RUIDO ELECTRICO

Corrientes o tensiones interferentes e indeseadas en aparatos eléctricos o sistemas. El ruido eléctrico, en general simplemente denominado ruido, tiene un importante efecto en cualquier sistema eléctrico que se utilice para recoger, transmitir o elaborar o presentar información. En tales sistemas, como telefonía, radio, televisión, radar, radionavegación, telemetría, control electrónico u ordenadores electrónicos, las señales deseadas que transmiten la información pueden ser enmascaradas o distorsionadas por el ruido.

El ruido se puede originar ya externamente al aparato, en el cual aparece como estático atmosférico, o intermitente, como el ruido térmico de una resistencia. Puede resultar de fenómenos naturales, como los dos tipos de ruidos mencionados, o deberse a la interferencia de aparatos hechos por el hombre, como motores eléctricos o generadores cercanos.

La interferencia debida a los aparatos hechos por el hombre se puede eliminar generalmente mediante un buen diseño y un emplazamiento adecuado de los equipos. El ruido debido a fenómenos naturales muchas veces no se puede reducir por debajo de ciertos niveles fijos y un buen diseño solo asegurará que el equipo funcione con la mejor eficacia posible en presencia de ese ruido irreducible. Por ejemplo, un radiorreceptor no puede trabajar con señales recibidas muy débiles (comparadas con algún valor determinado por el ruido térmico en el propio receptor), independientemente de la amplificación que se emplee en el receptor, porque el ruido se amplifica con la señal.

FUENTES DE RUIDO

El ruido se puede clasificar convenientemente en ruido fluctuante y no fluctuante. Ruido fluctuante se define como aquel que no es predecible, a pesar de que pueda presentar cierta regularidad estadística.

Ruido fluctuante en los circuitos de tubos electrónicos. El ruido térmico es la tensión fluctuante que aparece en los terminales de una resistencia o de cualquier componente con resistencia interna debido al movimiento caótico de los electrones excitados térmicamente en la resistencia. El ruido de fluctuación propiamente dicho es causado por las variaciones de la corriente en un tubo o válvula termoionica de vacío producidas por la emisión irregular de electrones del cátodo caliente. El ruido de distribución es el resultado de las fluctuaciones de corriente en un electrodo correspondiente a una válvula de vacío de varios elementos, causados por la división irregular del flujo electrónico entre dos o más electrodos colectores (por ejemplo, la rejilla-pantalla y el ánodo de un tetrodo). El ruido de parpadeo es el resultado de las fluctuaciones de baja frecuencia en la corriente de una válvula de vacío causadas en apariencia por cambios relativamente lentos en las condiciones de emisión en varios puntos del cátodo. El ruido de contacto es el que aparece en las resistencias de carbón y micrófonos de carbón, por ejemplo, causado por la variación caótica de las fluctuaciones en la resistencia.

Ruido fluctuante en semiconductores. En los transistores también se origina un ruido fluctuante, así como en otros aparatos a base de semiconductores. Hay varios mecanismos en estudio y la terminología aún no se ha normalizado completamente. El ruido térmico, como se ha indicado antes, es el causado por el movimiento caótico de los electrones excitados térmicamente. Ruido de fluctuación o generación-recombinación es el producido por fluctuaciones en la densidad de portadora libre cuando se aplica un campo eléctrico. Ruido de exceso o de modulación es debido a lentas fluctuaciones en la conductividad. También se origina el ruido en los fotosconductores. La mayor parte de los mecanismos de generación de ruido fluctuante confirman el principio general de que las corrientes y tensiones totales observables son el resultado de muchas acciones fluctuantes a nivel microscópico.

Ruido fluctuante radiado. Cualquier aparato eléctrico que deba recibir radiaciones electromagnéticas recogerá también ruido fluctuante radiado junto con la señal. Las perturbaciones eléctricas en la atmósfera producen ruidos de carácter muy irregular, que a menudo aparecen como descargas violentas. Además de las perturbaciones atmosféricas, una antena recibe un ruido de fondo constante que es de origen térmico, radiación térmica de los gases de la atmósfera, y radiación térmica de cuerpos celestes y sistemas. Este ultimo es llamado también ruido interestelar. El sol radia ruidos en todo tiempo, pero durante los periodos de actividad de las manchas solares la intensidad de los ruidos radiados aumenta considerablemente.

Ruido no fluctuante. Este tipo de ruido es generalmente el resultado de radiación de otros equipos eléctricos, de acoplamientos accidentales con otros sistemas o bien de oscilaciones parásitas producidas en el propio circuito.

MEDIDA DEL RUIDO

La expresión medida del ruido se aplica a una amplia gama de mediciones de ruido fluctuante y de no fluctuante. Normalmente se refiere a la medida de la potencia media del ruido en un breve intervalo de tiempo (llamado contenido cuadratico). Esta clase de medida se puede hacer para comprobar el nivel de ruido contra el cual debe trabajar un sistema o para obtener información sobre el mundo físico. En radioastronomia, por ejemplo, se hacen mediciones muy delicadas de los ruidos procedentes de determinados planetas, estrellas o galaxias para obtener información sobre su constitución y velocidad relativa. En esta aplicación, la medición del ruido se efectúa con un aparato llamado radiómetro.

Las medidas de la potencia de ruido se hacen convenientemente amplificando el ruido por medio de un amplicador linear y utilizando a continuación un detector cuadratico seguido de un filtro pasa-bajo y un indicador para determinar la potencia media del ruido.

El circuito ilustrado mide la potencia del ruido en las bandas de frecuencias que pasan por el amplificador lineal. El filtro pasa bajo debe tener un ancho de banda mas estrecho que el del amplificador lineal para dar un promedio de la tensión fluctuante del detector (el filtro pasa-bajo puede formar parte, como es natural, del aparato indicador). En tal circuito, si el indicador responde linealmente a su tensión de entrada, su lectura es proporcional a la potencia del ruido. Los pares termoeléctricos o termistancias son buenos detectores cuadraticos. Los detectores de tubo electrónico y los de diodos a cristal se pueden hacer de respuesta cuadratica sobre una determinada gama. Si el amplificador no es lineal o el detector no sigue una ley cuadratica, el aparato aun indicará la potencia del ruido, pero se debe calibrar toda la curva de respuesta.

Los aparatos para la medida de potencia del ruido pueden ser de lectura directa o de comparación. En este ultimo caso, la comparación se realiza entre el ruido de la fuente que se quiere medir y el de una fuente calibrada.

ANALISIS MATEMATICO DEL RUIDO

Los efectos del ruido no fluctuante en un circuito eléctrico o sistema pueden ser determinados matemáticamente del mismo modo que se determinan las respuestas del circuito a las señales. El ruido fluctuante, que es impredecible y solo tiene ciertas propiedades estadísticas, debe ser tratado de distinta manera. Normalmente se emplean métodos probabilisticos.

La aplicación de la teoría de la probabilidad al análisis del ruido fluctuante se basa en el hecho de que para la mayoría de los mecanismos de generación de ruido (en particular todos los citados anteriormente, excepto quizás los atmosféricos) las formas de onda de ruido resultante tienen propiedades estadísticas que no varían con el tiempo. Estas propiedades estadísticas se deducen de un análisis de mecanismo de generación o son determinadas empíricamente por experimentación.

Una caracterización de una forma de onda de ruido fluctuante v(t) es, en términos probabilisticos, que la amplitud de la forma de onda del ruido caerá dentro de cualquier par de valores especificados en instantes determinados de tiempo. Por ejemplo, las probabilidades en un solo instante t pueden ser expresadas en términos de una densidad de probabilidad cuya función ft(x), definida por

Ft(x)dx = probabilidad de que (x < v(t) < x + dx)

Entonces, la probabilidad de que v(t) caiga entre dos valores a y b es

La mayoría de las clases de ruidos fluctuantes, incluyendo particularmente los que resultan de la suma de gran numero de efectos microscópicos, tales como el ruido térmico y el de fluctuación, tiene lo que se llama estadística normal o gaussiana. Se emplea la denominación ruido gaussiano para determinar tales ruidos. La función de la densidad de probabilidad para el ruido gaussiano es

donde mt y t2 son parámetros que determinan ft(x) y se llaman el valor medio (en el tiempo t) y la varianza (en el tiempo t), respectivamente.

El ruido fluctuante se dice que es estacionario si todas sus relaciones de probabilidad no cambian por una traslación en el tiempo. Así, en particular, para un ruido estacionario ft1(x) = ft2(x), para cualquier tiempo t1 y t2. De aquí que ft(x), mt y t2 no dependan del tiempo y, por lo tanto, se pueda suprimir el subíndice t. El ruido térmico de una resistencia a temperatura constante o el de fluctuación de un diodo en condiciones fijas de trabajo son ejemplos de ruido estacionario. Normalmente la tensión de ruido v(t) es estacionario y además tiene la propiedad de que la probabilidad de que v(t) caiga entre dos valores a y b cualesquiera en cualquier tiempo t es casi igual que la fracción de tiempo en que la tensión del ruido cae entre estos dos valores si el tiempo de observación es suficientemente largo. Esta propiedad, definida con mas precisión, se llama ergoticidad.

Para un ruido fluctuante estacionario ergotico, el valor medio m usado antes es solo el valor medio del ruido en un largo intervalo y la varianza 2 es el valor medio cuadratico de las fluctuaciones sobre el valor medio.

Otras cantidades útiles en la caracterización del ruido fluctuante son la función de covarianza R() y (para ruidos estacionarios) la densidad espectral de potencia N(f). La covarianza R() de una forma de onda de ruido v(t) da la medida de cuan íntimamente se relacionan, en promedio, los valores presentes y futuros de v(t). Para un ruido estacionario ergotico R() se define como el valor medio en el tiempo de un producto de amplitudes.

La densidad espectral de potencia N(f) da la distribución de la potencia media en la forma de onda del ruido v(t) en función de la frecuencia f; esto es, N(f)df es la potencia media que una tensión v(t) aplicada a través de una resistencia de 1 ohmio disiparía en el margen de frecuencia incrementar de f a f + df. Puede calcularse N(f) como la transformada de Fourier de R(), o

donde j =
.

Si una forma de onda de ruido estacionario v(t) con densidad espectral de potencia N(f) pasa a través de un filtro lineal invariante en el tiempo con una función de transparencia H(f), donde H(f) es la ganancia compleja del filtro a la frecuencia f, la densidad espectral de potencia del ruido de salida viene dada por N(f)| H(f)|2. El ruido de salida es también estacionario, y si el ruido de entrada es gaussiano, también es el de salida. Sin embargo, si se pasa un ruido gaussiano a través de un sistema no lineal, tal como el detector de ley cuadratica o un limitador, su estadística no es, en general, gaussiana.

Analizando la respuesta de un sistema eléctrico a señal mas ruido, una cantidad de interés es la relación de potencia de señal a potencia de ruidos, o brevemente, relación de señal a ruido en varios puntos del sistema. Si S(f)df es la potencia de la señal en la banda de frecuencia incrementar df en f, la relación señal a ruido incrementar es S(f)/N(f). Esta relación no cambia si pasa la señal mas ruido a través de un filtro lineal. Si S(f) y N(f) son integrados cada uno en la banda total de frecuencias que pasan, la relación de las integrales es la relación total de potencia de la señal a potencia de ruido.