No todos los ruidos son malos: Por qué y cómo usar el ruido para aplicaciones de pruebas y circuitos

Los ingenieros y técnicos electrónicos están acostumbrados a considerar el ruido como algo negativo y, por tanto, optimizan el ruido bajo durante la selección de componentes, el diseño del circuito y la disposición de la placa. El hecho es que, a veces, el ruido aleatorio o pseudoaleatorio puede ser útil. Veamos más de cerca por qué es útil y cómo se puede aprovechar.

Hay dos tipos de ruido aleatorio que se suelen utilizar en una variedad de aplicaciones: el ruido blanco y el ruido rosa. El ruido blanco tiene un espectro de frecuencia plano con la misma potencia, medida en decibelios (dB), sobre su ancho de banda. El ruido rosa tiene la misma potencia en cada octava de frecuencia dentro de su ancho de banda (Figura 1).

Figura 1: Comparación de los espectros de frecuencia de los ruidos blanco y rosa. El espectro de potencia del ruido blanco es plano, mientras que el espectro de potencia del ruido rosa disminuye a 3 dB por octava. (Fuente de la imagen: Art Pini)

El ruido rosa, debido a que se aproxima a la respuesta del oído humano, se usa para pruebas de audio y ecualización de sistemas de sonido.

La ecualización por zonas ajusta la respuesta de frecuencia de un sistema de sonido para producir exactamente la misma señal que se le pone. Si pone ruido rosa en el sistema de sonido, el ecualizador se ajusta para eliminar el ruido rosa según lo medido en un analizador de espectro (Figura 2).

Figura 2: La respuesta de frecuencia de la zona se ajusta con el ecualizador para reproducir la entrada sin pérdida ni distorsión. (Fuente de la imagen: Art Pini)

El ruido blanco se utiliza para medir la respuesta de frecuencia y como fuente de propagación para las comunicaciones de espectro ensanchado.

Considere el siguiente ejemplo donde se caracteriza la respuesta de frecuencia de un filtro de frecuencia intermedia (FI) de 10.7 megahercios (MHz) (Figura 3).

Figura 3: Uso de ruido blanco de banda ancha para medir la respuesta de frecuencia de un filtro de FI de 10.7 MHz. (Fuente de la imagen: Art Pini)

El ruido blanco, que se muestra en la cuadrícula superior izquierda, se introduce en el filtro a través de una red de adaptación de impedancia adecuada. El espectro de frecuencia de la entrada se muestra en la cuadrícula inferior izquierda, que es plana en todo el rango de frecuencias de interés. La salida del filtro debidamente terminada se muestra en la cuadrícula superior derecha. Tiene una amplitud más baja que la entrada porque el filtro de banda pasante atenúa los componentes de frecuencia fuera del ancho de banda del filtro. El espectro de frecuencia de la salida del filtro, en la cuadrícula inferior derecha, muestra que el filtro tiene un ancho de banda de aproximadamente 400 kilohercios (kHz) a una frecuencia central de 10.7 MHz. La respuesta de frecuencia teórica es la proporción compleja de la señal de salida con la señal de entrada. Dado que la magnitud de la señal de entrada es uniforme, el espectro de salida muestra la respuesta espectral de magnitud del filtro.

Construcción de un generador de ruido

Los generadores de ruido pueden basarse en cualquiera de las tres tecnologías básicas. La primera es utilizar el ruido de Johnson generado en las resistencias. Este ruido electrónico es generado por la agitación térmica de los electrones dentro de un conductor eléctrico, lo que sucede independientemente de cualquier voltaje aplicado. El ruido producido es, en esencia, ruido gaussiano blanco que tiene que ser amortiguado por algunos amplificadores de muy alta ganancia.

El segundo método es usar un diodo de ruptura por efecto avalancha o un diodo Zener en polarización inversa. Este ruido también es blanco y tiene un nivel más alto que el ruido de Johnson, pero aún requiere amplificadores de alta ganancia.

El tercer método consiste en generar una secuencia binaria pseudoaleatoria (PRBS) mediante un registro de desplazamiento junto con un convertidor de señal digital a analógica (DAC) y un filtro para convertir la PRBS en ruido blanco. El flujo de ruido de la PRBS tiene una longitud finita que se repite. La longitud se puede establecer según el número de etapas del registro de desplazamiento. El recíproco de la duración de la señal es la frecuencia más baja que puede reproducir el generador de PRBS. El generador de PRBS ofrece el voltaje de salida más alto y no requiere amplificadores de alta ganancia.

Se puede implementar el generador de PRBS con registros de desplazamiento discretos como se muestra en la Figura 4 o con un sistema en chip programable, como un microcontrolador o un arreglo programable de puertas en campo (FPGA).

Figura 4: Implementación de un generador de ruido de PRBS de 16 bits que utiliza dos circuitos integrados biestables tipo D octales discretos. (Fuente de la imagen: Art Pini)

El diseño del generador de PRBS de bajo costo que se muestra en la Figura 4 se basa en una implementación de registro de desplazamiento de retroalimentación lineal que utiliza el registro de desplazamiento estático dual de 4 bits MC14015DG de onsemi y la puerta XOR cuádruple CD4070BMT de Texas Instruments. Dieciséis biestables tipo D (ocho por circuito integrado), con tomas de retroalimentación en el 14 y 15, producen un patrón de datos PRBS15. La conexión de retroalimentación se realiza a través de una puerta XOR. Este patrón de datos tiene una longitud de 32 767 bits, lo que equivale a una duración de aproximadamente 65 milisegundos (ms) a una frecuencia de reloj de 500 kHz. Se pueden lograr patrones más largos usando más registros de desplazamiento, con un cambio apropiado en las tomas de retroalimentación.

El generador se inicializa en el estado “todo cero” en el momento del encendido cuando se utiliza una puerta NAND con disparador Schmitt MC14093BDR2G (IC5) de onsemi y una red básica de resistencias y condensadores (RC). El reloj lo proporciona un oscilador de semiconductores de metal-óxido complementario (CMOS) simple que funciona a cerca de 500 kHz. La salida digital se puede tomar de cualquiera de las salidas Q del registro de desplazamiento. En este caso, se utilizó la Q14.

Si bien se podría usar un filtro analógico, estaría restringido a una frecuencia de reloj específica. Mediante el uso de un filtro paso bajo de respuesta finita al impulso (FIR), el corte del filtro rastreará cualquier cambio en la frecuencia del reloj. Además, el filtro FIR puede proporcionar frecuencias de corte muy bajas que requerirían condensadores muy grandes en un filtro analógico. El filtro FIR combina la suma ponderada de las salidas del registro de desplazamiento. La ponderación requerida para producir una respuesta de filtro paso bajo rectangular en el dominio de la frecuencia es sen(x)/x en el dominio del tiempo (Figura 5).

Figura 5: La etapa de salida del generador emplea muestras ponderadas de sen(x)/x de las salidas del registro de desplazamiento para implementar un filtro paso bajo FIR. (Fuente de la imagen: Art Pini)

Las salidas ponderadas del registro de desplazamiento se suman en el amplificador diferencial que consta de tres secciones de un amplificador operacional cuádruple LM324KDR (amplificador operacional). El banco de resistencias superior representa los componentes negativos de la ponderación sen(x)/x. El banco de resistencias inferior representa los valores positivos. Esta banda de filtro digital limita la salida a aproximadamente el 5% de la frecuencia de reloj de 500 kHz, o 25 kHz, que es adecuada para pruebas de frecuencia de audio.

La salida de ruido blanco de este generador se puede convertir en ruido rosa utilizando un filtro de resistencia-condensador simple (Figura 6).

Figura 6: Este filtro de RC simple producirá ruido rosa de la salida de ruido digital del generador. (Fuente de la imagen: Art Pini)

El amplificador elegido debe coincidir con la carga esperada. Este tipo de generador de ruido es adecuado para pruebas y ecualización de audio.

Conclusión

Si bien el ruido generalmente es algo que debe eliminarse o, al menos, mitigarse, el tipo correcto de ruido puede ser útil. Debido a su distribución de potencia espectral conocida, los ruidos blanco y rosa son un gran recurso para las pruebas de respuesta de frecuencia. Como se muestra, se puede construir rápidamente un generador de ruido adecuado utilizando algunos componentes estándar.