“RUIDO”

Escuela de Ing. Electrónica y Eléctrica

ALCALA CH, Rafael A. C.I 13.814.213

Ing. Eléctrico 43

Agosto, 2014

INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO

“SANTIAGO MARIÑO”

EXTENSION - MATURIN

Introducción

El ruido es un fenómeno natural, inevitable y generalmente incontrolable. En otras En otras palabras, el ruido siempre estará presente en cualquier sistema de comunicaciones y contribuirá, en mayor o menor medida, al deterioro de la señal a la salida del receptor, además de constituir el principal factor limitante en su detección. De acuerdo con lo anterior, el ruido es efectivamente una “señal” indeseable, aunque el uso del término señal es discutible, ya que el ruido no representa información excepto en casos muy aislados. El ruido, la distorsión y la interferencia juegan un papel muy importante en los sistemas de comunicación, ya que limitan la calidad de la señal de información, si bien su naturaleza es completamente diferente. El ruido es esencialmente aleatorio tanto en amplitud como en fase, en tanto que la distorsión y la interferencia siguen, por lo general, patrones determinados, con frecuencia difíciles de identificar.

En el ámbito de las telecomunicaciones y de los dispositivos electrónicos, se considera ruido a todas las perturbaciones eléctricas que interfieren sobre las señales transmitidas o procesadas

1. RUIDO

En comunicación, se denomina ruido a toda señal no deseada que se mezcla con la señal útil que se quiere transmitir. Es el resultado de diversos tipos de perturbaciones que tiende a enmascarar la información cuando se presenta en la banda de frecuencias del espectro de la señal, es decir, dentro de su ancho de banda. El ruido son variaciones indeseables y generalmente aleatorias que interfieren con la señal deseada y si son muy grandes impiden las comunicaciones.

2. Se puede dividir en:

Ruido INTERNO: se origina dentro del equipo de comunicaciones

Ruido EXTERNO: Es una propiedad del canal.

Respecto del RUIDO INTERNO, todo equipo electrónico genera ruido. Tanto los componentes activos como los componentes pasivos, varios tipos de ruido se vuelven importantes, abordaremos algunos de ellos:

• Ruido Térmico:

Se produce por el movimiento aleatorio de los electrones en un conductor debido al calor.

Se presenta en todos los conductores. La densidad de potencia de este ruido es constante con la variación de la frecuencia, también se le conoce como ruido blanco.

Este ruido esta asociado con el movimiento browniano de electrones dentro de un conductor."Cuando una resistencia de valor R es sometida a una temperatura, el movimiento aleatorio de los electrones produce un voltaje de ruido entre un par de terminales abiertos".

Este voltaje tiene una distribución gaussiana con media cero y varianza dada por:

Otra manera mas clara y rápida de definir el ruido térmico, es utilizar la potencia disponible, la cual se puede determinar aplicando el concepto de máxima transferencia de potencia; la máxima potencia es entregada

cuando la impedancia de la carga es el complejo conjugado de la impedancia de la fuente.

Aplicando este teorema al circuito se tiene:

Indica que la máxima densidad de potencia entregada a una carga adaptada, sin tener en cuenta su valor es de: 1/2 KT.

El ruido térmico puede claramente ser reducido enfriando la fuente de ruido y este mismo principio se esta aplicando en algunos receptores de radio utilizando enfriadores criogenicos, para mejorar la sensibilidad del receptor.

Esta ecuación se apoya en el hecho de que la transferencia de potencia es máxima, es decir todo esta acoplado correctamente.

Con frecuencia interesa más el voltaje de ruido que la potencia. Por tanto para un circuito resistivo la potencia es:

Si hablamos de la potencia de Ruido entonces podemos escribir:

R

VP

2

=

kTBRVL =

Que sería el voltaje en el resistor de carga.

Un voltaje igual aparece en el resistor de la fuente, por tanto el voltaje total de cuido sería el doble.

• Ruido de impulso o disparo (SHOT NOISE):

Tiene un espectro similar al del ruido térmico, ya que tiene la misma energía en todos los Hz del ancho de banda. Sin embargo lo mecanismos que los generan son diferentes. Este se debe variaciones aleatorias en flujos de corriente en dispositivos activos. El nombre describe la llegada aleatoria de los electrones al ánodo de un tubo de de vacío como proyectiles individuales disparados desde una escopeta.

Este tipo de ruido se representa mediante una fuente de corriente, determinada por:

IN Valor rms de la corriente de ruido en Ampers

q Magnitud de la carga de un electrón (1.6x10-19 C)

I0 Corriente de polarización de DC en el dispositivo

B Ancho de banda en el cual se observa el ruido en Hz.

Además existen otros ruidos como:

o Ruido de partición

o Ruido de centelleo o exceso

o Ruido del tiempo de transito, etc.

También importantes pero muy específicos de cada sistema de comunicación usado.

Ruido Total. Para combinar los efectos de dos o más fuentes de ruido independientes se debe sumar el valor RMS de los voltajes o corrientes

3. Causas

kTBRkTBRVN 42 ==

BqIIN 02=

+++=

+++=23

22

21

23

22

21

NNNN

NNNN

VVVV

IIII

El ruido se debe a múltiples causas: a los componentes electrónicos (amplificadores), al ruido térmico de los resistores, a las interferencias de señales externas, etc. Es imposible eliminar totalmente el ruido, ya que los componentes electrónicos no son perfectos. Sin embargo, es posible limitar su valor de manera que la calidad de la comunicación resulte aceptable.

4. Tipos de ruidos

o Ruido de disparo

El ruido de disparo es un ruido electromagnético no correlacionado, también llamado ruido de transistor, producido por la llegada aleatoria de componentes portadores (electrones y huecos) en el elemento de salida de un dispositivo, como ser un diodo, un transistor (de efecto de campo o bipolar) o un tubo de vacío. El ruido de disparo está y expuesto a cualquier ruido presente, y se puede demostrar que es aditivo respecto al ruido térmico y a él mismo.

o Ruido de Johnson-Nyquist

También conocido como ruido termal es el ruido generado por el equilibrio de las fluctuaciones de la corriente eléctrica dentro de un conductor eléctrico, el cual tiene lugar bajo cualquier voltaje, debido al movimiento térmico aleatorio de los electrones.

o Ruido de parpadeo

Es una señal o proceso con una frecuencia de espectro que cae constantemente a altas frecuencias con un espectro rosa.

o Ruido a ráfagas

Este ruido consiste en unas sucesiones de escalones en transiciones entre dos o más niveles (no gaussianos), tan altos como varios cientos de milivoltios, en tiempos aleatorios e impredecibles.

o Ruido de tránsito

Está producido por la agitación a la que se encuentra sometida la corriente de electrones desde que entra hasta que sale del dispositivo, lo que produce una variación aleatoria irregular de la energía con respuesta plana.

o Ruido de intermodulación

Es la energía generada por las sumas y las diferencias creadas por la amplificación de dos o más frecuencias en un amplificador no lineal.

5. Relación Señal a Ruido:

El ruido en los sistemas digitales provoca que la señal no sea agradable a la vista o al oído, y en casos extremos, sea difícil de entender. En sistemas digitales, el ruido incrementa la tasa de error.

Sin embargo no es importante la cantidad de ruido por sí sola, en realidad la importancia la tiene la relación de la potencia de la señal respecto de la potencia del ruido. A esta relación se le conoce como SNR (signal noise relation) ó S/N.

Se expresa en dB y es una de las especificaciones más importantes de cualquier sistema de comunicaciones.

A pesar de la importancia de este parámetro, su medición es difícil, por lo tanto se trabaja también con variantes de esta señal que pueden ser:

Donde D significa distorsión.

Ambas cantidades son relaciones de potencia, por tanto también se acostumbran en dB.

6. Factor de ruido

El factor de ruido (F) de acuerdo al comité de estandarización de la IEEE es una figura de merito que permite cuantificar la degradación que sufre la señal al atravesar un sistema. Estrictamente el factor de ruido de un elemento de dos puertos es la relación entre la potencia de ruido de salida por unidad de ancho de banda y la porción de ese ruido causado por la fuente conectada en el puerto de entrada el elemento, medido a una temperatura ambiente 298 grados kelvin.

La magnitud del ruido generado por un dispositivo electrónico, por ejemplo un amplificador, se puede expresar mediante el denominado factor de ruido (F), que es el resultado de dividir la relación señal/ruido en la entrada (S/R)ent por la relación señal/ruido en la salida (S/R)sal, cuando los valores de señal y ruido se expresan en números simples:

En resumen es una magnitud que mide la contribución a los niveles de ruido que realiza un amplificador o sistema de medida. Se define como la relación a

N

s

N

s

V

V

P

PdB

N

Slog20log10)( ==

DN

DNSSINAD

dBN

NS

+++=

+)(

dimensional mostrada en la ecuación anterior, donde (S/R)ent es la razón entre la potencia de señal y la potencia de ruido a la entrada del amplificador y (S/R)sal es la razón entre la potencia de señal y la potencia de ruido a la salida del amplificador.

Si Ap = So/Si es la ganancia de potencia del amplificador, una expresión alternativa para el factor de ruido F es:

Frecuentemente, el factor de ruido se expresa en dB, y en ese caso se suele denominar figura de ruido (NF).

Cuando el factor de ruido se calcula utilizando una anchura de banda muy estrecha alrededor de una frecuencia, se denomina factor de ruido para una frecuencia.Sin embargo, como los valores de relación señal/ruido suelen expresarse en forma logarítmica, normalmente en decibelios, el ruido generado por los equipos depende del cuidado de su diseño.

Para calcular el factor de ruido equivalente de una serie de dispositivos en cascada, se usa la Fórmula de Friis

.

Donde Fn es el factor de ruido del enésimo componente y Gn su ganancia.

7. Mezclado no lineal

Es un circuito no lineal que combina dos señales de tal manera que produce a la salida la suma y la diferencia de las dos frecuencias de entrada. Algunas veces están presentes las frecuencias de entrada y alguna otra frecuencia. A menudo se confunde con la suma lineal de las señales, en la cual a la salida están presentes solo las frecuencias de entrada.

La mezcla se realiza generalmente con un dispositivo no lineal, ya que estos producen a su salida una señal que se pude representar mediante una serie de potencias, generándose así las diferentes armónicas.

Existen diferentes tipos de mezcladores:

o De ley cuadrada (Square-Law) De diodo

o De transistor Balanceado

El mezclado no lineal ocurre cuando dos o mas señales se combinan en un dispositivo no lineal tal como un diodo o amplificador de señal grande. Con el mezclado no lineal, las señales de entrada se combinan de una manera no lineal y producen componentes de frecuencias adicionales.

Desventajas

Como un medio para transmitir información, la modulación de amplitud tiene muchas ventajas; sin embargo, también presenta algunas desventajas que, en ciertas condiciones, limitan su utilidad y obligan a buscar otras formas de modulación. La desventaja principal de la modulación de amplitud estriba en que la afectan fácilmente diversos fenómenos atmosféricos (estática), señales electrónicas con frecuencias parecidas y las interferencias ocasionadas por los aparatos eléctricos tales como motores y generadores.

Todos estos ruidos tienden a modular en amplitud la portadora, del mismo modo que lo hace su propia señal moduladora. Por lo tanto se convierten en parte de la señal modulada y subsisten en ella durante todo el proceso de demodulación. Después de la demodulación se manifiestan como ruido o distorsión, que si es bastante fuerte, puede sobreponerse a toda la información y hacer completamente inaprovechable la señal demodulada. Aun si aquellos no son tan acentuados como para tapar parte de la información, sí pueden ser extremadamente molestos.

8. Armónico

Es una componente sinodal de forma periódica de valor determinado que tiene una frecuencia que es un múltiplo de la frecuencia fundamental

9. Distorsiones armónicas

Son deformaciones de la onda sinusoidal. Se causan distorsiones armónicas en líneas de corriente alterna al conectar a estas cargas "no lineales", es decir, cargas cuyo consumo de corriente no es sinusoidal. Ejemplos de cargas no lineales son las computadoras, copiadoras, maquinas de fax, motores de velocidad variable y en general todo equipo que posea una fuente de poder interna. Sin embargo, últimamente se han desarrollado fuentes de poder muy especiales que se presentan al sistema eléctrico como cargas lineales. Estas se denominan fuentes con Corrector de Factor de Potencia o sistemas con "Factor de Potencia Corregido".

Los armónicos se comportan como fuentes de intensidad dispuestas en paralelo y a diferente frecuencia donde la suma de las intensidades es la corriente que alimenta la carga (múltiplos enteros de la frecuencia fundamental).

La frecuencia fundamental es la única que produce potencia activa.

Los armónicos pares solo aparecen en corriente continua.

10.Tipos de armónicos:

En este estudio vamos a clasificar a los armónicos según sus características, a la manera en que se generan y a la manera en que estos perjudican a nuestro sistema.

11.Los tipos de armónicos son:

Armónicos fundamentales: también llamados armónicos de secuencia directa, son aquellos en los que su campo lleva el mismo sentido que el campo que genera la frecuencia fundamental.

Segundos armónicos: también son llamados de secuencia inversa, son aquellos que se oponen al campo de la frecuencia fundamental y en las maquinas rotatorias hacen el freno al oponerse al giro de las maquinas producto de la señal fundamental, estos provocan el calentamiento de las maquinas, aunque en algunos casos se aprovechan sus características para frenar motores al inyectar una pequeña señal de corriente directa a la maquina.

Terceros armónicos: también llamados de secuencia homopolar, son aquellos que circulan únicamente por el neutro (donde se suman).

12.Ruido de intermodulación

El ruido de intermodulación se produce al operar en modo no lineal. Lo que ocurre es que la potencia de salida del transpondedor se reparte no sólo entre las portadoras, sino también entre los productos de intermodulación.

Este fenómeno es especialmente importante cuando se trabaja cerca de la zona de saturación (IBO=0 dB)

Existen curvas que dan la relación portadora-densidad espectral de ruido de intermodulación a la entrada del receptor de la estación terrena como función del IBO total del amplificador del transpondedor, asumiendo n portadoras de igual potencia. Estas curvas pueden ser aproximadas por la siguiente fórmula:

Las curvas tienen, de forma aproximada, la siguiente forma:

Conclusiones

El ruido es un fenómeno universal que tiene una multiplicidad de orígenes desde fuentes acústicas (maquinas, vehículos, parlantes) hasta fuentes eléctricas (líneas de potencia, motores). También puede ser un origen óptico, térmico, magnético, etc. Sea cual sea este ultimo, el término ruido se aplica, en general, para referirse a cualquier cosa indeseable que opaca una señal legitima y que no esta directamente relacionada con ella (en cuyo caso se trataría de una distorsión). De hecho, el ruido puede ser, por sí mismo, otra señal, como la distinta forma de interferencia que se producen en los circuitos electrónicos.

El ruido se origina predominantemente en el interior del propio enlace de comunicaciones y usualmente es de naturaleza totalmente aleatoria, lo que hace que sea muy difícil de tratar

Existiendo un propósito para la comunicación y una respuesta por producirse, el comunicador desea que su comunicación tenga alta fidelidad. La palabra fidelidad es empleada aquí en el sentido de que el comunicador ha de lograr lo que desea, de allí su importancia. La eliminación de ruido aumenta la fidelidad y por lo tanto la efectividad, la efectividad de la comunicación dependerá de la medida en que se pueda aislar el ruido