Ruído em Sistemas de Telecomunicações

(1)

Ruído em Sistemas de Telecomunicações

SEL 413 Telecomunicações

Amílcar Careli César

Departamento de Engenharia Elétrica da EESC-USP

(2)

Atenção!



Este material didático é

planejado para servir de apoio

às aulas de

SEL-413:

Telecomunicações

, oferecida

aos alunos regularmente

matriculados no curso de

engenharia aeronáutica.



Não são permitidas a

reprodução e/ou

comercialização do material.



solicitar autorização ao

docente para qualquer tipo de

uso distinto daquele para o

qual foi planejado.

2 SEL413 Telecomunicações Amilcar Careli César USP EESC SEL

(3)

Ruído em sistemas de telecomunicações



Efeito

–

Limita o desempenho dos sistemas; distorce e

degrada informação recebida



Fontes

–

Interna: ruído gerado pelos componentes

–

Externa: ruído cósmico de fundo, ruído das

estrelas (incluindo o Sol), eletricidade estática,

raios, ignição de motores

(4)

Efeitos do ruído sobre sinais

17/10/2016 SEL413 Telecomunicações Amilcar Careli César USP EESC SEL 4

Si Wang, Ting-Zhu Huang, Xi-le Zhao, and Jun Liu, “An Alternating Direction Method for Mixed Gaussian Plus Impulse Noise Removal”

Abstract and Applied Analysis v.2013 (2013), Article ID 850360, http://dx.doi.org/10.1155/2013/850360

(5)

Tipos de ruído



_{Ruído térmico}

–

Gerado por agitação térmica de elétrons em condutor



Ruído shot

–

Gerado quando há barreira de potencial; junção PN;

semicondutores. Em geral, semicondutores produzem

ruído shot e ruído térmico



_{Ruído flicker (tremulação, lampejo)}

–

Associado à defeitos superficiais em semicondutores;

produzido em dispositivos a vácuo (revestimento

óxido de cátodo); fenômeno natural como radiação

nuclear

–

Inversamente proporcional à frequência (1/f)

(6)

Ruído adicionado ao canal de comunicação

TRANSMISSOR

CANAL

RECEPTOR

Fonte da

informação

Destino da

informação

Distorção

Interferência

Ruído

(7)

Potência média de ruído vs. frequência

10

2

₁₀

3

₁₀

4

0

10

20

30

40

50 dB

a

ci

m

a

de

k

TB

290 K

produzido pelo homem na cidade

produzido pelo homem nos

subúrbios

atmosférico

-10

galáctico

(8)

Ruído térmico-1



Movimento aleatório de elétrons livres em

condutores causado por agitação térmica



_{Nos terminais do condutor há tensão em}

circuito aberto



A resistência do condutor comporta-se como

um gerador de ruído



O gerador de ruído pode ser representado

pelo circuito equivalente de Thevenin



_{O espectro de ruído de faixa larga é conhecido}

como ruído Johnson (1928)

(9)

Ruído térmico-2

Valor médio quadrático

2 n



_{k: constante de Boltzmann, = 1,38.10}

-23

_{, J/K}



_{T: temperatura do resistor, K}



_{R: resistência, Ω}



_{B: largura de faixa, Hz}

volt

2

_rms

(10)

Ruído térmico-3

R, sem ruído

4 n

v



kTBR

Fonte de tensão

de ruído

±

R, com ruído

T

2 ₄

n

v



kTRB

volt

2

_rms

(11)

Ruído térmico-4

R, sem ruído

4 n

v



kTBR

R,

Sem ruído

4 n

kTB

i

R





Fonte de tensão

de ruído

Fonte de corrente

de ruído

±

(12)

Exemplo

Exemplo: R=50 ohms; T=290 K; B=1 GHz

23

9 (4)(1,38 10 )(290)(1 10 )

n

v

_

_



_

28,3

n

v





V rms

50 ohms, sem ruído

28,3

n

v





V rms

(13)

Potência disponível de ruído

R

n

v

_±

R

2 n

R

v

V 

Máxima potência que uma fonte de ruído transfere para uma carga resistiva.

Esta carga é igual à resistência interna do gerador

2 ₄

2 2

n

4 n

4 disp

R R

v

_KTBR

P

V I

R

  

_



_



_





_

_

_

_





  

disp

P



K

TB

wat

t

I

_R

(14)

Temperatura ambiente





 









0

2

1

3

21

2 1,38 10

/

293

1 4,057 10

4,057 10

Equivalente a

4,057 10

174 dBm

20 C

N

J K

K

Hz

J Hz

J s

K

W

P

TB

T





















 







(15)

Largura de faixa e potência de ruído

Largura de faixa

(Hz)

Potência de Ruído Térmico

(dBm)

1 −174

10 −164

100 −154

1 k

−144

10 k

−134

100 k

−124

180 k

−121,45

200 k

−120,98

1 M

−114

2 M

−111

6 M

−106

20 M

−101

(16)

Ruído nas portas de amplificador

R,

290 K

_{F, G}

_A

i

N



KTB watt

N

₀



G

_{A i}

N



N

_0,int

wa

t

N

_i

: ruído gerado na entrada pelo resistor R em temperatura ambiente T

N

_o

: ruído na saída do amplificador

N

_o,int

: ruído gerado internamente

G

_A

: ganho de potência disponível

(17)

Figura de ruído

0 ( ) 10log

SNR

i

F dB

SNR



_



_





_

_

_





i

S

SNR

N



0

0 S

SNR

N



Relação sinal-ruído na entrada

Relação sinal-ruído na saída

0

0 Se

;

i

1e

0 i

SNR

_F

_d

SNR

B



Na prática, SNR

₀

< SNR

_i

e F>0 dB

(18)

Fator de ruído de amplificador

F, G

_A

;

i

S N

₀

;

₀

0

1 i

i

A i

S N

SNR

S N

N

SNR

S N

S

F

N

N S S

N

G



(19)

Fator de ruído de amplificador

F, G

_A

i

N



KTB watt

N

₀



G

_{A i}

N



N

_0,int

wa

t

0,int

0 A i

1 A i

A i

G N

N

F

G N





 

0,int

1 A i

N

F

G N

(20)

Amplificadores em cascata-1

F

₁

, G

_A1

, B

F

₂

, G

_A2

, B

i

N



KTB

01 A

1 i

01,int

N



G N



N

02 A

2 A

1 i

A

2 01,int

02,int

N



G G N



G N



N

(21)

Amplificadores em cascata-2

F

₁

, G

_A1

, B

F

₂

, G

_A2

, B

01,int

1

1 A

i

N

F

G N

 

02,int

2

1 A

i

N

F

G N

 

i

N



KTB

N

₀₂

(22)

Amplificadores em cascata-3

F

₁

, G

_A1

, B

F

₂

, G

_A2

, B





01,int

1

1 A

1 i

N



F



G N

i

N



KTB

N

₀₂





02,int

2

1 A

2 i

N



F



G N

01 N

(23)

Amplificadores em cascata-4





01,int

1

1 A

1 i

N



F



G N

N

_02,int





F

₂



1 

G N

_A

₂

_i

02 A

2 A

1 i

A

2 01,int

02,int

N



G G N



G N



N









02 A

2 A

1 i

1

1 A

2 A

1 i

2

1 A

2 i

N



G G N



F



G G N



F



G N

2

1 A

A

i

G G N

Dividindo por



 

2 

02

1

2

1

1 A

A

i

A

F

N

_F

G G N

G



 

 

(24)

Amplificadores em cascata-5



 

2 

02

1

2

1

1 A

A

i

A

F

N

_F

G G N

G



 

 

02

2

1 A

A

i

N

_F

G G N



Fator de ruído da associação dos 2 amplificadores

2

1

1 A

A

F

G



 

(25)

Amplificadores ruidosos em cascata-6

R,

290 K

_F

1

, G

1

, B

F

2

, G

2

, B

F

3

, G

3

, B

F

n

, G

n

, B

F

_1,n

: fator de ruído global (relação entre potências); F

_n

: fator de ruído do

n-ésimo estágio; G

_n

: ganho do n-ésimo estágio (relação entre potências);

B: largura de faixa dos estágios amplificadores

2

3 1,

1

1 1 2

1 2

1

1 _n

1 n

n

F

G

G G

G G G

_



 



 



(26)

Figura de ruído de 3 amplificadores em cascata

0

2

4

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

2.4

2.6

2.8

3.0

3.2

3.4

3.6

3.8

4.0 F

ig

u

ra

d

e

r

uí

do

(

d

B

)

Ganho de potência disponível do primeiro amplificador (dB)

F

₁

=2,5 dB

F

₂

=3,0 dB

F

₃

=3,0 dB

G

_A2

=10 dB

G

_A3

=15 dB

2,5

2

3 1,3

1

1 1 2

1

1 F

F

G

G G



 



(27)

Figura de ruído de 3 amplificadores em cascata

F

₂

=3,0 dB

F

₃

=3,0 dB

G

_A1

=3 dB

G

_A2

=10 dB

G

_A3

=15 dB

0

2

4

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

0

200

400

600

800 1000

1200

F

ig

ur

a

d

e

ru

íd

o

(d

B

)

Figura de ruído do primeiro amplificador (dB)

2

3 1,3

1

1 1 2

1

1 F

F

G

G G



 



(28)

Exemplo-1

A1

××

A2

OL

Amplificador RF

F

₁

=3 dB (2×)

G

_A1

=20 dB (100×)

Amplificador FI

F

₃

=8 dB (6,3×)

G

_A3

=20 dB (100×)

Oscilador local

Misturador

F

₂

=6,8 dB (4,79×)

L

₂

=6 dB (3,98×)

Perda de conversão

F

₂

=L

₂

T

_m

T

_m

: temperatura do

misturador

(29)

Exemplo-2

F

₁

=3 dB (2×)

G

_A1

=20 dB (100×)

F

L

₂2

=6 dB (3,98×)

=6,8 dB (4,79×)

F

G

3_A3

=8 dB (6,3×)

=20 dB (100×)

2

3 1,3

1

2

1

1 A

A

F

G

G G



 



1

2

3

1

2

3

2 2;

4,79;

6,3

1

1 100;

=

;

100 3,98

A

F

G

L



(30)

Exemplo-3

F

₁

=3 dB (2×)

G

_A1

=20 dB (100×)

F

L

₂2

=6 dB (3,98×)

=6,8 dB (4,79×)

F

G

3_A3

=8 dB (6,3×)

=20 dB (100×)

1,3

2 4,79 1

₁₀₀

₁

6,3 1

100 3,98

F

 









1

2

3

1

2

3

2 2;

4,79;

6,3

1

1 100;

=

;

100 3,98

A

F

G

L



1,3

2,25

ou

3,

52 dB

F 

(31)

Exemplo-4

F

₁

=3 dB (2×)

G

_A1

=13 dB (20×)

F

L

₂2

=6 dB (3,98×)

=6,8 dB (4,79×)

F

G

3_A3

=8 dB (6,3×)

=20 dB (100×)

2 1,3

4,79

1 _{6,3 1}

2

20

1 ₂₀

3,98

F

 









1

2

3

1

2

3

2 2;

4,79;

6,3

1

1 20;

=

;

100 3,98

A

F

G

L



1,3

3,29

ou

5,

17 dB

F 

(32)

Exemplo-5

F

₁

=3 dB (2×)

G

_A1

=20 dB 100×)

G

_A1

=13 dB (20×)

F

₃

=8 dB (6,3×)

G

_A3

=20 dB (100×)

F

₂

=6,8 dB (4,79×)

L

₂

=6 dB (3,98×)

1,3

3,29

ou

5,

17 dB

F 

1,3

2,25

ou

3,

52 dB

F 

(33)

Temperatura equivalente de ruído (1)



_{Os ruídos são gerados por fontes distintas}



_{A potência de ruído resultante é expressa como se o}

ruído fosse gerado exclusivamente por fonte de ruído

térmico



_{Esta fonte está em temperatura hipotética, a}

temperatura equivalente de ruído,

T

_e

.

(34)

Temperatura equivalente de ruído (2)

12

3

12 ,

Em um determinado local a potência de ruído

medida em

290 ;

1 é

.

Determinar a temperatura equivalente de ruído.

A potência de ruído térmico é

So

.

Como

10 4,11 10

1 lução

0 N

N térmico

T

K B

P

MHz

W

P







1

23

6 ,

12

2 há outras fontes de ruído.

Se fosse gerada por ruído térmico, então

10

10 1,38 10

10

72.

4 e

46 N

N térmico

N

P

KT B

W

T

K











(35)

Temperatura de ruído de amplificador-1

T

₀

=0 K

amplificador

ruidoso

0

i

N 

N

_A

N

_A

: ruído gerado internamente

entrada

Sem ruído

R, T

_e

amplificador

sem ruído

i e

N



KT B

N

_o



G KT B

_A _e

N

_A

: ruído gerado internamente

ruído interno

representado

em fonte externa

(36)

Temperatura de ruído de amplificador-2

R, T

_e

amplificador

sem ruído

ruído interno

representado

em fonte externa

A

e

A

N

T

G KB



N

_A

: ruído gerado

internamente

(37)

Temperatura e figura de ruído-1

amplificador

sem ruído

S

_i

, N

_i

, (T

₀

+T

_e

)

S

_o

, N

_o i i i

S

SNR

N



o o o

S

SNR

N







o o o o A o e

S

SNR

N

G K T T B





i i i i o

S

SNR

N

KT B











 



 



A o e A o e A o e o e i i o o o o _o _o _i o A o

G K T T B G T T

G T T

T T

SNR

S

F

SNR

KT B

T S

_{T S S}

TG

T





0

1 e

T



F



T

(38)

Temperatura e figura de ruído-2

Exemplo:

Um sistema downlink de comunicação via satélite operando na faixa 3,7 a 4,2 GHz

utiliza um LNA (low noise amplifier), cuja temperatura de ruído é

T

_e

=30

K. Calcular

A figura de ruído em dB.

Solução:

0

1

1 e

1 ₂₉

30 ₀

1,103

ou

0, 43

dB

F

T

 



Outro LNA com temperatura de ruído

T

_e

=10 K

exibe figura de ruído

F

₂

=1,034

ou

0,147

dB.

Os valores de F não são muito apropriados para distinguir tal especificação.