Reporte Ruido

Ruido Universidad de Colima Reporte Pinto Apolinar Diana Elena 10 Septiembre 2017 Omar Álvarez Cárdenas

Reporte individual sobre el tema de Ruido Introducción En principio, puede definirse como ruido a cualquier señal indeseable en un sistema de telecomunicaciones. Sin embargo, tal definición resultaría ambigua, ya que permite interpretar como ruido a fenómenos tales como intermodulación, interferencias, etc. que, en gran medida son controlables mediante un diseño adecuado del sistema y los circuitos que lo conforman.

Fig 1.1 El ruido representado en una señal digital.

Sin embargo, existen diferentes tipos de ruido.

Fig. 1.2 Ruidos.

El ruido también puede caracterizarse en el dominio de la frecuencia, gracias a su correspondiente densidad espectral, sea de potencia Wp (Dada en vatios por hertzio: w/Hz), de tension Wv (en voltios al cuadrado por hertzio: V2/Hz), o de corriente Wi (en amperios al cuadrado por hertzio: A2/Hz). De acuerdo con la evolución de dicha densidad espectral en función espectral, se habla de ruido blanco (nivel constante en la banda de frecuencias considerada), ruido rosa (nivel decreciente con la frecuencia) o ruido azul (nivel creciente con la frecuencia). De manera adicional un mismo ruido puede ser de un tipo en una banda de frecuencias y cambiar en otra, u otras. Es por ello que para el diseño de los equipos electrónicos se deban garantizar valores elevados de la relación señal/ruido, mostrada mas adelante, de modo que en todo momento (y para no importa qué punto del recorrido de la señal) sea posible discriminar a una de otra sin dificultad.

Fig. 1.2 Tipos de ruido

El ruido electrónico presenta 2 formas de ruido, el correlacionado el cual es denominado de esta manera porque tiene relación directa con la señal, es producido por amplificaciones no lineales de la señal, este incluye armónicos y distorsión de intermodulación. La segunda forma es el ruido no correlacionado está presente sin importar si hay una señal o no, este se produce en los medios de transmisión, circuitos, amplificadores, etc.

Ruido externo o interferencias Es el ruido producido por el medio de transmisión, es decir corresponde al que se genera en un punto del sistema como consecuencia de acoplamiento eléctrico o

magnético con otro punto del propio sistema, o con otros sistemas naturales (tormentas, etc.) o construidos por el hombre (motores, equipos, etc.). El ruido de interferencia puede ser periódico, intermitente, o aleatorio. Normalmente se reduce, minimizando el acoplo eléctrico o electromagnético, bien a través de blindajes, o bien, con la re-orientación adecuada de los diferentes componentes y conexiones. Donde se encuentran:

Ruido artificial Ruido atmosférico es producido por la estática que se encuentra dentro de la atmósfera terrestre, la cual está cargada de estática que se manifiesta habitualmente en forma de relámpagos, centellas, rayos, etc. La respuesta de estos ruidos no es plana, sino creciente desde frecuencias bajas hasta los 20 MHZ y decreciente de allí en adelante, con valores arriba de los 30 MHz.

Ruido espacial

Ruido interno o inherente Presente en los equipos electrónicos son producidos únicamente por el receptor debido a las primeras etapas de amplificación, ya que en estas el valor de la señal recibida es bajo y cualquier ruido producido posee un valor comparativo con respecto de la señal recibida.En otras palabras es la interferencia eléctrica generada dentro un dispositivo de naturaleza aleatoria. Dentro del que podemos encontrar:

Ruido térmico este ruido esta asociado con el movimiento browniano de electrones dentro de un conductor. John Jhonson y Henrry Nyquist se dedicaron al estudio sobre los resistores metálicos y llegaron a la siguiente conclusión: "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 compejo conjugado de la impedancia de la fuente. potencia_2.png

aplicando este teorema al circuito se tiene:

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. Este ruido esta asociado con el movimiento browniano de electrones dentro de un conductor. John Jhonson y Henrry Nyquist se dedicaron al estudio sobre los resistores metálicos.

Ruido de Granalla o Disparo ("shot noise") o de efecto Shottky: Este ruido esta causado por la llegada aleatoria de portadores en el elemento de salida de un dispositivo electronico. Fue observado por primera vez en la corriente del anodo de los amplificadores de tubo de vacio y fue descrito por W. Schottky en 1981, tambien es conocido como ruido del transistor.

Ruido de tiempo de tránsito: Cualquier modificación a una corriente de portadores conforme pasa desde la entrada hasta la salida de un dispositivo (tal como el emisor al colector de un transistor). Produce una variacion aleatoria irregular calificada como ruido de transito.

Ruido Blanco (térmico, gaussiano): Es una señal no deseada que posee todas las frecuencias audibles e interviene con la señal transmitida generada por dispositivos electrónicos. Este tipo de ruido se genera debido a la agitación térmica de los electrones en la línea de transmisión, o a la inducción de líneas eléctricas adyacentes, modificando así la diferencia de potencial eléctrico (voltaje),

por lo general este tipo de ruido no causa grandes problemas a menos que su nivel sea elevado.

Otros Tipos de ruido que se pueden encontrar son :

Ruido de parpadeo ("flicker noise") o 1/f: Llamado así porque su densidad espectral crece, por debajo de kilo-hertz, al disminuir la frecuencia. También es llamado ruido en exceso o ruido de semiconductor, habiéndose atribuido diferentes orígenes, entre ellos los procesos aleatorios de generación-recombinación térmica de pares electrón-hueco, dicho en otras palabras es una señal con una frecuencia de espectro que cae, proporcional a la magnitud de la señal, es más importante a bajas frecuencias y para anchos de banda pequeños 1/f es aproximadamente constante.

Ruido de avalancha o Ionización: Se produce cuando campos eléctricos intensos arrancan electrones de los enlaces covalentes de un material por ionización directa o por choques de otros portadores de carga grandemente acelerados.

Ruido de transición: Causado por los desfases que aparecen entre las tensiones y las corrientes en el interior de los dispositivos debidos al tiempo que los portadores de carga tardan en atravesarlos, desfases que se incrementan con el aumento de la frecuencia, lo que provoca una disminución de la impedancia de entrada del dispositivo, un incremento de la realimentación positiva del ruido y en definitiva una potencia adicional de ruido que depende cuadráticamente de la frecuencia y que se hace rápidamente dominante sobre los demás tipos de ruido.

Ruido de impulsos o agujas: Es el principal causante de errores en la comunicación de datos, se reconoce por un “click” durante las comunicaciones de voz. Este provoca un error en ráfaga donde el impulso puede variar de 1 o 2 bits a decenas o centenas de estos dependiendo del índice de transferencia de información. La principal fuente de este ruido es la variación de voltajes en líneas adyacentes, falsos contactos, entre otros.

Ruido de amplitud: Este tipo de ruido comprende un cambio repentino en los niveles de potencia, causado principalmente por amplificadores defectuosos, contactos sucios con resistencias variables o por labores de mantenimiento.

Ruido de intermodulación: Este tipo de ruido se presenta por la intermodulación de dos tipos de líneas independientes, que pueden caer en un tipo de banda de frecuencias que difiere de ambas entradas, así mismo puede caer dentro de una banda de en una tercera señal, usualmente aparece cuando el sistema de transmisión es no lineal, lo que provocará la aparición de nuevas frecuencias. Las nuevas frecuencias se suman o restan con las originales dando lugar a componentes de frecuencias que antes no existían y que distorsionan la verdadera señal.

Ruido rosa: es una señal o un proceso con un espectro de frecuencias de tal manera que su densidad espectral de potencia es proporcional a su reciproco de frecuencia, su energía por frecuencia disminuye en 3 dB por octava, lo que hace que cada banda tenga la misma energía. se usa mucho en pruebas de mediciones acústicas.

Ruido en los canales telefónicos (diafonía o cruce aparente): Es ocasionada por las interferencias que producen otros pares de hilos telefónicos próximos (conocida como cruce de líneas o crosstalk). Es un fenómeno mediante el cual una señal que transita se induce en otro que discurre paralelo, perturbándolo.

Ruido en los canales telefónicos (eco): Es una señal de las mismas características que la original, pero atenuada y retardada respecto a ella. El efecto nocivo del eco afecta tanto a las conversaciones telefónicas como a la transmisión de datos y es mayor cuanto menos “atenuada” y mas “retardada” llega la señal del eco.

El ruido se puede abordar desde dos puntos de vista: Mediante métodos que tratan de reducir el ruido en sus fuentes y en su propagación, como son las técnicas de cableado, blindaje, o diseño de dispositivos de bajo ruido. Estas técnicas son las más óptimas ya que no degradan las prestaciones del sistema, aunque su aplicación no siempre es eficaz o posible. Mediante métodos de filtrado y promediado de la señal, para amortiguar el nivel de ruido frente a la señal que se procesa. Estas técnicas suelen ser de aplicación más general y efectiva, pero suelen reducir las prestaciones (por ejemplo, ancho de banda) del sistema

A continuación se muestran en el siguiente mapa conceptual un resumen de las fuentes de ruido eléctrico:

Ruido de enlaces satelital Realizando diferentes ejercicios se puede intuir que la potencia con la que una señal llega al punto de receptor es muy baja así se trate del enlace de subida o de bajada; esta potencia es del orden de los nanowatts o picowatts. En realidad aunque tales niveles de potencia son muy bajos, el problema quedaría resuelto simplemente amplificando las señales, hasta que alcancen los valores necesarios para se utilizables. Pero en la realidad esto no puede ocurrir ya que existe el ruido y esta presente en todos los sistemas de comunicación. Como se dice anteriormente el ruido es cualquier señal no deseada que tiene frecuencias o armónicas dentro de la misma banda útil de un sistema de comunicaciones lo que ocasiona un enmascaramiento de a la señal deseada debido a que sus potencias se superponen. Los ruidos están presentes desde la interferencia solar los cuales evidentemente pueden dañar un enlace cuando la señal deseada no es lo suficientemente más alta o más fuerte que el ruido. Conociendo esto podemos hablar de las comunicaciones satelitales las cuales deben garantizar que la proporción de potencias entre la señal deseada o portadora y el ruido sea mayor o igual que cierto valor del umbral, de tal manera que la señal recuperada sea útil. Cuando se habla de ente tipo de potencias se deben tener en cuenta el tipo de señal y su uso final (TV local, TV directa a hogares, telefonía, calidad de transmisión de datos, portadora modulada en FM etc.,); hablando de la principal fuente de ruido eléctrico en el equipo receptor y en los amplificadores que le sigan es el ruido debido al movimiento térmico aleatorio de los electrones en su interior. A dicho ruido aleatorio se le llama ruido térmico, además de esta importante fuente de ruido también están los elementos que producen perdidas en las antenas (guías de onda y conectores); dichos componentes atenuadores producen ruido térmico que se añade a ala señal tanto en el transmisor como en el receptor. Por otra parte las radiaciones provenientes desde el espacio exterior o desde la tierra en frecuencias similares a las de la señal deseada y recibidas por antenas de transmisión o de recepción según el caso también se comportan como ruido.