CIRCUITOS DE RF 1
UCSM 2015
RPCG
0.48
0.5
n s t( )
10 t
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90.5
0.25
0
0.25
0.5
t
0Ruido trmico: n(t)
Seal elctrica de la voz humana, a la salida de un micrfono:
TIPOS DE RUIDO
El ruido consiste en la superposicin de seales indeseadas a la informacin que se est transmitiendo. Existen cuatro tipos fundamentales de ruido, a saber:
1. Ruido trmico, determinado por el movimiento browniano de los electrones en los conductores, por efecto de la agitacin trmica
2. Ruido de intermodulacin (IM), producto de la presencia de medios o dispositivos no lineales que distorsionan la seal. El efecto de la no linealidad es el de producir componentes armnicas de frecuencia mltiple de la fundamental. Este efecto se produce tambin en los procesos de modulacin, cuando dos seales son multiplicadas entre s, dando origen a toda una serie de componentes de variada frecuencia. Cualquier defecto en el filtrado puede causar que algunas de estas componentes aparezca como ruido en la banda pasante de otro canal de comunicacin
3. Ruido de interferencia (crosstalk), debido al acoplamiento indeseado entre canales de comunicacin. Puede ser de tipo elctrico o magntico, o bien puede originarse por defecto de filtrado entre canales adyacentes
4. Ruido impulsivo, consiste en la aparicin de picos aleatorios y de corta duracin. Afecta esencialmente los sistemas de transmisin de datos en cuanto incrementa la tasa de error
RUIDO TRMICOSe denomina tambin ruido blanco y se
caracteriza por tener un espectro de densidad de
potencia uniforme entre 0 y
f
Espectro unilateral de densidad de potencia
0
kT
No
A partir del espectro de densidad de potencia, es posible calcular la potencia de ruido disponible N a la salida de un canal de comunicacin de ancho de banda B, a pacto que este no introduzca ruido adicional y tenga una ganancia de potencia unitaria (e ideal).
k 1.3803 1023-
J
K
constante de Boltzman
T temperatura absolutade la fuente de ruido K[ ]
CanalIdeal de ancho de
bandaB y
Ganancia 1
ReceptoracopladoN
R
Generador de ruido Blanco
f0
H(f)
1
B
N = kTB
kT
N k TW
Hz
o
RUIDO EN DIODOS
Corriente de ruido
cuadrtica media I2
q= 1.6 x10-19 columbs
RUIDO EN TRANSISTORES DE UNION
Corriente de ruido
cuadrtica media Ien2
Modelo de ruido de Van der Zeil para BJT BC
RUIDO EN TRANSISTORES DE UNION
Modelo de ruido pi hibrido para operacin EC
POTENCIA DE RUIDO DISPONIBLE
Modelo de cuadripolo general
POTENCIA DE RUIDO DISPONIBLE
Ganancia de Potencia Disponible
Condicion para max. Gan. disponible
(adaptacin y/o acoplamiento)
RUIDO TERMICO DE CUADRIPOLO AMPLIFICADOR
RUIDO TERMICO DE CUADRIPOLO ATENUADOR
RUIDO TERMICO DE CUADRIPOLOS
Dos cuadripolos en cascada son equivalentes a un cuadripolo deganancia total el producto de ganancias y temperatura equivalente a latemperatura equivalente del primero ms la temperatura equivalentedel segundo dividido por la ganancia del primero.
RELACIN SEAL A RUIDO (S/N)
La relacin seal a ruido S/N es uno de los indicadores ms utilizados para determinar la calidad del canal de
comunicaciones
En cualquier punto de un enlace de comunicaciones, ms que el valor de potencia de la seal en absoluto o el valor de potencia de ruido en absoluto, es importante determinar la relacin entre ellas, puesto que la calidad del enlace es mejor cuanto ms grande es este cociente, es decir cuanto ms la potencia de la seal es grande comparada con la potencia del ruido. Una seal del mismo nivel de potencia del ruido es prcticamente inutilizable.
FACTOR DE RUIDO (F)Y
CIFRA DE RUIDO (NF)
Los equipos electrnicos, especialmente los amplificadores, originan ruido, por lo tanto incrementan el nivel de ruido. Si el nivel de la seal en un punto del sistema es comparable con el de ruido, entonces la calidad de la seal se ha irremediablemente comprometido.
Ancho de banda = B
Ganancia de potencia = G (o Atenuacin = L)
Factor de ruido = F
Se
Ne = k T B
Ss= G Se
Ns = k T B G F
FN s
N e G
S e
N e
S e
k T B(S/N)e =
S s
N s
S e
N e F(S/N)s =
o tambin F(S/N)
(S/N)s
e
CIFRA DE RUIDO: NFdB = 10 log ( F )
FRMULA DE FRIIS
G2F2
G1F1
L3F3
Ne Ns = kTBG1G2L3Feq
Ns = kTBGF
G
FNe = kTB
Nv
kTBG + Nv G = kTBGFNv = kTB (F-1)
kTB kTBG1F1 + kTB(F2-1) kTBG1G2F1 + kTBG2(F2-1)+kTB(F3-1)
k T B G1 G2 L3 F1 k T B G2 L3 F2 1- k T B L3 F3 1- k T B G1 G2 L3 F1F2 1-
G1
F3 1-
G1 G2
A la salida de la tercera etapa (punto 4):
Comparando con el ruido existente en este punto, es posible obtener el Feq (Frmula de Friis):
Feq F1
F2 1-
G1
F3 1-
G1 G2 ....
TEMPERATURA DE RUIDO
Ns = kTBGF
G
TNNe = kTB
Nv
kTBG + Nv G = kTBGFNv = kTB (F-1)
TN=T(F-1)Nv=kTNB
Potencia de ruido generada por el dispositivo nicamente (medida a la salida):
NsD k TN B G
Definimos: T N T F 1-( ) la Temperatura de Ruido del dispositivo
TEMPERATURA DE RUIDO
G2TN2
G1TN1
L3TN3
kTN1 Ns = kTNeqG1G2L3
kTN1G1+kTN2 kTN1G1G2+kTN2G2+kTN3
Frmula de Friis: TNeq TN1
TN2
G1
TN3
G1 G2 ....
Ruido en 1 Hz de ancho de banda
G1G2L3
TNeqkTNeq kTNeqG1G2L3
EJEMPLOS
Aplicacin de la frmula de FriisProblema 1
Dado el esquema de bloques de la figura, determine la relacin seal a ruido al ingreso de la lnea de transmisin en dB, as como la potencia de la seal en mW.
Generador de Ruido Blanco
T = 320 K
B = 2.264 MHzSi= 0 dBm
NF1= 7 dBG1 = 20 dB
NF2= 3 dBG2 = 15 dB
So 0dbBm 20dB 15dB So 35dBm
Ni 10 log 1.3803 1023-
10log 320( ) 10 log 2.26 106 10log 103 Ni 110.01- dBm
F1 5.01 F2 2 G1 100
Feq F1
F2 1-
G1
Feq 5.02 NFeq 10 log Feq NFeq 7.01
No Ni 20 15 NFeq No 68- dBm
S
N
OdB
So No-S
N
OdB
103dB
So 3160 mW
dB
Problema RU-1
Un receptor, alimentado por un amplificador de bajo ruido de ganancia
50 dB y temperatura de ruido 90 K, tiene una figura de ruido de 12 dB.
Calcule la temperatura de ruido equivalente a la entrada del sistema.
RxG=1TN2
ABRG
TN1
kTN1 kTN1G+kTN2
SYSG
TNeq
kTNeq=k(TN1+TN2/G)
Solucin
La temperatura de ruido equivalente del receptor, considerado a la temperatura ambiente de 290 K, es igual a:
TNRx 10
NFRx
101-
T0 TNRx 4.306 10
3 K
De acuerdo a la frmula de Friis, la temperatura de ruido equivalente del sistema es igual a:
TNeq TNABR
TNRx
10
GABR
10
TNeq 90.043K
Observe como el amplificador de bajo ruido determina practicamente, la temperatura de ruido del sistema, a pesar de la elevada temperatura del receptor.
Problema 2
Problema 3
La segunda configuracin produce un rudo mucho mayor que la primera, esencialmente porqu el ruido del cable es amplificado.
Teq2 6.659 103
KTeq2 Tca
Tam
lca
TIF
gam lca
Para la segunda configuracin:
Teq1 707.242KTeq1 Tam
Tca
gam
TIF
gam lca
Calculamos la temperatura de ruido del sistema a la entrada del amplificador para la primera configuracin:
Tam 120Kgam 31.623
gam 101.5
TIF 900K
Tca 4.306 103
KTca To fca 1-
fca 15.849fca1
lca
To 290Klca 0.063lca 101.2-
A partir de los valores en dB de los datos del problema, se construye una tabla con esos mismos valores pero transformados de dB a coeficientes numricos:
SolucinUn amplificador tiene una ganancia de 15 dB y una temperatura de ruido de 120 K. Se puede conectar este amplificador a la entrada del cable principal que baja de la antena para alimentar al receptor (es decir en lo alto de la torre de antena), o bien a la salida del mismo (es decir, al pi de la torre). El cable presenta 12 dB de prdidas de insercin y el receptor (amplificador / demodulador de IF) tiene una temperatura de ruido de 900K.Cul de las dos configuraciones es la ms ventajosa para la S/N?
DISTORSION
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