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