República Bolivariana De Venezuela

Ministerio De Educación Superior

Instituto Universitario Politécnico

“Santiago Mariño”

“ESTUDIO DEL RUIDO”

Alumno:

JUAN BASTORI

C.I.: 18.173.311

Maturín Febrero De 2017.

CONTENIDO

• Definición De Ruido

• Clasificación De Los Tipos De Ruidos

• Temperatura Equivalente De Ruido Y Factor De Ruido De Un Atenuador

• Factor De Ruido De Un Dipolo.

• Factor De Ruido De Un Sistema. Circuitos Equivalentes De Ruido Factor Y

Temperatura Equivalente De Ruido De Un Sistema Receptor.

• Relación Señal/Ruido 

• Factor De Ruido

• Mezclado Lineal Y No Lineal.

• Conceptos Generales De Distorsión Armónica Y Ruido De Intermodulación

• Ruido De Intermodulation

• Bibliografía

Definición de ruido

Qué es el Ruido:

En comunicación, se denomina ruido a toda señal no deseada que se mezcla con la

señal útil que se quiere transmitir. Es el resultado de diversos tipos de perturbaciones

que tiende a enmascarar la información cuando se presenta en la banda de frecuencias

del espectro de la señal, es decir, dentro de su ancho de banda.

Tipos de ruidos

En función de la variabilidad del pico de emisión se pueden distinguir tres tipos de

ruido: continuo, intermitente y de impacto. Otra forma de clasificación de los sonidos

distingue entre ruido blanco, ruido rosa y ruido marrón.

En función del origen del ruido, se pueden clasificar los ruidos en: ambiental

(compuesto por varios sonidos del entorno en el que no destaca uno en particular),

específico (identificable y asociado a una única fuente) e inicial (sonido previo a una

modificación).

Ruido blanco

El ruido blanco o sonido blanco es un tipo de señal de carácter aleatorio y que no

presenta correlación estadística entre sus valores en dos tiempos diferentes. Este tipo

de ruido presenta todas las frecuencias y su potencia es constante (la potencia de

densidad del espectro es plana). Algunos ejemplos de ruido blanco podría ser el sonido

producido por una aspiradora en funcionamiento, un secador de pelo. Debe su nombre

por asociación con el concepto de 'luz blanca'.

Ruido industrial

El ruido industrial es aquel producido por actividades humanas de este sector. Se

produce, por ejemplo en el funcionamiento de maquinaria en procesos de producción

como en el sector de la metalurgia. El ruido industrial no sólo es un riesgo laboral que

puede afectar a los trabajadores, sino que también pueden causas trastornos y

molestias a la población cercana (por ejemplo en un pueblo en el que

existe una fábrica) y también a la fauna del entorno.

En muchos países existe legislación que regula el ruido industrial para evitar problemas

derivados. Algunas de ellas tienen que ver, por ejemplo, con el uso de equipos de

protección por parte de los trabajadores o con el aislamiento acústico de determinados

locales.

Diferencia entre ruido y sonido

De una forma genérica, se puede decir que el término 'sonido' es más amplio que el de

'ruido' ya que un ruido es un tipo de sonido que produce sensaciones desagradables.

Desde el punto de la vista de la Física, el ruido se diferencia del sonido en que el

primero es irregular y no hay concordancia entre los tonos fundamentales y sus

armónicos mientras que en el sonido sí existe.

Ruido Eléctrico

Es una señal indeseable que afecta el funcionamiento de los circuitos eléctricos y

sistemas de comunicaciones, por lo tanto se trata de eliminar, aunque no es 100%

posible, solo se atenúa.

Clasificación de los tipos de ruidos

Ruido Correlacionado:

Es aquel que es provocado por la presencia de una señal.

Distorsión Armónica:

Es una distorsión angular a las frecuencias y lineal al tiempo.

Distorsión de Intermodulación

: Energía generada por las sumas y diferencias creadas por la amplificación de 2 o más

frecuencias amplificadas en un amplificador no lineal.

Ruido No Correlacionado:

Es ruido independiente de la señal y existen en su ausencia o en su presencia. La

señal es perturbada por ellos y no los determina.

Pueden ser:

Externo: Es generado fuera del circuito

Ruido Atmosférico:

Energía eléctrica que ocurre naturalmente y se origina en la atmosfera, también se le

conoce como electricidad estática.

Ruido Extraterrestre:

Se origina fuera de la atmosfera de la tierra, se divide en dos grupos

Solar:Este se genera directamente de la energía del calor del sol.

 

CósmicoEs el ruido provocado por las estrellas, como nuestro sol, solo que están fuera de

nuestro sistema y por lo tanto es demasiado pequeño este ruido.

Ruido "Hecho por el Hombre":

Es el ruido que se le atribuye al hombre, entre los cuales se encuentran sistemas que

provoquen chispas, como los conmutadores, los sistemas de ignición automotriz, entre

otros.

Internos:Interferencia eléctrica generada dentro de un dispositivo.

Ruido Térmico(o Ruido Blanco):

Es el movimiento aleatorio de electrones libres dentro de un conductor causado por la

agitación térmica.

Ruido de Disparo:

Se da cuando el número finito de partículas que

transportan energía es suficientemente pequeño para dar lugar a la aparición de

fluctuaciones estadísticas.

Ruido de Tiempo de Transito:

Modificación de una corriente conforme pasa de la entrada hasta la salida de un

dispositivo.

Ruido térmico

 Este tipo de ruido se debe al movimiento aleatorio de los electrones libres en medios

conductores tales como resistores. Debido a su energía térmica, cada electrón libre

dentro de un resistor está en movimiento; la trayectoria del movimiento de un electrón

es aleatoria debido a sus colisiones. El movimiento de todos los electrones establece la

corriente eléctrica por el resistor. La dirección del flujo de corriente es aleatoria y su

valor medio es cero. Se puede demostrar que su espectro de densidad de potencia

está dada por:

 

 Donde k es la constante de Boltzman, T la temperatura ambiente, G es la

conductancia del resistor (en mhos) y a es el número promedio de colisiones por

segundo de un electrón.

 El orden de magnitud de a es de 1014 número de colisiones por segundo, por lo que el

espectro será esencialmente plano a frecuencias muy altas. Este se puede considerar

plano hasta frecuencias en el rango de 1013Hz.

 Por lo tanto, la contribución de ruido térmico de cualquier circuito está limitada al ancho

de banda del mismo, así que generalmente se considera que el ruido térmico tiene un

espectro de densidad de potencia constante, es decir que contiene componentes de

todas las frecuencias. A este tipo de ruido, por su particularidad  se le conoce como

RUIDO BLANCO.

 Por lo tanto, una resistencia R se puede representar por una conductancia G (1/R) no

ruidosa en paralelo con una fuente de corriente de ruido (in) con un espectro de

densidad de potencia 2kTG, como se ilustra en la figura. Esta también puede

representarse con un equivalente de Thévenin, donde:

 

 

 

 Caracterización del ruido térmico

 El ruido térmico es una perturbación de carácter aleatorio que aparece de forma

natural en los conductores por agitación de los electrones; es dependiente de la

temperatura, de modo que aumenta su potencia conforme ésta

aumenta. Se suele denominar ruido blanco debido a que, en la gama

de frecuencias particular de trabajo, se puede considerar con

densidad espectral uniforme.

 La potencia media de ruido térmico en una resistencia pura se puede considerar como

un generador de tensión asociado a esa resistencia con valor cuadrático medio:

 Vn2 = 4kTBR

 Vn: valor cuadrático medio de la tensión de ruido (V2)

k : constante de Boltzmann, 1,381 10-23 Julios/Kelvin

t : temperatura absoluta (Kelvin, K)

B : ancho de banda (Hz)

R : resistencia (ohmios, W)

 La potencia media de ruido es la que se entrega al receptor visto como una carga, y su

valor máximo se puede obtener en condiciones de adaptación de impedancias. Su

expresión es:

 N=kTB

 N : potencia media de ruido (W)

 

Guía de cálculo de ruido propagación o ruido térmico

 Fórmula para telefonía

 La relación señal Ruido está dada por la formula.

 

S/N= Pr/(K F T b)= (DF2/Fc) · r · w

Donde :

Pr = Potencia recibida

F = Figura de ruido del receptor

KT = Constante de Boltzmann

b = ancho de banda del canal telefónico

Fc = frecuencia del canal

r = preénfasis

w = Factor de ponderación

Df = excursión de frecuencias rms

(Df/Fc)2 = Ganancia de modulación

 Expresada en dB la relación señal ruido está dada por:

 (S/N)(dB) = 10log (Pr)-10log (F K T b)+20log (Df/Fc)+r+w

 Todos los términos excepto Pr son constantes ara un material.

 Dado utilizado en condiciones determinadas. Por lo tanto podemos escribir:

 (S/N)(dB) = Pr (dBm) - Rref (dBm)

Rref = 10log (F K T b) -20log (Df/Fc) - r - w

 Sustituyendo valores:

 b=3100 Hz; K=1.38x10-23 W; T=290 ºK

 Rref = -139,2 dBm + F(dB)-20log(Df/Fc) - r(dB) - w(dB)

 Valores de Fc

 

Nº de

canales24 60

12

0900 600 960 1800 2700

Fc(KHz) 104 240 53 1248 2438 388 7600 11700

4 6

 

Df = 200 Khz para n = 60 – 960

Df = 200 Khz para n = 1800 – 2700

 Nº de

canales24 60 120 900 600 960 1800 2700

20log(Df/Fc) 5.68-

1.58-8.53 -15.9 -21.72 -25.77 -34.69 -38.44

 

El ruido N es expresado en potencia (picowatts) resulta:

 

Factor de ruido

 Se define el factor de ruido de un cuadripolo, f, a partir de la potencia de ruido interno

del modo siguiente:

 ni = k B g to (f - 1)

 con t0 la temperatura ambiente de referencia, 290K. El factor de ruido siempre toma

valores superiores a la unidad.

 De este modo, la potencia de ruido a la salida del cuadripolo será:

 ns = ng g + k B g to (f - 1)

 De estas expresiones, se determina la equivalencia entre factor de ruido y temperatura

equivalente de ruido:

 teq = to (f - 1) Þ f = 1 + teq / to

 

La temperatura equivalente de ruido se suele usar en dispositivos con factor de ruido

muy pequeño como son los empleados en telecomunicación por satélite. El factor de

ruido se suele emplear en sistemas de telecomunicación terrena –comunicaciones

entre una estación en tierra o en la atmósfera y la otra en el espacio- y terrestre –tanto

transmisor y receptor se encuentran en la superficie terrestre-.

 El factor de ruido se expresa ordinariamente en dB, en cuyo caso se le suele

llamar figura de ruido, F

 F = 10 log f

 Sólo en el caso de que la potencia de ruido a la entrada del cuadripolo sea kbt0,

Cuando se pretende medir el factor de ruido de un dispositivo y teniendo en cuenta que

el ruido interno es independiente de la terminación de salida o carga del cuadripolo, se

simulan estas condiciones particulares –potencia de ruido a la entrada, kbt0-. Así, el

factor de ruido se calcularía como el cociente entre la potencia disponible de ruido total

a la salida y la potencia disponible de ruido a la salida debida a la terminación de

entrada a la temperatura de referencia t0supuesto que el cuadripolo no introdujera

ruido.

 Sólo en el caso de que la potencia de ruido a la entrada del cuadripolo sea kbt 0, se

puede interpretar el factor de ruido como el cociente entre las relaciones señal/ruido a

la entrada y a la salida del dispositivo:

TEMPERATURA EQUIVALENTE DE RUIDO Y FACTOR DE RUIDO DE UN ATENUADOR

 Para caracterizar a un atenuador desde el punto de vista de ruido, basta definir la

atenuación, a, que introduce y la temperatura física, tfis, a la que se encuentre. La

temperatura equivalente de ruido se particulariza en función de a y tfis:

Mientras que el factor ruido quedaría:

 Sólo en el caso de que tfis = 290K, f=a

 FACTOR DE RUIDO DE UN DIPOLO.

 En el caso de un dipolo, sólo existe acceso a los terminales de salida, y las únicas

fuentes de ruido son internas. Si la potencia disponible de ruido en los bornes del dipolo

es n, se definen el factor de ruido y la temperatura de ruido como sigue:

Una antena es un caso particular de dipolo, donde la temperatura de antena se calcula

del modo que se explica en el apartado 2.

  FACTOR DE RUIDO DE UN SISTEMA.

 Otro factor de ruido utilizado al describir los receptores es el factor de

ruido del sistema. En esta expresión se tiene en cuenta el ruido

interno de los cuadripolo y el ruido presente a la entrada del sistema.

Se obtiene como sigue:

 CIRCUITOS EQUIVALENTES DE RUIDO

Potencia de ruido introducido por una antena.

En general, una antena puede modelarse circuitalmente como dos resistencias en

serie: una resistencia ficticia denominada de radiación, Rr, y una resistencia que

representa las pérdidas de la antena, Rp. Teniendo en cuenta esto, podemos afirmar

que el ruido total introducido al sistema por una antena será el debido a ambas

resistencias. Así, por un lado, el ruido introducido por Rr equivale al ruido captado por la

antena –se caracteriza por una temperatura de ruido tA que se determinará más

adelante-, mientras que el producido por Rp es debido a las pérdidas de la antena y

está caracterizado por la temperatura ambiente, tar.

 

 

Dado que el ruido introducido por “ambas resistencias”

está incorrelado, para calcular la potencia de ruido entregada a ZL podemos aplicar el

teorema de superposición:

 a) en primer lugar, calculamos la potencia de ruido entregada a ZL, na, debido

a Rr suponiendo que Rp no introduce ruido;

b) después, calculamos la potencia de ruido entregada a ZL, nar, suponiendo que Rr no

introduce nada de ruido.

c) La potencia total de ruido entregada por la antena, ner, será la suma de ambas

potencias.

 Sabiendo que, en general, el ruido introducido por una resistencia se caracteriza por

una tensión de ruido cuyo valor cuadrático medio es

 

Donde:

k = constante de Boltzmann,

t = la temperatura de ruido,

b = el ancho de banda

R = el valor de la resistencia, se calculan los valores de na y nar.

 a) Cálculo de na .

 

 Se supone que la resistencia de pérdidas no introduce ruido. Si se

particulariza (29) para la resistencia de radiación, (29) se convierte en

Con lo cual

  Donde Gr es el coeficiente de reflexión debido a la des adaptación de impedancias

existente entre la antena y la línea de transmisión y el receptor.

 b) Cálculo de nar.

 

 De igual modo que en el caso anterior y suponiendo que la resistencia de radiación no

introduce ruido, (29) se convierte en

Con lo cual

De este modo,

Teniendo en cuenta que la potencia disponible en bornes de la antena, ndr, es la que

se entregaría en condiciones de adaptación de impedancias, la potencia de ruido

entregada al receptor se puede poner en función de ndr del siguiente modo:

Rescribiendo ndr

 Se comprueba que esta expresión coincide con la que caracteriza la potencia de ruido

a la salida de un atenuador de temperatura física tar y atenuación Rr+Rp/Rr cuando a la

entrada se tiene un generador de ruido de potencia kbtA.

 Una antena con los siguientes parámetros:

 -Temperatura de antena, tA,

-Resistencia de radiación, Rr,

-Resistencia de pérdidas, Rp, a una temperatura física, tar,

 Se puede modelar a efectos de ruido como una antena ideal de

temperatura equivalente tA conectado en serie con un atenuador de

temperatura física tary eficiencia ηr =1/aar=Rr/(Rr+Rp)

 

FACTOR Y TEMPERATURA EQUIVALENTE DE RUIDO DE UN SISTEMA RECEPTOR.

 En la figura se representa el modelo general del sistema receptor usado para el cálculo

de los parámetros y potencia de ruido.

 El modelo está constituido por los siguientes elementos:

 a)    La antena real se modela, como ya se explicó, como una antena ideal con una

temperatura equivalente de ruido igual a tA y un factor de ruido fA ( fA=tA/t0) conectada en

serie con un atenuador de atenuación aar y tar, ya definidas.

b)    Línea de transmisión que conecta la antena al receptor con una temperatura ttr y

unas pérdidas atr.

c)     Receptor propiamente dicho, con una ganancia de potencia g y un factor de ruido

fr.

 El punto A indica la salida de la antena real, R indica la entrada del receptor y S la

salida del receptor.

RELACIÓN SEÑAL/RUIDO 

 La relación señal/ruido (en inglés Signal to noise ratio SNR o S/N)

se define como la proporción existente entre la potencia de la señal

que se transmite y la potencia del ruido que la corrompe. Este margen

es medido en decibelios.

Rango dinámico y relación señal/ruido para referirse a este margen que hay entre el

ruido de fondo y nivel de referencia, pueden utilizarse como sinónimos. No ocurre lo

mismo, cuando el rango dinámico indica la distancia entre el nivel de pico y el ruido de

fondo.

Que en las especificaciones técnicas de un equipo aparezca la relación señal/ruido

indicada en dB no significa nada si no va acompañado por los puntos de referencia

utilizado y las ponderaciones.

Para indicar correctamente el margen dinámico, la medida en dB debe ir acompañada

por:

• la curva de ponderación.

• el nivel de referencia.

Por ejemplo, en el caso de un magnetófono en unas especificaciones técnicas

encontraríamos:

60 dB, CIR 468-3 (ref. 1 kHz, 320 nWb/m-1).

• CIR 468-3 es la curva de ponderación

• 1 kHz es la frecuencia de referencia

• 320 nWb/m-1 es el nivel magnético en que se ha grabado el nivel de referencia.

Evidentemente, para poder comparar equipos en lo que se refiere a su respuesta en

frecuencia, los equipos deben haber medido esta relación señal/ruido utilizando la

misma curva de ponderación y nivel de referencia.

FACTOR DE RUIDO

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 :

Sin embargo, como los valores de la relación señal/ruido suelen expresarse en forma

logarítmica, normalmente en decibelios, el factor de ruido en decibelios será, por tanto,

la diferencia entre las relaciones S/R en la entrada y en la salida del elemento bajo

prueba ya que:

En lugar de , también es común efectuar la medida del factor de ruido en decibelios A

(DBA) ponderados en función de la (curva A)

El factor de ruido es un parámetro importante en los sistemas de transmisión, ya que

mientras el ruido externo nunca se podrá eliminar totalmente, la reducción del ruido

generado por los equipos depende del cuidado de su diseño. La expresión figura de

ruido es una traducción errónea del término inglés Noise Figure.

MEZCLADO LINEAL Y NO LINEAL.

En telecomunicaciones, un mezclador es un circuito no lineal variante con el tiempo o un dispositivo capaz de mezclar dos señales de entrada,  y , a frecuencias diferentes, produciendo a su salida una mezcla de señales  de

diferentes frecuencias igual a una combinación lineal de las dos frecuencias de entrada:

• la suma de las frecuencias de las señales de entrada

• la diferencia entre las frecuencias de las señales de entrada

• las dos señales originales, habitualmente consideradas como parásitas que se eliminan mediante filtros de frecuencia.

Se utiliza habitualmente para hacer una conversión de frecuencias en sistemas de trasmisión o recepción de señal, en todas las bandas de frecuencias.

Hay dos tipos de clasificaciones para los mezcladores, dependiendo de la ganancia o perdida de conversión y dependiendo de la estructura utilizada para la implementación:

Clasificación según las ganancias o pérdidas de conversión

• 'Mezcladores pasivos: generalmente se utilizan diodos como elementos no lineales, no tienen ganacia si no que tienen perdidas de conversión (la potencia de salida es inferior a la de entrada) y tienen la relación de Factor de ruido = Pérdidas de conversión.'

• 'Mezcladores activos: están basados en transistores los cuales requieren una polarización, tienen ganancia de conversión (la potencia de salida es superior a la de entrada), requieren un menor nivel de señal del OL y el Factor de ruido es independiente de las ganancias de conversión, lo da el fabricante.'

Clasificación según la estructura utilizada en la implementación

Mezclador simple

Este tipo de mezcladores se utilizan en diseños a muy altas frecuencias donde se

requiere simplicidad en el circuito o en aplicaciones en las que sea más importante el

precio que las prestaciones técnicas. Solo se utiliza un elemento no lineal como

mezclador de señal y unos filtros para seleccionar la señal útil.

Mezclador equilibrado

A diferencia de los mezcladores simples en los que utilizamos filtros para separar las

frecuencias, en un mezclador equilibrado, para separar señales de entrada en RF y

oscilador local y evitar o eliminar los productos de intermodulación no deseados, se

utilizan dos o más mezcladores simples conectados a través de circuitos híbridos. De

esta forma, las señales deseadas se suman en fase a la salida y las indeseadas en

contrafase, consiguiendo eliminarlas. La principal característica de estas estructuras es

que suprimen los armónicos pares de OL-RF y mejoran el aislamiento OL-RF y OL-FI

sin necesidad de filtros. La expresión de salida de la señal es:

Observando la expresión de la señal de salida, vemos que solo genera armónicos y

productos de intermodulación impares  con , por lo tanto, no tan cercanos a la señal útil

que se encontraría en . Para obtener la señal útil se aplica un filtro paso bajo centrado

en la frecuencia de FI.

Mezclador doblemente equilibrado

Este tipo de mezclador emplea cuatro elementos no lineales combinados de tal forma

que consigue eliminar los productos de mezcla correspondientes a todos los armónicos

pares tanto de la señal de RF como del oscilador local. Desarrollando la tensión a la

salida en función de las tensiones de entrada, se comprueba que sólo incluye los

términos de frecuencia de la forma:

Se utilizan circuitos integrados con transistores bipolares como elementos activos, en frecuencias inferiores a unos 100MHz. Es difícil encontrar mezcladores doblemente equilibrados a

frecuencias superiores a algunas decenas de gigahercios.

Mezclador con rechazo de frecuencia imagen

Estos mezcladores son útiles cuando resulta difícil filtrar la frecuencia imagen

(frecuencia simétrica de la señal respecto a la señal del OL) a la entrada del mezclador.

En la imagen podemos ver que se compone de dos mezcladores doblemente

equilibrados a los que se aplica la señal a a través de un híbrido de 90º y el oscilador

local a través de un divisor de potencia. La salida de cada uno de los mezcladores se

combina en un híbrido de 90º para obtener la frecuencia intermedia. Si la frecuencia del

oscilador local es superior a la de la señal, la mezcla deseada (mezcla diferencia)

aparece a la salida de frecuencia intermedia, mientras que la banda imagen es

rechazada. En la otra puerta del híbrido aparece la mezcla suma que es llevada a la

carga.

CONCEPTOS GENERALES DE DISTORSIÓN ARMÓNICA Y RUIDO DE INTERMODULACIÓN

DISTORSIÓN ARMÓNICA

Si en un sistema no lineal introducimos un tono de frecuencia , en la salida tendremos ese mismo tono (con una amplitud y fase posiblemente diferentes) y, sumado a él, otros tonos de frecuencia  llamados armónicos del tono fundamental .

Definimos THD de la siguiente manera:

Donde  es la potencia del tono fundamental y con  es la potencia del armónico i-ésimo

que contiene la señal. Todas las medidas de potencia se realizan en la salida del

sistema, mediante un filtro paso banda y un osciloscopio o bien mediante un analizador

de espectro.

En realidad existen varios criterios para definir el THD, como considerar la relación

entre voltajes o corrientes esta es una información falsa que carece de fuentes

seguras.

INTERMODULACIÓN

La intermodulación es la alteración de la forma de onda de una señal

debido a que la ganancia no lineal del sistema genera nuevas componentes

espectrales en frecuencias que son suma y resta de las frecuencias de las

componentes espectrales ya presentes en la señal.

RUIDO DE INTERMODULACIÓN

Este tipo de ruido se produce en sistemas de transmisión no lineales produciéndose la

inserción de nuevas frecuencias las cuales se adicionan o se restan con las frecuencias

de la señal mensaje degenerándola.

BIBLIOGRAFIA

• https://www.significados.com/ruido/

• http://es.geocities.com/allcircuits4/ruido.htm

• http://www.eveliux.com/fundatel/am-fm.html

• http://medusa.unimet.edu.ve/sistemas/bpis03/radiocomunicaciones/guiaspdf/

GUI17TELECOMUNICACIONES.pdf

• http://www.com.uvigo.es/asignaturas/rcom/TEMA5.htm

• http://hkenny.mex.tl/1476769_ Ruido-Electrico.html