1. DETERIORO DE LA TRANSMISIÓN
Contenido
1.- Introducción
2.- Atenuación.
3.- Distorsión.
4.- Ruido.
5.- Relación señal a ruido S/N.
Objetivo.- Al finalizar, el estudiante será capaz de describir las
principales fuentes de interferencia y de ruido que distorsionan la señal de
información y los métodos utilizados para contrarrestarlos.
Tema 4 de
INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES ELECTRÓNICAS
Última actualización:
12 de agosto de 2010
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Edison Coimbra G.
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2. 1.- Introducción
Las señales viajan a través de medios de transmisión, que no son perfectos. Las imperfecciones
pueden causar deterioros en las señales.
Esto significa que la señal al principio y al final del medio es distinta. Lo que se ha enviado no es
lo recibido.
Habitualmente ocurren 3
tipos de deterioro:
atenuación, distorsión y
ruido.
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3. 2.- Atenuación
La atenuación significa pérdida de energía. Cuando una señal viaja a través de un medio, pierde
algo de su energía para vencer la resistencia del medio.
Esta es la razón por la cual los cables que llevan señales eléctricas se calientan, si no arden,
después de un cierto tiempo. Parte de la energía eléctrica de la señal se convierte en calor.
Mecanismos de pérdidas
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Pérdida óhmica.
Principalmente cuando
aumenta la frecuencia por el
efecto Skin.
Pérdida por radiación. Las líneas
metálicas radian energía cuando
aumenta la frecuencia.
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Pérdida por fuga. El dieléctrico produce fugas
de corriente, principalmente cuando aumenta la
frecuencia.
Para compensar la pérdida de
energía, se usan amplificadores
para amplificar la señal.
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4. La historia de los Bel
Los primeros sistemas telefónicos usaban líneas abiertas (alambres de acero paralelos). Se
experimentó que al cabo de 10 millas, la potencia eléctrica se reducía a 1/10 (un décimo) de su valor
inicial.
Esta proporción de 10 a 1
entre la potencia de
entrada y de salida se
volvió una unidad de
medida: se llamó Bel, en
honor al inventor del
teléfono Alexander
Graham Bell.
Debido a que la proporción 10:1 es grande, se vió por conveniente dividirla en unidades más
pequeñas, es así que nació el decibel (dB).
El decibel (dB), por
tanto, relaciona las
potencias de una señal en
dos puntos distintos, a
través de la fórmula:
Observe que la Ganancia es
positiva si una señal se ha
amplificado y negativa si se
ha atenuado.
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G = ganancia del sistema. En dB.
P1 = potencia de entrada: En W.
P2 = potencia de salida. En W.
Una amplificación de 3 dB significa que la potencia en el punto 2
es el doble de la del punto 1.
Una atenuación de 3 dB (Ganancia de –3 dB) significa que la
potencia en el punto 2 es la mitad de la del punto 1
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5. Ejemplo 1. Atenuación
Imagine que la señal viaja a través de un medio de transmisión y que su potencia se reduce a la mitad.
Esto significa que P2 = (1/2) P1. Calcule la atenuación (pérdida de señal) en dB.
Respuesta: –3dB. Equivalente a perder la mitad de la potencia.
Ejemplo 2. Amplificación
Una señal pasa a través de un amplificador y su potencia se incrementa 10 veces. Esto significa que
P2 = 10 P1. Calcule la amplificación (ganancia) en dB.
Respuesta: 10 dB.
Ejemplo 3. Operaciones con dB
Una razón por la que los ingenieros usan los dB para medir cambios de potencia de una señal es que
los dB se pueden sumar o restar cuando se miden varios puntos. La Figura muestra una señal que
viaja una larga distancia desde el punto 1 al punto 4. Está atenuada al llegar al punto 2. Entre los
puntos 2 y 3, se amplifica. De nuevo, entre los puntos 3 y 4, se atenúa. Se pueden obtener los dB
resultantes para la señal sin más que sumar los dB medidos entre cada par de puntos.
Respuesta: –3+7–3=+1.
Antes que se inventara la
maquina de calcular, se usaban
los logaritmos para simplificar la
multiplicación y división; como
un proceso basado en potencias
de 10.
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6. Ejemplo 4. Pérdida de un cable
La pérdida en un cable se define habitualmente en dB/km. Si la señal al principio del cable tiene una
potencia de 2 mW, y el cable tiene una pérdida de 0,3 dB/km, calcule la potencia de la señal a los 5 km.
Respuesta: 1.4 mW.
Ejemplo 5. Amplificadores
Los amplificadores usados en electrónica son especificados en dB. Por ejemplo, un amplificador con
Ganancia de 20 dB, significa que éste amplificará la señal de entrada 100 veces. En cambio, uno de 30
dB amplificara 1.000 veces la señal de entrada
El dBm
El dB es una medida relativa, pero cuando es necesaria una medición absoluta de potencia, por
ejemplo en un punto de un circuito electrónico, se utiliza el dBm, es decir se toma como referencia
1 mW.
G = ganancia del sistema. En dBm.
P = potencia de la señal en cualquier punto. En W.
El término dBm se emplea, por lo general, cuando se trabaja con potencias entre 0 y 1 W. En este
caso es más fácil hablar en términos de mW o dBm.
Ejemplo 6. Nivel de dBm
La potencia de una señal es 1 W. Calcule su equivalente en
dBm. De igual manera para una potencia de 1mW.
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Respuesta: –30dBm.
Para 1 mW es 0dBm.
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7. Ejemplo 7. Nivel de dBm
Un amplificador de 20 dB se conecta a otro de 10 dB por medio de una línea de transmisión con una
pérdida de 4 dB. Si al sistema se le aplica una señal con un nivel de potencia de –12dBm, calcule el
nivel de la potencia de salida.
Respuesta: –12dBm+26 dB=14dBm.
Parecería que se están sumando cantidades diferentes, pero no es así. Ambas cantidades son logaritmos de
relaciones de potencia y, por tanto, son adimensionales. Los dB y dBm no son unidades como A o V: "dB"
indica la operación de que realizó un cociente, y la "m" sigue la pista de un nivel de referencia.
Facilidad de medida
La ventaja de usar dBm es que simplifica la medición de la potencia. Algunos instrumentos tienen
dos escalas para indicar el nivel de potencia.
La escala
superior, graduada
en mW mide 0.25mW.
La escala inferior,
graduada en dBm
mide –6dBm.
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8. Atenuación en líneas de transmisión
La gráfica muestra la atenuación de distintas
líneas en función de la frecuencia de
operación: par trenzado, cable coaxial y fibra
óptica.
Especificaciones para
enlaces punto a punto
La tabla indica las características típicas
de las líneas de transmisión más comunes
utilizadas en enlaces punto a punto de
larga distancia .
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9. 3.- Distorsión
La distorsión significa que la señal cambia su forma de onda. La distorsión ocurre en una señal
compuesta, formada por distintas frecuencias.
Cada señal componente tiene su propia velocidad de propagación a través del medio y, por
tanto, su propio retraso en la llegada al destino final. Las diferencias en los retrasos pueden crear
un desfase si el retraso no es exactamente el mismo que la duración del periodo.
En otras palabras, los componentes de la señal
en el receptor tienen fases distintas de las que
tenían en el emisor. La forma de la señal
compuesta es por tanto distinta.
Imagen distorsionada
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10. 4.- Ruido
El ruido se define como cualquier energía eléctrica no deseada que aparece en la
frecuencia de la señal deseada e interfiere con ella perturbando la comunicación.
Señal senoidal pura
Señal senoidal con ruido
Ruido térmico constante causado por el
movimiento aleatorio de electrones en un
cable o componente electrónico.
Ruido impulsivo causado por el
pico de energía alta en un
periodo de tiempo muy corto que
viene de líneas de potencia,
iluminación , etc.
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11. Formas de ruido eléctrico
El correlacionado tiene relación directa con la señal, es producido por amplificaciones no
lineales de la señal. Incluye armónicos y distorsión de intermodulación.
El no correlacionado está presente sin importar si hay una señal presente o no. Se produce
en los medios de transmisión, circuitos, amplificadores, etc.
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12. Ruido externo e interno
El ruido externo es generado fuera de un sistema de comunicación y se introduce en él. El ruido
generado externamente, se considera como tal sólo si sus frecuencias caen dentro de la banda
útil del sistema de comunicación.
El ruido interno es la interferencia eléctrica generada dentro de un dispositivo. Todo equipo
electrónico genera ruido. Tanto los componentes pasivos (resistores y cables) como los
dispositivos activos (diodos, transistores) pueden ser fuentes de ruido.
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13. Ruido térmico
Se produce por el movimiento aleatorio de los electrones en un conductor debido al calor. Al
aumentar la To se incrementa el movimiento de los electrones y produce un flujo de corriente.
El flujo de corriente es resistido: los átomos están agitados y los electrones chocan unos con
otros. Esta resistencia aparente del conductor produce un voltaje aleatorio que técnicamente
se llama ruido (voltaje de ruido).
El ruido térmico está presente en todas las frecuencias (ruido blanco).
Potencia del ruido térmico
La potencia del
ruido producido
por una fuente de
ruido térmico se
calcula en
función de su To y
del ancho de
banda útil, según
Johnson (1928).
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N = potencia del ruido, en W.
N0 = densidad espectral de ruido, en W/Hz o J.
k = constante de Boltzmann, 1.38×10–23, en J/K.
T = temperatura absoluta, en K (oC + 273).
B = ancho de banda de la potencia de ruido, en Hz.
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14. Temperatura de ruido
De un amplificador
Para comprender el concepto, se modela un amplificador real (ruidoso) por un amplificador ideal
(que no genera ruido) con una resistencia en serie a la entrada.
La temperatura de ruido del amplificador es la temperatura equivalente Te de una resistencia,
que genera la misma potencia de ruido a la salida del amplificador ideal que la generada por el
amplificador real cuando este no tiene ruido a la entrada.
Por esta razón, el ruido se calcula a la entrada del amplificador, utilizando para ello la
temperatura equivalente de ruido Te proporcionada por el fabricante. Esta temperatura está
directamente relacionada con la temperatura física del aparato electrónico, pero no es
necesariamente igual a ella.
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15. Temperatura de ruido de una antena
No sólo se introduce ruido por el
amplificador, sino también por la
antena; 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 del ruido capturado se
calcula en función de una
temperatura de ruido de la antena.
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
La temperatura de ruido total del
sistema de recepción
será, entonces, la suma de la
temperatura de ruido de la antena y
del amplificador referidas al mismo
punto.
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16. Diafonía o crosstalk
Se debe al acoplamiento eléctrico no deseado entre líneas adyacente o cuando antenas captan
señales no deseadas. Es del mismo orden que el ruido térmico.
Autodiafonía o diafonía de
extremo cercano NEXT
Potencia transmitida
Transmisor
Equipo de comunicación
Receptor
Potencia recibida
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17. 5.- Relación señal a ruido S/N
Lo que importa es la relación de la potencia de la señal y la potencia del ruido. Esta relación S/N es
una de las especificaciones más importantes de cualquier sistema de comunicaciones.
S/N es la razón entre lo
que se quiere (señal) y
lo que no se quiere
(ruido).
Una S/N baja indica
que la señal está muy
corrompida por el
ruido.
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18. Figura de ruido NF
Todos los conductores producen ruido y los dispositivos activos también añaden su propio
ruido, entonces, cualquier etapa en un sistema de comunicación agrega ruido.
Por ejemplo, un amplificador amplificará por igual la señal y el ruido en su entrada, pero
también añadirá cierto ruido. Por tanto, la S/N en la salida es más baja que en la entrada.
 ( S / N ) ent 
Figura de ruido NF  
 a 290 K
 ( S / N ) sal 
S/N es la relación de potencia de señal a ruido de entrada y
de salida respectivamente, (no en dB).
Es común que NF se exprese en dB.
En ocasiones, a la NF se le denomina cifra de ruido o factor de ruido.
FIN
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