Formalmente "ruido" es una interferencia
a un proceso de comunicación. Nosotros definiremos al ruido
simplemente como una señal
indeseada que no está
conectada con la señal deseada de ningún modo, nótese el uso de la
palabra "señal" e
"indeseada"; el hecho de que haya señales deseadas y señales
indeseadas destaca el aspecto subjetivo de
tal discriminación, no es pues una propiedad del fenómeno físico en
si. |
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Ya se trate de ondas electromagnéticas que
arriban al receptor u ondas sonoras que hagan vibrar nuestro
tímpano, nosotros
decidimos si esa
perturbación electromagnética del éter o esa presión sonora
constituye un ruido o
una señal. Así, "ruido" es
tan solo un nombre que le adjudicamos a aquellas señales que no nos
interesan.
En contraste, la frecuencia de
una señal, es una propiedad que ella posee
por si misma y que permite distinguirla de otra mediante, por
ejemplo, un circuito sintonizado.
Es esa una diferencia física (la
frecuencia) que un elemento físico (el circuito sintonizado) puede
detectar, se trata pues de una diferencia objetiva.
Esto no significa que los ruidos no
tengan patrones o características físicas distintivas al punto que
algunos pueden ser distinguidas por circuitos electrónicos y
entonces eliminarse o atenuarse por estos.
Por ejemplo un ruido de
baja frecuencia podría ser eficazmente eliminado mediante un filtro
"pasa altos" adecuado, pero no ha sido posible eliminarlo por ser un "ruido"
sino por ser "de
baja frecuencia".
La cuestión de "lo
deseable" o no de una
determinada señal puede comprenderse mediante un simple ejemplo.
Tomemos los ruidos de origen cósmico, tales como los del sol, del
centro galáctico o de los gases interestelares, justamente lo
denominamos ruido porque aparece como un elemento perturbador en
ciertas comunicaciones.
Este ruido se origina entre otras cosas por
las poderosas reacciones que se producen en las estrellas y los
gases excitados. Cualquiera que lo oiga en un radio receptor no
dudará en atribuirle el nombre de ruido porque suena precisamente a
ruido, pero ese "ruido" transporta
valiosísima información acerca de la naturaleza de las reacciones
que se están produciendo en esos objetos; esa información es
recogida y procesada por los radioastrónomos haciendo posible al
avance de la astrofísica.
Esas son las "señales" para las que diseña
un radiotelescopio, podríamos llamarla muy propiamente "la
música de las esferas". Si junto con esas señales apareciera de
pronto una trasmisión de radioaficionados, para los instrumentos del
radiotelescopio esa conversación sería ¡ruido...!
En muchas oportunidades la señal
indeseada no tiene patrones o propiedades que permitan su fácil
separación y consecuente eliminación por dispositivos electrónicos
relativamente sencillos.
Eso sucede habitualmente con ruidos de
características aleatorias de naturaleza impredecible, tal como los
estáticos o el ruido blanco de los receptores. En general los ruidos
que no responden a un patrón bien definido serán muy difíciles o aun
imposibles de eliminar.
Puesto que el ruido supone básicamente un
juicio de valor acerca
de una señal que se recibe no podemos esperar que elementos
sencillos posean la inteligencia necesaria para realizar un proceso
tan sutil y complicado como un "juicio
de valor" y ser
capaces de discriminar una cosa de la otra.
Sería como esperar que
una cámara fotográfica se niegue registrar en su película a personas "feas" mientras
nos entrega coloridas imágenes de muchachas bonitas.
Ni siquiera una inteligencia es capaz
distinguir la señal deseable de la indeseable cuando la diferencia
entre ellas es insuficiente (baja relación señal ruido), porque de
hecho nosotros, los que habitualmente las escuchamos, somos
criaturas inteligentes y aun así cuando las condiciones son malas no
logramos distinguir lo uno de lo otro.
A título de ejemplo (y créame que
lamento darle esta mala noticia), podemos afirmar fuera de toda duda
que una antena es un dispositivo incapaz de distinguir una onda
electromagnética deseable de una indeseable que estén en la misma
frecuencia y provengan de la misma dirección (con el mismo tipo de
polarización).
Esto echa por tierra todos nuestros sueño de tener
una antena sencilla que sea más sensible a las señales que a los
ruidos. Cuando eso sucede en la práctica es porque los ruidos
provienen de direcciones distintas que las señales (y la antena
tiene características direccionales a menudo no conocidas por el
experimentador), o porque tienen diferente polarización o porque no
es ruido electromagnético sino puramente eléctrico o puramente
magnético (más sobre esto luego).
El ruido en relación con la
información es un concepto que tiene sutilezas que exceden el marco
de la práctica de nuestro hobby, sus raíces se asientan en los
misterios más profundos de la naturaleza y, si bien para todos los
fines prácticos podemos convivir con él y comprender bastante su
conducta sin mayores problemas, aceptamos que no estamos tratando
con algo ingenuamente simple y el lector inquieto que se sienta
atraído y desee profundizar en este fascinante mundo encontrará en
los tratados de física muchas claves interesantes acerca de este
asunto en la termodinámica y en los principios de incertidumbre.
Ya en los albores de la radio los
investigadores se toparon con ruidos que dificultaban las
comunicaciones pero que no se generaban en sus aparatos. Estos
ruidos externos que se oían como chasquidos, siseos, etc. aparecían
siempre que se conectaba la antena al receptor y desaparecían al
desconectarla.
Observaron que aunque provenían de la antena, no los
producía ella por si misma, sino que que surgían del éter al igual
que las señales que se pretendía escuchar. En aquellos tiempos, las
señales inteligentes también consistían en chasquidos similares
generados por los trasmisores a chispa cuando se los activaba
mediante un manipulador telegráfico (clic aqui (1) para
ejemplo).
Los
investigadores rápidamente comprendieron que esos ruidos no deseados
eran de origen natural y que se producían principalmente por las
descargas asociadas a los relámpagos producidos por las tormentas
eléctricas, cargas electrostáticas producidas por el roce de
partículas de gases y vapor entre si o con la antena, etc. (aunque
no se limitaban únicamente a estos).
A medida que la sensibilidad de los
receptores aumentaba se hacía patente que esas tormentas podían
estar sucediendo a gran distancia.
A esas señales de origen natural
se los denominó en general "estáticos",
"atmosféricos", "parásitos", etc., y se acostumbraba a emplear
la palabra "ruido" sobre
todo para aquellos de origen artificial tal como el producido por
las escobillas de los motores, falsos contactos, etc.
Como muchos otros, los ruidos
"estáticos" son disturbios que se producen simultáneamente en una
muy amplia gama de las frecuencias de radio útiles.
Cada descarga,
por su naturaleza impulsiva, produce una frecuencia de radio
fundamental y también numerosas frecuencias que son múltiplos
enteros de la misma y que se denominan armónicas.
Pero no consisten en una sola descarga sino en muchísimas que se
están produciendo al mismo tiempo con distintas frecuencias
fundamentales y armónicas asociadas. Eso da como resultado un
espectro prácticamente continuo y bastante amplio.
Para el caso es
como si hubiera infinidad de estaciones (a chispa) trasmitiendo
caóticamente al mismo tiempo y desde diferentes lugares.
Los estáticos son
señales de radio con
los mismos derechos que cualquier otra por lo tanto se propagan
mediante los mismos mecanismos que las señales que nos interesan,
están sujetos idénticas condiciones de propagación diurna y
estacional.
Por ejemplo, si tomamos la banda de los 40m, sabemos que
mientras el sol está alto ella no está abierta al DX y los
comunicados son relativamente locales, en ese caso los estáticos que
oímos son de tormentas que se encuentran relativamente cerca.
Hacia
el atardecer o la noche, la banda se abre para comunicaciones a gran
distancia y las condiciones para las cercanas empeoran, en tal
situación los estáticos muy lejanos serán capaces afectar
severamente a las señales recibidas, sean estas locales o no.
La distribución de energía de los
estáticos cuyo origen es local es casi inversamente proporcional a
la frecuencia, es decir que son más intensos en la frecuencias más
bajas que en las más altas, así, cuando se están desarrollando
tormentas en la geografía cercana ("cercana" puede
significar cientos de kilómetros), operar en frecuencias más
elevadas puede dar algún alivio a la situación.
Cuando el tiempo en el área geográfica en que está la estación
receptora es bueno y estable, los estáticos que recibimos pueden
resultar de tormentas muy lejanas y, puesto que su intensidad
depende de las condiciones de propagación, puede llegar a ser mayor
en bandas superiores, las que suelen favorecer las comunicaciones a
miles de kilómetros, originando una distribución de energía distinta
de la mencionada.
En las Frecuencias Muy Elevadas (VHF) los estáticos de origen
atmosférico mucha menor intensidad, al mismo tiempo, en estas
frecuencias, es raro que las señales alcancen grandes distancias, y
por ambas razones el ruido provocado por ellos es marcadamente
inferior.
Es muy importante resaltar que los
estáticos se producen normalmente a distancias de la antena que
siempre representan muchas longitudes de onda, por ende son ondas
electromagnéticas irradiadas comunes y por eso ninguna antena es
capaz de discriminarlos de otra onda electromagnética cualquiera en
la misma frecuencia (luego ampliaremos este concepto).
Cómo luchar contra ellos
Por su naturaleza de ruido caótico y
aleatorio no es fácil eliminarlos. Se han empleado distintos métodos
y algunos modos de trasmisión son más efectivos que otros para
soslayar los inconvenientes que producen.
Ancho de banda
Puesto que son señales que se
distribuyen por un gran espectro de frecuencia, los encontraremos
presentes con seguridad a uno y otro lado de la señal en las
frecuencias adyacentes, por lo tanto un método para defenderse
consiste en utilizar un receptor cuyo ancho de banda de recepción
sea justo el necesario para acomodar el requerido por el modo de
trasmisión empleado y no más que eso.
De ese modo se evita la
conversión a sonido de las señales que están fuera espectro
necesario para la comunicación. Al mismo tiempo, si ella es del tipo
vocal puede obtenerse una mejora adicional eliminando la recepción
de aquellos sectores de la banda pasante de audiofrecuencia que
trasmiten poca o ninguna información útil, mediante filtros de
muesca ajustable, eso reduce aun más el ruido estático que aparece
en el parlante.
Ud. puede probar este efecto eliminando o
disminuyendo la respuesta de audio en las frecuencias comprendidas
entre los 500 a los 1500 Hz aproximadamente mediante un ecualizador
gráfico o testearlo mediante un programa de procesamiento de audio
con señales pregrabadas.
Limitadores
Cuando las tormentas son locales buena
parte de los chasquidos son descargas de corta duración y gran
amplitud que resultan de los relámpagos más cercanos y que están
relativamente espaciados en el tiempo, en tal caso el empleo de
circuitos limitadores (recortadores) ayuda a disminuir los efectos
de aturdimiento que produce el sonido intenso, las resonancias que
se producen en el parlante (y posiblemente en los circuitos
electrónicos) que extienden la duración del ruido, y tienden a
evitar los efectos indeseados en los sistemas de control automático
de volumen del receptor.
Cuando las tormentas son distantes el
ruido es una suerte de áspero y continuo siseo resultante de la suma
de todos las descargas que se producen en la zona donde se
desarrollan y el método prácticamente no resulta efectivo.
Directividad en las antenas
Un medio excelente para reducir los
estáticos (y otros ruidos también) consiste en emplear antenas con
características directivas para
recepción.
La directividad puede aprovecharse eficazmente para
evitar recibir los estáticos producidos por tormentas localizadas en
alguna dirección por ejemplo mediante un diagrama de radiación del
tipo cardioide que anula la recepción en un pequeño sector mientras
atenúa poco el resto o bien escuchando solamente en la dirección de
la estación deseada (lo cual es cómodo cuando es una sola o cuando
están todas en la misma dirección aproximada).
Aún en caso de
estáticos que pueden provenir de todas las direcciones, como por
ejemplo si la tormenta se encuentra "encima nuestro", el empleo de
una antena direccional del tipo Yagi o cúbica tendrá efectos útiles
al reducir gran parte del ruido proveniente de las direcciones
distintas a la que está dirigida.
Hago hincapié en la palabra "recepción" porque
pueden construirse antenas con características direccionales muy
efectivas y de pequeño tamaño para recepción únicamente que
inclusive pueden rotarse manualmente o emplearse en interiores (como
las antenas de cuadro) y que son fáciles y económicas de construir.
El equipo puede conmutarse mediante un relé a la antena normal
durante la trasmisión.
Naturalmente, el beneficio se obtiene
si la señal proviene de una dirección diferente que los parásitos.
Una antena directiva puede emplearse para seguir el desarrollo de
una tormenta a medida que la misma se va desplazando con lo que el
aficionado curioso y emprendedor puede hallar otro modo de
entretenimiento y aprendizaje adicional.
Cómo hacer una antena...
Procesadores digitales de señal DSP
Está moderna tecnología permite
aprovechar en cierto grado el hecho de que los estáticos tienen una
distribución de energía aleatoria lo cual permite que algoritmos
matemáticos elaborados puedan hoy emplearse eficazmente en sistemas
que emplean más "inteligencia" para separar la señal del ruido.
Por ser de origen natural puede
considerarse un "estático", pero su naturaleza es tan diferente que
merece consideraciones especiales. Es más notable en las frecuencias
altas y poseen características (al oído) muy parecidas a las del
ruido propio del receptor o ruido blanco.
Hacia mediados del siglo XX los investigadores advirtieron que apuntando sus antenas hacia el
cielo el ruido aumentaba, pudieron situar su origen en la Vía
láctea, de allí su nombre.
Este "ruido" dio nacimiento a unas de las
ciencias que más a permitido avanzar al hombre en su conocimiento
del Cosmos y que hoy llamamos propiamente la Radioastronomía.
Con equipos que empleamos
habitualmente podemos recibir estas fuentes de ruido extraterrestre
en la banda de FE como en FME y FUE, especialmente con aquellos
aptos para la recepción en CW o BLU y empleando antenas
direccionales; esto puede darnos muchas satisfacciones al recorrer
el camino de los pioneros.
Explorar las características de las
radiofuentes más importantes (Sol, Júpiter, centro galáctico) nos
acerca a otro fascinante mundo que bien puede ser el comienzo de un
nuevo hobby o la puerta de entrada a una futura carrera científica
para los más jóvenes.
Ruidos de
origen artificial |
Los ruidos de origen artificial son de
muy diversas especies. Algunos poseen un patrón bien definido lo
cual hace posible el empleo de ingeniosos dispositivos para
eliminarlos, por ejemplo el conocido "noise
blanker" empleado
para mitigar el ruido de ignición de los automotores.
Antiguamente no había demasiadas fuentes de ruido producido por
artefactos creados por el hombre, lo habitual consistía en el
generado en las escobillas de los motores, el de las bujías de
encendido, el chisporroteo de algún cartel de publicidad con tubos
de Neón y los varios zumbidos relacionados con los 50 Hz de las
líneas de alimentación de energía.
Lamentablemente la aparición de
aquellos engendrados en los sistemas de conmutación electrónica
rápida han sufrido un incremento sideral en los últimos años,
pudiendo mencionarse: barrido de monitores, convertidores de tensión
empleados en lámpara de bajo voltaje y fluorescentes, sistemas
digitales de variada procedencia y un generoso etcétera que hacen
prácticamente imposible diseñar ingenios que puedan lidiar
fácilmente con tal variedad de fuentes.
Casi todos los ruidos producidos por
estos artefactos son propagados por las líneas de distribución de
energía eléctrica pero también por las telefónicas y otras.
Por ello
en nuestras ciudades el ruido de origen humano hoy en día tiene una
preponderante polarización horizontal, justamente porque esas líneas
están tendidas horizontalmente y pasan muy cerca de nuestras antenas
receptoras.
Seguramente haya leído u oído que los ruidos de origen
humano tienden a tener polarización vertical. Eso ya no es cierto
por lo recién apuntado.
Antiguamente, aunque muchos ruidos se propagaban por las líneas de
energía, los mismos no eran tan locales y, puesto que esos ruidos se
producían e irradiaban a bajas alturas, las componentes de
polarización horizontal se atenuaban muy rápidamente quedando
únicamente las de polarización vertical que podían propagarse a
mayores distancias con menor atenuación (esa, de paso, es la razón
por la cual un dipolo a baja altura es menos eficiente que una
vertical a baja altura).
Hoy las fuentes de ruido suelen ser tan
cercanas que seguramente en nuestra manzana habrá muchas, por eso
encontramos que están polarizados horizontalmente.
Poco o nada se puede hacer con los
ruidos que la antena recibe y que provienen de su entorno pero es
importante señalar que los ruidos que están presentes en nuestra línea
eléctrica domiciliaria puede alcanzar la antena por medio de la
línea de trasmisión y reingresar por la misma hacia las etapas
sensibles del receptor, como.
El empleo de balunes de bajas
pérdidas, filtros de línea, chokes de RF confeccionados con la misma
línea de trasmisión, empleo de antenas balanceadas como el dipolo
común y hacer que la línea esté perpendicular a la antena ayuda a
disminuir esta clase de circuito de ruido. Las antenas
desbalanceadas, tales como antenas de hilo largo, etc, son mucho más
susceptibles a él.
Diferencia
entre el ruido eléctrico, el magnético y
electromagnético |
La teoría fundamental del
electromagnetismo es demasiado compleja como para exponerla en un
artículo básico como el presente y probablemente esté bastante más
allá de la expectativa del aficionado promedio, por ello señalaremos
algunas cuestiones importantes sin pretender dar cuenta acabada del
fenómeno.
Existen campos magnéticos variables,
campos eléctricos variables y campos electromagnéticos. Un campo
eléctrico o un campo magnético variables no son lo mismo que un
campo electromagnético, del mismo modo que un hombre y un caballo no
son lo mismo que un centauro.
Podemos tener campos magnéticos
variables que no poseen componentes eléctricas significativas y
podemos tener campos eléctricos variables sin componentes magnéticas
significativas o con relaciones de fase tales que no constituyen un
campo electromagnético en regla.
Pero existe un campo al que llamamos
"electromagnético" que contiene ambas componentes simultáneamente,
es decir que está compuesto tanto por un campo magnético como por un
campo eléctrico variable pero con ciertos requisitos tales como:
Comparten el mismo espacio en un dado instante, sus vectores
representativos se encuentran en fase formando ángulo recto entre si
y se propagan en una dirección que es perpendicular a ambos a la
vez. Este campo es, entonces, una
verdadera onda de radio.
Reiterando, podemos decir que una onda
de radio capaz transportar energía a puntos distantes es una configuración
especial del campo
eléctrico y el campo magnético llamada "campo
electromagnético".
En cambio un campo magnético variable
no puede transportar energía a grandes distancias por el espacio ni
tampoco puede hacerlo un campo eléctrico variable por si solo sin
que se produzca su "mutación".
Esta mutación es una propiedad fundamental de la naturaleza por la
cual siempre un campo eléctrico variable producirá
un campo magnético variable y
un campo magnético variable producirá
un campo magnético variable.
Encontramos que los campos magnéticos
o eléctricos variables "puros" pueden mantenerse bastante su
identidad mientras estén constreñidos a ciertos lugares tales como
el núcleo de un inductor o las placas de un capacitor (y aun esto
solamente si las frecuencias no son muy altas, es decir mientras que
el tamaño de esos elementos circuitales sea pequeño respecto de la
longitud de onda involucrada). Si les damos libertad, rápidamente
dejan de ser "puros" para
ser "mixtos".
Eso
da lugar a que el campo de una antena se clasifique en el campo
cercano (near field) y el campo lejano (far field). En el campo
cercano está presente, además de un campo irradiado, el "campo
de inducción", así llamado pues en él se manifiestan fenómenos
de almacenamiento e intercambio de energía con el generador.
Cuando
decimos intercambio y almacenamiento queremos decir que no toda la
energía presente en el campo cercano es irradiada produciéndose los
mismos fenómenos de inducción magnética y electrostática que se
encuentran en capacitores e inductores.
A la distancia en que se produce la transición entre el campo
cercano y el lejano se la denomina "Distancia
de Rayleigh" y puede
estimarse como 2d2/lambda donde "d" es
la máxima dimensión de la estructura irradiante y lambda es la
longitud de onda.
La transición es gradual y el límite no puede
establecerse con exactitud. El campo lejano consiste totalmente de
energía irradiada que ya ha escapado definitivamente de la antena.
Dicho lo anterior podemos afirmar que
cualquier ruido de tipo eléctrico, a unas pocas longitudes de onda
de su origen se convertirá en ruido electromagnético y
por lo tanto será recibido perfectamente por una antena
especialmente sensible a los campos magnéticos tal como la antena de
cuadro o "magnetic
loop" justamente
porque el ruido tiene toda su componente magnética presente igual
que cualquier otra señal. Lo mismo puede afirmarse de los ruidos
puramente magnéticos.
Lo apuntado significa que las ventajas en cuanto a inmunidad al
ruido eléctrico o magnético que una antena pueda llegar a tener,
será beneficiosa únicamente en
el caso que la misma se encuentre dentro del campo
cercano de la fuente
del ruido, ergo, a una distancia muy corta de ella.
Más allá de esta
distancia el campo puramente eléctrico o puramente magnético se
habrá convertido en campo
electromagnético irradiado y
la antena tendrá que captarlo, si no lo hiciera, tampoco sería capaz
de hacerlo con cualquier otro que transporte una señal deseable.
El lector encontrará en su práctica
radial muchas creencias en otro sentido pero ellas contradicen las
leyes fundamentales del electromagnetismo y, aunque a veces resultan
de experiencias concretas que dan origen a las mismas, las
conclusiones son inexactas.
Un ejemplo muy tosco sería el de una
antena con ciertas características directivas inadvertidas: al
instalarla notamos quizás una disminución importante en el ruido y
concluimos apresuradamente que la antena es más "silenciosa" sin
ver que ella ha dejado de ser capaz de recibir las señales
provenientes de la dirección "ruidosa".
73's...
(1) El archivo pertenece al señor John
S. Belrose. Recomiendo su excelente artículo titulado "The
Sounds of a Spark Transmitter: Telegraphy and Telephony" que
se encuentra en:http://www.acmi.net.au/AIC/SPARK_SOUNDS.html.
Agradezco la colaboración de su autor.
Bibliografía consultada:
Gonorovsky, I.S. Señales
y circuitos radiotécnicos. Editorial Mir, Moscú, 1972.
Lathi, B.P., Communications
Systems.
Nikolsky, V. V., Electrodinámica
y propagación de ondas de radio. Editorial Mir, Moscú. 1976.
Resnik, Robert , Halliday,
David , Física,
parte ll.
Sears, Francis W., Zemansky,
Mark W., Física,
CIA Editorial Continental. S.A. México, 1973.
Terman Frederic
E., Manual del Radio
Ingeniero. Editorial HASA, Bs. As. 1947.
— Ingeniería de Radio.
Editorial Arbó, Bs. As. 1952. |