En electrónica , el ruido es una perturbación no deseada en una señal eléctrica. [ 15
El ruido generado por los dispositivos electrónicos varía mucho, ya que es producido por varios efectos diferentes.
En particular, el ruido es inherente a la física y fundamental para la termodinámica . Cualquier conductor con resistencia eléctrica generará ruido térmico de forma inherente. La eliminación definitiva del ruido térmico en la electrónica sólo puede lograrse criogénicamente , e incluso entonces el ruido cuántico seguiría siendo inherente.
El ruido electrónico es un componente común del ruido en el procesamiento de señales .
En los sistemas de comunicación , el ruido es un error o una perturbación aleatoria no deseada de una señal de información útil en un canal de comunicación . El ruido es una suma de energía no deseada o perturbadora procedente de fuentes naturales y, a veces, artificiales. Sin embargo, el ruido normalmente se distingue de la interferencia , [a] por ejemplo en las medidas de la relación señal-ruido (SNR), la relación señal-interferencia (SIR) y la relación señal-ruido más interferencia (SNIR). El ruido también se suele distinguir de la distorsión , que es una alteración sistemática no deseada de la forma de onda de la señal por parte del equipo de comunicación, por ejemplo en las medidas de relación señal-ruido y distorsión (SINAD) y distorsión armónica total más ruido (THD+N).
Si bien el ruido generalmente no es deseado, puede resultar útil en algunas aplicaciones, como la generación de números aleatorios o el tramado .
Diferentes dispositivos y diferentes procesos generan diferentes tipos de ruido. El ruido térmico es inevitable a temperaturas distintas de cero (consulte el teorema de fluctuación-disipación ), mientras que otros tipos dependen principalmente del tipo de dispositivo (como el ruido de disparo , [1] [2] que necesita una barrera de potencial pronunciada) o la calidad de fabricación y los defectos del semiconductor . , como fluctuaciones de conductancia, incluido el ruido 1/f .
El ruido de Johnson-Nyquist [1] (más a menudo ruido térmico) es inevitable y se genera por el movimiento térmico aleatorio de los portadores de carga (generalmente electrones ), dentro de un conductor eléctrico , que ocurre independientemente del voltaje aplicado .
El ruido térmico es aproximadamente blanco , lo que significa que su densidad espectral de potencia es casi igual en todo el espectro de frecuencias . La amplitud de la señal tiene casi una función de densidad de probabilidad gaussiana . Un sistema de comunicación afectado por ruido térmico a menudo se modela como un canal de ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN).
El ruido de disparo en los dispositivos electrónicos resulta de fluctuaciones estadísticas aleatorias inevitables de la corriente eléctrica cuando los portadores de carga (como los electrones) atraviesan un espacio. Si los electrones fluyen a través de una barrera, entonces tienen tiempos de llegada discretos. Esas llegadas discretas exhiben ruido de disparo. Normalmente se utiliza la barrera de un diodo. [3] El ruido de los disparos es similar al ruido creado por la lluvia que cae sobre un techo de hojalata. El flujo de lluvia puede ser relativamente constante, pero las gotas individuales llegan discretamente. [4]
El valor cuadrático medio de la corriente de ruido de disparo i n viene dado por la fórmula de Schottky.
donde I es la corriente continua, q es la carga de un electrón y Δ B es el ancho de banda en hercios. La fórmula de Schottky supone llegadas independientes.
Los tubos de vacío presentan ruido de disparo porque los electrones abandonan aleatoriamente el cátodo y llegan al ánodo (placa). Es posible que un tubo no presente el efecto de ruido de disparo completo: la presencia de una carga espacial tiende a suavizar los tiempos de llegada (y, por tanto, a reducir la aleatoriedad de la corriente). Los pentodos y los tetrodos de rejilla de pantalla exhiben más ruido que los triodos porque la corriente del cátodo se divide aleatoriamente entre la rejilla de pantalla y el ánodo.
Los conductores y resistencias normalmente no presentan ruido de disparo porque los electrones se termalizan y se mueven de manera difusa dentro del material; los electrones no tienen tiempos de llegada discretos. El ruido de disparo se ha demostrado en resistencias mesoscópicas cuando el tamaño del elemento resistivo se vuelve más corto que la longitud de dispersión electrón-fonón. [5]
Cuando la corriente se divide entre dos (o más) caminos, [6] se produce ruido como resultado de fluctuaciones aleatorias que ocurren durante esta división.
Por esta razón, un transistor tendrá más ruido que el ruido de disparo combinado de sus dos uniones PN.
El ruido de parpadeo, también conocido como ruido 1/ f , es una señal o proceso con un espectro de frecuencia que cae constantemente hacia las frecuencias más altas, con un espectro rosa . Ocurre en casi todos los dispositivos electrónicos y es el resultado de una variedad de efectos.
El ruido de ráfaga consiste en transiciones repentinas en forma de escalones entre dos o más niveles discretos de voltaje o corriente, de hasta varios cientos de microvoltios , en momentos aleatorios e impredecibles. Cada cambio en el voltaje o la corriente de compensación dura de varios milisegundos a segundos. También se le conoce como ruido de palomitas de maíz por los chasquidos o crujidos que produce en los circuitos de audio.
Si el tiempo que tardan los electrones en viajar del emisor al colector en un transistor se vuelve comparable al período de la señal que se amplifica, es decir, en frecuencias superiores a VHF y superiores, se produce el efecto de tiempo de tránsito y la impedancia de entrada de ruido de el transistor disminuye. A partir de la frecuencia en la que este efecto se vuelve significativo, aumenta con la frecuencia y rápidamente domina otras fuentes de ruido. [7]
Si bien se puede generar ruido en el propio circuito electrónico, se puede acoplar energía de ruido adicional a un circuito desde el entorno externo, mediante acoplamiento inductivo o acoplamiento capacitivo , o a través de la antena de un receptor de radio .
En muchos casos, el ruido que se encuentra en una señal de un circuito no es deseado. Existen muchas técnicas diferentes de reducción de ruido que pueden reducir el ruido captado por un circuito.
El ruido térmico se puede reducir mediante el enfriamiento de los circuitos; esto normalmente solo se emplea en aplicaciones de alta precisión y alto valor, como los radiotelescopios.
El nivel de ruido en un sistema electrónico generalmente se mide como una potencia eléctrica N en vatios o dBm , un voltaje cuadrático medio (RMS) (idéntico a la desviación estándar del ruido ) en voltios, dBμV o un error cuadrático medio (MSE) en voltios. al cuadrado. Ejemplos de unidades de medición del nivel de ruido eléctrico son dBu , dBm0 , dBrn , dBrnC y dBrn( f 1 − f 2 ), dBrn(144- line ). El ruido también se puede caracterizar por su distribución de probabilidad y densidad espectral de ruido N 0 ( f ) en vatios por hercio.
Una señal de ruido suele considerarse como una adición lineal a una señal de información útil. Las medidas típicas de la calidad de la señal que involucran ruido son la relación señal-ruido (SNR o S / N ), la relación señal-ruido de cuantificación (SQNR) en la conversión y compresión de analógico a digital , la relación pico de señal-ruido (PSNR) ) en codificación de imágenes y vídeo y figura de ruido en amplificadores en cascada. En un sistema de comunicación analógico de banda de paso modulada por portadora, una cierta relación portadora-ruido (CNR) en la entrada del receptor de radio daría como resultado una cierta relación señal-ruido en la señal del mensaje detectado. En un sistema de comunicaciones digitales, una determinada E b / N 0 (relación señal-ruido normalizada) daría como resultado una determinada tasa de error de bits . Los sistemas de telecomunicaciones se esfuerzan por aumentar la relación entre el nivel de la señal y el nivel de ruido para poder transferir datos de forma eficaz. El ruido en los sistemas de telecomunicaciones es producto de fuentes tanto internas como externas al sistema.
El ruido es un proceso aleatorio, caracterizado por propiedades estocásticas como su varianza , distribución y densidad espectral . La distribución espectral del ruido puede variar con la frecuencia , por lo que su densidad de potencia se mide en vatios por hercio (W/Hz). Dado que la potencia en un elemento resistivo es proporcional al cuadrado del voltaje a través de él, el voltaje (densidad) del ruido se puede describir tomando la raíz cuadrada de la densidad de potencia del ruido, lo que da como resultado voltios por raíz de hercio ( ). Los dispositivos de circuitos integrados , como los amplificadores operacionales , suelen indicar niveles de ruido de entrada equivalentes en estos términos (a temperatura ambiente).
Si la fuente de ruido está correlacionada con la señal, como en el caso de un error de cuantificación , la introducción intencionada de ruido adicional, llamado dither , puede reducir el ruido general en el ancho de banda de interés. Esta técnica permite la recuperación de señales por debajo del umbral de detección nominal de un instrumento. Este es un ejemplo de resonancia estocástica .
Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de MIL-STD-188 ).
