Los ruidos molestos, lo básico...
(Marzo 2003) 
Preliminar. Ultima actualización 2003.03-27

Por Miguel R. Ghezzi (LU 6ETJ)
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SOLVEGJ Comunicaciones
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En realidad antes de escribir las otras partes de "Los ruidos molestos" debería haber escrito esta, pero en su momento no tenía la intención de realizar una descripción de todo el asunto, sino tan solo apuntar algunos aspectos de las especificaciones de los receptores. En la práctica cotidiana el ruido afecta nuestra actividad permanentemente y parece adecuado hablar de ello desde una perspectiva más amplia.

Me gustaría dedicar este artículo al Radio Club Morón, es decir a sus Socios y Comisión Directiva, quienes el año pasado me designaron Socio Honorario de la Institución, gesto que estimo en mucho y que, naturalmente, me llena de orgullo y emoción.
Escribir las referencias a los estáticos, me trajo el recuerdo de mis comienzos, cuando ese ruido mágico surgiendo del receptor al recorrer su dial me hacía soñar con lejanos contactos. Por ello quizás para nosotros los radioaficionados, el calificativo de ruido sea tal vez injusto y preferiríamos asociarlo a algo más amable, como la música, por eso creo que dedicarle un escrito que habla de ruidos radioeléctricos a un Club de radioaficionados pueda ser un adecuado reconocimiento...


¿Qué es el ruido?

Formalmente "ruido" es una interferencia a un proceso de comunicación. Nosotros definiremos al ruido simplemente como una señal indeseada que no está conectada con la señal deseada de ningún modo, nótese el uso de la palabra "señal" e "indeseada"; el hecho de que haya señales deseadas y señales indeseadas destaca el aspecto subjetivo de tal discriminación, no es pues una propiedad del fenómeno físico en si. Ya se trate de ondas electromagnéticas que arriban al receptor u ondas sonoras que hagan vibrar nuestro tímpano, nosotros decidimos si esa perturbación eléctromagnética del éter o esa presión sonora constituye un ruido o una señal. Así, "ruido" es tan solo un nombre que le adjudicamos a aquellas señales que no nos interesan. En contraste, la frecuencia de una señal, es una propiedad que ella posee por si misma y que permite distinguirla de otra mediante, por ejemplo, un circuito sintonizado. Es esa una diferencia física (la frecuencia) que un elemento físico (el circuito sintonizado) puede detectar, se trata pues de una diferencia objetiva.

Esto no significa que los ruidos no tengan patrones o características físicas distintivas al punto que algunos pueden ser distinguidas por circuitos electrónicos y entonces eliminarse o atenuarse por estos. Por ejemplo un ruido de baja frecuencia podría ser eficazmente eliminado mediante un filtro "pasaaltos" adecuado, pero no ha sido posible eliminarlo por ser un "ruido" sino por ser "de baja frecuencia".

La cuestión de "lo deseable" o no de una determinada señal puede comprenderse mediante un simple ejemplo. Tomemos los ruidos de origen cósmico, tales como los del sol, del centro galáctico o de los gases interestelares, justamente lo denominamos ruido porque aparece como un elemento perturbador en ciertas comunicaciones. Este ruido se origina entre otras cosas por las poderosas reacciones que se producen en las estrellas y los gases excitados. Cualquiera que lo oiga en un radio receptor no dudará en atribuirle el nombre de ruido porque suena precisamente a ruido, pero ese "ruido" transporta valiosísima información acerca de la naturaleza de las reacciones que se están produciendo en esos objetos; esa información es recogida y procesada por los radioastrónomos haciendo posible al avance de la astrofísica. Esas son las "señales" para las que diseña un radiotelescopio, podríamos llamarla muy propiamente "la música de las esferas". Si junto con esas señales apareciera de pronto una trasmisión de radioaficionados, para los instrumentos del radiotelescopio esa conversación sería ¡ruido...!

En muchas oportunidades la señal indeseada no tiene patrones o propiedades que permitan su fácil separación y  consecuente eliminación por dispositivos electrónicos relativamente sencillos. Eso sucede habitualmente con ruidos de características aleatorias de naturaleza impredecible, tal como los estáticos o el ruido blanco de los receptores. En general los ruidos que no responden a un patrón bien definido serán muy difíciles o aun imposibles de eliminar. 

Puesto que el ruido supone básicamente un juicio de valor acerca de una señal que se recibe no podemos esperar que elementos sencillos posean la inteligencia necesaria para realizar un proceso tan sutil y complicado como un "juicio de valor" y ser capaces de discriminar una cosa de la otra. Sería como esperar que una cámara fotográfica se niegue registrar en su película a personas "feas" mientras nos entrega coloridas imágenes de muchachas bonitas.

Ni siquiera una inteligencia es capaz distinguir la señal deseable de la indeseable cuando la diferencia entre ellas es insuficiente (baja relación señal ruido), porque de hecho nosotros, los que habitualmente las escuchamos, somos criaturas inteligentes y aun así cuando las condiciones son malas no logramos distinguir lo uno de lo otro.

A título de ejemplo (y créame que lamento darle esta mala noticia), podemos afirmar fuera de toda duda que una antena es un dispositivo incapaz de distinguir una onda electromagnética deseable de una indeseable que estén en la misma frecuencia y provengan de la misma dirección (con el mismo tipo de polarización). Esto echa por tierra todos nuestros sueño de tener una antena sencilla que sea más sensible a las señales que a los ruidos. Cuando eso sucede en la práctica es porque los ruidos provienen de direcciones distintas que las señales (y la antena tiene características direccionales a menudo no conocidas por el experimentador), o porque tienen diferente polarización o porque no es ruido electromagnético sino puramente eléctrico o puramente magnético (más sobre esto luego).

El ruido en relación con la información es un concepto que tiene sutilezas que exceden el marco de la práctica de nuestro hobby, sus raíces se asientan en los misterios más profundos de la naturaleza y, si bien para todos los fines prácticos podemos convivir con él y comprender bastante su conducta sin mayores problemas, aceptamos que no estamos tratando con algo ingenuamente simple y el lector inquieto que se sienta atraído y desee profundizar en este fascinante mundo encontrará en los tratados de física muchas claves interesantes acerca de este asunto en la termodinámica y en los principios de incertidumbre.

Los estáticos

Ya en los albores de la radio los investigadores se toparon con ruidos que dificultaban las comunicaciones pero que no se generaban en sus aparatos. Estos ruidos externos que se oían como chasquidos, siseos, etc. aparecían siempre que se conectaba la antena al receptor y desaparecían al desconectarla. Observaron que aunque provenían de la antena, no los producía ella por si misma, sino que que surgían del éter al igual que las señales que se pretendía escuchar. En aquellos tiempos, las señales inteligentes también consistían en chasquidos similares generados por los trasmisores a chispa cuando se los activaba mediante un manipulador telegráfico (clic aqui (1) para ejemplo). Los investigadores rápidamente comprendieron que esos ruidos no deseados eran de origen natural y que se producían principalmente por las descargas asociadas a los relámpagos producidos por las tormentas eléctricas, cargas electrostáticas producidas por el roce de partículas de gases y vapor entre si o con la antena, etc. (aunque no se limitaban únicamente a estos).

A medida que la sensibilidad de los receptores aumentaba se hacía patente que esas tormentas podían estar sucediendo a gran distancia. A esas señales de origen natural se los denominó en general "estáticos", "atmosféricos", "parásitos", etc., y se acostumbraba a emplear la palabra "ruido" sobre todo para aquellos de origen artificial tal como el producido por las escobillas de los motores, falsos contactos, etc.

Como muchos otros, los ruidos "estáticos" son disturbios que se producen simultáneamente en una muy amplia gama de las frecuencias de radio útiles. Cada descarga, por su naturaleza impulsiva, produce una frecuencia de radio fundamental y también numerosas frecuencias que son múltiplos enteros de la misma y que se denominan armónicas. Pero no consisten en una sola descarga sino en muchísimas que se están produciendo al mismo tiempo con distintas frecuencias fundamentales y armónicas asociadas. Eso da como resultado un espectro prácticamente continuo y bastante amplio. Para el caso es como si hubiera infinidad de estaciones (a chispa) trasmitiendo caóticamente al mismo tiempo y desde diferentes lugares.

Los estáticos son señales de radio con los mismos derechos que cualquier otra por lo tanto se propagan mediante los mismos mecanismos que las señales que nos interesan, están sujetos idénticas condiciones de propagación diurna y estacional. Por ejemplo, si tomamos la banda de los 40m, sabemos que mientras el sol está alto ella no está abierta al DX y los comunicados son relativamente locales, en ese caso los estáticos que oímos son de tormentas que se encuentran relativamente cerca. Hacia el atardecer o la noche, la banda se abre para comunicaciones a gran distancia y las condiciones para las cercanas empeoran, en tal situación los estáticos muy lejanos serán capaces afectar severamente a las señales recibidas, sean estas locales o no.

La distribución de energía de los estáticos cuyo origen es local es casi inversamente proporcional a la frecuencia, es decir que son más intensos en la frecuencias más bajas que en las más altas, así, cuando se están desarrollando tormentas en la geografía cercana ("cercana" puede significar cientos de kilómetros), operar en frecuencias más elevadas puede dar algún alivio a la situación.
Cuando el tiempo en el área geográfica en que está la estación receptora es bueno y estable, los estáticos que recibimos pueden resultar de tormentas muy lejanas y, puesto que su intensidad depende de las condiciones de propagación, puede llegar a ser mayor en bandas superiores, las que suelen favorecer las comunicaciones a miles de kilómetros, originando una distribución de energía distinta de la mencionada.
En las Frecuencias Muy Elevadas (VHF) los estáticos de origen atmosférico mucha menor intensidad, al mismo tiempo, en estas frecuencias, es raro que las señales alcancen grandes distancias, y por ambas razones el ruido provocado por ellos es marcadamente inferior.

Es muy importante resaltar que los estáticos se producen normalmente a distancias de la antena que siempre representan muchas longitudes de onda, por ende son ondas electromagnéticas irradiadas comunes y por eso ninguna antena es capaz de discriminarlos de otra onda electromagnética cualquiera en la misma frecuencia (luego ampliaremos este concepto).

Cómo luchar contra ellos

Por su naturaleza de ruido caótico y aleatorio no es fácil eliminarlos. Se han empleado distintos métodos y algunos modos de trasmisión son más efectivos que otros para soslayar los inconvenientes que producen.

Ancho de banda

Puesto que son señales que se distribuyen por un gran espectro de frecuencia, los encontraremos presentes con seguridad a uno y otro lado de la señal en las frecuencias adyacentes, por lo tanto un método para defenderse consiste en utilizar un receptor cuyo ancho de banda de recepción sea justo el necesario para acomodar el requerido por el modo de trasmisión empleado y no más que eso. De ese modo se evita la conversión a sonido de las señales que están fuera espectro necesario para la comunicación. Al mismo tiempo, si ella es del tipo vocal puede obtenerse una mejora adicional eliminando la recepción de aquellos sectores de la banda pasante de audiofrecuencia que trasmiten poca o ninguna información útil, mediante filtros de muesca ajustable, eso reduce aun más el ruido estático que aparece en el parlante. Ud. puede probar este efecto eliminando o disminuyendo la respuesta de audio en las frecuencias comprendidas entre los 500 a los 1500 Hz aproximadamente mediante un ecualizador gráfico o testearlo mediante un programa de procesamiento de audio con señales pregrabadas.

Limitadores

Cuando las tormentas son locales buena parte de los chasquidos son descargas de corta duración y gran amplitud que resultan de los relámpagos más cercanos y que están relativamente espaciados en el tiempo, en tal caso el empleo de circuitos limitadores (recortadores) ayuda a disminuir los efectos de aturdimiento que produce el sonido intenso,  las resonancias que se producen en el parlante (y posiblemente en los circuitos electrónicos) que extienden la duración del ruido, y tienden a evitar los efectos indeseados en los sistemas de control automático de volumen del receptor.

Cuando las tormentas son distantes el ruido es una suerte de áspero y continuo siseo resultante de la suma de todos las descargas que se producen en la zona donde se desarrollan y el método prácticamente no resulta efectivo.

Directividad en las antenas

Un medio excelente para reducir los estáticos (y otros ruidos también) consiste en emplear antenas con características directivas para recepción. La directividad puede aprovecharse eficazmente para evitar recibir los estáticos producidos por tormentas localizadas en alguna dirección por ejemplo mediante un diagrama de radiación del tipo cardioide que anula la recepción en un pequeño sector mientras atenúa poco el resto o bien escuchando solamente en la dirección de la estación deseada (lo cual es cómodo cuando es una sola o cuando están todas en la misma dirección aproximada). Aún en caso de estáticos que pueden provenir de todas las direcciones, como por ejemplo si la tormenta se encuentra "encima nuestro", el empleo de una antena direccional del tipo Yagi o cúbica tendrá efectos útiles al reducir gran parte del ruido proveniente de las direcciones distintas a la que está dirigida.
Hago hincapié en la palabra "recepción" porque pueden construirse antenas con características direccionales muy efectivas y de pequeño tamaño para recepción únicamente que inclusive pueden rotarse manualmente o emplearse en interiores (como las antenas de cuadro) y que son fáciles y económicas de construir. El equipo puede conmutarse mediante un relé a la antena normal durante la trasmisión.

Naturalmente, el beneficio se obtiene si la señal proviene de una dirección diferente que los parásitos. Una antena directiva puede emplearse para seguir el desarrollo de una tormenta a medida que la misma se va desplazando con lo que el aficionado curioso y emprendedor puede hallar otro modo de entretenimiento y aprendizaje adicional.

Procesadores digitales de señal DSP

Está moderna tecnología permite aprovechar en cierto grado el hecho de que los estáticos tienen una distribución de energía aleatoria lo cual permite que algoritmos matemáticos elaborados puedan hoy emplearse eficazmente en sistemas que emplean más "inteligencia" para separar la señal del ruido.

El ruido cósmico

Por ser de origen natural puede considerarse un "estático", pero su naturaleza es tan diferente que merece consideraciones especiales. Es más notable en las frecuencias altas y poseen características (al oído) muy parecidas a las del ruido propio del receptor o ruido blanco. Hacia mediados del siglo XX los investigadores advirtieron que apuntando sus antenas hacia el cielo el ruido aumentaba, pudieron situar su origen en la Vía láctea, de allí su nombre. Este "ruido" dio nacimiento a unas de las ciencias que más a permitido avanzar al hombre en su conocimiento del Cosmos y que hoy llamamos propiamente la Radioastronomía.

Con equipos que empleamos habitualmente podemos recibir estas fuentes de ruido extraterrestre en la banda de FE como en FME y FUE, especialmente con aquellos aptos para la recepción en CW o BLU y empleando antenas direccionales; esto puede darnos muchas satisfacciones al recorrer el camino de los pioneros. Explorar las características de las radiofuentes más importantes (Sol, Júpiter, centro galáctico) nos acerca a otro fascinante mundo que bien puede ser el comienzo de un nuevo hobby o la puerta de entrada a una futura carrera científica para los más jóvenes.

Ruidos de origen artificial

Los ruidos de origen artificial son de muy diversas especies. Algunos poseen un patrón bien definido lo cual hace posible el empleo de ingeniosos dispositivos para eliminarlos, por ejemplo el conocido "noise blanker" empleado para mitigar el ruido de ignición de los automotores.
Antiguamente no había demasiadas fuentes de ruido producido por artefactos creados por el hombre, lo habitual consistía en el generado en las escobillas de los motores, el de las bujías de encendido,  el chisporroteo de algún cartel de publicidad con tubos de Neón y los varios zumbidos relacionados con los 50 Hz de las líneas de alimentación de energía. Lamentablemente la aparición de aquellos engendrados en los sistemas de conmutación electrónica rápida han sufrido un incremento sideral en los últimos años, pudiendo mencionarse: barrido de monitores, convertidores de tensión empleados en lámpara de bajo voltaje y fluorescentes, sistemas digitales de variada procedencia y un generoso etcétera que hacen prácticamente imposible diseñar ingenios que puedan lidiar fácilmente con tal variedad de fuentes. 

Casi todos los ruidos producidos por estos artefactos son propagados por las líneas de distribución de energía eléctrica pero también por las telefónicas y otras. Por ello en nuestras ciudades el ruido de origen humano hoy en día tiene una preponderante polarización horizontal, justamente porque esas líneas están tendidas horizontalmente y pasan muy cerca de nuestras antenas receptoras. Seguramente haya leído u oído que los ruidos de origen humano tienden a tener polarización vertical. Eso ya no es cierto por lo recién apuntado.
Antiguamente, aunque muchos ruidos se propagaban por las líneas de energía, los mismos no eran tan locales y, puesto que esos ruidos se producían e irradiaban a bajas alturas, las componentes de polarización horizontal se atenuaban muy rápidamente quedando únicamente las de polarización vertical que podían propagarse a mayores distancias con menor atenuación (esa, de paso, es la razón por la cual un dipolo a baja altura es menos eficiente que una vertical a baja altura). Hoy las fuentes de ruido suelen ser tan cercanas que seguramente en nuestra manzana habrá muchas, por eso encontramos que están polarizados horizontalmente.

Poco o nada se puede hacer con los ruidos que la antena recibe y que provienen de su entorno pero es importante señalar que los ruidos que están presentes en nuestra línea eléctrica domiciliaria puede alcanzar la antena por medio de la línea de trasmisión y reingresar por la misma hacia las etapas sensibles del receptor, como. El empleo de balunes de bajas pérdidas, filtros de línea, chokes de RF confeccionados con la misma línea de trasmisión, empleo de antenas balanceadas como el dipolo común y hacer que la línea esté perpendicular a la antena ayuda a disminuir esta clase de circuito de ruido. Las antenas desbalanceadas, tales como antenas de hilo largo, etc, son mucho más susceptibles a él.

Diferencia entre el ruido eléctrico, el magnético y electromagnético

La teoría fundamental del electromagnetismo es demasiado compleja como para exponerla en un artículo básico como el presente y probablemente esté bastante más allá de la expectativa del aficionado promedio, por ello señalaremos algunas cuestiones importantes sin pretender dar cuenta acabada del fenómeno.

Existen campos magnéticos variables, campos eléctricos variables y campos electromagnéticos. Un campo eléctrico o un campo magnético variables no son lo mismo que un campo electromagnético, del mismo modo que un hombre y un caballo no son lo mismo que un centauro. Podemos tener campos magnéticos variables que no poseen componentes eléctricas significativas y podemos tener campos eléctricos variables sin componentes magnéticas significativas o con relaciones de fase tales que no constituyen un campo electromagnético en regla.

Pero existe un campo al que llamamos "electromagnético" que contiene ambas componentes simultáneamente, es decir que está compuesto tanto por un campo magnético como por un campo eléctrico variable pero con ciertos requisitos tales como: Comparten el mismo espacio en un dado instante, sus vectores representativos se encuentran en fase formando ángulo recto entre si y se propagan en una dirección que es perpendicular a ambos a la vez. Este campo es, entonces, una verdadera onda de radio.

Reiterando, podemos decir que una onda de radio capaz transportar energía a puntos distantes es una configuración especial del campo eléctrico y el campo magnético llamada "campo electromagnético".

En cambio un campo magnético variable no puede transportar energía a grandes distancias por el espacio ni tampoco puede hacerlo un campo eléctrico variable por si solo sin que se produzca su "mutación". Esta mutación es una propiedad fundamental de la naturaleza por la cual siempre un campo eléctrico variable producirá un campo magnético variable y un campo magnético variable producirá un campo magnético variable.

Encontramos que los campos magnéticos o eléctricos variables "puros" pueden mantenerse bastante su identidad mientras estén constreñidos a ciertos lugares tales como el núcleo de un inductor o las placas de un capacitor (y aun esto solamente si las frecuencias no son muy altas, es decir mientras que el tamaño de esos elementos circuitales sea pequeño respecto de la longitud de onda involucrada). Si les damos libertad, rápidamente dejan de ser "puros" para ser "mixtos". Eso da lugar a que el campo de una antena se clasifique en el campo cercano (near field) y el campo lejano (far field). En el campo cercano está presente, además de un campo irradiado, el "campo de inducción", así llamado pues en él se manifiestan fenómenos de almacenamiento e intercambio de energía con el generador. Cuando decimos intercambio y almacenamiento queremos decir que no toda la energía presente en el campo cercano es irradiada produciéndose los mismos fenómenos de inducción magnética y electrostática que se encuentran en capacitores e inductores.
A la distancia en que se produce la transición entre el campo cercano y el lejano se la denomina "Distancia de Rayleigh" y puede estimarse como 2d2/lambda donde "d" es la máxima dimensión de la estructura irradiante y lambda es la longitud de onda. La transición es gradual y el límite no puede establecerse con exactitud. El campo lejano consiste totalmente de energía irradiada que ya ha escapado definitivamente de la antena. 

Dicho lo anterior podemos afirmar que cualquier ruido de tipo eléctrico, a unas pocas longitudes de onda de su origen se convertirá en ruido electromagnético y por lo tanto será recibido perfectamente por una antena especialmente sensible a los campos magnéticos tal como la antena de cuadro o "magnetic loop" justamente porque el ruido tiene toda su componente magnética presente igual que cualquier otra señal. Lo mismo puede afirmarse de los ruidos puramente magnéticos.
Lo apuntado significa que las ventajas en cuanto a inmunidad al ruido eléctrico o magnético que una antena pueda llegar a tener, será beneficiosa únicamente en el caso que la misma se encuentre dentro del campo cercano de la fuente del ruido, ergo, a una distancia muy corta de ella. Más allá de esta distancia el campo puramente eléctrico o puramente magnético se habrá convertido en campo electromagnético irradiado y la antena tendrá que captarlo, si no lo hiciera, tampoco sería capaz de hacerlo con cualquier otro que transporte una señal deseable.

El lector encontrará en su práctica radial muchas creencias en otro sentido pero ellas contradicen las leyes fundamentales del electromagnetismo y, aunque a veces resultan de experiencias concretas que dan origen a las mismas, las conclusiones son inexactas. Un ejemplo muy tosco sería el de una antena con ciertas características directivas inadvertidas: al instalarla notamos quizás una disminución importante en el ruido y concluimos apresuradamente que la antena es más "silenciosa" sin ver que ella ha dejado de ser capaz de recibir las señales provenientes de la dirección "ruidosa".

73's...

(1) El archivo pertenece al señor John S. Belrose. Recomiendo su excelente artículo titulado "The Sounds of a Spark Transmitter: Telegraphy and Telephony" que se encuentra en: http://www.acmi.net.au/AIC/SPARK_SOUNDS.html. Agradezco la colaboración de su autor. 


Bibliografía consultada:

Gonorovsky, I.S. Señales y circuitos radiotécnicos. Editorial Mir, Moscú, 1972.

Lathi, B.P., Communications Systems.

Nikolsky, V. V., Electrodinámica y propagación de ondas de radio. Editorial Mir, Moscú. 1976.

Resnik, Robert , Halliday, David , Física, parte ll.

Sears, Francis W., Zemansky, Mark W., Física, CIA Editorial Continental. S.A. México, 1973.

Terman Frederic E., Manual del Radio Ingeniero. Editorial HASA, Bs. As. 1947.

— Ingeniería de Radio. Editorial Arbó, Bs. As. 1952.


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