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Ruido en telecomunicaciones
Definición
 El ruido es una perturbación de carácter
  aleatorio que aparece siempre en nuestro
  sistema y que no tiene ningún tipo de
  relación con la señal transmitida ni con
  ninguna otra de la misma naturaleza.
 Es toda componente de tensión o intensidad
  indeseada que se superpone con la
  componente de señal que se procesa o que
  interfiere con el proceso de medida.
Definición
   El ruido es una frecuencia indeseable, dicho
    de otro modo es un elemento extra que
    aparece en la señal de interés y que produce
    ciertos problemas.
Clasificación
  Existen varias formas en que se presenta el
  ruido y esto se debe a la naturaleza del mismo,
  por ello es que se a clasificado en base a su
  comportamiento, de esta forma se tiene que el
  ruido se pude clasificar en dos categorías que
  son:
 Correlacionado y no correlacionado, el ruido
  correlacionado es aquel que involucra a una
  señal, es decir, existe solo cuando hay una
  señal presente. Por otro lado tenemos que el
  ruido no correlacionado es aquel que esta
  presente independientemente de que exista
  señal o no.
Clasificación
Ruido Correlacionado
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
    Distorsión de Intermodulación: se refiere a la generación
    indeseable de productos cruzados que son la suma o
    restas de frecuencias.
La distorsión armónica
   El problema con cargas no lineales, es la forma no sinusiodal que la
    corriente adopta, producto de las diferentes ondas (múltiplos enteros
    de la fundamental), que a ella se suman y que son originadas por las
    cargas no lineales. Esta deformación de las señales de tensión y
    corriente se expresa usualmente en términos de "Distorsión Armónica".
La distorsión armónica
La distorsión armónica
La distorsión armónica
La distorsión por
intermodulación
La distorsión por
intermodulación
La distorsión por
intermodulación
La distorsión por
intermodulación
Ruido No Correlacionado
   Dentro del ruido no correlacionado se tiene el Ruido externo o
    interferencias, el cual se produce fuera del sistema que trata la
    señal, este 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. Las tres
    principales fuentes de ruido externo son:

     Ruido atmosférico : conocido como estática eléctrica, se origina
      en perturbaciones eléctricas naturales que se generan dentro de la
      atmosfera terrestre, la principal fuente son las descargas
      eléctricas, la magnitud de este tipo de ruido es inversamente
      proporcional a su frecuencia y es relativamente insignificante a
      frecuencias mayores a 30Mhz.
Ruido No Correlacionado
  Ruido extraterrestre (ruido de espacio profundo): Señales que se
   originan fuera de la atmosfera terrestre, las principales formas de
   este ruido proviene de la vía Láctea, otras galaxias y el sol. Se
   subdivide en dos categorías :
    Solar : Lo genera en forma directa el calor solar, hay dos partes de este
     ruido , la producida por una condición de calma cuando existe una
     intensidad relativamente constante de radiación y de gran intensidad , y
     la magnitud de ruido esporádico cuando por actividad de manchas
     solares tiene una variación cíclica que se presenta mas o menos cada
     11 años
    Cósmico: Como estas son mas lejanas que el sol terrestre, su
     intensidad de ruido es relativamente pequeña, llamado usualmente
     ruido de cuerpo negro y se distribuye con bastante uniformidad en el
     cielo.
  Ruido generado por el Hombre: llamado ruido industrial, aparece
   principalmente por motores eléctricos, generadores de corriente
   alterna, equipos de conmutación y lámparas fluorescentes.
Ruido No Correlacionado
   Otra variante del ruido no correlacionado es el Ruido interno o
    inherente, que corresponden al que se genera en los dispositivos
    electrónicos como consecuencia de su naturaleza física, existen
    tres formas principales de generar el ruido interno:
     Ruido de disparo: es provocada por la llegada aleatoria de los
       electrones o huecos, a la salida del elemento tal como; diodos,
       transistores de efecto de campo y de unión. Los portadores de
       corriente (tanto para ca como para cd) no se mueven en un flujo
       continuo y estable por que la distancia que recorren varia debido
       a sus trayectorias aleatorias.
     Ruido de tiempo de transito: aquel en el que existe
       modificaciones en los electrones o huecos que viajan de la
       entrada a la salida del circuito. Cuando el tiempo que tarda un
       portador en propagarse por un dispositivo es parte apreciable
       de un ciclo de la señal este ruido se hace perceptible
     Ruido Térmico: asociado con el movimiento rápido y aleatorio de
       los electrones en un conductor producido por la agitación
       térmica. Cada paso de un electrón entre choques con moléculas
       produce un corto pulso de corriente, que produce un pequeño
       voltaje a través del componente resistivo del conductor , ese
       movimiento aleatorio produce un componente de ca.
Ruido No Correlacionado
   La componente ca debido a la agitación
    térmica tiene varios nombres: ruido térmico
    (por que depende de la temperatura) ,
    movimiento       Browniano      (por     su
    descubridor), ruido de Johnson (en honor
    al que relaciono el movimiento browniano
    de las partículas con el movimiento de los
    electrones y ruido blanco (por que el
    movimiento aleatorio se produce en todas
    las frecuencias.
Potencia de Ruido
   Johnson demostró que la potencia de ruido
    térmico es proporcional al producto del ancho de
    banda por la temperatura. En forma matemática,
    la potencia de ruido es:
Potencia de Ruido
Voltaje de ruido
Voltaje de ruido
Relación de Potencia de Señal
a Ruido
   La principal razón para estudiar y calcular la
    potencia de ruido o el voltaje de ruido, es el
    efecto que el ruido tiene en la señal deseada:

       “La cantidad de ruido no es lo que
       interesa, sino la cantidad de ruido
       comparada con       el nivel de la señal
       deseada, es decir lo que importa es la
       relación de la potencia de la señal y la
       potencia del ruido”
Relación de Potencia de Señal
a Ruido
   Esta relación de señal a ruido que se
    abrevia S/N y se expresa por lo común en
    decibeles, matemáticamente se expresa
    como:

   En decibeles:
Relación de Potencia de Señal
a Ruido
Relación de Potencia de Señal
a Ruido
   Ejemplo
     Para un amplificador con voltaje de señal de salida
      de 4V, voltaje de ruido de salida de 0.005V y
      resistencia de entrada y de salida de 50Ώ, calcular
      la relación de potencia de señal a ruido.
     Solución: Esta relación de potencias de señal a
      ruido se calcula sustituyendo en la ecuación
Factor de Ruido y Cifra de
Ruido
   El factor de ruido (F) y el cifrado de Ruido (NF, de
    noise figure) indican cuanto se deteriora la
    relación de señal a ruido cuando una señal pasa
    por una o un conjunto de etapas.




   La cifra de ruido (figura de ruido) es solo el factor
    de ruido expresado en dB, de uso para indicar la
    calidad de un receptor.

    O
Factor de Ruido y Cifra de
Ruido
Factor de Ruido y Cifra de
Ruido




Para un circuito perfecto y sin ruido, el factor de ruido es 1 y la figura de
ruido es 0dB
Factor de Ruido y Cifra de
Ruido
Para un amplificador no ideal con los siguientes parámetros, calcular
    a)  Relación S/N a la entrada (dB)
    b)  Relación S/N a la salida (dB)
    c)  Factor de ruido y figura de ruido
    Potencia de la señal de entrada =2x10-10 W
    Potencia de ruido en la entrada =2x10-18 W
    Ganancia de potencia =1,000,000
    Ruido interno (Nd) =6x10-12 W
    Solución
        (a) Para la señal de entrada y valores de potencia dados , la S/N en la
        entrada es :
Factor de Ruido y Cifra de
Ruido
 (b) La potencia de ruido en la salida, es la suma del ruido interno y el ruido
 en la entrada amplificado:



 La potencia de señal a la salida no es mas que el producto de la potencia
 de entrada por la ganancia de potencia



 Para la señal de salida y los valores de potencia calculados , la S/N de la
 salida es :
Factor de Ruido y Cifra de
Ruido
 (c) El factor de ruido se calcula sustituyendo los resultados de los pasos a y b



 Y la figura de ruido


  Cuando    se conectan en cascada dos o mas
   amplificadores, el factor total de ruido es igual a la
   acumulación de los factores de ruido individuales. La
   formula de Friiss se usa para calcular el factor total de
   ruido de varios amplificadores en cascada
Figura de ruido para
amplificadores en cascada
Figura de ruido para
amplificadores en cascada
Temperatura equivalente de
ruido
   Como el ruido producido por la agitación térmica
    es directamente proporcional a la temperatura,
    el ruido térmico se puede expresar en grados y
    también en Watts o en dBm, si se reacomoda la
    ecuación se tiene
                     N=KTB entonces, T=N/KB

      En donde :

      T= temperatura ambiente en grados kelvin
      N= potencia de ruido en watts
      K= constate de Boltzmann
      B= ancho de banda (hertz)
Temperatura equivalente de
ruido
   La temperatura de ruido equivalente       es un valor hipotético que
    no se puede medir en forma directa, la descripción matemática de la
    temperatura equivalente de ruido es :

    en donde:
      = Temperatura equivalente de ruido (grados Kelvin)
    T= Temperatura del ambiente (       K)
    F= factor de ruido (adimensional)
   Al revés, el factor de ruido se puede representar como una función
    de la temperatura equivalente de ruido, de la siguiente forma:
=4
     Temperatura equivalente de
     ruido
        Ejercicio: (a) La cifra de ruido para una temperatura equivalente de    K
         (b) La temperatura equivalente de ruido para una cifra de ruido de 6dB.


         Solución:
         (a) Se obtiene el factor de ruido de


         Y la cifra de ruido es

         (b) El factor de ruido es



        Y la temperatura equivalente de ruido es

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Ruido en telecomunicaciones

  • 2. Definición  El ruido es una perturbación de carácter aleatorio que aparece siempre en nuestro sistema y que no tiene ningún tipo de relación con la señal transmitida ni con ninguna otra de la misma naturaleza.  Es toda componente de tensión o intensidad indeseada que se superpone con la componente de señal que se procesa o que interfiere con el proceso de medida.
  • 3. Definición  El ruido es una frecuencia indeseable, dicho de otro modo es un elemento extra que aparece en la señal de interés y que produce ciertos problemas.
  • 4. Clasificación Existen varias formas en que se presenta el ruido y esto se debe a la naturaleza del mismo, por ello es que se a clasificado en base a su comportamiento, de esta forma se tiene que el ruido se pude clasificar en dos categorías que son:  Correlacionado y no correlacionado, el ruido correlacionado es aquel que involucra a una señal, es decir, existe solo cuando hay una señal presente. Por otro lado tenemos que el ruido no correlacionado es aquel que esta presente independientemente de que exista señal o no.
  • 6. Ruido Correlacionado 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 Distorsión de Intermodulación: se refiere a la generación indeseable de productos cruzados que son la suma o restas de frecuencias.
  • 7. La distorsión armónica  El problema con cargas no lineales, es la forma no sinusiodal que la corriente adopta, producto de las diferentes ondas (múltiplos enteros de la fundamental), que a ella se suman y que son originadas por las cargas no lineales. Esta deformación de las señales de tensión y corriente se expresa usualmente en términos de "Distorsión Armónica".
  • 15. Ruido No Correlacionado  Dentro del ruido no correlacionado se tiene el Ruido externo o interferencias, el cual se produce fuera del sistema que trata la señal, este 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. Las tres principales fuentes de ruido externo son:  Ruido atmosférico : conocido como estática eléctrica, se origina en perturbaciones eléctricas naturales que se generan dentro de la atmosfera terrestre, la principal fuente son las descargas eléctricas, la magnitud de este tipo de ruido es inversamente proporcional a su frecuencia y es relativamente insignificante a frecuencias mayores a 30Mhz.
  • 16. Ruido No Correlacionado  Ruido extraterrestre (ruido de espacio profundo): Señales que se originan fuera de la atmosfera terrestre, las principales formas de este ruido proviene de la vía Láctea, otras galaxias y el sol. Se subdivide en dos categorías :  Solar : Lo genera en forma directa el calor solar, hay dos partes de este ruido , la producida por una condición de calma cuando existe una intensidad relativamente constante de radiación y de gran intensidad , y la magnitud de ruido esporádico cuando por actividad de manchas solares tiene una variación cíclica que se presenta mas o menos cada 11 años  Cósmico: Como estas son mas lejanas que el sol terrestre, su intensidad de ruido es relativamente pequeña, llamado usualmente ruido de cuerpo negro y se distribuye con bastante uniformidad en el cielo.  Ruido generado por el Hombre: llamado ruido industrial, aparece principalmente por motores eléctricos, generadores de corriente alterna, equipos de conmutación y lámparas fluorescentes.
  • 17. Ruido No Correlacionado  Otra variante del ruido no correlacionado es el Ruido interno o inherente, que corresponden al que se genera en los dispositivos electrónicos como consecuencia de su naturaleza física, existen tres formas principales de generar el ruido interno:  Ruido de disparo: es provocada por la llegada aleatoria de los electrones o huecos, a la salida del elemento tal como; diodos, transistores de efecto de campo y de unión. Los portadores de corriente (tanto para ca como para cd) no se mueven en un flujo continuo y estable por que la distancia que recorren varia debido a sus trayectorias aleatorias.  Ruido de tiempo de transito: aquel en el que existe modificaciones en los electrones o huecos que viajan de la entrada a la salida del circuito. Cuando el tiempo que tarda un portador en propagarse por un dispositivo es parte apreciable de un ciclo de la señal este ruido se hace perceptible  Ruido Térmico: asociado con el movimiento rápido y aleatorio de los electrones en un conductor producido por la agitación térmica. Cada paso de un electrón entre choques con moléculas produce un corto pulso de corriente, que produce un pequeño voltaje a través del componente resistivo del conductor , ese movimiento aleatorio produce un componente de ca.
  • 18. Ruido No Correlacionado  La componente ca debido a la agitación térmica tiene varios nombres: ruido térmico (por que depende de la temperatura) , movimiento Browniano (por su descubridor), ruido de Johnson (en honor al que relaciono el movimiento browniano de las partículas con el movimiento de los electrones y ruido blanco (por que el movimiento aleatorio se produce en todas las frecuencias.
  • 19. Potencia de Ruido  Johnson demostró que la potencia de ruido térmico es proporcional al producto del ancho de banda por la temperatura. En forma matemática, la potencia de ruido es:
  • 23. Relación de Potencia de Señal a Ruido  La principal razón para estudiar y calcular la potencia de ruido o el voltaje de ruido, es el efecto que el ruido tiene en la señal deseada: “La cantidad de ruido no es lo que interesa, sino la cantidad de ruido comparada con el nivel de la señal deseada, es decir lo que importa es la relación de la potencia de la señal y la potencia del ruido”
  • 24. Relación de Potencia de Señal a Ruido  Esta relación de señal a ruido que se abrevia S/N y se expresa por lo común en decibeles, matemáticamente se expresa como:  En decibeles:
  • 25. Relación de Potencia de Señal a Ruido
  • 26. Relación de Potencia de Señal a Ruido  Ejemplo  Para un amplificador con voltaje de señal de salida de 4V, voltaje de ruido de salida de 0.005V y resistencia de entrada y de salida de 50Ώ, calcular la relación de potencia de señal a ruido.  Solución: Esta relación de potencias de señal a ruido se calcula sustituyendo en la ecuación
  • 27. Factor de Ruido y Cifra de Ruido  El factor de ruido (F) y el cifrado de Ruido (NF, de noise figure) indican cuanto se deteriora la relación de señal a ruido cuando una señal pasa por una o un conjunto de etapas.  La cifra de ruido (figura de ruido) es solo el factor de ruido expresado en dB, de uso para indicar la calidad de un receptor. O
  • 28. Factor de Ruido y Cifra de Ruido
  • 29. Factor de Ruido y Cifra de Ruido Para un circuito perfecto y sin ruido, el factor de ruido es 1 y la figura de ruido es 0dB
  • 30. Factor de Ruido y Cifra de Ruido Para un amplificador no ideal con los siguientes parámetros, calcular a) Relación S/N a la entrada (dB) b) Relación S/N a la salida (dB) c) Factor de ruido y figura de ruido Potencia de la señal de entrada =2x10-10 W Potencia de ruido en la entrada =2x10-18 W Ganancia de potencia =1,000,000 Ruido interno (Nd) =6x10-12 W Solución (a) Para la señal de entrada y valores de potencia dados , la S/N en la entrada es :
  • 31. Factor de Ruido y Cifra de Ruido (b) La potencia de ruido en la salida, es la suma del ruido interno y el ruido en la entrada amplificado: La potencia de señal a la salida no es mas que el producto de la potencia de entrada por la ganancia de potencia Para la señal de salida y los valores de potencia calculados , la S/N de la salida es :
  • 32. Factor de Ruido y Cifra de Ruido (c) El factor de ruido se calcula sustituyendo los resultados de los pasos a y b Y la figura de ruido  Cuando se conectan en cascada dos o mas amplificadores, el factor total de ruido es igual a la acumulación de los factores de ruido individuales. La formula de Friiss se usa para calcular el factor total de ruido de varios amplificadores en cascada
  • 33. Figura de ruido para amplificadores en cascada
  • 34. Figura de ruido para amplificadores en cascada
  • 35. Temperatura equivalente de ruido  Como el ruido producido por la agitación térmica es directamente proporcional a la temperatura, el ruido térmico se puede expresar en grados y también en Watts o en dBm, si se reacomoda la ecuación se tiene N=KTB entonces, T=N/KB En donde : T= temperatura ambiente en grados kelvin N= potencia de ruido en watts K= constate de Boltzmann B= ancho de banda (hertz)
  • 36. Temperatura equivalente de ruido  La temperatura de ruido equivalente es un valor hipotético que no se puede medir en forma directa, la descripción matemática de la temperatura equivalente de ruido es : en donde: = Temperatura equivalente de ruido (grados Kelvin) T= Temperatura del ambiente ( K) F= factor de ruido (adimensional)  Al revés, el factor de ruido se puede representar como una función de la temperatura equivalente de ruido, de la siguiente forma:
  • 37. =4 Temperatura equivalente de ruido  Ejercicio: (a) La cifra de ruido para una temperatura equivalente de K (b) La temperatura equivalente de ruido para una cifra de ruido de 6dB. Solución: (a) Se obtiene el factor de ruido de Y la cifra de ruido es (b) El factor de ruido es  Y la temperatura equivalente de ruido es