك المستخدمة في التسجيل عالي الدقة فلا تحتوي عليها عادةً.

تستخدم معظم دوائر أجهزة تسجيل الفيديو سعة نبضة التعتيم الرأسية لتشغيل نظام التحكم التلقائي في الكسب (AGC). تستغل أنظمة التحكم في نسخ الفيديو، مثل ماكروفيجن، هذه الخاصية، حيث تُدخل نبضات حادة في النبضة تتجاهلها معظم أجهزة التلفزيون ، ولكنها تتسبب في قيام نظام التحكم التلقائي في الكسب (AGC) الخاص بجهاز تسجيل الفيديو بتصحيح مفرط وتشويه التسجيل.

جهاز ضبط الكسب الصوتي ^{[ 11 ]} أو جهاز ضبط الكسب المُتحكم به بواسطة مستوى الصوت ^{[ 12 ]} (vogad) هو نوع من أجهزة التحكم التلقائي في الكسب أو الضواغط المستخدمة في تضخيم إشارة الميكروفون . يُستخدم عادةً في أجهزة الإرسال اللاسلكية لمنع التضمين الزائد وتقليل النطاق الديناميكي للإشارة، مما يسمح بزيادة متوسط ​​القدرة المرسلة. في مجال الاتصالات الهاتفية ، يستقبل هذا الجهاز نطاقًا واسعًا من سعات الإدخال ويُنتج سعة إخراج ثابتة بشكل عام.

في أبسط صوره، يمكن أن يتكون المحدد من زوج من ثنائيات التثبيت المتصلة عكسيًا ، والتي تقوم ببساطة بتحويل سعة الإشارة الزائدة إلى الأرض عند تجاوز عتبة توصيل الثنائي. هذه الطريقة ببساطة تقطع قمة الإشارات الكبيرة، مما يؤدي إلى مستويات عالية من التشويش.

بينما تُستخدم محددات القطع غالبًا كإجراء وقائي أخير ضد التضمين الزائد ، فإن دائرة الفوجاد المصممة بشكل صحيح تتحكم بفعالية في مقدار التضخيم لتحسين عمق التضمين في الوقت الفعلي. فضلًا عن منع التضمين الزائد، فإنها تعزز مستوى الإشارات الضعيفة لتجنب نقص التضمين أيضًا. يمكن أن يؤدي نقص التضمين إلى ضعف اختراق الإشارة في الظروف الصاخبة، وبالتالي فإن الفوجاد مهم بشكل خاص لتطبيقات الصوت مثل الهواتف اللاسلكية .

يجب أن تتميز دائرة فوجاد الجيدة بزمن استجابة سريع جدًا ، حتى لا تتسبب إشارة الصوت العالية الأولية في حدوث تضخيم مفاجئ ومفرط. عمليًا، يكون زمن الاستجابة بضعة أجزاء من الألف من الثانية، لذا قد يكون من الضروري أحيانًا استخدام مُحدد قص الإشارة لالتقاط هذه الذروات القصيرة. عادةً ما يُستخدم زمن اضمحلال أطول بكثير، حتى لا يرتفع مستوى التضخيم بسرعة كبيرة أثناء فترات التوقف الطبيعية في الكلام. يؤدي زمن الاضمحلال القصير جدًا إلى ظاهرة " التنفس " حيث يرتفع مستوى ضوضاء الخلفية عند كل فجوة في الكلام. تُضبط دوائر فوجاد عادةً بحيث لا يتم تضخيم الإشارة بالكامل عند مستويات الإدخال المنخفضة، بل تتبع منحنى تضخيم خطي. يعمل هذا بشكل جيد مع الميكروفونات المانعة للضوضاء .

يجب أن تسجل الأجهزة التي تسجل طرفي المكالمة الهاتفية كلاً من الإشارة القوية نسبياً من المستخدم المحلي والإشارة الأضعف بكثير من المستخدم البعيد بمستويات صوت متقاربة. وتتضمن بعض أجهزة تسجيل المكالمات الهاتفية خاصية التحكم التلقائي في مستوى الصوت لإنتاج تسجيلات بجودة مقبولة.

كما هو الحال مع العديد من المفاهيم الهندسية، يُلاحظ التحكم التلقائي في الكسب أيضًا في الأنظمة البيولوجية، وخاصةً الأنظمة الحسية. فعلى سبيل المثال، في الجهاز البصري للفقاريات ، تُعدّل ديناميكيات الكالسيوم في مستقبلات الضوء الشبكية الكسب ليتناسب مع مستويات الضوء. وفي الجهاز البصري، يُعتقد أن الخلايا في القشرة البصرية الأولية (V1) تُثبّط بعضها بعضًا، مما يؤدي إلى تطبيع الاستجابات للتباين، وهو شكل من أشكال التحكم التلقائي في الكسب. وبالمثل، في الجهاز السمعي ، تُعدّ الخلايا العصبية الصادرة من النواة الزيتونية القوقعية جزءًا من حلقة تحكم ميكانيكية حيوية في الكسب. ^{[ 13 ] [ 14 ]}