DETERIORO DE LA TRANSMISIÓN Última actualización: Contenido 1.- Introducción 2.- Atenuación. 3.- Distorsión. 4.- Ruido. 5.- Relación señal a ruido S/N. Objetivo.- Al finalizar, el estudiante será capaz de describir las principales fuentes de interferencia y de ruido que distorsionan la señal de información y los métodos utilizados para contrarrestarlos. Tema 4 de INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES ELECTRÓNICAS Edison Coimbra G. Última actualización: 12 de agosto de 2010 www.coimbraweb.com

1.- Introducción Las señales viajan a través de medios de transmisión, que no son perfectos. Las imperfecciones pueden causar deterioros en las señales. Esto significa que la señal al principio y al final del medio es distinta. Lo que se ha enviado no es lo recibido. Habitualmente ocurren 3 tipos de deterioro: atenuación, distorsión y ruido. www.coimbraweb.com

2.- Atenuación Mecanismos de pérdidas 1 2 3 La atenuación significa pérdida de energía. Cuando una señal viaja a través de un medio, pierde algo de su energía para vencer la resistencia del medio. Esta es la razón por la cual los cables que llevan señales eléctricas se calientan, si no arden, después de un cierto tiempo. Parte de la energía eléctrica de la señal se convierte en calor. Mecanismos de pérdidas Pérdida óhmica. Principalmente cuando aumenta la frecuencia por el efecto Skin. 1 Pérdida por radiación. Las líneas metálicas radian energía cuando aumenta la frecuencia. 2 3 Pérdida por fuga. El dieléctrico produce fugas de corriente, principalmente cuando aumenta la frecuencia. Para compensar la pérdida de energía, se usan amplificadores para amplificar la señal. www.coimbraweb.com

G = ganancia del sistema. En dB. La historia de los Bel Los primeros sistemas telefónicos usaban líneas abiertas (alambres de acero paralelos). Se experimentó que al cabo de 10 millas, la potencia eléctrica se reducía a 1/10 (un décimo) de su valor inicial. Esta proporción de 10 a 1 entre la potencia de entrada y de salida se volvió una unidad de medida: se llamó Bel, en honor al inventor del teléfono Alexander Graham Bell. Debido a que la proporción 10:1 es grande, se vió por conveniente dividirla en unidades más pequeñas, es así que nació el decibel (dB). El decibel (dB), por tanto, relaciona las potencias de una señal en dos puntos distintos, a través de la fórmula: G = ganancia del sistema. En dB. P1 = potencia de entrada: En W. P2 = potencia de salida. En W. Una amplificación de 3 dB significa que la potencia en el punto 2 es el doble de la del punto 1. Observe que la Ganancia es positiva si una señal se ha amplificado y negativa si se ha atenuado. Una atenuación de 3 dB (Ganancia de –3 dB) significa que la potencia en el punto 2 es la mitad de la del punto 1 www.coimbraweb.com

Ejemplo 2. Amplificación Ejemplo 1. Atenuación Imagine que la señal viaja a través de un medio de transmisión y que su potencia se reduce a la mitad. Esto significa que P2 = (1/2) P1. Calcule la atenuación (pérdida de señal) en dB. Respuesta: –3dB. Equivalente a perder la mitad de la potencia. Ejemplo 2. Amplificación Una señal pasa a través de un amplificador y su potencia se incrementa 10 veces. Esto significa que P2 = 10 P1. Calcule la amplificación (ganancia) en dB. Respuesta: 10 dB. Ejemplo 3. Operaciones con dB Una razón por la que los ingenieros usan los dB para medir cambios de potencia de una señal es que los dB se pueden sumar o restar cuando se miden varios puntos. La Figura muestra una señal que viaja una larga distancia desde el punto 1 al punto 4. Está atenuada al llegar al punto 2. Entre los puntos 2 y 3, se amplifica. De nuevo, entre los puntos 3 y 4, se atenúa. Se pueden obtener los dB resultantes para la señal sin más que sumar los dB medidos entre cada par de puntos. Respuesta: –3+7–3=+1. Antes que se inventara la maquina de calcular, se usaban los logaritmos para simplificar la multiplicación y división; como un proceso basado en potencias de 10. www.coimbraweb.com

El dBm G = ganancia del sistema. En dBm. Ejemplo 4. Pérdida de un cable La pérdida en un cable se define habitualmente en dB/km. Si la señal al principio del cable tiene una potencia de 2 mW, y el cable tiene una pérdida de 0,3 dB/km, calcule la potencia de la señal a los 5 km. Respuesta: 1.4 mW. Ejemplo 5. Amplificadores Los amplificadores usados en electrónica son especificados en dB. Por ejemplo, un amplificador con Ganancia de 20 dB, significa que éste amplificará la señal de entrada 100 veces. En cambio, uno de 30 dB amplificara 1.000 veces la señal de entrada El dBm El dB es una medida relativa, pero cuando es necesaria una medición absoluta de potencia, por ejemplo en un punto de un circuito electrónico, se utiliza el dBm, es decir se toma como referencia 1 mW. G = ganancia del sistema. En dBm. P = potencia de la señal en cualquier punto. En W. El término dBm se emplea, por lo general, cuando se trabaja con potencias entre 0 y 1 W. En este caso es más fácil hablar en términos de mW o dBm. Ejemplo 6. Nivel de dBm Respuesta: –30dBm. Para 1 mW es 0dBm. La potencia de una señal es 1 W. Calcule su equivalente en dBm. De igual manera para una potencia de 1mW. www.coimbraweb.com

Facilidad de medida Ejemplo 7. Nivel de dBm Un amplificador de 20 dB se conecta a otro de 10 dB por medio de una línea de transmisión con una pérdida de 4 dB. Si al sistema se le aplica una señal con un nivel de potencia de –12dBm, calcule el nivel de la potencia de salida. Respuesta: –12dBm+26 dB=14dBm. Parecería que se están sumando cantidades diferentes, pero no es así. Ambas cantidades son logaritmos de relaciones de potencia y, por tanto, son adimensionales. Los dB y dBm no son unidades como A o V: "dB" indica la operación de que realizó un cociente, y la "m" sigue la pista de un nivel de referencia. Facilidad de medida La ventaja de usar dBm es que simplifica la medición de la potencia. Algunos instrumentos tienen dos escalas para indicar el nivel de potencia. La escala superior, graduada en mW mide 0.25mW. Ejemplo La escala inferior, graduada en dBm mide –6dBm. www.coimbraweb.com

Atenuación en líneas de transmisión La gráfica muestra la atenuación de distintas líneas en función de la frecuencia de operación: par trenzado, cable coaxial y fibra óptica. Especificaciones para enlaces punto a punto La tabla indica las características típicas de las líneas de transmisión más comunes utilizadas en enlaces punto a punto de larga distancia . www.coimbraweb.com

3.- Distorsión La distorsión significa que la señal cambia su forma de onda. La distorsión ocurre en una señal compuesta, formada por distintas frecuencias. Cada señal componente tiene su propia velocidad de propagación a través del medio y, por tanto, su propio retraso en la llegada al destino final. Las diferencias en los retrasos pueden crear un desfase si el retraso no es exactamente el mismo que la duración del periodo. En otras palabras, los componentes de la señal en el receptor tienen fases distintas de las que tenían en el emisor. La forma de la señal compuesta es por tanto distinta. Imagen distorsionada www.coimbraweb.com

4.- Ruido El ruido se define como cualquier energía eléctrica no deseada que aparece en la frecuencia de la señal deseada e interfiere con ella perturbando la comunicación. Señal senoidal pura Señal senoidal con ruido Ruido térmico constante causado por el movimiento aleatorio de electrones en un cable o componente electrónico. Ruido impulsivo causado por el pico de energía alta en un periodo de tiempo muy corto que viene de líneas de potencia, iluminación , etc. www.coimbraweb.com

Formas de ruido eléctrico El correlacionado tiene relación directa con la señal, es producido por amplificaciones no lineales de la señal. Incluye armónicos y distorsión de intermodulación. El no correlacionado está presente sin importar si hay una señal presente o no. Se produce en los medios de transmisión, circuitos, amplificadores, etc. www.coimbraweb.com

Ruido externo e interno El ruido externo es generado fuera de un sistema de comunicación y se introduce en él. El ruido generado externamente, se considera como tal sólo si sus frecuencias caen dentro de la banda útil del sistema de comunicación. El ruido interno es la interferencia eléctrica generada dentro de un dispositivo. Todo equipo electrónico genera ruido. Tanto los componentes pasivos (resistores y cables) como los dispositivos activos (diodos, transistores) pueden ser fuentes de ruido. www.coimbraweb.com

Ruido térmico Potencia del ruido térmico N = potencia del ruido, en W. Se produce por el movimiento aleatorio de los electrones en un conductor debido al calor. Al aumentar la To se incrementa el movimiento de los electrones y produce un flujo de corriente. El flujo de corriente es resistido: los átomos están agitados y los electrones chocan unos con otros. Esta resistencia aparente del conductor produce un voltaje aleatorio que técnicamente se llama ruido (voltaje de ruido). El ruido térmico está presente en todas las frecuencias (ruido blanco). Potencia del ruido térmico N = potencia del ruido, en W. N0 = densidad espectral de ruido, en W/Hz o J. k = constante de Boltzmann, 1.38×10–23, en J/K. T = temperatura absoluta, en K (oC + 273). B = ancho de banda de la potencia de ruido, en Hz. La potencia del ruido producido por una fuente de ruido térmico se calcula en función de su To y del ancho de banda útil, según Johnson (1928). www.coimbraweb.com

Temperatura de ruido De un amplificador Para comprender el concepto, se modela un amplificador real (ruidoso) por un amplificador ideal (que no genera ruido) con una resistencia en serie a la entrada. La temperatura de ruido del amplificador es la temperatura equivalente Te de una resistencia, que genera la misma potencia de ruido a la salida del amplificador ideal que la generada por el amplificador real cuando este no tiene ruido a la entrada. Por esta razón, el ruido se calcula a la entrada del amplificador, utilizando para ello la temperatura equivalente de ruido Te proporcionada por el fabricante. Esta temperatura está directamente relacionada con la temperatura física del aparato electrónico, pero no es necesariamente igual a ella. www.coimbraweb.com

Temperatura de ruido de una antena No sólo se introduce ruido por el amplificador, sino también por la antena; capturado a través del lóbulo principal y los secundarios de su patrón de radiación, con diferentes intensidades, desde diversas direcciones y de varias fuentes. La magnitud del ruido capturado se calcula en función de una temperatura de ruido de la antena. Temperatura de ruido combinado, tomando la suma de ruido cósmico, galáctico y troposférico, en función de la frecuencia de recepción y del ángulo de elevación de la antena La temperatura de ruido total del sistema de recepción será, entonces, la suma de la temperatura de ruido de la antena y del amplificador referidas al mismo punto. www.coimbraweb.com

Autodiafonía o diafonía de extremo cercano NEXT Diafonía o crosstalk Se debe al acoplamiento eléctrico no deseado entre líneas adyacente o cuando antenas captan señales no deseadas. Es del mismo orden que el ruido térmico. Autodiafonía o diafonía de extremo cercano NEXT Potencia transmitida Transmisor Equipo de comunicación Receptor Potencia recibida www.coimbraweb.com

5.- Relación señal a ruido S/N Lo que importa es la relación de la potencia de la señal y la potencia del ruido. Esta relación S/N es una de las especificaciones más importantes de cualquier sistema de comunicaciones. S/N es la razón entre lo que se quiere (señal) y lo que no se quiere (ruido). Una S/N baja indica que la señal está muy corrompida por el ruido. www.coimbraweb.com

FIN Figura de ruido NF Es común que NF se exprese en dB. Todos los conductores producen ruido y los dispositivos activos también añaden su propio ruido, entonces, cualquier etapa en un sistema de comunicación agrega ruido. Por ejemplo, un amplificador amplificará por igual la señal y el ruido en su entrada, pero también añadirá cierto ruido. Por tanto, la S/N en la salida es más baja que en la entrada. S/N es la relación de potencia de señal a ruido de entrada y de salida respectivamente, (no en dB). Es común que NF se exprese en dB. En ocasiones, a la NF se le denomina cifra de ruido o factor de ruido. FIN www.coimbraweb.com