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
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
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
S Psegnale
SNR  
N Prumore
Psegnale
S
SNRdB     10 log 10
 Psegnale dB  Prumore dB
Prumore
 N  dB
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.
Ni
NU0 o NU
•
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 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
NU
Ni= kTeqB
NU
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
NU
(kT0 B)G  N RumoreInterno
N RumoreInterno
F

 1
 F≥1
NU 0
(kT0 B)G
(kT0 B)G
• La definizione può essere scritta anche in termini di SNR
S
 
 N  In
F
S
 
 N Out
Ni  kTB
• 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
NU  NU 0 F  (kT0 B)  G  F
NU  G  Ni
• Si può considerare il dispositivo ideale e riportare in ingresso al
dispositivo un rumore equivalente
Ni  k  T0 F  B
Ni0= kT0B
NU
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: