SISCOM 8 SET = ktbr em volt rms

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1 SISCOM 8 SET ruído em sistema de telecomunicação fontes de ruído o ruído nos sistemas eletrônicos se deve basicamente ao caráter discreto da carga elétrica a corrente elétrica é composta de pacotes individuais de carga e só é contínua em termos de média no tempo o ruído gerado por cargas discretas em sistemas eletrônicos é classificado como: ruído térmico ruído balístico (shot) ruído flicker ruído pipoca (popcorn) ruído térmico a energia dos elétrons em materiais usados para se fazer resistores aumenta à medida que a temperatura é aumentada os elétrons se movimentam no material resistivo interagindo com as moléculas e com outros elétrons o movimento aleatório da carga elétrica produz uma corrente a corrente no resistor produz tensão o resistor é um gerador de ruído aleatório essa tensão ou corrente é chamada de ruído térmico e é diretamente proporcional à temperatura e é caracterizado por uma forma de onda que nunca se repete exatamente um espectro de potência plano com a freqüência como todas as freqüências estão presentes nesse ruído, ele é chamado, assim como a luz do sol com todas as suas cores, de ruído branco a potência de ruído média que pode ser fornecida a um sistema à temperatura T a dada por N T =k T a B onde N T = potência média, em watt, W T a = temperatura absoluta em, em kelvin, K T a = X o C 273 k = 1, watt.hz / K = 1, J / K = constante de Boltzmann B = faixa de passagem na qual se faz a medida, em hertz, Hz a potência de ruído térmico é independente do valor da resistência, pois qualquer condutor, com seus elétrons livres para movimento, é uma fonte de potência de ruído, no entanto: se o ruído for medido com voltímetro de leitura rms verdadeiro e se a impedância desse voltímetro medidor for casada à impedância da fonte de ruído a leitura desse medidor será de E n = ktbr em volt rms se as impedâncias não são casadas e se o resistor for considerado isoladamente, ou seja, como um gerador equivalente em circuito aberto e com um resistor R em série, então a tensão de ruído disponível será, teoricamente E n = 2kTBR=4kTBR a figura seguinte ilustra a queda de 2 para 1 quando um gerador de ruído de 50 é conectado a um sistema para o qual a impedância de entrada é de 50 à esquerda: nenhuma potência é fornecida gerador equivalente de ruído em circuito aberto à direita: potência fornecida ao sistema é N=kTB, onde B é a banda de passagem equivalente de ruído e o sistema tem impedância casada à fonte de ruído

2 SISCOM 8 SET geralmente o ruído térmico não é afetado pela quantidade de corrente de polarização em um resistor exceção: resistor de carbono tem um ruído adicional que depende da corrente não é adequado para determinadas aplicações críticas ruído balístico (shot noise) recebeu esse nome na época das válvulas imaginou-se que os elétrons que atingiam o ânodo de metal produziriam um som parecido com aquele produzido ao se despejar um balde de chumbinhos de armas de fogo sobre uma placa de metal o mesmo tipo de ruído é gerado em junções semicondutoras, quando os elétrons de carga q, formando uma corrente média I dc, atravessam uma barreira de potencial deve-se à natureza quântica da passagem de elétrons em junções de materiais ruído balístico: a potência produzida é proporcional à corrente de polarização dc é puramente aleatório seu espectro de potência é plano com a freqüência medições confirmam que seu valor é dado por I 2 n = 2qI dc B ou I n = 2qI dc B onde: I n = corrente de ruído rms média, em ampere rms, A rms q = 1, C = carga do elétron, em coulomb, C I dc = corrente de polarização dc do dispositivo, em ampere, A B = faixa de passagem na qual se faz a medição, em hertz, Hz a expressão para I n é válida, geralmente, até freqüências na faixa dos gigahertz, comparáveis ao inverso do tempo de trânsito dos elétrons pela junção do dispositivo o conceito de gerador equivalente de ruído pode ser usado em uma junção de diodo da mesma forma que o gerador equivalente de ruído para um resistor com ruído térmico ruído flicker associado a defeitos na superfície do cristal em semicondutores também é encontrado em vávulas e resistores a potência de ruído é proporcional à corrente de polarização

3 SISCOM 8 SET diminui com a freqüência: não é plano com a freqüência não possui um modelo matemático exato: é específico para cada componente sua densidade de potência para freqüências baixas apresenta uma proporcionalidade inversa em relação à freqüência muito próxima de 1/f pelo fato de que a maioria da potência está concentrada na extremidade inferior do espectro de freqüência, costuma ser chamado de ruído rosa termo cuja definição não é muito precisa a objeção ao uso de resistor de filme de carbono para aplicações críticas de baixo ruído se deve à sua tendência a produzir ruído flicker quando conduz uma corrente contínua nessas aplicações os resistores de filme metálico são uma melhor opção Figura de ruído do sistema resistores e junções pn a semicondutor produzem ruído que causa uma redução da relação sinal-ruído o ruído interno dos circuitos eletrônicos podem aumentar mais a potência de ruído do sinal do que o aumento na potência do sinal, mas são necessários para o devido processamento do sinal glossário: figura de ruído: relação entre a potência de ruído de um receptor de rádio, considerada linear, e a potência de ruído que existiria em sua saída se não houvessem, no mesmo receptor, quaisquer outras fontes de ruído além daquelas que existem na impedância externa à sua entrada, verificada a uma temperatura especificada (por exemplo, 300 K). F = SNR i SNR o F db = 10log F = 10log SNR i SNR o = 10log SNR i 10log SNR o = SNR i db SNR o db exemplo: se na entrada de um amplificador a SNR for de 25 db e sua figura de ruído for F=10 db, então a SNR na saída será de 15 db

4 SISCOM 8 SET no caso de amplificadores em cascata, a figura de ruído total é dada por F = F 1 F 1 2 F 1 3 F... n 1 G 1 G 1 G 2 G 1 G 2 G 3...G n 1 onde F 1 = figura de ruído do primeiro estágio G 1 = ganho de potência do primeiro estágio valores não estão expressos em decibéis exemplo: dados: F 1 = 2dB= 1,58 F 2 = 6dB = 3,98 F 3 =10dB = 10,0 G 1 = 8dB = 6,3 G 2 =12dB = 15,85 calcule a figura de ruído total do sistema solução: F = F 1 F 1 2 F 1 3 = 1,58 3,98 1 G 1 G 1 G 2 6, ,3 15,85 = 1,580,470,09 F = 2,14 F db = 3,3dB mesmo com a figura de ruído do segundo estágio F 2 sendo mais do que o dobro de F 1, a contribuição de ruído do segundo estágio é muito menor do que a do primeiro o primeiro estágio é o que merece maior investimento de qualidade quanto à figura de ruído: baixo ruído com alto ganho exemplo: amplificadores de baixo ruído LNA (low noise amplifier) ou LNB (low noise block amplifierconverter) usados em receptores de TV via satélite temperatura de ruído T eq = F 1 onde =290K a expressão da temperatura equivalente significa o seguinte: se o receptor não acrescenta nenhum ruído àquele que já entra com o sinal da antena, ou seja, F=0 db ou F=1, a temperatura equivalente de ruído do receptor é T eq =2901 1= 0K : receptor 'frio' se o receptor dobrar o ruído que entra F=2 ou F = 3 db e T eq =2902 1=290K glossário: temperatura de ruído de uma antena: temperatura física de um resistor fictício que, ao ser colocado no lugar da antena, gera a mesma potência de ruído que a antena, estando tanto o resistor como a antena casados com a linha de transmissão ou receptor ao qual estão ligados. O ruído que aparece nos terminais da antena é formado pelas contribuições de ruído galático, atmosférico, do terreno e por perdas ôhmicas na própria antena. A temperatura de ruído da antena varia em função de sua direção de apontamento e das freqüências de operação. a utilidade dessa forma de se expressar o caráter ruidoso de um circuito é que quando dois circuitos estão conectados, a temperatura equivalente de ruído após a conexão é simplesmente a soma das temperaturas equivalentes de ruído separadas exemplo: a conexão entre: uma antena parabólica em uma estação terrestre de um sistema via satélite, apontada para o espaço tem uma T ant 25K, incluindo o ruído do espaço 3,5 K e o ruído da

5 SISCOM 8 SET antena em si o receptor tem temperatura equivalente T r =290K ou F r db =3db resulta em T eq =T ant T r =25290=315K algumas correspondências entre figura de ruído e temperatura de ruído F F db T eq,k 1,1 0,5 35,4 1,3 1 75,1 1, , , ruído pipoca ruído de rajada, ruído de sinal telegráfico aleatório (RTS) foi descoberto nos antigos amplificadores operacionais 709 é essencialmente uma variação abrupta na tensão de repouso que dura vários milisegundos e possui amplitude que varia de de um microvolt até algumas centenas de microvolts a ocorrência do pipocar é completamente aleatória: um amplificador pode exibir várias pipocas por segundo durante um período de observação e permanecer sem pipocar por vários minutos as situações de pior caso são usualmente a baixas temperaturas esse ruído está relacionado com a contaminação da superfície do chip semicondutor temperatura de ruído e figura de ruído para uma linha de transmissão isto pode ser conseguido terminando-se a linha de transmissão com uma fonte e uma resistência de carga ambas com a mesma impedância característica da linha todos com a mesma temperatura física o ganho de potência da linha de transmissão é G lin = 1 em valor absoluto, não em decibéis olhando-se para dentro dos terminais de saída da linha de transmissão, vê-se um circuito equivalente que é resistivo (fonte de ruído térmico) com um valor de R 0 ohms porque a entrada da linha é terminada ppor um resistor de R 0 ohms (igual a impedância característica da linha) considera-se que a temperatura física da linha de transmissão seja T a =T lin medida na escala Kelvin a linha atua como uma fonte de ruído térmico a potência de ruído média que pode ser fornecida pela linha a um sistema à temperatura T a =T lin é dada por N lin =k T lin B a temperatura equivalente de ruído de entrada da linha de transmissão é dada por L lin

6 SISCOM 8 SET T eq =T lin L lin 1 onde T lin é a temperatura física da linha e L lin é a perda da linha a figura de ruído da linha de transmissão é obtida de T eq = F 1 igualando-se as duas expressões anteriores T eq =T lin L lin 1 = F 1 resolvendo-se para F : F = 1 T lin L T lin 1 onde 0 T lin é a temperatura física da linha, em kelvin, = 290K e L lin é a perda da linha se a temperatura física da linha de transmissão T lin for 290 K, que equivale a 17 o C, a expressão anterior para a figura de ruído se reduz a: F = 1 T lin L lin 1 = 1 L lin 1 = L lin F = L lin = 1 G lin para medidas em decibéis tem-se que F db = L lin db se uma linha de transmissão tiver uma perda de 3 db, ela terá uma figura de ruído de 3 db, no caso da temperatura física da linha ser de 17 o C se a temperatura física da linha for 0 o C, que corresponde a 273K, a figura de ruído será dada por F = 1 T lin L lin 1 = ,3 1 = 10, = 1,94 ou F = 1,94 F db = 10log1,94 = 2,88dB 3 db se a temperatura física da linha for 60 o C, que corresponde a 333K, a figura de ruído será dada por F = 1 T lin L lin 1 = ,3 1 = 11, = 2,15 ou F = 2,15 F db = 10log2,15 = 3,32dB 3dB portanto, pode-se dizer que F db L db se a linha de transmissão estiver em uma temperatura dentro da faixa de locais habitados por seres humanos