Entiendo la figura de ruido pero, ¿cómo es que el ruido ahora tiene 'Temperatura'?,

El concepto de "factor de ruido" y "figura de ruido" es bastante intuitivo: es el ruido que un componente, como un amplificador, añade a la señal de entrada a medida que la señal de entrada pasa hacia la salida, o que se genera por el movimiento térmico dentro de un componente pasivo. Existen muchas fuentes de este inevitable ruido creado internamente, incluida la entropía, la física del dispositivo y de los materiales, el movimiento aleatorio de los electrones, y diversas imperfecciones, para citar algunas de las causas.

La definición cuantitativa del factor de ruido (F) es sencilla: es la relación del índice de señal-ruido (SNR) de la entrada respecto al SNR de salida:

Factor de ruido (F) = (señal de entrada/ruido de entrada)/(señal de salida/ruido de salida)

Incluso los componentes pasivos sin ganancia, tales como las resistencias, tienen un factor de ruido, definido como la proporción del ruido producido por una resistencia real respecto al simple ruido térmico de una resistencia ideal. Para estandarizar la comparación, el factor de ruido se mide a una temperatura estándar de 290K, una elección que es en gran medida una consecuencia de la investigación fundamental realizada por Harald Friis en los laboratorios telefónicos de Bell en 1930. La fuente de ruido estándar utilizada para la comparación tiene un nivel de ruido de KT, donde K es la constante de Boltzmann (1,38 × 10^-23 J/K).

Así que ¿cómo llegamos entonces a la figura de ruido (NF)?

Es una simple relación: NF (en dB) = 10 × log (F).

¿Por qué tener tanto Factor de Ruido F y Figura de Ruido NF? Depende del tipo de análisis de paso de señal que se realiza. Para algunos tipos de análisis, F es más útil, mientras que para otros, NF simplifica las ecuaciones.

Pero luego surge otro parámetro de "ruido": La temperatura de ruido. ¿Cómo puede el ruido tener temperatura? ¿Por qué se desea relacionar el ruido con la temperatura?

He aquí el porqué: La temperatura de ruido es otra manera de caracterizar la magnitud del ruido y los cambios de señal-a-ruido asociados. Se utiliza en los enlaces de RF, especialmente aquellos asociados con la radioastronomía, los enlaces orientados hacia el espacio y otros sistemas no terrestres.

Comencemos con una definición de temperatura de ruido (NT):

NT= 290 × (F-1) ["290" es la temperatura de referencia estándar, como se observó más arriba]

Hasta ahora, la temperatura de ruido parece ser simplemente otra forma de cuantificar el ruido, pero es mucho más. Es un concepto teórico "abstracto" que denomina la temperatura equivalente que podría producir la misma cantidad de potencia de ruido como se puede ver. Tenga en cuenta que esta temperatura de ruido equivalente, a menudo designada como T_EQ, no indica la temperatura real de un amplificador como si se tratara de medir con un termómetro.

¿Por qué utilizar entonces temperatura de ruido y T_EQ? De nuevo, para algunos tipos de análisis, esto simplifica la evaluación de la cadena de señal y las ecuaciones asociadas. También proporciona una métrica muy útil relacionada con la definición del ruido de fuentes menos tangibles como el ruido que impera en el cielo (sí, el cielo es una fuente de ruido).

En un enlace inalámbrico, el T_EQ de temperatura de ruido de entrada equivalente sería la suma de dos temperaturas de ruido: la temperatura del ruido de la antena T_ANT en la salida de la antena, y la temperatura de ruido en el sistema de circuitos del receptor T_SYS:

T_EQ = T_ANT + T_SYS

Las temperaturas de ruido de las distintas etapas pueden ser linealmente añadidas para caracterizar el ruido en cualquier punto de la cadena de señal (Figura 1).

Figura 1: Las temperaturas de ruido de las etapas individuales se pueden añadir para determinar el ruido en diversos puntos del sistema, comenzando con la temperatura de ruido equivalente en la antena u otra fuente. (Fuente de la imagen: New Jersey Institute of Technology)

En sistemas de radio, radar y sistemas RF centrados en el espacio que operan a cientos de megahertz (MHz), y decenas de gigahercios (GHz), el ruido a frecuencias más bajas no es un problema, ya que puede ser fácilmente filtrado y atenuado. En su lugar, las principales fuentes de ruido son el ruido de la radiación de fondo, así como el ruido generado internamente. Por esta razón, cualquier análisis debe incluir estas fuentes de ruido. Si la antena está orientada al cielo, la temperatura de ruido de entrada equivalente de la fuente, T_EQ depende de la posición relativa del sol y sus ciclos variables (ver el documento de JPL/NASA “La temperatura de brillo solar y la temperatura de ruido de antena correspondiente a frecuencias microondas”).

El estudio de este “ruido celestial” condujo al descubrimiento de la Radiación Cósmica de Fondo de Microondas (CMBR) del espacio y su aparente significado por parte de Arno Penzias y Robert Wilson (quienes ganaron el Premio Nobel por este descubrimiento; (ver “Fondo de Microondas Cósmico”). Su receptor, compuesto por una enorme antena de bocina, registró un exceso de 4,2 K de la temperatura de la antena casi uniformemente invadiendo el espacio, independientemente de la orientación de la antena (Figura 2). Pero no pudieron dar cuenta de ello a través de ningún análisis de ruido de sistema o circuito y, finalmente, demostraron analíticamente que era causado más probablemente por un remanente del calor sobrante del "Big Bang" como una representación del conocido fenómeno de física de radiación de cuerpo negro.

Figura 2: Una imagen de la radiación de fondo cósmico de microondas, tomada por el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea en 2013, muestra las pequeñas variaciones en el cielo. (Fuente de la imagen: Colaboración ESA/Planck a través de Space.com)

Pero no hay que desanimarse por este uso aparentemente abstracto de la temperatura de ruido, ya que el principio de la temperatura de ruido equivalente como una métrica relacionada al ruido tiene usos prácticos y reales (literales y figurados), además del análisis cósmico y relacionado con el espacio. Por ejemplo, la temperatura de ruido de la antena es la temperatura de una hipotética resistencia en la entrada de un receptor ideal, libre de ruido que podría generar la misma potencia de ruido de salida por unidad de ancho de banda, como el de la salida de antena con una frecuencia especificada.

El ruido, por supuesto, es un gran motivo de preocupación y desafío en casi todos los sistemas, ya sea por cable o inalámbricos. Hay mucho más que puede y debe ser punto de debate, como el ancho de banda y su efecto sobre la potencia de ruido. El factor de ruido, la figura de ruido y la temperatura de ruido son todas las formas válidas de medir el ruido, y pueden convertir fácilmente una lectura de una escala a otra. La forma "correcta" a usar depende del análisis que se realiza y el tipo de respuesta deseada.