Entendiendo el Ruido y la Distorsión en Sistemas de Comunicación

Ruido en Comunicaciones

El ruido es una forma de energía no deseada que altera la calidad de una comunicación.

Afecta a todo el sistema de comunicación y se percibe en el receptor. Se manifiesta como:

• Chicharreo o estática en los receptores de radio.
• En la TV, se percibe como 'nieve' en la imagen recibida.
• B.E.R (Bit Error Ratio) en las comunicaciones digitales.
• Relación S/N (Señal/Ruido) en la comunicación analógica. La relación S/N en decibelios (dB) se calcula como: S/N(dB) = 10 * log10(S/N).

Efectos del Ruido

• Distorsiona la señal.
• Reduce el ancho de banda efectivo.
• Causa interferencias en general.

Clasificación del Ruido

Ruido No Correlacionado

Está presente siempre en el sistema de comunicación, independientemente de si hay señal o no. Generalmente obedece a factores externos:

• Ruido Solar: Generado por el Sol. Su alta temperatura superficial (aproximadamente 6000 °C) causa alteraciones, especialmente en frecuencias por debajo de 1.4 GHz. Las tormentas solares, asociadas a las manchas solares y con una periodicidad aproximada de 11 años, emiten grandes cantidades de partículas cargadas hacia la Tierra, afectando diversas comunicaciones.
• Ruido Cósmico o Extraterrestre: Producido por otros astros del universo como estrellas distantes, estrellas de neutrones o agujeros negros. Su efecto es similar al del ruido solar.
• Ruido Industrial: Generado en zonas industrializadas debido a líneas de alta tensión, grandes transformadores, motores eléctricos y arcos voltaicos. También puede ser producido por la ignición de automóviles.
• Ruido Atmosférico (Estática): Producido por descargas eléctricas naturales (rayos) en la atmósfera terrestre. Afecta principalmente a las comunicaciones en frecuencias por debajo de 30 MHz.

Ruido Correlacionado

Es aquel que solo se manifiesta o es significativo en presencia de la señal de comunicación.

• Ruido Térmico (Johnson-Nyquist, Blanco o Gaussiano): Se produce por la agitación térmica aleatoria de los electrones en los componentes conductores y semiconductores de los circuitos electrónicos. Afecta a todas las frecuencias por igual (espectro plano, como la luz blanca) y su amplitud sigue una distribución gaussiana.
• Ruido Impulsivo: Consiste en picos o pulsos irregulares de corta duración y gran amplitud, de origen diverso (conmutaciones, descargas, etc.). Es especialmente problemático en comunicaciones digitales. Aunque no siempre se puede evitar, se puede medir con contadores específicos. Se presenta de forma aleatoria.
• Diafonía (Crosstalk): Se produce por el acoplamiento electromagnético no deseado entre cables o canales de comunicación adyacentes, especialmente cuando recorren largas distancias en paralelo. Se minimiza mediante técnicas como el trenzado de pares.
• Ruido de Intermodulación: Generado cuando señales de diferentes frecuencias comparten un medio no lineal (como amplificadores operando cerca de la saturación). Produce componentes de frecuencia no deseadas que son sumas y diferencias de las frecuencias originales. También puede surgir por filtros defectuosos en sistemas multiplexados por frecuencia.

Distorsión Armónica Total (THD)

La Distorsión Armónica Total (THD) mide la cantidad de distorsión armónica presente en una señal. Se define como la relación entre la suma de las potencias (o voltajes RMS) de todas las componentes armónicas superiores y la potencia (o voltaje RMS) de la frecuencia fundamental.

La fórmula general es:

THD = (√(V₂² + V₃² + V₄² + ...)) / V₁

O, expresado en porcentaje:

THD(%) = [(√(V₂² + V₃² + V₄² + ...)) / V₁] * 100

Donde:

• V₁: Voltaje RMS de la frecuencia fundamental.
• V₂, V₃, V₄, ...: Voltajes RMS de las armónicas de segundo, tercer, cuarto orden, etc.

Ejemplo de Cálculo de THD

Calcular la THD de segundo orden, tercer orden y total para una señal de transmisión (Tx) con los siguientes valores:

• Voltaje fundamental (V₁): 8 V (RMS)
• Voltaje de la segunda armónica (V₂): 0.2 V (RMS)
• Voltaje de la tercera armónica (V₃): 3 V (RMS)

THD de Segundo Orden

THD₂ = (V₂ / V₁) * 100
THD₂ = (0.2 V / 8 V) * 100 = 2.5%

THD de Tercer Orden

THD₃ = (V₃ / V₁) * 100
THD₃ = (3 V / 8 V) * 100 = 37.5%

THD Total (considerando solo 2ª y 3ª armónica)

THD_total = (√(V₂² + V₃²)) / V₁ * 100
THD_total = (√(0.2² + 3²)) / 8 * 100
THD_total = (√(0.04 + 9)) / 8 * 100
THD_total = (√9.04) / 8 * 100
THD_total ≈ (3.0067 / 8) * 100
THD_total ≈ 37.58%