自動利得制御

アナログ電話網で使用される自動利得制御（AGC）の回路図。出力レベルから利得へのフィードバックは、抵抗型光絶縁器を介して行われる。

自動利得制御（じどうりとくせいぎょ、英: automatic gain control, AGC）とは、増幅器または増幅器の連鎖において、入力信号振幅の変動にかかわらず、出力で適切な信号振幅を維持することを目的とした閉ループフィードバック制御システムである。平均またはピーク信号レベルをフィードバックすることで利得が入力信号レベルに対して適切な範囲になるよう調整する。

これはほとんどのラジオ受信機で用いられ、受信信号強度の差異による異なるラジオ局の平均音量を均一化するほか、単一局の電波信号におけるフェージングによる変動も補正する。

例えば、AGCのないAMラジオでは、信号の強弱によって出力音声が大きくなったり小さくなったりする。AGCは信号が強くなると利得を抑えて出力が大きくならないようにし、信号が弱くなると利得を上げて出力が小さくならないようにする。AGCは信号が強い時には音量を効果的に下げ、弱い時には上げる。一般的な受信機では、AGCのフィードバック制御信号は通常、検波器段から取り出され、中間周波数（IF）増幅段や高周波（RF）増幅段の利得を制御するために印加される。

動作原理

利得制御される信号（ラジオにおける検出器出力）はダイオードとコンデンサに送られ、ピークフォロー直流電圧を生成する。これは高周波利得ブロックに供給され、バイアスを変化させることで利得を調整する。従来、全ての利得制御段は信号検出の前に配置されていたが、信号検出後に利得制御段を追加することで利得制御を改善することも可能である。

使用例

振幅変調（AM・SSB）・CW受信機

AMラジオ

1925年、ハロルド・オルデン・ウィーラーが自動音量制御回路（英: automatic volume control, AVC）を発明し特許を取得した。カール・キュプフミュラーは1928年にAGCシステムの分析を発表した。1930年代初頭までに、ほとんどの新しい商業放送受信機にはAVC回路が搭載されるようになった。

AMラジオ受信機にAGCがなければ搬送波の信号振幅と音量の変化の相関関係は直線的で線型性があり信号の強さに比例する。しかし、AGC回路を採用すればそれから逸脱することになる。音の大きさと相関する音振幅は、信号の情報量が搬送波の振幅変化によって伝達されるため、ラジオ信号振幅に比例する。回路が十分に直線的でなければ、変調信号を合理的な忠実度で復元できない。

しかし、受信した信号の強さは送信機の出力や送受信機間の距離、電波の伝播経路や減衰によって様々に変化する。AGC回路は受信機が線型な特性を有する範囲で動作するように、信号の強さを検出して自動的に利得を調整し出力レベルを一定に保つ。信号が弱い場合、AGCは何もしない。信号が強い場合はAGCが利得を制限する。

信号が弱い場合、RFフロントエンドの利得を制限するとSN比が悪くなる。そのため、信号が強い場合だけ利得を制限する設計になっていることが多い。

AM検波ダイオードは信号強度に比例した直流電圧を生成するため、この電圧を受信機の先行段にフィードバックすることで利得を低減できる。信号の音声成分が利得に顕著な影響を与えないようフィルタ回路が必要であり、これにより信号の有効変調深度を増加させて音声が歪んだり、「変調上昇」するのを防止する。通信型受信機では、より複雑なAVCシステムが採用される場合がある。これには追加増幅段、独立したAGC検出ダイオード、放送帯域と短波帯域で異なる時定数、歪みや交差変調を防ぐために受信機の各段に異なるレベルのAGC電圧を適用する方式などが含まれる。 AVCシステムの設計は、受信機の使い勝手、チューニング特性、音声忠実度、過負荷時や強い信号時の挙動に大きく影響する。

SSB受信機

SSB受信機においてもAM同様AGCを用いる。ただし、搬送波の有無や側波帯の使い方の違いから、受信レベルの検出を平均値ではなく尖頭値で行うなどAMとは異なる回路を使用する。

CW受信機

CW受信機は振幅に直接ベースバンドの情報を載せるわけではないが、ビート検波の出力レベルが受信信号のレベルに依存するため、やはりAGCを用いる。

周波数変調（FM）受信機

FM受信機は、振幅変動に対して比較的鈍感なリミッター段や検波器を備えているにもかかわらず、強い信号による過負荷を防ぐために自動利得制御（AGC）の恩恵を受ける。

レーダー

レーダーシステムでは、好ましくない乱反射であるクラッターエコーを除去する方法としてAGCを利用している。これは、乱反射が目標のエコーよりも弱く数多いという事実を利用した手法である。目標とするエコーが一定のレベルとなるよう、受信機の利得を調整する。強い乱反射が目標を取り囲んでいる場合は目標検出には役立たないが、強い目標を識別する助けにはなる。かつては電子回路内にAGCが組み込まれていてレーダー全体の利得に影響を与えていた。しかし、レーダー技術の進歩により、コンピュータ上のソフトウェアでAGC相当の機能を実装するようになり、よりきめ細かい利得制御が可能になっている。多くのレーダー対抗手段は、レーダーのAGCを欺くために利用する。偽装信号で実信号を効果的に「かき消す」ことで、AGCは強い偽装信号に対して弱い実信号を雑音と見なすようになるためである。

オーディオ・ビジュアル

オーディオ用磁気テープは、ある程度のノイズを生成する。信号のレベルが低ければ、ノイズの影響が顕著になる。つまりSN比が悪くなる。ノイズの影響を最小限にするには、歪みやクリッピングが生じない範囲で信号をなるべく強く記録する必要がある。プロ用のHi-Fi録音機器では、ピークメーターを使って手動で録音レベルを設定する。

高忠実度を必要としない場合、録音レベルをAGC回路で設定でき、平均信号レベルが高くなると自動的に利得を下げる。例えば音声を録音するとき、マイクロフォンから多少離れている人の発声でも録音できる。同じことはビデオテープレコーダにも言える。

録音におけるAGCの欠点は、音量のメリハリが激しい音楽を録音したとき、音量が大きい部分がやや弱く録音され、音量が小さい部分がやや強く録音される傾向がある点である。つまりダイナミックレンジが狭くなり、原音を忠実に再現できない。

オープンリールのテープレコーダーやカセットデッキにはAGC回路が備わっているものが多い。Hi-Fi録音が可能なものはAGC回路を切ることができるようになっている。

ビデオデッキの多くは垂直帰線区間の振幅をAGCに利用している。そこで、マクロヴィジョンはビデオのコピーガードにこれを利用し、垂直帰線区間にテレビでは無視されるスパイクを挿入している。ビデオデッキのAGCはこのスパイクを無視できず、録画時の利得レベルがおかしくなり、ダビングできなくなる。

通話の録音

電話での通話を録音する場合、録音装置のある側の話者の信号は大きく、相手側の信号は小さい。そこでAGCを使って両者の録音レベルが同程度になるよう調整する機器もある。

信号強度の測定

AGCを用いて増幅器から出力する信号の強度を一定にすると、AGCへのフィードバック信号は増幅器に入力する信号の強度により決まる。受信機のSメータや測定器での信号レベル検出に応用されている。測定できるダイナミックレンジは、理想的にはAGCのダイナミックレンジに等しくなる。

設計・実装方法

振幅変調（AM・SSB）受信機

AM・SSB受信機では、IF増幅器にAGCの機能を持たせるのが一般的である。検波器で得た受信レベルの信号をIF増幅器にフィードバックし、能動素子の利得を決めるパラメータ（バイポーラトランジスタのβ、FETのYfs等）を制御する。バイポーラでは線形性に優れたAGC特性を持つ専用素子、FETではDual-gate素子を用い、第2ゲートの電圧によりYfsを制御する実装が多い。

一般に、AGCが動作すると副作用としてIF増幅器の動作点が変化する。動作点が能動素子の電流を増やす（電圧を減らす）方向に働くものをフォワード型AGC、電流を減らす（電圧を増やす）方向に働くものをリバース型AGCと呼ぶ。

AGCが強く動作すると、フォワード型では電圧の減少、リバース型では電流の減少によりIF増幅器が飽和するため、混変調を生じる恐れがある。このため、以下の対策がしばしば用いられる。

• Q値が高い共振器をIF増幅器の負荷とする。この場合、IF増幅器は狭帯域となる。
• IF増幅器のうち、初段のAGCを減らす。AGCが動作した場合、最も大きな信号を入力するのは初段になるため、ここが最も飽和しやすくなる。
• 適切な特性を持つDual-gate FETおよびバイアス手法を選ぶことにより、AGCによるドレイン電流の変化を抑える。

その他

1960年発行のNHK編集の『増補改定新ラジオ技術教科書基礎編』では、AGCを自動音量調節（AVC = Automatic Volume Control）と記載している。

関連項目

• フィードバック
• ネガティブフィードバック機構
• スケルチ
• コンパンディング
• コンプレッサー (音響機器)