Rumore in elettronica e comunicazioni: definizione, tipi ed effetti

Scopri cosa è il rumore in elettronica e comunicazioni: definizione, tipi, cause ed effetti sui segnali e come mitigarli per migliorare affidabilità e qualità delle trasmissioni.

In elettronica, il rumore è una fluttuazione casuale in un segnale elettrico. Questo accade in tutti i circuiti elettronici. Il rumore prodotto dai dispositivi elettronici è molto variabile. Nei sistemi di comunicazione, il rumore è un errore o un disturbo casuale di informazioni utili in un canale di comunicazione.

Il rumore è l'insieme dell'energia indesiderata o disturbante proveniente da fonti naturali e talvolta dall'uomo. Il rumore è solitamente distinto dall'interferenza, come l'inceppamento deliberato o altre interferenze elettromagnetiche indesiderate.

Se un messaggio è trasmesso in un linguaggio naturale (una serie di lettere che hanno un senso), allora è più resistente al rumore di un linguaggio parlato.

Definizione estesa

In termini pratici, il rumore è qualsiasi componente del segnale che non contiene informazione utile e che altera la capacità del ricevitore di ricostruire correttamente il dato trasmesso. Può essere intrinseco al dispositivo (generato dai materiali e dai processi fisici) oppure esterno, dovuto a sorgenti ambientali o ad altre trasmissioni.

Principali tipi di rumore

• Rumore termico (Johnson–Nyquist): dovuto all'agitazione termica degli elettroni nei resistori e nei circuiti. Ha densità spettrale uniforme (rumore bianco). Formula utile: v_rms = sqrt(4 k T R B), dove k è la costante di Boltzmann, T la temperatura in kelvin, R la resistenza e B la banda di interesse. A 290 K la densità di potenza termica è circa -174 dBm/Hz.
• Rumore di shot: associato al flusso discreto di portatori di carica (elettroni) in dispositivi come diodi e transistor. È particolarmente rilevante a basse correnti e in dispositivi a semiconduttore.
• Rumore 1/f (flicker): ha spettro inversamente proporzionale alla frequenza ed è dominante a frequenze basse; spesso presente nei dispositivi a semiconduttore.
• Rumore di burst (popcorn): fluttuazioni imprevedibili e sporadiche dovute a difetti nei materiali o a fenomeni di trapping/ detrapping nei dispositivi.
• Rumore di fase: variazioni di fase nella portante che degradano le prestazioni dei sistemi di modulazione in frequenza o nella trasmissione con portanti stabili (es. oscillatori).
• Rumore di quantizzazione: introdotto dalla conversione analogico-digitale (ADC) dovuta alla rappresentazione discreta dei valori; dipende dalla risoluzione del convertitore e dalla banda.
• Interferenze esterne: rumori causati da altre sorgenti elettromagnetiche (motori, linee elettriche, trasmettitori radio, scariche atmosferiche, sorgenti industriali). Queste sono spesso classificate come EMI/EMC e, se intenzionali, come jamming.

Effetti sui sistemi di comunicazione ed elettronici

• Rapporto segnale/rumore (SNR): riduzione dello SNR porta a peggioramento della qualità e della fedeltà del segnale. Lo SNR determina la sensibilità del ricevitore e la distanza operativa.
• Tasso di errori (BER): in sistemi digitali, l'aumento del rumore aumenta il bit error rate; esiste una relazione diretta tra SNR e BER per le diverse modulazioni.
• Degrado della qualità audio/video: rumore percepito come fruscio, distorsioni o artefatti nelle immagini e nei segnali multimediali.
• Instabilità di oscillatori e PLL: il rumore di fase provoca jitter e deriva di frequenza che compromettono sincronizzazione e prestazioni dei sistemi RF.
• Limitazione della sensibilità dei ricevitori: il rumore minimo rilevabile è fissato dal rumore termico e dall'eventuale rumore aggiunto dai componenti attivi (es. amplificatori).

Parametri e misura del rumore

• Densità spettrale di potenza (PSD): espressa in V^2/Hz o W/Hz, descrive come l'energia del rumore è distribuita in frequenza.
• Valore RMS: misura dell'ampiezza efficace del rumore su una data banda.
• Figura di rumore (Noise Figure, NF): indica quanto un componente (ad es. un amplificatore) degrada il rapporto SNR rispetto a un sistema ideale; si esprime in dB.
• Temperatura di rumore equivalente: esprime il rumore come una temperatura equivalente Teq che produce lo stesso livello di potenza termica.
• Unità comunemente usate: dBm, dBm/Hz per potenze e densità spettrali; V_rms e V^2/Hz in ambito elettronico.

Tecniche di mitigazione

• Progettazione a basso rumore: uso di componenti a basso rumore, amplificatori a basso NF (LNA) e ottimizzazione dell'impedenza di ingresso.
• Filtraggio: filtri passabanda o passa-basso per ridurre componenti di rumore fuori dalla banda utile.
• Schermatura e messa a terra: riducono le interferenze elettromagnetiche e i loop di massa.
• Codifica e controllo degli errori: codici di correzione (FEC), interleaving e ritrasmissione (ARQ) migliorano la robustezza dei dati trasmessi.
• Modulazione e tecniche di accesso: modulazioni robuste e tecniche come spread spectrum, OFDM e diversità spaziale/temporale possono aumentare la resilienza al rumore.
• Media e integrazione temporale: nelle misure e nel processamento dei segnali, la media riduce il rumore casuale (con aumento della costante di integrazione o larghezza di banda di misura controllata).
• Isolamento e filtraggio dell'alimentazione: riducono rumori indotti dalla rete di alimentazione e dai convertitori.

Esempi pratici

• In un ricevitore radio, il rumore termico e il rumore aggiunto dall'amplificatore fissano la sensibilità minima raggiungibile. L'uso di un LNA vicino all'antenna migliora lo SNR complessivo.
• Nei sistemi digitali a lunga distanza, schemi di codifica e la modulazione adeguata riducono il BER in presenza di rumore. Ad esempio, modulazioni più robuste come BPSK tollerano più rumore rispetto a QAM ad alta ordine.
• In acquisizione dati, la risoluzione dell'ADC e la progettazione del front-end influenzano il livello di rumore di quantizzazione e il rumore complessivo del sistema.

Considerazioni finali

Il rumore è un elemento fondamentale da considerare in qualsiasi progetto elettronico o di comunicazione. Comprendere le sue origini, misurarne le caratteristiche e applicare tecniche di mitigazione adeguate consente di migliorare le prestazioni, la robustezza e l'affidabilità dei sistemi. Sebbene non sia possibile eliminare completamente il rumore, una progettazione attenta può minimizzarne l'impatto sulla trasmissione e sul trattamento del segnale.

Domande e risposte

D: Cos'è il rumore in elettronica?

D: Il rumore si verifica in tutti i circuiti elettronici?

D: Come varia il rumore nei dispositivi elettronici?

D: Che cos'è il rumore nei sistemi di comunicazione?

D: Che cosa comprende il rumore?

D: Il rumore è uguale all'interferenza?

D: Quale lingua è più resistente al rumore, una lingua parlata o una lingua naturale?

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