Ruído em Sistemas de Telecomunicações

Transcrição

1 Ruído em Sstemas de Telecomuncações SEL 413 Telecomuncações Amílcar Carel César Departamento de Engenhara Elétrca da EESC-USP

2 Atenção! Este materal ddátco é planejado para servr de apoo às aulas de SEL-413: Telecomuncações, oferecda aos alunos regularmente matrculados no curso de engenhara aeronáutca. ão são permtdas a reprodução e/ou comercalzação do materal. solctar autorzação ao docente para qualquer tpo de uso dstnto daquele para o qual fo planejado. 17/10/2016 SEL413 Telecomuncações Amlcar Carel César USP EESC SEL 2

3 Ruído em sstemas de telecomuncações Efeto Lmta o desempenho dos sstemas; dstorce e degrada nformação recebda Fontes Interna: ruído gerado pelos componentes Externa: ruído cósmco de fundo, ruído das estrelas (nclundo o Sol), eletrcdade estátca, raos, gnção de motores 3

4 Efetos do ruído sobre snas S Wang, Tng-Zhu Huang, X-le Zhao, and Jun Lu, An Alternatng Drecton Method for Mxed Gaussan Plus Impulse ose Removal Abstract and Appled Analyss v.2013 (2013), Artcle ID , 4

5 Tpos de ruído Ruído térmco Gerado por agtação térmca de elétrons em condutor Ruído shot Gerado quando há barrera de potencal; junção P; semcondutores. Em geral, semcondutores produzem ruído shot e ruído térmco Ruído flcker (tremulação, lampejo) Assocado à defetos superfcas em semcondutores; produzdo em dspostvos a vácuo (revestmento óxdo de cátodo); fenômeno natural como radação nuclear Inversamente proporconal à frequênca (1/f) 5

6 Ruído adconado ao canal de comuncação TRASMISSOR CAAL RECEPTOR Fonte da nformação Dstorção Interferênca Ruído Destno da nformação 6

7 Potênca méda de ruído vs. frequênca db acma de ktb produzdo pelo homem na cdade produzdo pelo homem nos subúrbos atmosférco galáctco 290 K Frequênca (MHz) 7

8 Ruído térmco-1 Movmento aleatóro de elétrons lvres em condutores causado por agtação térmca os termnas do condutor há tensão em crcuto aberto A resstênca do condutor comporta-se como um gerador de ruído O gerador de ruído pode ser representado pelo crcuto equvalente de Thevenn O espectro de ruído de faxa larga é conhecdo como ruído Johnson (1928) 8

9 Ruído térmco-2 Valor médo quadrátco 2 n volt 2 rms k: constante de Boltzmann, = 1, , J/K T: temperatura do resstor, K R: resstênca, Ω B: largura de faxa, Hz 9

10 Ruído térmco-3 R, sem ruído T R, com ruído ± vn 4kTBR v 2 n 4kTRB volt 2 rms Fonte de tensão de ruído 10

11 Ruído térmco-4 R, sem ruído ± vn 4kTBR n 4kTB R R, Sem ruído Fonte de tensão de ruído Fonte de corrente de ruído 11

12 Exemplo Exemplo: R=50 ohms; T=290 K; B=1 GHz v n 23 9 (4)(1, )(290)(1 10 ) vn 28, 3 V rms ± 50 ohms, sem ruído vn 28,3 V rms 12

13 Potênca dsponível de ruído Máxma potênca que uma fonte de ruído transfere para uma carga resstva. Esta carga é gual à resstênca nterna do gerador P 2 v n v n vn 4KTBR V I 2 2R 4R 4R dsp R R R v ± R n I R V R v n 2 P KTB watt dsp 13

14 T Temperatura ambente 0 20 C P 23 1, J / K 293 K 1 Hz 21 4, J Hz , J s 4, Equvalente a P KTB 174 dbm 21 W 14

15 Largura de faxa e potênca de ruído Largura de faxa (Hz) Potênca de Ruído Térmco (dbm) k k k k 121, k 120,98 1 M M M M

16 Ruído nas portas de amplfcador KTB watt G watt 0 A 0,nt R, 290 K F, G A : ruído gerado na entrada pelo resstor R em temperatura ambente T o : ruído na saída do amplfcador o,nt : ruído gerado nternamente G A : ganho de potênca dsponível 16

17 Fgura de ruído SR S SR F( db) 10 log SR Relação snal-ruído na entrada 0 SR 0 S 0 0 Relação snal-ruído na saída SR Se SR SR ; 1eF 0dB SR 0 0 a prátca, SR 0 < SR e F>0 db 17

18 Fator de ruído de amplfcador S ; S ; 0 0 F F, G A SR S S 0 0 SR S S A 1 S S G 0 G A : ganho de potênca dsponível 18

19 Fator de ruído de amplfcador KTB watt G watt 0 A 0,nt F, G A F F G 0 A 0,nt 1 0,nt G G G A A A 0,nt 1 Relação entre potêncas de ruído G A 19

20 Amplfcadores em cascata-1 F 1, G A1, B F 2, G A2, B KTB G 01 A1 01,nt G G G 02 A2 A1 A2 01,nt 02,nt 20

21 Amplfcadores em cascata-2 KTB 02 F 1, G A1, B F 2, G A2, B F ,nt G A1 F ,nt G A2 21

22 Amplfcadores em cascata-3 KTB F 1, G A1, B F 2, G A2, B F G 1 01,nt 1 A1 F G 1 02,nt 2 A2 22

23 Amplfcadores em cascata-4 F G 1 01,nt 1 A1 F G 1 02,nt 2 A2 G G G 02 A2 A1 A2 01,nt 02,nt 1 1 G G F G G F G 02 A2 A1 1 A2 A1 2 A2 Dvdndo por G G A2 A F 1 1 G A2 A1 A1 G G F 1 23

24 Amplfcadores em cascata F 1 1 G A2 A1 A1 G G F 1 02 G G A2 A1 F A Fator de ruído da assocação dos 2 amplfcadores F A F 1 F 2 G A1 1 24

25 Amplfcadores rudosos 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 F 1 F 1 F n F 1, n 1 G G G G G G n 1 F 1,n : fator de ruído global (relação entre potêncas); F n : fator de ruído do n-ésmo estágo; G n : ganho do n-ésmo estágo (relação entre potêncas); B: largura de faxa dos estágos amplfcadores 25

26 Fgura de ruído de 3 amplfcadores em cascata Fgura de ruído (db) F F 1 F F G G G 1, F 1 =2,5 db F 2 =3,0 db F 3 =3,0 db G A2 =10 db G A3 =15 db 2, Ganho de potênca dsponível do prmero amplfcador (db) 26

27 Fgura de ruído de 3 amplfcadores em cascata Fgura de ruído (db) F F 1 F F G G G 1, F 2 =3,0 db F 3 =3,0 db G A1 =3 db G A2 =10 db G A3 =15 db Fgura de ruído do prmero amplfcador (db) 27

28 Exemplo-1 A1 OL A2 Amplfcador RF F 1 =3 db (2 ) G A1 =20 db (100 ) Osclador local Msturador 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 msturador Amplfcador FI F 3 =8 db (6,3 ) G A3 =20 db (100 ) 28

29 Exemplo-2 F 1 =3 db (2 ) G A1 =20 db (100 ) F 2 =6,8 db (4,79 ) L 2 =6 db (3,98 ) F 3 =8 db (6,3 ) G A3 =20 db (100 ) F F 1 F F G G G 1,3 1 A1 A2 A1 F 2; F 4,79; F 6, G 100; G = ; G 100 L 3,98 A1 A2 A3 2 29

30 Exemplo-3 F 1 =3 db (2 ) G A1 =20 db (100 ) F 2 =6,8 db (4,79 ) L 2 =6 db (3,98 ) F 3 =8 db (6,3 ) G A3 =20 db (100 ) F 2; F 4,79; F 6, G 100; G = ; G 100 L 3,98 A1 A2 A3 2 F 1,3 4,79 1 6, ,98 F 2, 25 ou 3, 52 db 1,3 30

31 Exemplo-4 F 1 =3 db (2 ) G A1 =13 db (20 ) F 2 =6,8 db (4,79 ) L 2 =6 db (3,98 ) F 3 =8 db (6,3 ) G A3 =20 db (100 ) F 2; F 4,79; F 6, 3 F G 20; G = ; G 100 L 3,98 A1 A2 A3 2 1,3 4,79 1 6, ,98 20 F 3, 29 ou 5, 17 db 1,3 31

32 Exemplo-5 F 1 =3 db (2 ) G A1 =20 db 100 ) G A1 =13 db (20 ) F 2 =6,8 db (4,79 ) L 2 =6 db (3,98 ) F 3 =8 db (6,3 ) G A3 =20 db (100 ) F 2, 25 ou 3, 52 db 1,3 F 3, 29 ou 5, 17 db 1,3 32

33 Temperatura equvalente de ruído (1) Os ruídos são gerados por fontes dstntas A potênca de ruído resultante é expressa como se o ruído fosse gerado exclusvamente por fonte de ruído térmco Esta fonte está em temperatura hpotétca, a temperatura equvalente de ruído, T e. 33

34 Temperatura equvalente de ruído (2) Em um determnado local a potênca de ruído 12 medda em T 290 K; B 1 MHz é P 10 W. Determnar a temperatura equvalente de ruído. Solução A potênca de ruído térmco é P, térmco Como Se P KT B T P 4, , térmco W. há outras fontes de ruído. fosse gerada por ruído térmco, então 10 P 10 1, 3810 W e K 34

35 Temperatura de ruído de amplfcador-1 0 A T 0 =0 K entrada Sem ruído amplfcador rudoso A : ruído gerado nternamente KT B e o A e G KT B R, T e ruído nterno representado em fonte externa amplfcador sem ruído A : ruído gerado nternamente 35

36 Temperatura de ruído de amplfcador-2 R, T e ruído nterno representado em fonte externa amplfcador sem ruído T e A A G KB A : ruído gerado nternamente 36

37 Temperatura e fgura de ruído-1 S,, (T 0 +T e ) S o, o SR S amplfcador sem ruído SR o S o o SR S S KT B o SR o S S o o G K T T B o A o e F SR S G K T T B G T T G T T T T A o e A o e A o e o e SR KT B T S T S S T G T o o o o o o o A o T F 1 T e 0 37

38 Temperatura e fgura de ruído-2 Exemplo: Um sstema downlnk de comuncação va satélte operando na faxa 3,7 a 4,2 GHz utlza um LA (low nose amplfer), cuja temperatura de ruído é T e =30 K. Calcular A fgura de ruído em db. Solução: F 1 Te ,103 ou 0, 43 db T Outro LA com temperatura de ruído T e =10 K exbe fgura de ruído F 2 =1,034 ou 0,147 db. Os valores de F não são muto aproprados para dstngur tal especfcação. O uso de temperatura de ruído é mas convenente. 38

39 EXTRAS 39

40 Ruído gaussano função densdade de probabldade 1 p ( z) e G 2 2 ( z) : méda; : varânca; : desvo padrão 0 ; 1 : dstrbução normal padrão Ref.: Annoyng-semconductor-nose--preventable-or-nescapable-- 40

41 v Ruído térmco-2 Valor médo quadrátco para f 4hfBR 2 2 n exp hf / kt 1 volt k h ,38.10 J K ; constante de Boltzmann -34 6,62.10 J s; constante deplack T: temperatura do resstor, K R: resstênca, f : frequênca, Hz B: largura de faxa, Hz 41

42 Ruído térmco-3 Para f 100 GHz; T 100 K hf kt 6, , , , Portanto, hf kt 42

43 v 2 n Ruído térmco-4 4hfBR exp hf / kt 1 Expansão em sére de Taylor da exponencal n 2 3 x x x expx 1 x n0 n! 2! 3! hf exp( x) x 1 kt 2 4hfBR v n hf / kt v 4 ktbr volt 2 2 n 43