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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)