Parámetros de Calidad de Señal Ing Parámetros de Calidad de Señal Ing. Juan Ramon Garcia Bish jrgbish@hotmail.com 1

Agenda Primera Parte : Parámetros de Calidad de Señal. Ruido y Distorsiones Diferentes tecnologías Segunda Parte : Mediciones sobre señales de CATV Prueba de perfomance Instrumentos de medición

Fuentes de Ruido Ruido producido por el hombre : Contactos defectuosos, ruido de ignicion, alumbrado fluorescente, artefactos eléctricos. Perturbaciones naturales que ocurren irregularmente : Relampagos, tormentas electricas, ruido intergalactico, disturbios atmosféricos. Ruido de fluctuacion que se presenta en el interior de los sistemas físicos : Es el que analizaremos a continuación

Ruido de Fluctuación Se produce debido a fluctuaciones espontaneas como el movimiento termico de los electrones libres dentro de un resistor y la generación/recombinación de huecos y electrones en un semiconductor. Dos tipos básicos de ruido de fluctuacion : 1.- Ruido térmico 2.- Ruido de disparo (shot noise)

Ruido Térmico Se debe al movimiento aleatorio de los electrones en medios conductores como los resistores . La potencia de ruido máxima (en condiciones de adaptación) resulta directamente proporcional a la temperatura y al ancho de banda considerado : P = K.T.B Siendo : K = Constante de Boltzman = 1.38 x 10-23 Joule/°K T = Temperatura absoluta = 293 K (20 grad centig) B = Ancho de banda = 4.2 MHz (canal video) Con estos valores resulta P(dBmV) = -59 dBmV

Ruido de Disparo Se produce en dispositivos de tubos al vacio (válvulas) y en semiconductores. En los tubos al vacio se debe a la emisión aleatoria de electrones del cátodo. En los semiconductores se debe a la difusión aleatoria de portadores minoritarios y a la recombinación de los pares electrón-hueco

Factor de Ruido Es la relación entre la potencia total de ruido a la salida y la potencia de ruido a la salida debida exclusivamente a la entrada. También puede definirse como la relación entre las relaciones potencia de señal a potencia de ruido en la entrada y en la salida del equipo. El factor de ruido es un numero y resulta siempre superior a 1. F = Factor de ruido = (Si/Ni) / (So/No)

Figura de Ruido Cuando el número de ruido se lo expresa en decibeles se convierte en la figura de ruido. La figura de ruido expresa la degradación que se produce en la relación señal a ruido medida en la salida del equipo respecto a la entrada del mismo. Con un solo amplificador tenemos : NFdB = Figura de ruido = (Si/Ni)dB – (So/No)dB

Amplificadores en Cascada Para el primer amplificador de una cascada tendremos : (S/N)o = (S/N)i – F = Si + 59 dB – F Asi si por ejemplo el nivel de señal es de 10 dB y la figura de ruido 7 dB resulta : (S/N)o = 10 dB + 59 dB – 7 dB = 62 dB Si tenemos varios amplificadores de ganancia G en cascada entre los cuales se intercala una atenuacion AT = G la relacion S/N al final sera : (S/N)o-n = (S/N)o-1 – 10 log n

Amplificadores en Cascada

Señal-Ruido vs Portadora-Ruido Aunque muchas veces se los utiliza indistintamente en realidad no es lo mismo relación portadora a ruido que señal a ruido. La relación señal a ruido en realidad contempla otros elementos como son el ruido que lleva la misma información, en nuestro caso el video. La señal a ruido ademas contempla una ponderación del ruido de acuerdo a la respuesta propia del ojo en el caso de video o del oido en el caso del audio.

Variación relación C/N con nivel Resulta evidente que por cada dB que aumente la señal en la entrada de un amplificador mejorará en igual proporcion la relacion Carrier to Noise en la salida del mismo. Como contrapartida cuanto mayor sea el nivel operativo de un amplificador tanto mayor el comportamiento alineal del mismo con lo cual se incrementaran las distorsiones de la señal.

Resumen C/N

Distorsiones La caracteristica de transferencia del amplificador no es lineal. En la salida del amplificador aparecen componentes que no estaban presentes en la entrada del mismo.

Amplificador - Distorsiones Amplificador ideal : v0 = k0 . vi Distorsión de segundo orden : v0 = k0 . vi + k1 . vi2 aparecen en la salida armónicos : 2.f1 2.f2 y combinaciones tipo : f1-f2 f1+f2 Distorsión de tercer orden : v0 = k0 . vi + k1 . vi2 + k2 . vi3 aparecen armónicos : 2.f1 2.f2 3.f1 3.f2 combinaciones : 2.f1-f2 2.f2-f1 2.f1+f2 2.f2+f1 modulación cruzada - batido triple compuesto

Degradación de la Señal Distorsiones Batido simple de 2 orden ==> SSO Batido compuesto de 2 orden ==> CSO Batido compuesto de 3 orden ==> CTB Modulación de Zumbido ==> Hum Modulación Cruzada ==> XM

Donde estan las Distorsiones

Cantidad de Batidos

Cantidad de Batidos

CSO – Reglas Básicas Cada vez que duplicamos la cantidad de amplificadores en cascada se produce una degradacion de aproximadamente 4 dB en la relación portadora a batido triple compuesto. Por cada dB de reducción en el nivel operativo de los amplificadores se logra una mejora de 1 dB en la relación portadora a batido triple compuesto.

Calculos CSO

CTB - Reglas Básicas Cada vez que duplicamos la cantidad de amplificadores en cascada se produce una degradacion de 6 dB en la relación portadora a batido triple compuesto. Por cada dB de reducción en el nivel operativo de los amplificadores se logra una mejora de 2 dB en la relación portadora a batido triple compuesto. Esta relacionada a traves de 10.log con el numero de batidos

Cálculo CTB

Cálculo Modulación Zumbido

Modulación Zumbido Conversion : Porcentual - dB

Modulacion Cruzada Reglas Básicas Cada vez que duplicamos la cantidad de amplificadores en cascada se produce una degradacion de 6 dB en la relación portadora a batido triple compuesto. Por cada dB de reducción en el nivel operativo de los amplificadores se logra una mejora de 2 dB en la relación portadora a batido triple compuesto.

Cálculo Modulación Cruzada

Diferentes Tecnologías Single Ended (Salida simple) Push-Pull (Salida Simétrica) Hibridos en Paralelo (PHD o Power Doubling) Quadra Power Feed Foward

Tecnología de Salida Simple

Tecnología Push Pull

Tecnología Push Pull (Dos secciones en cascada)

Tecnología Push Pull Características En uso desde hace mas de 20 años cuando los sistemas comenzaron a transmitir mas de 13 canales. La salida simétrica reduce los productos de distorsión de segundo orden ( si existiera un balance perfecto se podrían anular totalmente). La integración del circuito amplificador ayuda a conseguir una mejor simetria. Hay hibridos que tienen su perfomance optimizada para una mejor figura de ruido (entrada) y otros para una menor distorsión (salida)

Tecnología Power Doubling

Tecnología Power Doubling Características Como cada mitad opera a un nivel 3 dB menor se logra reducir la distorsión de tercer orden en 6 dB. Despues de combinar ambas mitades se suman linealmente señal y distorsión manteniéndose la relación. La inserción real de las redes de división y combinación es mayor a 3 dB y la mejora en la distorsión resulta de aproximadamente 5 dB. Se produce una pequeña degradación de la figura de ruido ( empeora unos 0.5 dB).

Tecnología Cuadra Power

Tecnología Cuadrapower Características Dos circuitos Power Doubling en paralelo Mejora de 10 dB en la distorsión de tercer orden respecto a la tecnología Push Pull Degradación de 1 dB en la figura de ruido respecto a la tecnologia Push Pull. Incremento del consumo de energia y de la disipación.

Tecnología Feed Foward

Comparación de Tecnologías Push Pull PHD Quadra FF Gain 19 18 17 24 Noise Fig. 7.5 8 8.5 10.5 Carrier/CD 66 71 76 85 Nivel Oper ref +2.5 +5 -3 Consumo 5 W 10 W 20 W 16 W Costo relat. 100 (ref) 205 410 500

Mediciones en Sistemas de CATV Instrumentos básicos requeridos : 1.- Preamplificador de bajo ruido. 2.- Filtro pasabanda sintonizable. 3.- Atenuador variable. 4.- Medidor de nivel de señal (SLM) 5.- Analizador de espectro 6.- Analizador de constelaciones 7.- Medidores de tasa de error BER y MER.

Medidor de Nivel de Señal

Analizador de Espectro

Medición de Niveles

Medición de Niveles Velocidad de Barrido Analizador

Esquema Básico Medición de Distorsiones y C/N

Relación C/N Dominio Tiempo vs Frecuencia

Relación C/N

Corrección por Ruido del Preamplificador

Corrección por Ruido del Instrumento

Alinealidad del Analizador

Medición de CSO

Medición de CTB

Requerimientos FCC Niveles de señal Nivel mínimo en bornes del TV = 0 dB mV La medicioón del nivel mínimo en bornes del TV puede reemplazarse por una simulacion despues de 30 mts de cable de bajada domiciliaria . Nivel máximo en bornes del TV = evitar saturación Variación de niveles de señal : 3 dBmV máximo entre canales adyacentes 10 dBmV máximo en toda la banda (300MHz BW) se agrega 1 dBmV cada 100 MHz adicionales. Variación de nivel estacional = 8 dBmV máximo. Relación Video / Audio = 10 a 17 dBmV

Requerimientos FCC Ruido , Distorsiones y Leakage Relación Portadora a Ruido = 43 dB Relación Portadora a Batidos Coherentes : 51 dB para asignación de canales standard 47 dB para asignación de canales HRC / IRC Relación Portadora a Zumbido = 3% Radiación de Señal (Leakage) : por debajo de 54 MHz 15 uV/m @ 30 mts entre 54 MHz y 216 MHz 20 uV/m @ 10 mts por encima de 216 MHz 15 uV/m @ 30 mts Introduce el concepto de CLI (cummulative index leakage)

Requerimientos del FCC Puntos y Frecuencias a Medir Cantidad de puntos a medir : Mínimo 6 puntos (hasta 12500 abonados) Un punto de medición adicional cada 12500 abonados adicionales o fracción. Cantidad de frecuencias (canales) a medir : Mínimo 4 canales (hasta 100 MHz de BW) Un canal adicional cada 100MHz extra de BW