RUIDO ELÉCTRICO E INTERFERENCIAS

UNIVERSIDAD CENTRAL (Bogotá-Colombia)
Agosto 2011

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 distintas formas de interferencia que se producen en los circuitos electrónicos.

El ruido se origina predominantemente en el interior del propio enlaces de comunicaciones y usualmente es de naturaleza totalmente aleatoria, lo que hace que sea muy difícil de tratar.
Existe una deversidad de mecanismos por los que se genera el ruido, siendo las formas mas comunes:El ruido térmico, el ruido de granalla, el ruido de paralelo y el ruido atmosférico.

Idealmente, un elemento debe recibir la energía eléctrica de una fuente de CA que entrega un voltaje de salida senoidal de frecuencia apropiada y a su valor nominal sin alteraciones o deformación. Prácticamente, la energía eléctrica típicamente encontrada en los sistemas de distribución de potencia de bajo voltaje (abajo de 600 V) de edificios industriales y comerciales tiene probabilidades amplias de contener algunas de las siguientes características:

  • Variaciones suaves de Voltaje
  • Fluctuaciones repentinas de Voltaje
  • Interrupciones Momentáneas
  • Interrupciones Sostenidas
  • Desviaciones de Frecuencia
  • Desbalanceo de Fases
  • Distorsión Armónica
  • Señales de alta o baja Frecuencia inyectadas intencionalmente
  • Ruido Eléctrico.


De lo mencionado anteriormente, el ruido eléctrico es el problema extendido de manera amplia y es por ello que lo examinaremos en detalle en esta sección.

Se les conoce con el nombre de ruido a todas aquellas señales anómalas o perturbaciones en un sistema de transmisión que provocan que la información no llegue con claridad o se distorsione. Este tipo de señales que no contienen información están compuestas por una mezcla aleatoria de longitudes de onda. En sistemas de comunicación de le asigna el termino ruido a la falta de información en una señal.

En general el ruido electrico se define como cualquier energia electrica no deseada presente en la pasa-banda util de un circuito de comunicaciones o en términos físicos como toda fluctuación aleatoria de una magnitud eléctrica, (ya sea corriente,tensión, etc), que tienda a enmascarar la señal de interés.
Otra manera de definir al RUIDO es como "señales eléctricas indeseables que penetran en los equipos, o perturbaciones naturales que degradan el rendimiento de una linea de comunicación".
En la comunicación de datos, los errores que son causados por ruidos se manifiestan como bits adicionales o faltantes.
Se le considera ruido a las distorsiones presentes en conversaciones telefónicas, en la radio y en la televisión.

Para que algo perturbe a una señal debe tener:
1. una energía indeseada de la misma naturaleza que la señal perturbada.
2. se debe encontrarse presente en la misma banda que la señal.

Para evitar la presencia del ruido en la comunicación es habitual introducir cierta proporción de redundancia en la codificación del mensaje. La redundancia es la parte del mensaje que podría omitirse sin que se produzca pérdida de información.
Cualquier sistema de comunicación introduce algún grado de redundancia, para asegurar que no hay pérdida de información esencial,es decir, para asegurar la perfecta recepción del mensaje.

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NATURALEZA Y CAUSA DE LAS INTERFERENCIAS

Con lo que se ha dicho hasta el momento puede pensarse entonces que puede admitirse como ruido cualquier señal indeseada que perturbe la señal de interés, sin embargo, en casos como ese, se habla de interferencias y de señales interferentes y no de ruido.

Por interferencias se entiende cualquier tipo de influencias físicas que contamine las señales o que reduzca la capacidad o prestaciones del sistema.
Las interferencias pueden proceder del propio sistema, de equipos externos o del entorno ambiental.
Las interferencias eléctricas se pueden introducir por conducción, acoplo capacitativo, inducción magnética, o radiación electromagnética. Existen otras causas no eléctricas que también producen interferencias, como las vibraciones, la radiación térmica, etc...

Fuentes típicas de interferencia son:

  1. La red eléctrica de potencia, que en España es de 50 Hz, es la principal fuente de interferencia, ya que es omnipresente y que por ella fluyen altos niveles de intensidades.
  2. Las variaciones de la temperatura, y los gradientes de temperaturas en los sistemas electrónicos tienen una gran influencia sobre todos los dispositivos semiconductores.
  3. Los golpes y vibraciones mecánicas generan fallos y micro-interrupciones en las conexiones y soldaduras deficientes.
  4. Los motores de explosión, generan una señal disruptiva de alta potencia y con un espectro frecuencial muy amplio en el rango entre 30 y 300 MHz.
  5. Los sistemas digitales se alimentan mediante intensidades que cambian de forma impulsiva durante los cambios de estado, a la frecuencia del reloj. Su magnitud y espectro frecuencial es fuertemente dependiente de los tiempos de cambio entre estados.
  6. Los conmutadores de potencia generan impulsos de gran amplitud que son fuente de intensas interferencias. Los conmutadores electrónicos basados en tiristores, y dispositivos electrónicos de conmutación, que se utilizan en el control de motores y fuentes de potencia, son generadores de ruidos de amplio espectro, como consecuencia de la rapidez de sus cambios y del nivel de las intensidades que conmutan.
  7. La escobillas de los colectores de los motores eléctricos constituyen unos interruptores mecánicos que operan a gran velocidad, y que generan un ruido con espectro entre 1 y 10 KHz.
  8. Las descargas de arco que se producen en los sistemas de muy alta tensión, cuando están en mal estado, o cuando la atmósfera en la que operan es húmeda, proporciona un espectro blanco de gran amplitud.
  9. En las lámparas de descarga, como los tubos fluorescentes o de neón, generan un ruido de interferencia con espectro relevante por encima de 1 MHz. En este caso, un elemento de filtro, como puede ser una inducción que trate de mantener constante la corriente, lo reduce drásticamente.
  10. Otras fuentes de interferencias habituales son los equipo que operan con espectros frecuenciales muy estrechos, como los generadores de RF magnetrones, equipos de soldadura y cualquier tipo de transmisor.

Las interferencias pueden eliminarse básicamente a través de las siguientes medidas:
  • Alejando y orientando de forma adecuada los equipos de las fuentes de interferencia, de forma que su captación se mínima.
  • Utilizando blindajes en los cables y cajas de aislamiento y protección sobre los equipos, para disminuir el acoplamiento entre estos y las fuentes de interferencia..
  • Utilizando amplificadores de aislamiento, que bloque la transmisión de las señales generadas por las interferencias.

DIVISION DEL RUIDO

Principalmente el ruido puede dividirse en dos categorias principales:

Correlacionada:Implica una relación entre señal ruido.El ruido Correlacionado es producido por amplificaciones no lineales e incluye armónicos y distorsión de intermodulación, que son dos formas de distorsión no lineal:


  • Distorsión armónica: Se define como la producción de armónicos de una señal originados por una mezcla no lineal. Los Armónicos son múltiplos enteros de la señal original de entrada, la señal original es la primer armónica y se conoce como la frecuencia fundamental.
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  • Distorsión de Intermodulación: se refiere a la generación indeseable de productos cruzados que son la suma o restas de frecuencias.

No correlacionado: Los ruidos correlacionados son independientes de la señal y existen en su ausencia o en su presencia. La señal es perturbada por ellos
y no los determina.
Dentro del ruido No Correlacionado se tiene el ruido externo, el cual se produce fuera del sistema que trata la señal, es decir, medios de comunicacion, circuitos,
amplificadores; 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. Las principales fuentes de ruido externo son los de tipo atmosférico, extraterrestre y los creados por el hombre. Tambien se tiene el ruido interno,
que es la interferencia electrica generada dentro de un diseño o circuito. Existen tres formas de generar ruido interno que son: Ruido de disparo, transito y térmico.

PROPIEDADES DEL RUIDO ELÉCTRICO

La presencia de ruido en un sistema electrónico es inevitable y puede provocar falsas respuestas en él, degradar su comportamiento o hacerlo ineficaz para llevar a cabo las tareas para las que fue diseñado. Una característica típica de la mayoría de los tipos de ruido es su naturaleza no determinista, o sea la imposibilidad de predecir su forma de onda de modo exacto: se puede medir el valor de pico, el valor medio, el valor eficaz, etc., de cada clase de ruido pero no es posible determinar con exactitud su valor instantáneo, es decir su forma de onda.
  • El ruido tiene la característica de ser aditivo, es decir que afecta directamente la señal transmitida asi:

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Imagen2.png
; donde *GT= ganancia total del sistema de comunicación; y *NF= Relación ruido expresada en dB
  • Generalmente el ruido es una señal muy pequeña (µV), pero se convierte en problema debido a que el receptor es un equipo amplificador de la señal que recibe, amplificando a su vez el ruido.
  • Algunos voltajes y/o corrientes no deseados en el receptor en muchos casos son considerados ruido.
  • El ruido se le representa como un vector que se suma a una señal con cualquier fase, lo que genera que la señal portadora resultante tenga amplitud y fase variable.
  • Generalmente, el proceso del ruido se considera “aditivo blanco gaussiano” (AWGN): *Blanco: espectro de frecuencia plano *Gaussiano: distribución del ruido.

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.

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.

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De igual manera el ruido no correlacionado se subdivide en ruido externo e interno; el externo es generado fuera de un sistema de comunicación y se introduce en él, se considera como tal, sólo si sus frecuencias caen dentro de la banda útil del sistema de comunicación. El interno es la interferencia eléctrica generada dentro de un dispositivo electrónico, este se genera tanto en los componentes pasivos como en los componentes activos.

TIPOS DE RUIDO

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:

resistencia_1.png
  • 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:resistencia_1.png

    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:


potencia_3.png

Indica que la maxima 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.


EJEMPLO:
Un receptor de radio tiene limitado su comportamiento por el ruido térmico en la"sección de entrada" del receptor. Esta diseñado para
proporcionar una relación S/N mejor de 10 dB a la entrada del demoludador. El ancho de banda del canal para el receptor es de 25Khz
cual es el mínimo nivel de señal recibido que puede utilizarse para conseguir este objetivo de comportamiento, suponiendo que el
receptor esta trabajando a una temperatura de 280°K?

SOLUCIÓN:
La potencia media del ruido térmico para este caso viene dada por:
eje_1.png

0-130 dB (dB relativos a 1mW)

para conseguir una relacion S/N de 10 dB, la potencia de la señal recibida puede, por consiguiente superar (-130+10)=-120dB
  • 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.

Ejemplo de Ruido Blanco

RUIDO_BLANCO.JPG
Figura 1. Representación en el tiempo del ruido blanco gaussiano.

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.
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  • 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:FuentesDeRuidoElectrico.jpg

RUIDO EN UN ENLACE 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; cuando llueve la señal también es atenuada lo que significa que la lluvia se comporta como ruido térmico todos estos tipos de ruido como se puede ver en la tabla 1 pueden ser calculados o estimados.


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TABLA 1
RUIDO TERMICO
La potencia N del ruido producido por una fuente de ruido termino puede ser calculada con la siguiente formula
N = k T B
En donde k es la constante de Boltzmann, T es una temperatura de ruido equivalente y B es el ancho de banda del ruido.



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Puntos de referencia para evaluar el ruido térmico de un enlace en RF
La densidad de ruido es la potencia del ruido que hay en un ancho de banda unitario, es decir en un Hertz

este es un video donde se puede ver el ruido termico.
http://www.youtube.com/watch?v=gBmJytBUlD8





MODELO DEL RUIDO

CARACTERIZACIÓN DE LOS NIVELES DE RUIDO

Con independencia de que diseñe un blindaje apropiado o se optimice el diseño para reducir la fuente que genera el ruido, siempre hay un cierto nivel de ruido intrínseco en el circuito. Por ello, es importante disponer de técnicas de valoración del nivel de ruido, así como métodos para determinar sus componentes, ya hayan sido generadas en los elementos del sistema o hayan sido introducidas por el propio sistema de medida. Según sea la naturaleza del ruido que exista, se deben utilizar diferentes criterios de medida:

  • En el caso de que se trate de ruido blanco, la distribución de valores es de tipo gaussiana, y la magnitud mas adecuada para medir su intensidad es el valor cuadrático medio (valor rms) ya sea naturaleza física una tensión, una intensidad o potencia




Si en(t) (o in(t)) es la forma de onda de una tensión (o intensidad) correspondiente a una señal de ruido, el valor cuadrático medio (rms) En (o In)del ruido, se define como:

ECUACION_1.jpg
siendo T una ventana de medida adecuada.El cuadrado del valor rms de una tensión En2 o intensidad In2 representa la potencia media disipada por el ruido sobre una resistencia de 1 Ω.

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  • En el caso de ruidos de tipo impulsivo (como el que se produce en sistemas digitales, o el que induce el circuito de ignición de un motor de explosión) su valor o potencia media no describe su nivel, y es mucho más adecuado utilizar valores pico a pico, que permiten predecir si el ruido puede producir un fallo por superar los umbrales lógicos


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MEDIDA Y OBSERVACIÓN DEL RUIDO
Los instrumentos habituales para medir las características de una señal y en particular su ruido son el osciloscopio y el voltímetro.


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  • Cuando se utiliza el osciloscopio, se suele medir el valor de pico de la señal de ruido, esto es, la cota máxima y mínima que en su variación aleatoria alcanza. El valor rms de ruido que se considera es la sexta parte del valor de pico:


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  • Cuando se utiliza un voltímetro (rms) el valor que mide, corresponde directamente con el valor rms del ruido.
  • Cuando el voltímetro mide el valor medio del valor absoluto, la medida debe ser multiplicada por el factor 1.13,


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EFECTOS DEL RUIDO
El ruido en un canal de comunicación es aditivo lo que representa que habra una variación en la señal transmitida en su amplitud lo que proporciona un error, esto podria evitarse al limitar la amplitud, pero dado que el ruido es una señal aleatoria su amplitud y su fase también son aleatorias. El ruido se representa como un vector que se suma a la señal en cualquier fase dando como resultado la portadora con una amplitud y una fase variable, lo que dificulta la transmisión de la información dado que esta se transmite en la fase, en la amplitud y en la frecuencia de la portadora.
Principal fuente de ruido
Todos sabemos que la principal fuente de ruido es el sol debido a que mayor temperatura menor es la conductividad. Pero que es conductividad. Es la falicidad de las cargas sobre un elemento, y se expresa como:
Conductores= Conductividad >>> 1
Aislantes= Conductividad<<< 1

Modelamiento del ruidoEn todo sistema de comunicación, una vez que se transmite la señal modulada e ingresa al canal, este distorsiona dicha señal mediante la adicion de una perturbacion; para poder modular un canal que presenta ruido se formulan dos modelos:


  • Modelo de canal: el cual supone una banda base que no distorsiona pero solo perturba una señal aleatoria denominada ruido blaco gaussiano aditivo.
  • Modelo de receptor: supone un receptor que esta compuesto por un filtro pasabanda el cual minimiza el efecto del ruido de canal, seguido a este un demodulador.

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Relación señal / ruido (S/N)
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Se denomina relación señal - ruido al flujo del ruido por la señal esto se denota en decibelios (dB), existe algo llamado distorsión esto depende de su potencia, de la distribucion espectrar respecto al ancho de banda y la naturaleza de la señal.
La relación señal a ruido sirve para medir el desempeño de un sistema frente al ruido, midiendo a la salida del receptor cuando se capta una señal de entrada corrompida por el ruido.
La potencia S de la señal desempeña un papel dual en la transmisión de información. Primero, S esta relacionada con la calidad de la transmisión. Al incrementarse S, se reduce el efecto del ruido de canal, y la información se recibe con mayor exactitud, o con menos incertidumbre. Una mayor relación de señal a ruido S/N permite también la transmisión a través de una distancia mayor. En cualquier caso, una cierta S/N mínima es necesaria para la comunicación.
Para comparar diferentes sistemas de modulación, se normaliza el desempeño del receptor utilizando la siguiente relación:
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Expresión 1. Figura de Merito
Un valor alto de Figura de Merito o también llamado relación ruido (NR), implica un mejor desempeño del receptor frente al ruido, este valor puede ser 1, <1 o >1. Lo ideal es que esta relación tenga un valor de 1, lo que indica que la señal que sale es la misma que la que llega. osea no hay degradación de la señal en la transmisión.
Los efectos del ruido y la distorsión en señales analógicas, una vez presentes es muy difícil eliminarlos. Además, los efectos de estas anomalías son acumulativos. El ruido se agrega en el transmisor, en el canal y en el receptor. Si en el sistema de comunicación hay varios recorridos por los amplificadores y canales, como en un sistema telefónico de larga distancia, la relación señal a ruido disminuye poco a poco al aumentar la distancia desde la fuente.
Por otro lado, el ruido es aleatorio, un pulso de ruido puede tener cualquier amplitud, entre otras una que causa una transición al nivel equivocado. De manera similar, la distorsión extrema de los pulsos puede causar errores. Estos problemas se demuestran en la siguiente figura:

señal_ruido.JPG
Figura 2. Señal como se transmite y con ruido y distorsión.
Los errores nunca se eliminan por completo, pero con una buena elección de parámetros como niveles de señales y tasas de transferencia de bits, es posible reducir la probabilidad de errores a un valor muy pequeño. Incluso hay técnicas para detectar y corregir algunos de los errores.
Además de conocer el concepto en la relacion señal a ruido se debe destacar su importancia en uno de los conceptos fundamentales de las comunicaciones enmarcado en el denominado teorema de Shannon-Hartley, que demuestra la capacidad máxima de un medio de transmisión, en otras palabras la cantidad de datos digitales que se transmiten sin error, osea información.
El teorema se representa por:
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Donde,

C = Capacidad máxima del canal (bps).
B = Ancho de banda del canal.
S = Potencia de la señal.
N = Potencia del ruido presente en el canal.

En resumen la razón señal-ruido puede reducirse de tres formas:
  • Reduciendo el nivel de ruido.
  • Incrementando el nivel de señal.
  • Reduciendo la anchura de banda del ruido

Figura de ruidoEste parámetro relaciona cuanto ruido adicional a inyectado un elemento activo a la señal de entrada.
figura_de_ruido.jpg
Si los SNR de entrada y salida son iguales, la figura de ruido es 10log(1) = 0dB; pero dicho valor es casi imposible de obtener en la practica, puesto que normalmente el amplificador inserta ruido adicional haciendo que el SNR de salida disminuya.
Al ruido se le debe destacar su importancia en uno de los conceptos fundamentales de las comunicaciones enmarcado en el denominado teorema de Shannon-Hartley que demuestra la capacidad máxima en bits por segundo de un medio de transmisión, en otras palabras la cantidad de datos digitales que se transmiten sin error, es decir información.

Figura de ruido ( ruido de ruido de Johnson)
El ruido de Johnson–Nyquist (ruido térmico, ruido de Johnson, o ruido de Nyquist) se genera por la agitación térmica de los portadores de carga (generalmente electrones dentro de un conductor) en equilibrio, lo que sucede con independencia del voltaje aplicado.
El ruido térmico es aproximadamente blanco, lo que significa que su densidad espectral de potencia es casi plana. Además, la amplitud de la señal sigue una distribución gaussiana

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densidad espectral de potencia

Se define la figura de ruido (noise figure) como
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donde k es la constante de Boltzmann en julios por kelvin, T es la temperatura de la resistencia en kelvin, y R su valor en Ohmios (Ω),Vs densidad espectral de potencia

La figura de ruido es una medida que tan optimizado esta el sistema para bajo ruido. El ruido de Johnson sólo se puede bajar enfriando el circuito o bajando las resistencias, cosas que no son ni obvias ni inmediatas. Pero con otras técnicas como mejorar la calidad de las resitencias, transistores, aumentar las corrientes de polarización,se pueden bajar los otros tipos de ruido a niveles más bajos.
La figura de ruido se puede midir en dB y es mejor cuanto más baja sea (así el sistema no estará aportando otros tipos de de ruido). Es una medida relativa, y debe prestarse atención a si el circuito está optimizado para tener un bajo ruido de Johnson, en un sistema donde se amplifica una señal con impedancia de salida Rs=1MOhm no es dificil que NF sea de 1dB o menos, en cambio cuando Rs=2Ohm, es fácil que el ruido dominante no sea el ruido de Johnson.
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Factor de ruido

El factor de ruido (F) de acuerdo al comite de estandarizacion de la IEEE es una figura de merito que permite cuantificar la degradacion que sufre la señal al atravesar un sistema.Extrictamente el factor de ruido de un elemento de dos puertos es la relacion entre la potencia de ruido de salida por unidad de ancho de banda y la porcion 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:
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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 adimensional 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:
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Frecuentemente, el factor de ruido se expresa en dB, y en ese caso se suele denominar figura de ruido (NF).
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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.
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Donde Fn es el factor de ruido del enésimo componente y Gn su ganancia.

TECNICAS DE PROTECCION CONTRA EL RUIDO EN LAS TELECOMUNICACIONES

El tratamiento del ruido es un factor clave para el éxito comercial de cualquier producto electrónico.
En casi todas las áreas de medición, él limite máximo para la detección de señales débiles lo determina el ruido, es decir las señales indeseables que opacan las señales deseadas. Incluso si la señal que se esta midiendo no es débil, la presencia de ruido degrada de todas formas la exactitud y calidad de la medición.
El ruido es en muchos casos, el factor determinante del costo, el desempeño la eficiencia de todo sistema. Un ejemplo representativo lo constituyen los LNA (low noise amplifiers: Amplificadores de bajo ruido), utilizados en las etapas de entradas de receptores satelitales, teléfonos celulares y otros tipos de sistemas de comunicaciones inalámbricas, donde es vital obtener muy bajas frecuencias de ruido para garantizar una recepción óptima.

RUIDO EN LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

Los cables utilizados para transmitir señales digitales externas a un subsistema, están expuestos al ruido electromagnético externo provocado por los transitorios de las conmutaciones de los dispositivos de sistemas de control vecinos. También externo a un sub-sistema específico, otro subsistema puede tener un problema de tierra que inducirá ruido en el sistema, como se muestra en la siguiente figura.

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Las señales en los hilos adyacentes dentro de un cable pueden inducir ruido electromagnético en otros hilos del cable. El ruido electromagnético inducido es peor cuando una línea terminada al final del cable, está cerca de un "driver" en el mismo final, como se muestra en la figura mostrada a continuación.

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Se puede inducir algún ruido desde relés que tengan transitorios muy grandes comparados con las señales digitales en el mismo cable. Otra fuente de ruido inducido, es la corriente en el cable de tierra común o en los hilos de un cable.

Clases de Ruido.

En el diseño de sistemas electrónicos encontraremos una gran variedad de perturbaciones eléctricas y electrónicas causadas por lo que llamamos
genéricamente ruido. De hecho, existen muchas formas de ruido, tanto a escala microscópico como macroscópico. En la primera parte de esta serie de artículos,
sin embrago, nos referimos exclusivamente a los llamados ruidos de primer nivel o FLn (First-Level noise), los cuales tienen un origen físico y se manifiesta mediante
fluctuaciones electrónicas en metales, semiconductores y aislantes. Esta categoría incluye los siguientes tres mecanismos fundamentales de ruido, los cuales están
presentes en todo tipo de componentes electrónicos:
1. El ruido térmico (thermical noise) o Jhonson.
2. El ruido de disparo (shot noise).
3. El ruido 1/f o intermitente (flicker noise)


El ruido térmico o Johnson.
Cualquiera resistencia genera, por si misma, a través de sus terminales, un voltaje
con fluctuaciones aleatorias conocido como ruido térmico o Johnson. Este tipo de
ruido es causado en un conductor por el movimiento aleatorio de los portadores de
carga y se produce siempre a temperatura por encima del cero absoluto.

Típicamente el ancho de banda de una resistencia pura, es del orden de 10^12Hz,
que está muy lejos del margen normal de funcionamiento de la mayoría de circuitos electrónicos,
Por tanto, el ruido Johnson es un ejemplo de ruido blanco y cualquier resistencia es potencialmente una fuente de ruido blanco

Técnica :
Una de las tecnicas de proteccion contra el ruido es en la parte dediseño del circuito.
En el diseño de circuito de bajo ruido debe evitarse, en los posible, las resistencias e impedancias de muy alto valor, así como las altas temperaturas

La importancia del ruido Johnson radica en que fija un límite al valor mínimo que puede alcanzar el voltaje de ruido en cualquier detector, fuente de señal o
amplificador que tenga resistencia. En el caso de un amplificador, por ejemplo, la parte resistiva de la impedancia de la fuente de señal genera ruido Johnson, así
como también las resistencias de polarización y de cargas del mismo, y los alambres de conexión. Todos estos factores contribuyen a conformar la figura de
ruido (NF: noise figure) del sistema. El ruido Johnson se manifiesta principalmente en circuitos que trabajan con muy bajo nivel de señal, por ejemplo, los
preamplificadores de micrófonos utilizados en las etapas de entrada de muchos equipos de audio.

Ruido de disparo (shot noise)

El ruido Johnson se debe al movimiento térmico aleatorio de los electrones y no está afectado por la presencia de corriente. El ruido de disparo, por su parte, está
relacionado con la naturaleza no continua de la corriente eléctrica, formada por el flujo de cargas discretas. Esto causa fluctuaciones estadísticas de corriente.
Asumiendo que los portadores de carga actúan independientemente entre sí, como es el caso de las cargas que cruzan la barrera de potencial en un diodo
semiconductor.

Ruido 1/f o de Fluctuación (flicker noise)

El ruido de disparo y el ruido Johnson son formas irreducibles de ruido, generados de acuerdo a principios físicos. D este modo, la más costosa y sofisticada
resistencia de 10K tiene exactamente la misma cantidad de ruido de Johnson que la más barata resistencia de carbón del mismo valor. Adicionalmente, las
resistencias reales sufren fluctuaciones en su valor óhmico, lo cual genera un voltaje de ruido adicional que se agrega al siempre presente ruido Johnson. Este
ruido, conocido como ruido 1/f, de fluctuaciones, rosado (pink) o excedente, depende de muchos factores, principalmente las características en particular
(materiales, conexiones térmicas, etc.). Los siguientes son algunos valores rms típicos del voltaje de ruido 1/f para algunos tipos de resistencias comúnmente
utilizadas en los circuitos electrónicos.

• Resistencia de composición de carbón. Desde 0.10µV hasta 3.0µV
• Resistencia de película de carbón: desde 0.05µV hasta 0.3µV
• Resistencias de película metálica: desde 0.02µV hasta 0.2µV
• Resistencia de alambre devanado: desde 0.01µV hasta 0.2µ


El ruido de fluctuación es inversamente proporcional a la frecuencia, de donde deriva su designación como ruido 1/f, y tienen una densidad de potencia uniforme
por década. El mismo se manifiesta principalmente en conductores debido a efectos superficiales. Por ejemplo, los cambios de resistencia en la región de base
de un transistor causan cambios en la rata de combinación de los portadores minoritarios, lo cual produce un voltaje de ruido, adicional al voltaje de ruido
térmico normal.

Técnica :
Este tipo de ruido puede ser minimizado, e incluso eliminado, mediante la selección cuidadosa de componentes y encapsulados. Por ejemplo, al utilizar resistencias de película metálica en lugar de resistencias de carbón.

existe varias tecnicas para minimizar el ruido una de las mas relevantes a sido el diseño de amplificadores de bajo ruido muy usados en el mercado comercial hoy en dia para las diferentes aplicaciones electrónicas en telecomunicaciones.
Temperatura de Ruido de una Antena
A la antena se introduce ruido capturado a través del lóbulo principal y los secundarios de su patrón de radiación, con diferentes intensidades, desde diversas direcciones y de varias fuentes, la magnitud de este ruido es calculado en función de la temperatura de ruido de la antena, que es el ruido térmico irradiado por la superficie del suelo que es captado y transmitido por la antena, El ruido es proporcional a la temperatura y al ancho de banda de la antena para una cierta frecuencia. Una antena debe tener una temperatura de ruido pequeña; es decir, que debe captar la menor cantidad posible de ruido térmico por sus lóbulos menores, esta temperatura de ruido se reduce cuando el ángulo de elevación es grande, y es mínima cuando la antena apunta al cenit.
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En la siguiente grafica se puede observar la temperatura de ruido combinado, tomando la suma de ruido cósmico, galáctico y troposférico, en función de la frecuencia de recepción y del ángulo de elevación de la antena.
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CONSECUENCIAS DEL RUIDO EN EQUIPOS DE TELECOMUNICACIONES
algunas de las consecuencias que el ruido puede generar a los equipos y usuarios son por ejemplo
Señal de voz :en este el ruido es escuchado por la persona como una señal agena a la transmision original como zumbidos, chasquidos, señales extrañas entre otras que pueden hacer que el usuarioo no pueda llegar a tener una comunicacion deseada y a cambio de esta tenga una comunicacion entrecortada y poco entendible.
Transmision digital: en este el ruido puede ocasionar degeneracion en los pulsos electricos emitidos tal que el receptor no pueda ni tenga manera alguna de entenderlo y reconocerlo y pueda o llegue a interpretandolos de una manera erronea.

EJEMPLO CONSECUENCA DEL RUIDO:

  • una conversacion se lleva a cabo de manera tranquila


  • La conversacion se llevaba normalmente hasta que sono la alarma de descanso del colegio, ya que no se escuchaban y entendian cosas que no eran y no lo que realmente estaban hablando. esto mismo pasa con la transmision de señales electricas en los sistemas de telecomunicacion

Referencias Bibliográficas

1. Electrodinámica clásica. Jakson J. Davis.
2. Teoría electromagnética. Jr. Hyte.
3. UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA. El ruido Eléctrico.
4. DRAKE Moyano José María. Ruidos e Interferencias: Técnicas de reducción.
5. MAYNE Jordi. Sistemas de Comunicaciones
6. GURCHARN S. DANG. Contaminación Electromagnética
7. http://www.tecnologicocomfenalco.edu.co/iacademica/sistemas/Agoa/articulos/RuidoTelecomunicaciones.pdf
8. http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/hernandez_d_m/capitulo1.pdf
9.Comunicaciones por Satelite. RODOLFO NERI VELA.
10. Coimbra Edison. Ruido y Comunicaciones.Introducciòn a las comunicaciones Electrónicas.2010