Ruido
[gL.edu] Este artículo recoge contribuciones de Daniel Francisco Naranjo Dávila, José María Díaz Nafría, Daniel Gracia Garallar, elaboradas en el contexto de la Clarificación conceptual en torno a las "Telecomunicaciones", bajo la supervisión de J.M. Díaz Nafría.
Definiciones
Según la acepción más usual, se denomina ruido (que procede del latín rugītus, equivalente a rugido, estruendo) a un sonido inarticulado y por lo general desagradable o molesto,[1] por tanto, un sonido incompresible en comparación del que permite una comunicación hablada entre un emisor y receptor en el que el segundo comprende las intenciones comunicativas del primero. De hecho, es también común su acepción en el sentido de sonido que perjudica la comunicación hablada. De su generalización en contextos comunicativos, en los que una señal (auditiva o de cualquier otro tipo) sirve de vehículo para transportar la información que se quiere comunicar, se llama ruido a la señal que se mezcla con la primera, o señal útil [2].
No debe confundirse con cualquier fenómeno que perturbe la señal útil o de información, sino que se refiere a aquella perturbación a la que podamos asociar una señal, y que por tanto, es independiente de que exista o no señal útil; del mismo modo que una persona puede escuchar un sonido estruendoso (rugītus) con independencia de que alguien le esté o no hablando. En consecuencia no debe confundirse el ruido con la distorsión que solo se produce cuando hay señal útil y depende totalmente de ésta y de sus características. No obstante, la independencia entre la señal útil y el ruido no debe considerarse absoluta, en algunos tipos de ruido éste depende de las características de la señal, como veremos más adelante.
Aunque a veces se trate de forma indistinta, el ruido también se suele dintiguir de la interferencia. Ésta, al igual que el ruido, puede aparecer con ausencia de señal útil, pero se distingue del ruido en cuanto a que la interferencia tiene características similares a las de la señal útil ya que procede de otros procesos comunicativos, debido a una transferencia indeseada de las señales útiles desde el canal original, interferente, hasta el canal de comunicaciones interferido. En su caracterización estocástica, el ruido tiene un mayor caracter aleatorio que la interferencia, es decir, es más impredecible ya que, en general, es el resultado de multiples procesos independientes.
Ruido en telecomunicaciones
En telecomunicación, donde las señales tienen una naturaleza electromagnética, el ruido puede deberse a la propia electrónica de los equipos de comunicaciones o de equipos adyacentes, a fenómenos atmosféricos, al encendido de motores, etc. En comunicaciones espaciales y otras radiocomunicaciones, reviste importancia el ruido debido a las radiaciones cósmicas y, por último, existe un tipo de ruido que aunque a menudo se encuentre enmascarado por otros ruidos de mayor intensidad, nunca podemos olvidar. Nos referimos al ruido térmico o ruido Johnson, que es generado por cualquier objeto que se encuentre a una temperatura superior al cero absoluto, y que, en consecuencia, siempre está presente.[3] Tanto este ruido, como el debido a la radiación de fondo cósmico, descubierta por Arno Penzias y Robert Wilson, que afectaría a la radiación captada por una hipotética antena que apuntara hacia un lugar del espacio en el que no hubiera ningún objeto cósmico (que constituye el mínimo valor de ruido de antena), suponen un límite absoluto para la telecomunicación, ya que no podemos construir ningún sistema de telecomunicación sin que haya un mínimo de ruido. Por tanto, la comunicación debe siempre producirse en un contexto en el que las señales útiles coexistan con ruido (ibidem). Podría especularse un universo congelado pero como en él no podría ocurrir nada, tampoco habría comunicación.
El efecto que produce el ruido en las comunicaciones depende fundamentalmente de su distribución espectral y de su potencia con respecto a la señal transmitida. Para evaluarlo se usa directamente la relación señal/ruido cuando se trata de comunicaciones analógicas.
Ruido en comunicaciones digitales
En el caso de las comunicaciones digitales, la relación señal a ruido disponible a la entrada del receptor o demodulador digital se manifiesta en una variación de la tasa de error de bit que sería el parámetro que importaría en la transmisión de datos.
Sin embargo, cuando se trata de una comunicación analógica (en sus extremos) que emplea transmisión digital, existe un fenómeno de perturbación fundamental que denominamos ruido de cuantificación, al que nos hemos referido en los artículos de error de cuantificación y cuantificación. En general, no se trata de una señal que se añada a la señal original, sino de la pérdida de información producida en la cuantificación de la señal analógica que da lugar a que en el proceso de reconstrucción de la señal se produzca -incluso en condiciones ideales- una diferencia con la señal original, que es lo que se denomina error o ruido de cuantificación. Así, la señal reconstruida puede considerarse que está conformada por la suma de la señal original y la señal de error o de ruido de cuantificación. Como a menudo el nivel cero de la señal analógica es un umbral de decisión (del proceso de cuantificación) ocurre que por las razones aducidas anteriormente, incluso cuando no hubiera señal analógica original habría un ruido mínimo que daría lugar a la transmisión aleatoria de alguno de los símbolos que se encuentran a ambos lados de dicho umbral, lo cual aumenta la independencia del ruido de cuantificación respecto a la existencia de señal útil -a la que nos referíamos más arriba para diferenciar el ruido de la distorsión.
Código

A continuación se ofrecen algunos ejemplos para añadir un nivel de ruido arbitrario a señales en MATLAB. El resultado del código se muestra en la Figura 1.
%% Agregar ruido blanco a una señal
% MATLAB proporciona varias herramientas para trabajar
% con ruido Gaussiano; plantearemos dos aproximaciones.
% generamos un vector de tiempo y
% una señal cualquiera
t = 0:.01:4*pi;
s = 5*sin(t);
% especificamos el nivel de ruido que deseamos agregar
% a nuestra señal, en dB.
SNR = 12;
% trabajamos con muestras discretas; calculamos la potencia
% media de la señal como la suma del cuadrado de todos los
% elementos, divididos por el número total de elementos
% del vector.
p_s = sum(s.^2)/length(s);
% sabiendo que SNR[dB] = 10·log(P_señal/P_ruido), y ahora que
% conocemos la potencia de nuestra señal, podemos calcular
% qué potencia de ruido precisamos añadir a esta para obtener
% la SNR deseada.
p_n = p_s / 10^(SNR/10);
% generamos un vector X~N(0,1). Por definición, tendrá
% potencia unitaria (var^2). Ajustar la potencia media de
% este es tan sencillo como multiplicarlo por la amplitud
% correspondiente a la potencia final deseada.
x = randn(1, length(s)) * sqrt(p_n);
% todo listo; solo queda agregar las componentes señal y ruido
noisy1_s = s + x;
% este ilustrativo proceso está totalmente automatizado en MATLAB
% a través de la función 'awgn'. El matiz importante es que esta
% función no calcula la potencia previa de la señal original:
% presupone 0 dBW. Por suerte, podemos agregar como tercer argumento
% la potencia de nuestra señal, y devolverá un resultado ajustado.
% Anteriormente hemos trabajado en W; debemos convertir este valor
% a dBW antes de pasarlo a la función.
noisy2_s = awgn(s, SNR, 10*log10(p_s)); % agregamos ruido
% mostramos los resultados de la experiencia.
subplot(3,1,1);
plot(t, s);
xlim([min(t) max(t)]);
ylim([-10 10]);
title("Señal original");
subplot(3,1,2);
plot(t, noisy1_s);
xlim([min(t) max(t)]);
title("Señal original SNR = 12 dB (proceso manual)");
subplot(3,1,3);
plot(t, noisy2_s);
xlim([min(t) max(t)]);
title("Señal original SNR = 12 dB (función 'awgn')");
Referencias
- ↑ Real Academia Española. (s.f.). Ruido. En Diccionario de la lengua española. Recuperado en 6 de febrero de 2022, de ruido en el Diccionario de la lengua española
- ↑ Ruido (comunicación). (2020, 25 de noviembre). Wikipedia, La enciclopedia libre. Fecha de consulta: 16:46, febrero 7, 2022 desde artículo en Wikipedia de 25/11/20.
- ↑ Pierce, John R.; Noll, A. Michael (1995). Señales. La ciencia de las Telecomunicaciones. Barcelona: Reverté.