2019/07/16

Teleco in a nutshell v4.0: Ruido

¿Recordáis los televisores CRT, cuando emitían esas chiribitas blancas y negras al no tener un canal sintonizado, que siempre nos hacía recordar la película Poltergeist (“Ya están aquíii…”)? Lo que ocurre es que aunque no estemos recibiendo la señal deseada, estamos recibiendo ruido. Definimos ruido como toda aquella señal que no deseamos, y que se mezcla con la señal que queremos transmitir/recibir debido a la propiedad de interferencia entre ondas, concepto que ya introdujimos en un post anterior.

El ruido siempre existe, ya no sólo por otras señales similares que “colisionan” con la nuestra (lo cual comúnmente conocemos como interferencia, en relación con la propiedad física que os acabamos de comentar), sino que existen otras señales generadas de forma natural, que podemos clasificar en dos grupos:
  • Ruido interno: es un ruido que se genera dentro de los equipos que utilizamos para generar y recibir las señales electromagnéticas, y que afectará en mayor medida en las comunicaciones por cable. Es la suma de una serie de ruidos generados por distintos procesos físicos, principalmente por el movimiento de las partículas energéticas (electrones y fotones) y por el efecto de la temperatura.
  • Ruido externo: es aquel ruido que se encuentra en la naturaleza, fuera de los dispositivos de comunicaciones, y el cual afectará en mayor medida en las comunicaciones inalámbricas. A su vez es la suma de diferentes ruidos, donde destacan el ruido industrial (motores, generadores, etc), el ruido atmosférico (generado por las reacciones químicas en la atmósfera y fenómenos meteorológicos como rayos, por ejemplo) y el ruido cósmico (aquel producido por los cuerpos celestes o del espacio profundo).
Como ya hemos mencionado en anteriores posts, el ruido es una señal aleatoria en frecuencia y amplitud (aunque acotada). En el receptor se obtendrán las dos señales mezcladas, y será clave la proporción de potencia entre ambas: la relación señal/ruido (SNR). Si esta proporción es alta, el receptor podrá diferenciar la señal original del ruido. El problema viene cuando la señal emitida va perdiendo potencia por el efecto de la atenuación del canal, ya que mientras esta es cada vez más tenue, el ruido se va sumando de manera constante, haciendo que la SNR vaya siendo peor.
Señal original, ruido e interferencia entre ambas señales [Fuente: Mathworks]
Antes de enseñaros un ejemplo, tenemos que tener en cuenta que las atenuaciones y las diferencias entre señal y ruido generalmente son muy grandes. Una señal puede recibirse miles o millones de veces más tenue de lo que se emitió, y por otro lado es evidente que en el momento de su emisión, la señal será mucho más potente que aquel ruido que pudiéramos recibir del espacio profundo. Por tanto, normalmente no se trabaja con vatios, sino con decibelios (dB), que es una medida que nos indica la relación entre dos valores (de potencia en este caso) en una escala logarítmica. Esto permite que dos señales muy distantes en potencia sean más manejables al trabajar en una escala decibélica. Por ejemplo, cuando decimos que una señal ha perdido 90dB en su transmisión, realmente estamos diciendo que se ha recibido una potencia mil millones de veces menor. 
Fórmula para pasar de vatios a decibelios (logaritmo en base 10)
Estamos acostumbrados a escuchar hablar de decibelios cuando estamos hablando (qué ironía) del ruido que generan ciertas cosas. No obstante, como hemos dicho, los decibelios hablan de la relación entre dos valores, y es que en este caso se está hablando realmente de dB(SPL), que es la diferencia de potencia respecto a una referencia sonora. En transmisiones ocurre lo mismo, cuando hablamos de un valor concreto (por ejemplo, una antena que emite una señal con una potencia de 1W) podemos pasarlo a decibelios tomando como referencia la milésima de vatio, a lo que llamamos dBm (en la fórmula anterior consideramos P2 como 1mW y P1 como 1000mW, obteniendo 30dBm).

Además, por las propiedades matemáticas de los logaritmos, donde antes dividíamos para calcular las pérdidas, ahora restamos decibelios. Por ejemplo, en los casos anteriores hemos hablado de una antena que emite 30 dBm y la señal pierde 90dB en su transmisión. Por tanto, el receptor obtendría -60dBm de potencia de señal. Esto es un nanovatio de potencia recibida, lo cual podemos ver que es extremadamente poco, pero ¿cuánta potencia de ruido se recibe? Pues dependerá de infinitas cosas… Mejor veamos un ejemplo real:
Espectro de una señal en la banda de 554MHz (DBV-T) [Fuente: Flickr-csete]
En la figura anterior podemos ver el espectro recibido de un canal de televisión, donde se aprecia una potencia de señal media recibida de unos -70dBm, junto con un ruido de unos -86dBm. Esto quiere decir que el ruido está unas 40 veces por debajo, o lo que es lo mismo, que la SNR es de 16dB. ¿Este valor es bueno? Pues no se puede saber a priori, ya que dependerá completamente de la calidad del receptor y de la información que estemos enviando.

Para terminar, ¿cómo combatimos el ruido? Por un lado evitándolo, con equipos electrónicos de alta calidad; por otro lado (y mucho más práctico), aumentando la potencia de la señal con amplificadores y reduciéndosela al ruido mediante filtros. Adivinad de qué os vamos a hablar en el próximo post… :)

Muchas gracias por leernos y ¡nos vemos en el siguiente post!


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