CIFRA DI RUMORE Ing. Fabio Gianota Napoli, dateh

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 dalle cause più diverse che, sommandosi al segnale utile, ne degrada la forma d'onda e gli spettri. Il rumore presente in un apparato di comunicazione può essere originato da sorgenti esterne ai circuiti considerati (esterno), oppure originato dai fenomeni fisici che intervengono internamente all'apparato stesso (interno)

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 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 è originato dalle tecnologie umane utilizzate per la distribuzione di energia elettrica e per le comunicazioni

RUMORE NATURALE Il rumore naturale affligge i canali di comunicazione creando difficoltà nella trasmissione delle informazioni L’environment terrestre subisce l’influenza di diverse sorgenti naturali di rumore in una banda che va dai mHZ ai GHz.

RUMORE NATURALE I 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 secondo dai fulmini e, data la brevità del fenomeno, le potenze coinvolte sono dell’ordine di 0.1 -1 TW Analizzando i soli impianti alimentati da fonti rinnovabili, alla fine del 2009, la potenza installata in Italia è pari a 26.519 MW

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 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 artificiale che normalmente viene assimilato ad un DISTURBO. 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 esterni possono essere ridotti/eliminati mediante l’adozione di schermature 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 valore di una grandezza elettrica in un punto, si verifica che essa che non è stabile nel tempo ma fluttua 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 bianco quando l’entità della densità spettrale di rumore è indipendente dalla frequenza (spettro costante) Si parla di rumore 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) 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 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

N=kTB [W] Potenza di rumore Tipicamente il rumore preso in considerazione in casi pratici è il rumore termico Ogni bipolo si può assimilare ad un generatore di rumore con una resistenza serie ideale. Si può dimostrare che la potenza 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 funzione soltanto della temperatura assoluta e non dipende dal valore della 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 NU0 o NU Ni 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 Equivalente e Cifra di rumore

Teq DI RUMORE La potenza di rumore TOTALE può essere rappresentata da una temperatura 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 quadripolo) Teq = T0 + TN Ni0= kT0B Ni= kTeqB NU Equivalente vuol dire che PNU è la stessa Quale sistema è migliore? Quello con la temperatura eqivalente + bassa(ovvio) perché è quello che introduce minor rumore al suo interno in quanto kt0B è imposto

Cifra di rumore (NOISE FIGURE) Per quantificare il rumore introdotto dai dispositivi elettronici si definisce una quantità, detta cifra 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 F ≥ 1 La definizione può essere scritta anche in termini di SNR La cifra di rumore indica il peggioramento del SNROUT rispetto a quello che si aveva in ingresso, nel caso in cui il rumore d’ingresso è kTB

Cifra di rumore (NOISE FIGURE) Dalla prima definizione si ha: Ipotizzando il dispositivo ideale Si può considerare il dispositivo ideale e riportare in ingresso al dispositivo un rumore equivalente Ni0= kT0B Ni= kToFB NU

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: