CIFRA DI RUMORE Napoli, date h Ing. Fabio Gianota.
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CIFRA DI RUMORE
Napoli, dateh
Ing. Fabio GianotaIng. Fabio Gianota
AGENDA
• Definizione e classificazione• Rumori Elettromagnetici Esterni• Sorgenti di rumore nei circuiti elettronici
– Rumore Granulare (Shot Noise)– Rumore Termico– Rumore di intermodulazione
• Potenza di rumore e Spettro di frequenza• SNR• Temperatura equivalente di rumore• Cifra di rumore
– Formula di Friis
IL RUMORE
Si definisce genericamente rumore un segnale indesiderato originato Si definisce genericamente rumore un segnale indesiderato originato
dalle cause più diverse che, sommandosi al segnale utile, ne degrada la dalle cause più diverse che, sommandosi al segnale utile, ne degrada la
forma d'onda e gli spettri.forma d'onda e gli spettri.
Il rumore presente in un apparato di comunicazione può essere
originato da sorgenti esterne ai circuiti considerati (esternoesterno), oppure
originato dai fenomeni fisici che intervengono internamente all'apparato
stesso (internointerno)
RUMORI ESTERNI ELETTROMAGNETICI
L’ambiente terrestre è continuamente esposto a radiazioni elettromagnetiche che determinano un rumore di fondo attribuibile a cause NATURALI o ARTIFICIALI
Il rumore elettromagnetico naturaleIl rumore elettromagnetico naturale mostra una ampia varietà di sorgenti che coinvolgono diversi fenomeni fisici e che coprono un ampio campo di frequenze con varie caratteristiche di propagazione ed un’ ampia escursione dei livelli di energia.
Il rumore elettromagnetico artificiale Il rumore elettromagnetico artificiale è originato dalle tecnologie umane utilizzate per la distribuzione di energia elettrica e per le comunicazioni
RUMORE NATURALE
Il rumore naturalerumore naturale affligge i canali di comunicazione creando difficoltà nella trasmissione delle informazioni
RUMORE NATURALE
I fulminiI fulmini sono la principale sorgente di energia del rumore di fondo elettromagnetico all’interno della cavità ionosferica. Le emissioni partono dalla banda ELF (pochi Hz) fino alla banda VHF (centinaia di MHz)
Terra viene pertanto colpita circa 100 volte al secondo100 volte al secondo dai fulmini e, data la brevità del fenomeno, le potenze coinvolte sono dell’ordine di 0.1 -1 TW 0.1 -1 TW
RUMORE NATURALE
Nelle bande VHF e superiori il rumore dovuto a fenomeni elettrici e sempre meno incidente, tuttavia un nuova sorgente di radiazioni entra in scena: IL COSMOIL COSMO
Il rumore cosmico ha spettro continuo, ma è in parte filtrato dall'atmosfera, per cui influenza le comunicazioni solo per frequenze superiori a 10MHz.
L’entità del rumore cosmico ricevuto da una antenna è fortemente influenzato dalla direzione di puntamento della stessa
RUMORE ARTIFICIALE – Disturbo
Nei canali di comunicazione esiste un diverso tipo di rumore detto artificialeartificiale che normalmente viene assimilato ad un DISTURBODISTURBO.
In pratica un disturbo è una radiazione originata da tecnologia umane, che può rappresentare un limite all’intelligibilità di un collegamento pur essendo utile per un altro
RUMORI ESTERNI - RIMEDI
I rumori esternirumori esterni possono essere ridotti/eliminati mediante l’adozione dischermature che, bloccando la propagazione dei campi elettromagnetici, ne eliminano l’influenza sul circuito d’interesse
Ovviamente l’azione schermante non potrà mai essere perfetta, inoltre spesso ragioni di costo o di ingombro ne impediscono l’adozione
RUMORE INTERNO
In un qualsiasi circuito elettronico analizzando il In un qualsiasi circuito elettronico analizzando il valore di una grandezza elettrica in un punto, si valore di una grandezza elettrica in un punto, si verifica che essa che non è stabile nel tempo ma verifica che essa che non è stabile nel tempo ma fluttua attorno al valore aspettatofluttua attorno al valore aspettato
SPETTRO DI FREQUENZA
• Talvolta il rumore è classificato in base per alla sua distribuzione nel dominio della frequenza
– Si parla di rumore biancorumore bianco quando l’entità della densità spettrale di rumore è indipendente dalla frequenza (spettro costante)
– Si parla di rumore coloratorumore colorato quando l’entità della densità spettrale è maggiore in alcune bande di frequenze rispetto ad altre (spettro sagomato)
RUMORE SHOT
• Il fenomeno è associato ad un breve passaggio di corrente, in un ramo del circuito, che avviene in modo del tutto casuale nel tempo
• Nasce nei semiconduttori quando si verificano passaggi di carica nelle giunzioni
• Nei circuiti analogici non è particolarmente rilevante mentre può essere fastidioso in ambito digitale
RUMORE DI INTERMODULAZIONE
• Stimolando con 2 o più frequenze (toni) un dispositivo o un canale non lineare, si possono generare disturbi concentrati a frequenze diverse da quelle in ingresso
• Le risultanti indesiderate (prodotti di intermodulazione) possono essere interne o esterne alla banda di funzionamento
• Es Circuiti con conversione di frequenza o amplificatori con “toni” in ingresso vicini tra loro
RUMORE TERMICO
• Ad ogni conversione di energia elettrica in calore, corrisponde un processo inverso per cui il calore genera fluttuazioni nelle variabili elettriche. (Agitazione Termica)(Agitazione Termica)
• Ogni dispositivo a temperatura superiore allo zero assoluto è affetto da rumore termico.
• Più è alta la temperatura di un dispositivo maggiore è il contributo del rumore in questione
• Il rumore termico è presente in tutti i sistemi elettronici ed indipendentemente dalla frequenza di utilizzo
Rapporto Segnale/Rumore (SNR)
• Il rapporto Segnale Rumorerapporto Segnale Rumore è un parametro che quantifica la “bontà” di un segnale in relazione al rumore ad esso sovrapposto
• La potenza di rumore va calcolata in una banda corrispondente a quella del segnale utile
dBrumoredBsegnalerumore
segnale
dBdB PP
P
P
N
SSNR
10log10
rumore
segnale
P
P
N
SSNR
Potenza di rumore
• Tipicamente il rumore preso in considerazione in casi pratici è il rumore termicorumore termico
• Ogni bipolo si può assimilare ad un generatore di rumore con una resistenza serie ideale.
• Si può dimostrare che la potenza di rumorepotenza di rumore di un bipolo consegnata ad un carico adattato è:
N=kTB [W]ove k è la costante di Boltzmann [1,38x10-23J/K] T Temperatura Assoluta del componente [K] B Banda equivalente di rumore [Hz]
• La potenza disponibile, per una specificata banda di frequenze, è funzioneè funzione soltanto della temperaturadella temperatura assoluta e non dipendenon dipende dal valore della resistenzadella resistenza
Rumore in uscita ad un quadripolo
• La potenza di rumore consegnata ad un carico adattato è PNI=KT0B
• In un quadripolo ideale la potenza di rumore in uscita è pari a quella di ingresso moltiplicata per il guadagno del quadripolo stesso (G)
• Tutti i dispositivi reali introducono una quantità di rumore che si somma a quello già presente in ingresso.
• Caso Ideale NU0= (kT0B)G
• Caso Reale NU= (kT0B)G + NRumoreInterno
•Il caso reale si tratta riportando, con due tecniche diverse, il rumore interno al dispositivo all’ingresso del dispositivo stesso, lavorando successivamente in condizioni di idealità
•Allo scopo si introducono due nuovi parametri Temperatura EquivalenteTemperatura Equivalente e Cifra di rumoreCifra di rumore
NU0 o NUNi
Teq DI RUMORE
• La potenza di rumore TOTALETOTALE può essere rappresentata da una temperatura equivalente di rumoretemperatura equivalente di rumore Teq, maggiore di quella ambiente, e tale da provocare gli stessi effetti ai fini del rumore in uscita ma considerando il sistema non rumoroso ((Rumore riportato all’ingresso di un quadripoloRumore riportato all’ingresso di un quadripolo))
Teq = T0 + TN
Ni0= kT0B Ni= kTeqB NUNU
Cifra di rumore (NOISE FIGURE)
• Per quantificare il rumore introdotto dai dispositivi elettronici si definisce una quantità, detta cifra di rumore Fcifra di rumore F, definita dal rapporto tra la potenza di rumore che si ha all’uscita del dispositivo reale e quella che si avrebbe se il dispositivo fosse ideale
kTBNiOut
In
NSNS
F
• La cifra di rumore indica il
peggioramentopeggioramento del SNROUT rispetto a quello che si aveva in ingresso, nel nel caso in cui il rumore d’ingresso è kTBcaso in cui il rumore d’ingresso è kTB
GBkT
N
GBkT
NGBkT
N
NF rnoRumoreInternoRumoreInte
U
U
)(1
)(
)(
00
0
0
F F ≥ 1≥ 1
• La definizione può essere scritta anche in termini di SNR
Cifra di rumore (NOISE FIGURE)
• Dalla prima definizione si ha:
Ni0= kT0B Ni= kToFB NUNU
FGBkTFNN UU )( 00
• Ipotizzando il dispositivo ideale iU NGN • Si può considerare il dispositivo ideale e riportare in ingresso al dispositivo un rumore equivalente
BFTkN i 0
FORMULA DI FRIIS
• Nei sistemi per telecomunicazioni si ha a che fare molto spesso con una catena di quadripoli connessi in cascata
• Conoscendo le caratteristiche dei singoli blocchi è possibile ottenere la cifra di rumore del sistema complessivo
• Il calcolo è fatto utilizzando la formula di Friis: