Ruido e interferencias „

Ruido: – Ruido en un receptor: » Cuadripolo: „

Atenuador

» Dipolo » Cuadripolos en cascada » Sistema dipolo+cuadripolo

– Ruido de antena „

Interferencias: – Definición, tipos, caracterización.

„

Sistemas limitados en potencia vs sistemas limitados en interferencia.

Definición de ruido radioeléctrico Definición: Perturbación eléctrica que limita la capacidad del sistema. Tipos de ruido:

Externo natural: -radiación procedente de descargas del rayo (ruido atmosférico debido al rayo); -emisiones procedentes de hidrometeoros y de gases atmosféricos; -la superficie u otros obstáculos situados dentro del haz de antena; -la radiación procedente de fuentes radioeléctricas celestes. Externo artificial: radiación no intencionada procedente de maquinaria eléctrica, equipos eléctricos y electrónicos, líneas de transmisión de energía o sistemas de encendido de motores de combustión interna. Disminuyen conforme aumenta la frecuencia. Interno: debidos a circuitos pasivos de conexión de la antena al receptor y al propio receptor.

Ruido térmico La máxima transferencia de potencia (potencia de ruido disponible) responde a la siguiente expresión

n = k ⋅ t ⋅b

n: potencia de ruido [W] k : constante de Boltzmann 1,381 10-23 [J/K] t : temperatura absoluta [K] b : ancho de banda [Hz]

>>El valor cuadrático medio del ruido térmico asociado a una resistencia R es:

v n2 = 4 ⋅ k ⋅ t ⋅ b ⋅ R R

R : resistencia (ohmios, Ω) v n2 = 4 ⋅ k ⋅ t ⋅ b ⋅ R

Resistencia ruidosa

R

Resistencia no ruidosa

Ruido térmico: cuadripolo „

„

Un sistema receptor se compone de antena, línea de transmisión y receptor. Todos ellos son ruidosos. El no existir línea de transmisión es equivalente a que la atenuación de ésta fuese 1. El ruido se calcula a la salida del receptor pero se representa a la salida de la antena para compararlo con la potencia recibida

Ruido térmico: cuadripolo Un cuadripolo es un dispositivo que tiene una entrada y una salida. El ruido a la salida se compone del ruido existente a la entrada multiplicado por la ganancia del cuadripolo más el ruido interno que el propio dispositivo genera.

nS = g ⋅ ne + ni El ruido generado por el propio dispositivo se puede caracterizar por dos parámetros:

ni = k ⋅ b ⋅ g ⋅ t eq

Temperatura equivalente de ruido (teq) Factor de ruido (f) [Figura de ruido: F(dB)=10log(f) ]

ni = k ⋅ b ⋅ g ⋅ t 0 ⋅ ( f − 1)

t eq = t 0 ⋅ (f − 1) ⇒ ne = k ⋅ b ⋅ te

f = 1+

t eq t0

nS = k ⋅ b ⋅ t s = k ⋅ b ⋅ g ⋅ ( t e + t 0 ⋅ ( f − 1)) = k ⋅ b ⋅ g ⋅ ( t e + t eq ) CUADRIPOLO Ganancia, g Temperatura equivalente, teq (Factor de ruido, f)

⎛ Se ⎞ ⎜ n ⎟ t +t e⎠ ⎝ = e eq te ⎛ Ss ⎞ ⎜ n ⎟ s⎠ ⎝

Ruido térmico: cuadripolo atenuador El cuadripolo atenuador es un cuadripolo que se caracteriza porque tiene menos señal a la salida que a la entrada. Lo caracterizan, como cuadripolo que es, una ganancia y, o bien, el factor de ruido o bien la temperatura equivalente de ruido. La ganancia se determina a partir del valor de atenuación del cuadripolo, mientras que la temperatura equivalente de ruido y el factor de ruido se calculan a partir de la temperatura real a la que se encuentra el atenuador (tfis [K]) y a partir del valor de atenuación (a):

ne = k ⋅ b ⋅ t e

Atenuación, a Temperatura real, tfis

nS = k ⋅ b ⋅ t s = k ⋅ b ⋅

t e + t fis ⋅ (a − 1) a

t eq = t fis ⋅ (a − 1) f = 1+

t fis ⋅ (a − 1) t0

g = 1/ a

La temperatura de salida es un promedio entre la de entrada y la temperatura a la que se encuentra el atenuador

Ruido térmico: dos cuadripolos en cascada Dos cuadripolos en cascada son equivalentes a un cuadripolo de ganancia total el producto de ganancias y temperatura equivalente la temperatura equivalente del primero más la temperatura equivalente del segundo dividido por la del primero.

gt = g1 ⋅ g2

ne = k ⋅ b ⋅ t e

CUADRIPOLO 1

CUADRIPOLO 2

Ganancia, g1 Temp. equiv teq1

Ganancia, g2 Temp. equiv teq2

t eqt = t eq1 +

nS = k ⋅ b ⋅ t S

t S = (t e2 + t eq2 ) ⋅ g2 = ((t e + t eq1 ) ⋅ g1 + t eq2 ) ⋅ g2 = t e ⋅ g1 ⋅ g2 + t eq1 ⋅ g1 ⋅ g2 + t eq2 ⋅ g2

ne = k ⋅ b ⋅ t e

CUADRIPOLO EQUIVALENTE Ganancia, gt Temp. equiv. teqt

nS = k ⋅ b ⋅ t S

t s = (t e + t eqt ) ⋅ gt = t e ⋅ g1 ⋅ g2 + t eqt ⋅ g1 ⋅ g2

Ruido de un dipolo A efectos de ruido, un dipolo es un dispositivo que sólo tiene salida. El ruido generado por el dipolo se puede caracterizar por dos parámetros: Temperatura equivalente de ruido (tn)

nS = k ⋅ b ⋅ t n

Factor de ruido (fn)

nS = k ⋅ b ⋅ t 0 ⋅ fn t n = t 0 ⋅ fn ⇒

Temperatura equiv de ruido, tn

nS = k ⋅ b ⋅ t 0 ⋅ fn = k ⋅ b ⋅ t n

fn =

tn t0

t eq2 g1

Factor de ruido de sistema (dipolo+cuadripolo)

CUADRIPOLO Ganancia, g Factor de ruido, f Temp. equiv teq

DIPOLO Temp. equiv tn Factor de ruido fn

nS = k ⋅ b ⋅ g ⋅ t 0 ⋅ fSIS

ns = k ⋅ (t e + t eq ) ⋅ b ⋅ g = k ⋅ t 0 ⋅ fSIS ⋅ b ⋅ g t +t ns = e eq k ⋅ t0 ⋅ b ⋅ g t0

fSIS =

fSIS =

t e + t 0 + t eq − t 0 t0

= fn + f − 1

Ruido de antena Rrad

RΩ

RL

Antena a una temperatura real tar con una resistencia de radiación Rrad y resistencia de pérdidas RΩ

Teorema de superposición (suponiendo que las resistencias que forman la antena son independientes entre sí) 2 v ar = 4 ⋅ k ⋅ t ar ⋅ b ⋅ R Ω

v a2 = 4 ⋅ k ⋅ t a ⋅ b ⋅ R rad

Rrad

RΩ

RL

Suponemos que la resistencia de radiación es la única que produce ruido y la sustituimos por su modelo equivalente CASO 1

Rrad

RΩ

RL

Suponemos que la resistencia de pérdidas es la única que produce ruido y la sustituimos por su modelo equivalente CASO 2

Ruido de antena CASO 1

na =

va 2

⋅RL

(R rad + R Ω + R L )

2

= k ⋅ ta ⋅ b ⋅

= k ⋅ ta ⋅ b ⋅ R L = R rad + R Ω

[

R rad 1 − Γr R rad + R Ω

] R L = R rad + R Ω

R rad R rad + R Ω

CASO 2

n ar =

2

v ar

2

(R rad + R Ω + R L )

2

= k ⋅ tA ⋅ b ⋅

⋅RL

= k ⋅ tA ⋅ b ⋅ R L = R rad + R Ω

[

RΩ 1 − Γr R rad + R Ω

2

] R L = R rad + R Ω

RΩ R rad + R Ω

Ruido de antena n A = n a + n ar = k ⋅ b ⋅ t a ⋅ =

a ar =

⎛ R rad R rad ⎞ ⎟⎟ + k ⋅ b ⋅ t ar ⋅ ⎜⎜1 − + R rad + R Ω R R Ω ⎠ rad ⎝

k ⋅ b ⋅ t a + k ⋅ b ⋅ t ar ⋅ (a ar − 1) a ar

R rad + R Ω R rad

Una antena, a efectos de ruido, es un dipolo con temperatura equivalente tA. ANTENA kbta

ATENUADOR Atenuación aar Temperatura física tar

kbtA

tA =

t a + t ar (a ar − 1) a ar

Ruido de antena La temperatura ta responde a la siguiente expresión dependiente de la frecuencia, de la dirección de apuntamiento y de las características directivas de la antena:

1 t B (θ, φ) ⋅ d r (θ, φ) ⋅ dΩ 4π ∫∫

ta =

fa =

ta ⇒ Fa = 10 log(f a ) t0

FIGURA 1 Fa máximo y mínimo en función de la frecuencia (0,1 a 104 Hz) 32

2,9 × 10

300

2,9 × 1030

260

2,9 × 10

240

2,9 × 10

28

26

220

2,9 × 1024

C

2,9 × 1022

200 B

20

180

2,9 × 10

160

2,9 × 10

140

2,9 × 10

18

16

t a (K)

Fa (dB)

A 280

La fig.1 comprende la gama de frecuencias de 0,1 Hz a 10 kHz. La curva de trazo continuo corresponde a los valores medianos mínimos esperados de Fa basados en mediciones (teniendo en cuenta la superficie total de la Tierra, para todas las estaciones y horas del día) y la curva discontinua a los máximos valores esperados. Es de notar que en esta gama de frecuencias las variaciones estacionales, diarias o geográficas son muy pequeñas.

14

2,9 × 10

120 10 –1

2

5

2

5

1

2

5

10

10 2

2

5

2

10 3

5

10 4

Frecuencia (Hz) A: Microimpulsos B: Valor mínimo previsto del ruido atmosférico C: Valor máximo previsto del ruido atmosférico

0372-01

Ruido de antena FIGURA 2 Fa en función de la frecuencia (104 a 108 Hz)

180

2,9 × 1020

160

2,9 × 1018 2,9 × 10 16

140 120

2,9 × 10 14

100

2,9 × 1012

80

2,9 × 10 10

C

2,9 × 10 8

60 B

40

E

2,9 × 10 6

D

2,9 × 10 4

20 0 10 4

2

5

10 5

2

5

10 6

2

5

10 7

2

5

2,9 × 10 2 10 8

Frecuencia (Hz) A: B: C: D: E:

Ruido atmosférico, valor excedido durante el 0,5% del tiempo Ruido atmosférico, valor excedido durante el 99,5% del tiempo Ruido artificial, punto de recepción tranquilo Ruido galáctico Ruido artificial mediano en una zona comercial 0372-02 Nivel de ruido mínimo previsto

t a (K)

Fa (dB)

A

La fig. 2 comprende la gama de frecuencias de 10 kHz a 100 MHz para diversas categorías de ruido. Las curvas de trazo continuo muestran el ruido mínimo esperado. Para el ruido atmosférico, se adoptan como valores mínimos de las medianas horarias previstos los excedidos durante el 99,5% de las horas y como valores máximos los excedidos durante el 0,5% de las horas. Para las curvas del ruido atmosférico, se han tenido en cuenta las horas del día, las estaciones y la superficie total de la Tierra.

Ruido de antena FIGURA 3 Fa en función de la frecuencia (108 a 1011 Hz)

40

2,9 × 10 6

30

2,9 × 10 5

La Fig. 3 comprende la gama de frecuencias de 100 MHz a 100 GHz. Aquí también el ruido mínimo se representa por curvas de trazo continuo, mientras que algunos otros ruidos de interés se indican por curvas discontinuas.

D

2,9 × 10 4

20 A

Fa (dB)

C 0

2,9 × 10 2

E (0°) B

t a (K)

2,9 × 10 3

10

2,9 × 10

– 10 E (90°) F

– 20

2,9

Obsérvese cómo los valores de ruido bajan desde valores elevadísimos a valores próx. a 290K conforme la frecuencia aumenta.

2,9 × 10 –1

– 30

2,9 × 10 –2

– 40 10 8

2

5

10 9 (1 GHz)

2

5

2

10 10

5

10 11

Frecuencia (Hz) A: B: C: D: E: : F:

Ruido artificial mediano en una zona comercial Ruido galáctico Ruido galáctico (en dirección del centro galáctico para un haz infinitamente estrecho) Sol en calma (haz con ½ grado de abertura orientado hacia el Sol) Ruido del cielo debido al oxígeno y al vapor de agua (antena de haz muy estrecho); curva superior, ángulo de elevación 0°; curva inferior, ángulo de elevación 90° Cuerpo negro (ruido de fondo cósmico), 2,7 K Nivel de ruido mínimo previsto 0372-03

Ruido del sistema receptor completo ANTENA kbta

ATENUADOR Atenuación aar Temperatura física tar

n s = k ⋅ t 0 ⋅ b ⋅ f sis

A

LÍNEA de TX Atenuación atr Temperatura física ttr

R

RECEPTOR Ganancia grx Factor de ruido frx

⎞ g ⎛ t + t ⋅ (a − 1) g rx = k ⋅ b ⋅ ⎜⎜ a ar ar + t eq ⎟⎟ ⋅ rx a ar a tr ⎠ a tr ⎝

t eq = t tr ⋅ (a tr − 1) + t 0 ⋅ (f r − 1) ⋅ a tr tn = tA =

t A + t ar ⋅ (a ar − 1) t + t ⋅ (a − 1) t ⇒ f n = f A = A = a ar ar a ar t0 a ar ⋅ t 0

S

Interferencia Definición. Es el efecto de una energía no deseada sobre la recepción de un sistema de radiocomunicación debido a una o varias emisiones, radiaciones inducciones o sus combinaciones que se manifiesta como degradación de la calidad, falseamiento o pérdida de la información que se podría obtener en ausencia de esta energía no deseada.

Interferencia Tipo. -Según el número de fuentes: simples (una) y múltiples (más de una) -Según la frecuencia: » Cocanal (a la misma frecuencia portadora de la señal deseada) » De canales adyacentes (la frecuencia de la interferente corresponde a canales contiguos al de la señal deseada) Caracterización: C/I (sistemas punto a punto)

p dar = p dat ⋅ g dt ⋅ g dr ⋅ l db ⇒ Pard = Patd + G dt + G dr + Ldb

p iar = p iat ⋅ g it ⋅ g ir ⋅ lib ⇒ Pari = Pati + G it + G ir + Lib C p dar p dat ⋅ g dt ⋅ g dr ⋅ ldb = = ⇒ I p iar p iat ⋅ g it ⋅ g ir ⋅ lib ⇒

C (dB) = Pard − Pari = Patd + G dt + G dr − Pati − G it − G ir + Ldb − Lib I

Interferencia Interferencias múltiples (sistemas punto a punto) n C (dB) = Pard − 10 log ∑ piarj I j=1

Relación protección (enlaces zonales):

R p = E d − E i = Patd + G dt − Pati − G it + 10 log = Patd + G dt − Pati − G it + 20 log

Rp =

η 4π ⋅ rd

2

− 10 log

η 4π ⋅ ri

2

=

4πλ ⋅ ri = Patd + G dt − Pati − G it + Ldb − Lib 4πλ ⋅ rd

C (dB) − G dr + G ir I

Variabilidad del campo eléctrico Las ondas radioeléctricas se propagan a través de un medio cuyas características físicas varían de manera aleatoria. Estas variaciones afectan a la intensidad de campo de la señal, por lo que los valores del campo eléctrico presentan: – Variaciones con ubicaciones (a lo largo de puntos equidistantes del transmisor). – Variaciones temporales (en el tiempo).

Gran parte de las variaciones que presenta la señal se deben a la existencia de varias contribuciones de la misma señal (multitrayecto). Se deben a la propagación por no estar en espacio libre. Se pueden cancelar parcialmente con la directividad de la antena

Disponibilidad/Diversidad Se entiende por disponibilidad el porcentaje de tiempo en que un enlace supera los requisitos de calidad (relación señal a ruido o probabilidad de error) Al variar la señal en el tiempo, los valores de ésta pueden bajar por debajo de un umbral La disponibilidad se calcula como el tiempo que se supera ese umbral

Para mejorar la disponibilidad, se puede usar más de un receptor y combinar las salidas (diversidad). La combinación más sencilla es la suma de las recepciones Se puede utilizar la mayor de las recepciones o ponderar con pesos adecuados cada salida

Sistemas limitados en potencia Los sistemas limitados en potencia son aquellos que la zona de cobertura se calcula a través de la potencia de señal recibida Esta potencia se compara con un valor y si lo supera se dice que hay cobertura Ejemplo: radioenlaces terrenales y espaciales de servicio fijo, radiodifusión por satélite, radionavegación. >>La relación señal a ruido es aquella que garantiza una buena calidad de recepción >>El ruido es el total. El que capta la antena, el que genera ésta y el del receptor >>La capacidad del canal es proporcional a la relación señal a ruido >>Las modulaciones digitales reducen su relación señal a ruido necesaria introduciendo codificación en la información

Sistemas limitados en potencia Potencia umbral es la suma de la potencia de ruido y la relación señal a ruido. Como ruido se define un máximo al que tienen que ajustarse todos los fabricantes. A esta potencia umbral también se le denomina sensibilidad

Pru (dBm) = N(dBm) + S / N(dB) Como se requiere una disponibilidad alta, hace falta dejar un margen para las variaciones estadísticas de la señal. Así se define la potencia nominal como la que tiene en cuenta ese margen que es función de la distribución que sigan las variaciones de campo eléctrico.

Prn (dBm) = Pru (dBm) + M (dB)

Sistemas limitados en interferencia El radio de cobertura se calcula comparando la intensidad de campo producido por el transmisor deseado y la intensidad de campo utilizable calculada para todas las fuentes interferentes. Ejemplo: redes de radiodifusión, móviles celulares...

Pru (dBm) = C / I(dB) + I(dBm) + M(dB)