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DETERIORO DE LA TRANSMISIÓN
C t id
Contenido
1.1.22.2.
3.-3.
4.-4.
5.-5.
Introducción
At
Atenuación.
ió
Distorsión.
Ruido.
Relación señal a ruido S/N.
Objetivo.-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
Última actualización:
12 de agosto de 2010
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Edison Coimbra G.
1
1.-- Introducción
1.
Las señales
L
ñ l viajan
i j
a ttravés
é
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
i
d
de d
deterioro:
i
atenuación, distorsión y
ruido.
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2
2.-- Atenuación
2.
La atenuación significa pérdida de energía. Cuando una señal viaja a través de un medio,
pierde
i d algo
l
d
de su energía
í para vencer lla resistencia
i t
i del
d l medio.
di
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
d pérdidas
é dd
1
2
Pérdida óhmica.
óhmica
Principalmente
p
cuando
aumenta la frecuencia por el
efecto Skin.
Pérdida por radiación.
radiación Las líneas
metálicas radian energía cuando
aumenta la frecuencia.
3
Pérdida por fuga.
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.
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3
La historia de los Bel
Los primeros sistemas telefónicos usaban líneas abiertas (alambres de acero paralelos). Se
experimentó que al cabo de 10 millas,
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
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
p
de una señal en dos
puntos distintos, a
través de la fórmula:
Observe q
que la Ganancia
es positiva si una señal se
ha amplificado y negativa
si se ha atenuado.
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G = ganancia del sistema. En dB.
P1 = potencia de entrada: En W.
W
P2 = potencia de salida. En W.
Una amplificación de 3 dB significa que la potencia en el
1
punto 2 es el doble de la del punto 1.
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
4
Ejemplo 1. Atenuación
Imagine que la señal viaja a través de un medio de transmisión y que su potencia se reduce a
la mitad.
mitad Esto significa que P2 = (1/2) P1. Calcule la atenuación (pérdida de señal) en dB.
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
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
i
lifi
lla multiplicación
l i li
ió y
división; como un proceso
basado en potencias de 10.
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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,
mW y el cable tiene una pérdida de 0,3
0 3 dB/km
dB/km, calcule la potencia de la
señal a los 5 km.
Respuesta: 1.4 mW.
Ejemplo
j
p 5. Amplificadores
p
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
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
La potencia de una señal es 1 W. Calcule su equivalente
en dBm. De igual manera para una potencia de 1mW.
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Respuesta: –30dBm.
Para 1 mW es 0dBm.
6
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 p
pérdida de 4 dB. Si al sistema se le aplica
p
una señal con un nivel de potencia
p
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.
potencia
La escala superior,
graduada en mW
mide 0.25mW.
La escala inferior,
graduada en dBm
mide –6dBm.
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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 .
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3.-- Distorsión
3.
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
d
crear un desfase
d f
sii ell retraso no es exactamente ell mismo
i
que lla d
duración
ió d
dell
periodo.
En otras palabras,
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
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4.-- Ruido
4.
El ruido se define como cualquier
q
energía
g eléctrica no deseada q
que aparece
p
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.
potencia,
etc
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Formas de ruido eléctrico
El correlacionado tiene relación directa con la señal
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.
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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.
ruido Tanto los componentes pasivos (resistores y cables)
como los dispositivos activos (diodos, transistores) pueden ser fuentes de ruido.
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Ruido térmico
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
p
del conductor produce
p
un voltaje
j aleatorio
que técnicamente se llama ruido (voltaje de ruido).
El ruido térmico está presente en todas las frecuencias (ruido blanco).
Potencia del ruido térmico
La potencia del
ruido producido
por una fuente
de ruido térmico
se calcula en
función de su To
y del ancho de
banda útil,
útil
según Johnson
(1928).
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N
N0
k
T B
potencia del ruido, en W.
densidad espectral de ruido, en W/Hz o J. constante de Boltzmann, 1.38
constante de Boltzmann, 1.38 10–23, en J/K.
, en J/K.
temperatura absoluta, en K oC 273 .
ancho de banda de la potencia de ruido, en Hz.
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Temperatura de ruido
De un amplificador
Para comprender
P
d ell concepto,
t se modela
d l un amplificador
lifi d reall (ruidoso)
( id
) por un amplificador
lifi d
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,
i t
i que genera lla misma
i
potencia
t
i d
de ruido
id a la
l salida
lid del
d l amplificador
lifi d id
ideall 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.
fabricante Esta temperatura
está directamente relacionada con la temperatura física del aparato electrónico, pero no
es necesariamente igual a ella.
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Temperatura de ruido de una antena
No sólo se introduce ruido por el
amplificador,
lifi d
sino
i
ttambién
bié 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
g
de elevación de la antena
ángulo
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.
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Diafonía o crosstalk
Se debe al acoplamiento eléctrico no deseado entre líneas adyacente o cuando antenas
captan
t
señales
ñ l no d
deseadas.
d
E
Es d
dell mismo
i
orden
d
que ell ruido
id té
térmico.
i
Autodiafonía o diafonía de
extremo cercano NEXT
Potencia transmitida
Transmisor
Equipo de comunicación
Receptor
Potencia recibida
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5.-- Relación señal a ruido S/N
5.
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/R baja indica
que la señal está
muy corrompida por
el ruido.
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Figura de ruido NF
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
p
/ en la salida es más baja
j q
que en la
entrada.
 ( S/N ) ent 
Fig ra de ruido
Figura
r ido NF  
 a 290 K
 ( S/N )sal 
S/N es la relación de potencia de señal a ruido de
entrada
d y de
d salida
l d respectivamente, (no
(
en dB).
d )
Es común que NF se exprese en dB.
En ocasiones, a la NF se le denomina cifra de ruido o factor de ruido.
FIN
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