1 Ruido e interferencia.

1.1 Introducción

Ruido es aquella señal que cae dentro del ancho de banda de la señal que se está

transmitiendo y que aporta energía no deseada. En este capítulo se presentan los conceptos

básicos del ruido e interferencia que afectan a los sistemas de telecomunicaciones. Se

clasificarán por su naturaleza y se indicará los métodos, si es posible, para mitigarlos.

1.2 Clasificación

En la tabla 4.1 se indica una posible clasificación de los ruidos y se incluye la interferencia

como un tipo especial de ruido. Se presentan los ruidos más importantes para un sistema de

comunicaciones.

Tabla 4.1 Clasificación de los tipos de ruido.

Relación con el

sistema

Relación con la señal

de entrada Subtipo/nombre

Térmico

No correlacionado Tránsito

Disparo

Distorsión armónica

Interno

Correlacionado Distorsión por

intermodulación

Atmosférico

Terrestre-humano

Extraterrestre

Impulsivo

Externo No correlacionado

Interferencia

La primera división se realiza entre los ruidos que se generan dentro del sistema de

comunicaciones y aquellos que son internos a éste. Los ruidos internos normalmente son

Propiedad. Ernesto Sabogal G.

causados por el paso de los portadores y su interacción con los materiales; adicionalmente,

la no linealidad de algunos componentes del sistema.

La segunda división se da entre aquellos ruidos que solo se presentan cuando existe una

señal a la entrada del sistema: denominados ruidos correlacionados. O los ruidos que

siempre están presentes independientes de la existencia de una señal o no: no

correlacionados.

El subtipo normalmente indica el nombre común como se conocen cierto tipo de ruidos

particulares.

Ruido térmico: los electrones en un conductor se mueven de forma aleatoria y su velocidad

es proporcional a la temperatura. Este movimiento genera choques entre los electrones y la

estructura molecular del conductor. Parte de la energía se convierte en corrientes y voltajes

locales. El componente dc de este voltaje, en el conductor es cero, pero se mantienen

componentes de voltajes a.c. en todas las frecuencias. Debido a que este ruido existe en

toda la banda de frecuencias con una magnitud similar se denomina ruido blanco. Otra

propiedad es que este ruido siempre es aditivo, no se puede eliminar ni minimizar en un

sistema; por lo cual, es el mínimo ruido que se debe tener en cuenta en un sistema de

comunicaciones. El valor de este ruido se puede calcular para un ancho de banda B y cierta

temperatura T en grados Kelvin según

N KBT= (0.1)

Donde K es la constante de Boltzman 231.38 10 /K x J K−

= ° .

Ruido de disparo: la corriente en un conductor no está dada por un flujo continuo y estable

de portadores –electrones y huecos-. La presencia aleatoria de los portadores generan este

tipo de ruido; los elementos principales generadores de este tipo de ruido son: diodos y

transistores –FET y bipolares-; este ruido toma su nombre por la manera que éste se

escucha. Es de carácter aditivo y se suma al térmico.

Ruido de transito: cuando se modifica el flujo de portadores –huecos o electrones- se

genera un ruido relacionado con el tiempo de transito de los portadores. Este ruido

dependerá de aquellas variables que afecten el tiempo de transito de los portadores como: la

geometría del semiconductor, movilidad de los portadores y voltaje de polarización.

Propiedad. Ernesto Sabogal G.

Ruido atmosférico: generado por cambios eléctricos en la atmósfera. Principalmente por

fenómenos relacionados con la carga o descarga de electricidad estática –rayos-. Este ruido

afecta fuertemente a los sistemas de comunicación hasta la banda HF.

Ruido terrestre-humano: ruido generado en la tierra pero no de carácter natural.

Básicamente todos los dispositivos creados por el hombre generan de una u otra forma

ciertos niveles de ruido; en especial los sistemas que realizan conmutaciones o generan

chispas.

Ruido extraterrestre: ruido generado más allá de la atmósfera terrestre. Ocasionalmente se

divide en tres tipos de fuentes:

• Solar: compuesto por un ruido de magnitud constante y cambios ocasionales fuertes

relacionados con la actividad solar.

• Galaxia: generado en la Vía Láctea.

• Cósmico: ruido que proviene de regiones más lejanas que nuestra galaxia. Es de un

nivel muy bajo y se asume que es igual en todos los sentidos del espacio.

Ruido impulsivo: normalmente es un ruido de gran amplitud y muy corta duración.

Típicamente generado por elementos que realización conmutaciones bruscas: apertura y

cierre de interruptores y algunos tipos de motores eléctricos. Este ruido se podría catalogar

dentro de externo causado por el hombre, pero debido a que su efecto genera un ruido en un

gran ancho de banda, se toma como un tipo especial.

Cuando un sistema no es perfectamente lineal con la frecuencia, la amplitud de la señal de

salida se distorsiona; esto se denomina distorsión armónica. Este efecto genera la aparición

de armónicos de la señal los cuales pueden causar interferencias a otros señales que se

transportan por el sistema de comunicaciones o a otros sistemas.

En los sistemas de comunicaciones es normal realizar funciones como multiplicación y

suma de señales. En el caso que estos sistemas no sean lineales se generarán armónicos de

la suma y resta de las frecuencia de las dos señales. Este fenómeno se denomina distorsión

de intermodulación.

La interferencia es cuando cierta energía de un sistema de comunicaciones afecta a otro.

Algunos ejemplos serían las estaciones de FM sobre los canales 6 y 7 de televisión. Existen

dos tipos especiales de interferencia:

• Interferencia cocanal: en un sistema de comunicaciones es normal reutilizar ciertas

frecuencias o canales (ejemplo: televisión, celular). Cuando dos sistemas operan en

Propiedad. Ernesto Sabogal G.

la misma frecuencia y se interfieren entre sí se denomina interferencia cocanal. Este

tipo de interferencia normalmente es entre sistemas que prestan el mismo servicio.

• Interferencia de canal adyacente: es posible que por problemas de filtros, la señal de

un sistema no esté correctamente limitada a su ancho de banda. En este caso parte

de la energía de la señal cae en el canal vecino. Se denomina interferencia de canal

adyacente: nuevamente, se denomina de esta manera para sistemas que prestan un

mismo servicio (televisión, celular, otros).

1.3 Relación S/N y Eb/No

En los sistemas de comunicación es importante medir la relación de la potencia de la señal

a la potencia del ruido. Esta relación normalmente permite calcular la probabilidad de error

para una modulación dada, tema que se tratará en el capítulo de modulación. Esta relación

será fundamental para los cálculos de enlaces, cálculo de las capacidades de sistemas de

celulares, otros.

Es importante notar que la relación S/N se da en valores de potencia. En ocasiones este

valor se da en dB, se deberá tener cuidado de realizar las conversiones pertinentes.

dB dB

dB

SS N

N

= − (0.2)

De la ecuación (0.2) es claro que la relación S/N indica que tanto sobresale la señal sobre el

ruido.

En los sistemas digitales, aunque este valor es muy importante, brinda mayor información

la relación de la energía de bit a la densidad espectral de potencia Eb/No. Eb es la energía

que utiliza un sistema de comunicaciones para transmitir un bit. No es la densidad espectral

del ruido; el mínimo ruido que se debe considerar, en un sistema de comunicaciones, es el

térmico y como éste es de carácter blanco, No es una constante.

En la ecuación (5.3) se relaciona la potencia de la señal, el periodo o tiempo requerido para

transmitir un bit y su energía. En la ecuación (5.4) se relaciona la potencia del ruido, la

densidad espectral de potencia y el ancho de banda requerida para la transmisión.

Finalmente en (5.5) se relaciona el Eb/No con el S/N.

Propiedad. Ernesto Sabogal G.

b bE S T= ⋅ (0.3)

oN N B= ⋅ (0.4)

b

o b

E S B

N N f= ⋅

(0.5)

Ejemplo 5.1

Un sistema trabaja a 20°C, transmite a 16kbps, utiliza un ancho de banda de 200KHz, el único ruido que

se tiene en cuenta es el térmico. La relación S/N mínima es de 12dB para que el equipo funciones dentro

de los límites correctos.

a. ¿Calcule el ruido térmico?

b. ¿Cuál es el Eb/No mínimo del sistema?

c. ¿Cuál es la potencia mínima?

a. Ruido térmico:

23 3 16

16

1.38 10 200 10 293 8.09 10

10log(8.09 10 ) 150.9dB

N KBT x x x w

N x dB

− −

−

= = ⋅ ⋅ =

= = −

b. Eb/No mínimo:

12

1012 10 15.85S S

dBN N

= ⇒ = =

3

3

200 1015.85 198.13 22.97

16 10

b

o

E xdB

N x= ⋅ = ≡

c. Potencia mínima:

16 1415.85 8.09 10 1.28 10 138.9S x x w dB− −

= ⋅ = ≡ −

Propiedad. Ernesto Sabogal G.