Sinais e Ruídos - conceitos básicos

Quem desenvolve circuitos eletrônicos, seja profissionalmente ou por hobby, volta e meia tem que enfrentar problemas causados por ruídos.

Coloco neste post uma breve explanação sobre o que são ruídos e sinais, pois estes conceitos são importantes e normalmente quem está iniciando não está familiarizado com eles.

O que é um sinal?
Sinal, para nós é toda informação, elétrica/magnética que nos é útil ou contém informações que nos interessam.

Por exemplo, os sinais transmitidos pelas emissoras de rádio ou TV são sinais (de rádio ou TV, respectivamente).

E como caracterizamos os sinais? - Um sinal é caracterizado por sua forma de onda, freqüência e amplitude.

Ruídos
Ruídos são pertubações elétrico/magnéticas que deterioram os sinais que desejamos transmitir, receber ou tratar no nosso circuito.

Um exemplo de fonte de ruído é o liquidificador. Ao ligarmos um liquidificador, ele emite sinais espúrios (ruído) que se propagam, principalmente pela rede elétrica da nossa residência e este ruído irá degradar a imagem dos canais exibidos no televisor.

Um sinal indesejado também pode ser encarado como ruído sob determinadas condições.
Podemos exemplificar esta afirmação com o seguinte exemplo: imagine que você está tentando assistir ao canal 5 no televisor e próximo a sua casa, está a emissora do canal 4.

Muito provavelmente, aparecerão as duas imagens/sons: as do canal 5, que você quer assistir e as do canal 4, que estará interferindo no que é exibido.
Neste caso, o sinal do canal 4 atuará como ruído.

Um ruído, geralmente, é um sinal aleatório (mas nem sempre, conforme o exemplo anterior).

Os ruídos podem ser classificados pelos seus tipos, pelas freqüências em que atuam, e pela sua origem.

Tipos de ruído

São vários os tipos. Cito aqui alguns.

• Ruído Térmico ou de Johnson-Nyquist: gerado devido à agitação térmica dos átomos. Todo componente eletrônico gera ruído entre seus terminais devido à agitação térmica dos átomos. Quanto maior a temperatura, maior será o ruído Johnson.
  O ruído térmico apresenta aspecto praticamente constante para extensa faixa espectral para frequências de até 10.000 Ghz. Este ruído é quase que um ruído branco.
  
  
• Ruído Shot: Causado pelo fluxo finito de partículas (elétrons ou fótons). O elétron possui carga discreta, logo o fluxo de elétrons possui carga discreta e a circulação dos mesmos gera uma flutuação do campo elétrico e por conseqüência uma flutuação da corrente elétrica.
  Tendo em vista que em um circuito eletrônico sempre haverá fluxo de elétrons durante seu funcionamento, podemos dizer que é impossível nos livrarmos dele.
  
  
• Ruído Rosa, Ficker ou 1/f: ocorre em quase todos os dispositivos eletrônicos, e para uma freqüência f constante, sua potência cai cerca de 3 db por oitava. Para freqüências altas o suficiente, este ruído nunca é o dominante, devido a atenuação da sua potência.
  Uma curiosidade: engenheiros de áudio utilizam o ruído rosa para determinar se o sistema tem resposta em freqüência plana para a banda de interesse.
  Várias são as causas do ruído rosa. Podemos citar a mudança de valor das resistências dos componentes (lembre-se que a resistência de um material varia com a temperatura). Os tubos de raios catódicos, quando emitindo corrente são outro exemplo.
  
  
• Ruído branco: é o sinal que possui componentes de todas as freqüências do espectro e que possui a mesma quantidade de energia para toda a faixa de frequências.
  O nome branco dado ao ruído deve-se a uma analogia com o espectro de cores. A luz branca, percebida pelo olho, na realidade, é a soma de todas as componentes (freqüências) de cor.
  Podemos pensar no ruído branco como a reprodução de todos os tons ao mesmo tempo (Um tom é um som que se repete a uma determinada freqüência).
  
  Há várias aplicações do ruído branco. Entre elas, podemos citar:
  
  1. determinação da resposta em freqüência de um sistema (de telecomunicações, equipamentos de áudio e linhas de transmissão)
  2. ajuda no processo de relaxamento e sono das pessoas.
  3. ajuda na concentração das pessoas.
  4. síntese musical, para a síntese subtrativa ou para a simulação de sons percussivos ou de fricção.
     

Classificação de Ruídos quanto à freqüência

• Ruído de baixa freqüência: O ruído de baixa freqüência pode ser minimizado com o uso de filtros passa alta.
  
  
• Ruído de freqüência intermediária. Geralmente ruídos de interferência. O ruído de interferência mais comum é o ruído gerado na linha de energia elétrica, com freqüência fundamental de cerca de 60 Hz e suas harmônicas.
  Podemos remover este ruído com filtros, bem como modulando-se a freqüência da fonte de sinais e a freqüência usada na detecção.
  
  
• Ruído de alta freqüência. Os ruídos de alta freqüência são os mais difíceis de se eliminar: o ruído branco ou ruído gaussiano. Podemos, em alguns casos, minimizar este tipo de ruído através de programas que apliquem filtros de transformada de Fourier.
  

Origem

• Ruído exógeno -são ruídos devido às interferências externas ao processo ou sistema. Por exemplo, os sinais de uma emissora de rádio ou TV que se sobrepõe ao nosso sinal.
  
  
• Ruído endógeno - são ruídos devido às interferências internas do processo ou sistema. Por exemplo, as interferências geradas pelo funcionamento da fonte chaveada de um circuito.
  
  
• Ruído de repertório - refere-se às inteferências ocorridas diretamente na produção ou interpretação da mensagem, provocadas pelo repertório dos emissores e receptores.
  

Espero ter esclarecido alguma coisa em relação aos tópicos tratados. Em posts futuros, pretendo abordar, na prática, o projeto de filtros e outras técnicas de redução de ruído.