Temperatura de ruido

Nivel de potencia de ruido introducido por un componente o fuente.

En electrónica, la temperatura de ruido es una forma de expresar el nivel de potencia de ruido disponible introducido por un componente o fuente. La densidad espectral de potencia del ruido se expresa en términos de la temperatura (en kelvins ) que produciría ese nivel de ruido Johnson-Nyquist , así:

${\displaystyle {\frac {P_{\text{N}}}{B}}=k_{\text{B}}T}$

dónde:

• ${\displaystyle P_{\text{N}}}$es la potencia de ruido (en W, vatios)
• ${\displaystyle B}$es el ancho de banda total (Hz, hercios) sobre el cual se mide esa potencia de ruido
• ${\displaystyle k_{\text{B}}}$es la constante de Boltzmann (1,381 × 10 ⁻²³  J/K , julios por kelvin)
• ${\displaystyle T}$es la temperatura de ruido (K, kelvin)

Por tanto, la temperatura de ruido es proporcional a la densidad espectral de potencia del ruido . Esa es la potencia que sería absorbida del componente o fuente por una carga adaptada . La temperatura de ruido es generalmente una función de la frecuencia, a diferencia de la de una resistencia ideal que es simplemente igual a la temperatura real de la resistencia en todas las frecuencias. ${\displaystyle P_{\text{N}}/B}$

Tensión y corriente de ruido.

Un componente ruidoso puede modelarse como un componente silencioso en serie con una fuente de voltaje ruidosa que produce un voltaje de _vn , o como un componente silencioso en paralelo con una fuente de corriente ruidosa que produce una corriente _de in . Este voltaje o corriente equivalente corresponde a la densidad espectral de potencia anterior y tendría una amplitud cuadrática media en un ancho de banda B de: ${\displaystyle {\frac {P}{B}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {{\bar {v}}_{\text{n}}^{2}}{B}}&=4k_{\text{B}}RT\\\\{\frac {{\bar {i}}_{\text{n}}^{2}}{B}}&=4k_{\text{B}}GT\end{aligned}}}$

donde R es la parte resistiva de la impedancia del componente o G es la conductancia (parte real) de la admitancia del componente . Por lo tanto, hablar de temperatura de ruido ofrece una comparación justa entre componentes que tienen diferentes impedancias en lugar de especificar el voltaje de ruido y calificar ese número mencionando la resistencia del componente. También es más accesible que hablar de la densidad espectral de potencia del ruido (en vatios por hercio), ya que se expresa como una temperatura ordinaria que se puede comparar con el nivel de ruido de una resistencia ideal a temperatura ambiente (290 K).

Tenga en cuenta que sólo se puede hablar de la temperatura de ruido de un componente o fuente cuya impedancia tenga un componente resistivo sustancial (y mensurable). Por tanto, no tiene sentido hablar de la temperatura de ruido de un condensador o de una fuente de tensión. La temperatura de ruido de un amplificador se refiere al ruido que se agregaría en la entrada del amplificador (en relación con la impedancia de entrada del amplificador) para tener en cuenta el ruido agregado observado después de la amplificación.

Temperatura de ruido del sistema

Un sistema receptor de RF generalmente se compone de una antena y un receptor , y las líneas de transmisión que conectan los dos. Cada uno de estos es una fuente de ruido aditivo . El ruido aditivo en un sistema receptor puede ser de origen térmico ( ruido térmico ) o puede ser de otros procesos externos o internos generadores de ruido. Las contribuciones de todas las fuentes de ruido normalmente se agrupan y se consideran un nivel de ruido térmico. La densidad espectral de potencia de ruido generada por cualquier fuente ( ) se puede describir asignando al ruido una temperatura como se define anteriormente: ^[1] ${\displaystyle P/B}$ ${\displaystyle T}$

${\displaystyle T={\frac {P}{B}}\cdot {\frac {1}{k_{\text{B}}}}}$

En un receptor de RF, la temperatura de ruido general del sistema es igual a la suma de la temperatura de ruido efectiva del receptor y de las líneas de transmisión y la de la antena. ^[2] ${\displaystyle T_{S}}$

${\displaystyle T_{S}=T_{A}+T_{E}}$

La temperatura de ruido de la antena proporciona la potencia de ruido que se ve en la salida de la antena. La temperatura de ruido compuesta del receptor y las pérdidas de la línea de transmisión representan la contribución de ruido del resto del sistema receptor. Se calcula como el ruido efectivo que estaría presente en los terminales de entrada de la antena si el sistema receptor fuera perfecto y no creara ruido. En otras palabras, es un sistema en cascada de amplificadores y pérdidas donde las temperaturas de ruido interno están referidas a los terminales de entrada de la antena. Por tanto, la suma de estas dos temperaturas de ruido representa la entrada de ruido a un sistema receptor "perfecto". ${\displaystyle T_{A}}$ ${\displaystyle T_{E}}$

Factor de ruido y figura de ruido.

Un uso de la temperatura de ruido es la definición del factor de ruido o figura de ruido de un sistema . El factor de ruido especifica el aumento de la potencia de ruido (referido a la entrada de un amplificador) debido a un componente o sistema cuando su temperatura de ruido de entrada es . ${\displaystyle T_{0}}$

${\displaystyle F={\frac {T_{0}+T_{\text{E}}}{T_{0}}}}$

${\displaystyle T_{0}}$Habitualmente se considera temperatura ambiente, 290 K.

El factor de ruido (un término lineal) se expresa más a menudo como la cifra de ruido (en decibelios ) mediante la conversión:

${\displaystyle NF=10\log _{10}(F)}$

La figura de ruido también puede verse como la disminución en la relación señal-ruido (SNR) causada al pasar una señal a través de un sistema si la señal original tenía una temperatura de ruido de 290 K. Esta es una forma común de expresar el ruido aportado. por un amplificador de radiofrecuencia independientemente de la ganancia del amplificador. Por ejemplo, supongamos que un amplificador tiene una temperatura de ruido de 870 K y, por tanto, un factor de ruido de 6 dB. Si ese amplificador se usa para amplificar una fuente que tiene una temperatura de ruido de aproximadamente la temperatura ambiente (290 K), como lo hacen muchas fuentes, entonces la inserción de ese amplificador reduciría la SNR de una señal en 6 dB. Esta relación simple se aplica frecuentemente cuando el ruido de la fuente es de origen térmico, ya que un transductor pasivo a menudo tendrá una temperatura de ruido similar a 290 K.

Sin embargo, en muchos casos la temperatura de ruido de la fuente de entrada es mucho más alta, como en el caso de una antena a frecuencias más bajas donde domina el ruido atmosférico. Entonces habrá poca degradación de la SNR. Por otro lado, una buena antena parabólica que mire a través de la atmósfera hacia el espacio (de modo que vea una temperatura de ruido mucho más baja) tendría la SNR de una señal degradada en más de 6 dB. En esos casos, es más apropiada una referencia a la temperatura de ruido del amplificador en sí, en lugar del factor de ruido definido según la temperatura ambiente.

Temperatura de ruido efectiva

La temperatura de ruido de un amplificador se mide habitualmente mediante el método del factor Y. Si hay varios amplificadores en cascada, la temperatura de ruido de la cascada se puede calcular utilizando la ecuación de Friis : ^[3]

${\displaystyle T_{\text{E}}=T_{1}+{\frac {T_{2}}{G_{1}}}+{\frac {T_{3}}{G_{1}G_{2}}}+\cdots }$

dónde

• ${\displaystyle T_{\text{E}}}$= temperatura de ruido resultante referida a la entrada
• ${\displaystyle T_{1}}$= temperatura de ruido del primer componente de la cascada
• ${\displaystyle T_{2}}$= temperatura de ruido del segundo componente de la cascada
• ${\displaystyle T_{3}}$= temperatura de ruido del tercer componente de la cascada
• ${\displaystyle G_{1}}$= ganancia de potencia del primer componente de la cascada
• ${\displaystyle G_{2}}$= ganancia de potencia del segundo componente de la cascada

Por lo tanto, la cadena de amplificadores se puede modelar como una caja negra que tiene una ganancia de y un factor de ruido dado por . En el caso habitual en el que las ganancias de las etapas del amplificador son mucho mayores que uno, se puede observar que las temperaturas de ruido de las etapas anteriores tienen una influencia mucho mayor en la temperatura de ruido resultante que las de las etapas posteriores de la cadena. Se puede apreciar que el ruido introducido por la primera etapa, por ejemplo, es amplificado por todas las etapas mientras que el ruido introducido por las etapas posteriores sufre una amplificación menor. Otra forma de verlo es que la señal aplicada a una etapa posterior ya tiene un alto nivel de ruido, debido a la amplificación del ruido por las etapas anteriores, de modo que la contribución del ruido de esa etapa a esa señal ya amplificada es de menos importancia. ${\displaystyle G_{1}\cdot G_{2}\cdot G_{3}\cdots }$ ${\displaystyle NF=10\log _{10}(1+T_{\text{E}}/290)}$

Esto explica por qué la calidad de un preamplificador o amplificador de RF es de particular importancia en una cadena de amplificadores. En la mayoría de los casos sólo es necesario considerar el factor de ruido de la primera etapa. Sin embargo, se debe comprobar que la figura de ruido de la segunda etapa no sea tan alta (o que la ganancia de la primera etapa sea tan baja) como para que de todos modos se produzca una degradación de la SNR debido a la segunda etapa. Esto será motivo de preocupación si la figura de ruido de la primera etapa más la ganancia de esa etapa (en decibelios) no es mucho mayor que la figura de ruido de la segunda etapa.

Un corolario de la ecuación de Friis es que un atenuador anterior al primer amplificador degradará la figura de ruido debida al amplificador. Por ejemplo, si la etapa 1 representa un atenuador de 6 dB , entonces . Efectivamente, la temperatura de ruido del amplificador se ha cuadruplicado, además de la contribución (menor) debida al propio atenuador (normalmente temperatura ambiente si el atenuador está compuesto de resistencias ). Una antena con poca eficiencia es un ejemplo de este principio, donde representaría la eficiencia de la antena. ${\displaystyle G_{1}={\frac {1}{4}}}$ ${\displaystyle T_{\text{E}}=T_{1}+4T_{2}+\cdots }$ ${\displaystyle T_{2}}$ ${\displaystyle T_{1}}$ ${\displaystyle G_{1}}$

Ver también

• Densidad espectral de ruido

Referencias

1. Skolnik, Merrill I., Manual de radar (segunda edición). McGraw-Hill, 1990. ISBN  978-0-07-057913-2
2. Skolnik, Merrill I. (2001). Introducción a los sistemas de radar (Tercera ed.). Boston: McGraw-Hill. págs. 731–732. ISBN 0-07-290980-3.
3. McClaning, Kevin y Tom Vito. Diseño de receptores de radio. Atlanta, GA: Noble Publishing Corporation, 2000. ISBN 1-884932-07-X .